第二章邏輯門電路

第二章邏輯門電路一、二極管與門和或門電路1．與門電路

2.1基本邏輯門電路輸入輸出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0011輸入0001輸出

與邏輯真值表第二章邏輯門電路

2．或門電路輸入輸出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5V0101BLA0011輸入0111輸出

或邏輯真值表第二章邏輯門電路二、三極管非門電路輸入輸出VA（V）VL（V）0V5V5V0VLA01輸入10輸出非邏輯真值表第二章邏輯門電路二極管與門和或門電路的缺點：（1）在多個門串接使用時，會出現(xiàn)低電平偏離標準數(shù)值的情況。（2）負載能力差。第二章邏輯門電路解決辦法：將二極管與門（或門）電路和三極管非門電路組合起來。第二章邏輯門電路三、DTL與非門電路工作原理：（1）當(dāng)A、B、C全接為高電平5V時，二極管D1～D3都截止，而D4、D5和T導(dǎo)通，且T為飽和導(dǎo)通，VL，即輸出低電平。（2）A、B、C中只要有一個為低電平時，則VP≈1V，從而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即輸出高電平。所以該電路滿足與非邏輯關(guān)系，即：第二章邏輯門電路2.2TTL邏輯門電路一、TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)及工作原理1．TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)第二章邏輯門電路TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)第二章邏輯門電路2．TTL與非門的邏輯關(guān)系（1）輸入全為高電平V時。

T2、T3飽和導(dǎo)通，實現(xiàn)了與非門的邏輯功能之一：輸入全為高電平時，輸出為低電平。由于T2飽和導(dǎo)通，VC2=1V。T4和二極管D都截止。由于T3飽和導(dǎo)通，輸出電壓為：

VO=VCES3V第二章邏輯門電路該發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，VB1=1V。T2、T3都截止。（2）輸入有低電平V

時。

實現(xiàn)了與非門的邏輯功能的另一方面：輸入有低電平時，輸出為高電平。忽略流過RC2的電流，VB4≈VCC=5V

。由于T4和D導(dǎo)通，所以：

VO≈VCC-VBE4-VD

（V）綜合上述兩種情況，該電路滿足與非的邏輯功能，即：第二章邏輯門電路二、TTL與非門的開關(guān)速度1．TTL與非門提高工作速度的原理（1）采用多發(fā)射極三極管加快了存儲電荷的消散過程。第二章邏輯門電路（2）采用了推拉式輸出級，輸出阻抗比較小，可迅速給負載電容充放電。第二章邏輯門電路2．TTL與非門傳輸延遲時間tpd導(dǎo)通延遲時間tPHL——從輸入波形上升沿的中點到輸出波形下降沿的中點所經(jīng)歷的時間。一般TTL與非門傳輸延遲時間tpd的值為幾納秒～十幾個納秒。截止延遲時間tPLH——從輸入波形下降沿的中點到輸出波形上升沿的中點所經(jīng)歷的時間。與非門的傳輸延遲時間tpd：

第二章邏輯門電路三、TTL與非門的電壓傳輸特性及抗干擾能力1．電壓傳輸特性曲線：Vo=f（Vi）ABCDE第二章邏輯門電路（1）輸出高電平電壓VOH——在正邏輯體制中代表邏輯“1”的輸出電壓。VOH的理論值為V，產(chǎn)品規(guī)定輸出高電壓的最小值VOH（min）V。（2）輸出低電平電壓VOL——在正邏輯體制中代表邏輯“0”的輸出電壓。VOL的理論值為V，產(chǎn)品規(guī)定輸出低電壓的最大值VOL（max）V。（3）關(guān)門電平電壓VOFF——是指輸出電壓下降到VOH（min）時對應(yīng)的輸入電壓。即輸入低電壓的最大值。在產(chǎn)品手冊中常稱為輸入低電平電壓，用VIL（max）表示。產(chǎn)品規(guī)定VIL（max）V。2．幾個重要參數(shù)第二章邏輯門電路（4）開門電平電壓VON——是指輸出電壓下降到VOL（max）時對應(yīng)的輸入電壓。即輸入高電壓的最小值。在產(chǎn)品手冊中常稱為輸入高電平電壓，用VIH（min）表示。產(chǎn)品規(guī)定VIH（min）=2V。（5）閾值電壓Vth——電壓傳輸特性的過渡區(qū)所對應(yīng)的輸入電壓，即決定電路截止和導(dǎo)通的分界線，也是決定輸出高、低電壓的分界線。近似地：Vth≈VOFF≈VON

即Vi＜Vth，與非門關(guān)門，輸出高電平；

Vi＞Vth，與非門開門，輸出低電平。

Vth又常被形象化地稱為門檻電壓。Vth的值為V～1.４V。第二章邏輯門電路低電平噪聲容限VNL＝VOFF-VOL（max）＝VV＝V高電平噪聲容限VNH＝VOH（min）-VON＝VV＝VTTL門電路的輸出高低電平不是一個值，而是一個范圍。3．抗干擾能力同樣，它的輸入高低電平也有一個范圍，即它的輸入信號允許一定的容差，稱為噪聲容限。第二章邏輯門電路四、TTL與非門的帶負載能力1．輸入低電平電流IIL與輸入高電平電流IIH

（1）輸入低電平電流IIL——是指當(dāng)門電路的輸入端接低電平時，從門電路輸入端流出的電流。可以算出：產(chǎn)品規(guī)定IIL＜mA。第二章邏輯門電路（2）輸入高電平電流IIH——是指當(dāng)門電路的輸入端接高電平時，流入輸入端的電流。

有兩種情況:

①寄生三極管效應(yīng)：

IIH=βPIB1，βP為寄生三極管的電流放大系數(shù)。

由于βp和βi的值都遠小于1，所以IIH的數(shù)值比較小，產(chǎn)品規(guī)定：IIH＜40uA。②倒置的放大狀態(tài)：

IIH=βiIB1，βi為倒置放大的電流放大系數(shù)。第二章邏輯門電路

（1）灌電流負載——當(dāng)驅(qū)動門輸出低電平時，電流從負載門灌入驅(qū)動門。2．帶負載能力

當(dāng)負載門的個數(shù)增加，灌電流增大，會使T3脫離飽和，輸出低電平升高。因此，把允許灌入輸出端的電流定義為輸出低電平電流IOL，產(chǎn)品規(guī)定IOL=16mA。由此可得出:NOL稱為輸出低電平時的扇出系數(shù)。第二章邏輯門電路

（2）拉電流負載——當(dāng)驅(qū)動門輸出高電平時，電流從驅(qū)動門拉出,流至負載門的輸入端。

NOH稱為輸出高電平時的扇出系數(shù)。產(chǎn)品規(guī)定:IOHmA。由此可得出：

拉電流增大時，RC4上的壓降增大，會使輸出高電平降低。因此，把允許拉出輸出端的電流定義為輸出高電平電流IOH。一般NOL≠NOH，常取兩者中的較小值作為門電路的扇出系數(shù)，用NO表示。第二章邏輯門電路五、TTL與非門舉例——74007400是一種典型的TTL與非門器件，內(nèi)部含有4個2輸入端與非門，共有14個引腳。引腳排列圖如圖所示。第二章邏輯門電路六、TTL門電路的其他類型1．非門第二章邏輯門電路2．或非門第二章邏輯門電路3．與或非門第二章邏輯門電路

在工程實踐中，有時需要將幾個門的輸出端并聯(lián)使用，以實現(xiàn)與邏輯，稱為線與。普通的TTL門電路不能進行線與。為此，專門生產(chǎn)了一種可以進行線與的門電路——集電極開路門。4．集電極開路門（OC門）第二章邏輯門電路（1）實現(xiàn)線與。邏輯關(guān)系為:OC門主要有以下幾方面的應(yīng)用：（2）實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。如圖示，可使輸出高電平變?yōu)?0V。（3）用做驅(qū)動器。如圖是用來驅(qū)動發(fā)光二極管的電路。第二章邏輯門電路（1）當(dāng)輸出高電平時，

RP不能太大。RP為最大值時要保證輸出電壓為VOH（min）。OC門進行線與時，外接上拉電阻RP的選擇：得：VCC-VOH（min）=IIHRP（max）

由：第二章邏輯門電路（2）當(dāng)輸出低電平時

所以：RP（min）＜RP＜RP（max）由：得：RP不能太小。RP為最小值時要保證輸出電壓為VOL（max）。第二章邏輯門電路（1）三態(tài)輸出門的結(jié)構(gòu)及工作原理。當(dāng)EN=0時，G輸出為1，D1截止，相當(dāng)于一個正常的二輸入端與非門，稱為正常工作狀態(tài)。當(dāng)EN=1時，G輸出為0，T4、T3都截止。這時從輸出端L看進去，呈現(xiàn)高阻，稱為高阻態(tài)，或禁止態(tài)。5．三態(tài)門去掉非門G，則EN=1時，為工作狀態(tài)，EN=0時，為高阻態(tài)。第二章邏輯門電路三態(tài)門在計算機總線結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用。（a）組成單向總線——實現(xiàn)信號的分時單向傳送。（b）組成雙向總線，實現(xiàn)信號的分時雙向傳送。（2）三態(tài)門的應(yīng)用第二章邏輯門電路七、TTL集成邏輯門電路系列簡介1．74系列——為TTL集成電路的早期產(chǎn)品，屬中速TTL器件。2．74L系列——為低功耗TTL系列，又稱LTTL系列。3．74H系列——為高速TTL系列。4．74S系列——為肖特基TTL系列，進一步提高了速度。74S系列的幾點改進：（1）采用了抗飽和三極管第二章邏輯門電路5．74LS系列——為低功耗肖特基系列。6．74AS系列——為先進肖特基系列，7．74ALS系列——為先進低功耗肖特基系列。（2）將Re2用“有源泄放電路代替”。（3）輸出級采用了達林頓結(jié)構(gòu)。（4）輸入端加了三個保護二極管。74S系列的幾點改進：（1）采用了抗飽和三極管第二章邏輯門電路所以輸出為低電平。一、NMOS門電路1．NMOS非門2.3MOS邏輯門電路邏輯關(guān)系：（設(shè)兩管的開啟電壓為VT1=VT2=4V，且gm1＞＞gm2）（1）當(dāng)輸入Vi為高電平8V時，T1導(dǎo)通，T2也導(dǎo)通。因為gm1＞＞gm2，所以兩管的導(dǎo)通電阻RDS1＜＜RDS2，輸出電壓為：

第二章邏輯門電路（2）當(dāng)輸入Vi為低電平0V時，2．NMOS門電路（1）與非門T1截止，T2導(dǎo)通。

VO=VDD-VT=8V=VOH

，即輸出為高電平。

所以電路實現(xiàn)了非邏輯。0101BLA0011輸入1110輸出

與非真值表第二章邏輯門電路（2）或非門0101BLA0011輸入1000輸出

或非真值表第二章邏輯門電路1．邏輯關(guān)系：（設(shè)VDD＞（VTN+|VTP|），且VTN=|VTP|）（1）當(dāng)Vi=0V時，TN截止，TP導(dǎo)通。輸出VO≈VDD。（2）當(dāng)Vi=VDD時，TN導(dǎo)通，TP截止，輸出VO≈0V。二、CMOS非門

CMOS邏輯門電路是由N溝道MOSFET和P溝道MOSFET互補而成。第二章邏輯門電路（1）當(dāng)Vi＜2V，TN截止，TP導(dǎo)通，Vo≈VDD=10V。

2．電壓傳輸特性：CMOS門電路的閾值電壓Vth=VDD/2（設(shè):VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）（2）當(dāng)2V＜Vi＜5V，TN工作在飽和區(qū)，TP工作在可變電阻區(qū)。

（3）當(dāng)Vi=5V，兩管都工作在飽和區(qū)，

Vo=（VDD/2）=5V。（4）當(dāng)5V＜Vi＜8V，

TP工作在飽和區(qū)，

TN工作在可變電阻區(qū)。（5）當(dāng)Vi＞8V，TP截止，

TN導(dǎo)通，Vo=0V。

第二章邏輯門電路3．工作速度

由于CMOS非門電路工作時總有一個管子導(dǎo)通，所以當(dāng)帶電容負載時，給電容充電和放電都比較快。CMOS非門的平均傳輸延遲時間約為10ns。第二章邏輯門電路（2）或非門三、其他的CMOS門電路1．CMOS與非門和或非門電路（1）與非門第二章邏輯門電路（3）帶緩沖級的門電路

為了穩(wěn)定輸出高低電平，可在輸入輸出端分別加反相器作緩沖級。

第二章邏輯門電路后級為與或非門，經(jīng)過邏輯變換，可得：2．CMOS異或門電路由兩級組成，前級為或非門，輸出為第二章邏輯門電路當(dāng)EN=1時，TP2和TN2同時截止，輸出為高阻狀態(tài)。所以，這是一個低電平有效的三態(tài)門。3．CMOS三態(tài)門當(dāng)EN=0時，TP2和TN2同時導(dǎo)通，為正常的非門，輸出第二章邏輯門電路4．CMOS傳輸門

工作原理：（設(shè)兩管的開啟電壓VTN=|VTP|）（1）當(dāng)C接高電平VDD，接低電平0V時，若Vi在0V～VDD的范圍變化，至少有一管導(dǎo)通，相當(dāng)于一閉合開關(guān)，將輸入傳到輸出，即Vo=Vi。（2）當(dāng)C接低電平0V，接高電平VDD，Vi在0V～VDD的范圍變化時，TN和TP都截止，輸出呈高阻狀態(tài)，相當(dāng)于開關(guān)斷開。第二章邏輯門電路1．CMOS邏輯門電路的系列（1）基本的CMOS——4000系列。（2）高速的CMOS——HC系列。（3）與TTL兼容的高速CMOS——HCT系列。2．CMOS邏輯門電路主要參數(shù)的特點（1）VOH（min）VDD；VOL（max）VDD。所以CMOS門電路的邏輯擺幅（即高低電平之差）較大。（2）閾值電壓Vth約為VDD/2。（3）CMOS非門的關(guān)門電平VOFF為VDD，開門電平VON為VDD。因此，其高、低電平噪聲容限均達VDD。（4）CMOS電路的功耗很小，一般小于1mW/門；（5）因CMOS電路有極高的輸入阻抗，故其扇出系數(shù)很大，可達50。四、CMOS邏輯門電路的系列及主要參數(shù)第二章邏輯門電路一、TT