2集成逻辑门电路.docx
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2集成逻辑门电路
第二部分集成逻辑门电路
课题：
分立元件门电路
教学目的：
理解二极管的含义与作用；掌握二极管与门、或门和三极管非门电路的逻辑符号及真值表。
教学重点：
二极管与门、或门和非门的逻辑符号及真值表
教学难点：
二极管与门、或门和非门电路的工作原理
教学方法：
讲授法和讨论交流法
教具：
无
课时：
2
教学内容
门电路是构成数字电路的基本逻辑单元。
在理论分析与设计中，每一个逻辑单元都是用逻辑符号来表示，而在工程中每一个逻辑符号都对应着一种电路，并通过集成工艺制作成一种集成器件，称为集成逻辑门电路。
2.1分立元件门电路
用以实现各种基本逻辑关系的电子电路称为门电路。
它们是组成其它逻辑功能电路的基础。
由于分立元件门电路的结构简单，便于阐述有关工作原理，所以是学习集成门电路的入门。
2.1.1二极管与门
1.电路组成及逻辑符号
图2-1（a）是一个由二极管组成的与门，图2-1（b）是它的逻辑符号。
图中A和B是输入信号，Y是输出信号，输入高、低电平分别为3V和0V，二极管正向导通时压降为0.7V。
（a）电路图（b）逻辑符号
图2-1二极管与门
2.工作原理
（1）A=B=0V时，二极管VD1和VD2都导通，输出Y=0.7V，为低电平。
（2）A=0V，B=3V时，二极管VD1优先导通，输出Y=0.7V，为低电平。
此时VD2截止。
（3）A=3V，B=0V时，二极管VD2优先导通，输出Y=0.7V，为低电平。
此时VD1截止。
（4）A=B=3V时，二极管VD1和VD2都导通，输出Y=3.7V，为高电平。
3.输入与输出电压关系及真值表
把上述分析结果归纳起来很容易得出表2-1的输入与输出电压之间的关系。
如果采用正逻辑（1表示高电平，0表示低电平）体制，则可以列出与门的真值表见2-2。
由与门真值表可知，与门的逻辑表达式为
表2-1与门输入与输出电压关系表2-2与门的真值表
输入
输出
Y（V）
A（V）
B（V）
0
0
3
3
0
3
0
3
0.7
0.7
0.7
3.7
输入
输出
Y
A
B
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
增加一个输入端和一个二极管，就可变成三输入端与门。
按此办法可构成更多输入端的与门。
2.1.2二极管或门
1.电路组成及逻辑符号
图2-2（a）所示为二极管或门电路，图（b）为其逻辑符号。
其中A、B为输入信号，Y为输出信号，输入低电平仍然为0V，高电平为3V。
二极管导通时VD＝0.7V。
（a）电路图 （b）逻辑符号
图2-2二极管或门
2.工作原理
由2-2（a）可知：
当输入A、B中有一个为高电平3V，输出Y便为高电平2.3V；只有当A、B都为低电平0V时，输出Y才为低电平0V。
由此得到二极管或门输入与输出电压关系表见表2-3，二极管或门的真值表见表2-2。
由真值表可知，或门的逻辑表达式为Y=A+B
表2-3或门输入与输出电压关系
输入
输出
Y（V）
A（V）
B（V）
0
0
3
3
0
3
0
3
0
2.3
2.3
2.3
表2-4或门的真值表
输入
输出
Y
A
B
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
同样，可用增加输入端和二极管的方法，构成更多输入端的或门。
2.1.3三极管非门
1．电路组成
图2-3（a）所示为三极管非门电路，图（b）为其逻辑符号。
其中A为输入信号，Y为输出信号。
三极管VT饱和导通时，VBE＝0.7V，VCES＝0.3V，当VBE<0.5V时，三极管截止，IC＝0。
（a）电路图 （b）逻辑符号
图2-3三极管非门
2．工作原理
（1）A=0V时，三极管的发射结电压小于死区电压，满足截止条件，所以管子截止，Y=5V。
（2）A=5V时，三极管的发射结正偏，管子导通，有Y＝0.3V≈0V。
把上述分析结果列入表2-5中，并得到表2-6所示的真值表。
可见输出电平正好和输入电平反相，所以是反相器。
表2-5非门输入与输出电压关系
输入
A（V）
输出
Y（V）
0
5
5
0．3
表2-6非门的真值表
输入
A
输出
Y
0
1
1
0
输出Y的逻辑表达式为
课题：
TTL集成逻辑门电路
教学目的：
理解TTL与非门电路的电压传输特性，了解其电路参数；掌握OC门、TS门的逻辑符号及其应用；理解TTL集成逻辑门电路使用规则。
教学重点：
OC门、TS门的逻辑符号及其应用；TTL集成逻辑门电路使用规则。
教学难点：
TTL与非门电路的参数及TTL集成逻辑门电路的正确使用
教学方法：
讲授法和讨论交流法
教具：
无
课时：
2
教学内容
2.2TTL集成逻辑门电路
TTL电路是一种由双极型晶体管组成的集成电路。
由于其输入级和输出级均采用了三极管，所以称之为晶体管－晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。
2.2.1TTL与非门电路
1．TTL与非门的基本结构
电路如图2-4所示，它由输入级、中间级、输出级三个部分组成。
（1）输入级
由多发射极晶体管VT1及电阻Rb1组成。
VT1的三个发射极与基极形成的三个发射结可等效为三只二极管，起与门的作用，故VT1用以实现与逻辑功能。
用多发射极晶体管代替二极管作与门，有利于提高门电路的工作速度。
（2）中间级
由VT2、Rc2、Re2组成。
VT2集电极和发射极输出两个逻辑电平相反的信号，分别用以驱动VT3和VT4。
（3）输出级
由VT3、VT4及VD、Rc4组成。
VT3、VT4构成推拉式结构的输出级，两管在不同输入信号作用下轮流导通，输出高低电平。
2．工作原理
设输入uI的高电平UIH＝3.6V，低电平UIL＝0.3V，三极管的正向压降为0.7V。
（1）当输入A、B、C中有一个或多个为低电平UIL＝0.3V时，VT1的发射结正向导通，VT1的基极电压uB1＝1V，使VT2和VT4截止。
这时，VT2的集电极电压uc2≈VCC＝5V，为高电平，使VT3和二极管VD导通，输出uO为高电平UOH，其值为
uO＝3.6V
（2）当输入A、B、C都为高电平UIH＝3.6V时，电源VCC通过R1和VT1集电结向VT2和VT4提供基极电流，使VT2和VT4饱和，输出uO为低电平UOL，其值为
uO≈0.3V
可见，电路实现了反相器的逻辑功能：
输入高电平，输出为低电平；输入低电平，输出为高电平。
其输出与输入间具有与非逻辑关系，输出逻辑表达式为：
3．TTL与非门的电压传输特性及主要参数
（1）电压传输特性曲线
电压传输特性曲线是指输出电压与输入电压之间的对应关系曲线，即uo=f（uI），它反映了电路的静态特性。
与非门传输特性的测试方法如图2-5所示，其电压传输特性如图2-6所示。
图2-5 传输特性的测试方法图2-6TTL与非门的电压传输特性
TTL与非门的电压传输特性曲线可分为四段：
AB段（截止区）、BC段（线性区）、CD段（过渡区）、DE段（饱和区）。
①AB段：
此时输入电压uI很低（＜0.6V），VT1的发射结正向偏置。
其基极电压uB1＜1.3V，VT2和VT3截止，VT2集电极电压uC2为高电平，使VT4、VD导通，输出uO为高电平，UOH≈3.6V。
这时与非门工作在截止区。
②BC段：
当输入电压uI增加，使VT2导通，但VT3仍处于截止状态时，由于VT2的放大作用，，使得uI↑→uB2↑→ic2↑→uC2↓，uO将线性下降。
故BC段称为线性区。
③CD段：
当uI继续增加，VT2和VT3同时导通，由于VT2和VT3的放大作用，使得uO迅速下降。
这时与非门工作在转折区，又称过渡区。
④DE段：
由于uI继续增加，使得VT2和VT3均饱和，VT4截止，电路输出低电平。
这时与非门工作在饱和区。
（2）几个重要参数
从TTL与非门的电压传输特性曲线上，我们可以定义几个重要的电路指标。
①输出高电平UOH——UOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值UOH（min）=2.4V，即大于2.4V的输出电压就可称为输出高电压UOH。
②输出低电平UOL。
UOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值UOL（max）=0.4V，即小于0.4V的输出电压就可称为输出低电压UOL。
由上述规定可以看出，TTL门电路的输出高低电压都不是一个值，而是一个电压范围。
③关门电平UOFF。
UOFF就是保证输出为额定高电平时所允许输入低电平的最大值，一般要求UOFF≥0.8V。
④开门电平电压UON。
它是保证输出为额定低电平时所允许的输入高电平的最小值，一般要求UON≤1.8V。
⑤阈值电压Uth。
它是指电压传输特性曲线上转折区中点所对应的输入电压值，也即是决定输出高、低电压的分界线。
Uth的值为1.3V～1.４V。
⑥噪声容限。
也称抗干扰能力，它是反映门电路抗干扰能力强弱的参数，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。
⑦扇出系数N0。
指与非门正常工作时能驱动的同类门的个数。
对于典型电路，N0≥8。
2.2.2其它功能的TTL门电路
TTL集成逻辑门电路除与非门外，常用的还有集电极开路与非门、或非门、与或非门、三态门和异或门等，它们的逻辑功能虽各不相同，但都是在与非门的基础上发展起来的。
因此，前面讨论的TTL与非门的特性对这些门电路同样适用。
1．集电极开路与非门（OC门）
（1）OC门的电路结构及工作原理
在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为线与。
如果将G1、G2两个TTL与非门的输出直接连接起来，如图2-7所示，当G1输出为高，G2输出为低时，从G1的电源VCC通过G1的VT4、VD到G2的VT3，形成一个低阻通路，产生很大的电流，输出既不是高电平也不是低电平，逻辑功能将被破坏，还可能烧毁器件。
所以普通的TTL门电路是不能进行线与的。
为满足实际应用中实现线与的要求，专门生产了一种可以进行线与的门电路——集电极开路门，简称OC门，其电路结构及逻辑符号如图2-8所示。
这种门电路工作时，需要在输出级开路的集电极和电源之间加负载电阻，该负载电阻称为上拉电阻ＲP。
只要RP的值选择得当，就能做到既保证输出高、低电平符合要求，又能做到输出级三极管不过载。
电路工作原理如下：
当输入A、B都为高电平时，VT2和VT3饱和导通，输出低电平；当输入A、B中有低电平时，VT2和VT3截止，输出高电平。
因此，OC门具有与非功能。
其逻辑表达式为
（2）OC门的应用
集电极开路与非门开关速度较低，但逻辑功能灵活，应用广泛。
①实现线与。
两个OC门实现线与时的电路如图2-9所示。
此时输出Y的逻辑表达式为：
注意：
图2-9所示电路必须外接集电极负载电阻，才能实现与非门的逻辑功能。
②实现电平转换。
在数字系统的接口部分（与外部设备相联接的地方）需要有电平转换的时候，常用OC门来完成。
图2-10所示为上拉电阻接到10V电源上，这样在OC门输入普通的TTL电平，而输出高电平就可以变为10V。
图2-10OC门实现电平转换 图2-11OC门驱动发光二极管
③用做驱动器。
可用OC门来驱动发光二极管、指示灯、继电器和脉冲变压器等。
图2-11是用OC门来驱动发光二极管的显示电路。
该电路只有在输入都为高电平时，输出才为低电平，发光二极管导通发光，否则，输出高电平，发光二极管熄灭。
2．三态输出门（TS门）
三态输出门（简称TS门）是在普通门的基础上附加控制电路而构成的，是指不仅可输出高电平、低电平两个状态，而且输出还可呈高阻状态的门电路。
图2-12给出了三态门的电路图及逻辑符号，逻辑符号中的“▽”表示输出为三态。
（a）电路图（b）逻辑符号
图2-12三态输出门
三态输出门的主要用途是实现总线传输。
2.2.3TTL集成逻辑门电路系列
1．CT54系列和CT74系列
CT54系列和CT74系列具有完全相同的电路结构和电气性能参数。
所不同的是CT54系列TTL集成电路更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作，常用于军品；而CT74系列TTL集成电路则适合在常规条件下工作，常用于民品。
2．TTL集成逻辑门电路的子系列及比较
（1）TTL集成逻辑门电路的子系列
CT54系列和CT74系列的几个子系列的主要区别表现在它们的平均传输延迟时间tpd和平均功耗这两个参数上。
下面以CT74系列为例说明它的各子系列的主要区别。
1CT74标准系列。
为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。
2CT74H高速系列，为CT74标准系列的改进型产品。
提高了工作速度和负载能力。
3CT74L低功耗系列。
电路的平均功耗很小，约为1mW／门，但平均传输延迟时间较长，约为33ns／门。
④CT74S肖特基系列，电路中采用了抗饱和三极管，有效地降低了三极管的饱和深度，同时，电阻的阻值也不大，从而提高了电路的工作速度，在TTL各子系列中，它的工作速度是很高的，但电路的平均功耗较大，约为19mW／门。
⑤CT74LS低功耗肖特基系列。
电路既具有较高的工作速度，又有较低的平均功耗。
⑥CT74AS先进肖特基系列。
工作速度高，但平均功耗较大，约为8mW／门。
⑦CT74ALS先进低功耗肖特基系列。
电路的平均功耗低、工作速度高
2.2.4TTL集成逻辑门电路的使用规则
1．电源电压及电源干扰的消除
54系列门电路电源电压可以在±10％的范围内变化，即应满足5V×（1±10％）；而74系列的电源电压只能在±5％的范围内变化，即应满足5V×（1±5％）的要求，且电源极性和地线不能接错。
为了防止外来干扰通过电源串入电路，需要对电源进行滤波，通常在印制电路板的电源输入端接入10～100μF的电容进行滤波，在印制电路板上，每隔6～8个门加接一个0.01～0.1μF的电容对高频进行滤波。
2．输出端的连接
具有推拉输出结构的TTL门电路的输出端不允许直接并联使用。
输出端不允许直接接电源Vcc或直接接地。
使用时，输出电流应小于产品手册上规定的最大值。
三态输出门的输出端可并联使用，但在同一时刻只能有一个门正常工作，其余处于高阻状态。
集电极开路门（OC门）输出端可以并联使用（线与），但输出端必须外接上拉电阻RL到电源。
3．闲置（多余）输入端的处理
TTL集成门电路使用时，对于闲置（不用的）输入端，一般不悬空，主要是防止干扰信号从悬空输入端引入电路。
对于闲置输入端的处理应以不改变电路正常逻辑功能且稳定工作为原则。
常用的有以下几种方法。
（1）对于与非门的闲置输入端，可直接接电源或通过1～10ΚΩ的电阻接电源Vcc，如图2-14所示。
图2-14与非门闲置端的处理Ⅰ
（2）如果前级驱动能力允许，可将闲置输入端与有用端并联使用，如图2-15（a）所示。
（3）在外界干扰很小时，与非门的闲置输入端可以剪断或悬空，如图2-15（b）所示。
但不允许接开路长线，以免引入外界干扰而产生逻辑错误。
（a）并联使用（b）悬空使用
图2-15与非门闲置端的处理Ⅱ
（4）或非门不使用的闲置输入端应接地，或通过较小电阻（1KΩ以下）接地。
如图2-16（a）所示。
（5）对与或非门中整个不用的与门，至少应有一个输入端接地；而对于要使用的与非门，其多余输入端应接电源（高电平），方法同
（1），如图2-16（b）
（a）或非门闲置端的处理 （b）与或非门闲置端的处理
图2-16或非门及与或非门闲置端的处理
4．电路安装接线和焊接时的注意事项
（1）连线要尽可能短，最好用绞合线。
（2）整体接地要好，地线要粗且短。
（3）焊接时应使用功率不大于25W的电烙铁，并使用中性焊剂，如松香酒精溶液，不可使用腐蚀性较强的焊膏。
（4）由于集成电路外引线之间距离很近，焊接时焊点要小，避免相邻引线短路，且焊接时间要短。
（5）印制电路板焊接完毕后，不得浸泡在有机溶液中清洗，只能用少量酒精擦去外引线上的助焊剂和污垢。
课题：
CMOS集成逻辑门电路；集成逻辑门电路的应用
教学目的：
理解CMOS反相器的电路组成及工作原理；掌握TG门和OD门逻辑符号及其应用；掌握CMOS数字集成电路的特点及使用规则。
教学重点：
TG门和OD门逻辑符号及其应用；CMOS数字集成电路的特点及使用规则。
教学难点：
集成逻辑门电路的应用
教学方法：
讲授法和讨论交流法
教具：
无
课时：
2
教学内容
2.3CMOS集成逻辑门电路
MOS集成逻辑门是采用单极型场效应三极管（MOS管）作为开关元件的数字集成电路。
它是继TTL之后发展起来的另一种应用广泛的数字集成电路。
就逻辑功能而言，它们与TTL门电路并无区别，但突出的优点是微功耗、高抗干扰能力，它们还具有制造工艺简单、集成度高、价格便宜等优点，因此得到了十分迅速的发展。
MOS门电路有PMOS、NMOS和CMOS三种类型，其中CMOS门电路是由增强型PMOS管和增强型NMOS管组成的互补对称MOS门电路。
它突出的优点是静态功耗低，抗干扰能力强，工作稳定性好，开关速度较高。
国产CMOS数字集成电路主要有4000系列和高速系列。
2.3.1CMOS反相器
CMOS门电路有非门（反相器）、与非门、或非门等多种电路。
其中反相器是MOS集成电路的基本组成部分，许多复杂的MOS电路都是由反相器演变而成的。
1．MOS管的开关特性
MOS管属于电压控制的开关器件，MOS系列门电路有PMOS、NMOS和CMOS，而CMOS电路由于功耗小、对电源电压适应性广、和TTL电路兼容等特点，处于主导地位。
2．CMOS反相器
（1）电路组成
CMOS反相器的基本电路结构如图2-18（a）所示。
（a）原理电路（b）TP导通TN截止（c）TN导通TP截止
图2-18CMOS反相器
其中TN为增强型NMOS管，用作驱动管；TP为增强型PMOS管，用作负载管。
两管栅极连接在一起作输入端，漏极相连作输出端，TP源极接电源VDD，TN源极接地。
要求电源VDD大于两管开启电压绝对值之和，即VDD＞UGSN＋︱UGSP︱，设TN和TP的开启电压UGSN＝︱UGSP︱，且小于VDD。
（2）工作原理
当输入为低电平，即uI＝UIL＝0时，NMOS管uGSN＝0V＜UGSN，TN管截止，相当于开关KN断开；而PMOS管︱uGSP︱＝︱0－VDD︱＝VDD＞︱UGSP︱，TP管导通，可等效为一个小电阻RONP，等效电路如图2-18（b）所示。
此时，输出电压uO＝UOH≈VDD。
当输入为高电平，即uI＝UIH＝VDD时，uGSN＝VDD＞UGSN，TN管导通，可等效为一个小电阻RONN，而︱uGSP︱＝︱VDD－VDD︱＝0V＜︱UGSP︱，TP管截止，相当于开关KP断开，等效电路如图2-18（c）所示。
此时，输出电压uO＝UOL≈0V。
显然，图2-18所示电路中，当输入为低电平时输出高电平；当输入为高电平时输出低电平，实现了反相器的功能。
通过以上分析可以看出，在CMOS反相器中，无论电路处于何种状态，TN、TP总是一管导通而另一管截止，即两管中总有一个截止，使静态电流为零，所以它的静态功耗极低，有微功耗电路之称。
2.3.2其它功能的CMOS门电路
1．CMOS传输门（TG门）
CMOS传输门是数字电路中用来传输信号的一种基本单元电路。
它与CMOS反相器结合起来，可以组成各种功能的逻辑电路。
（1）电路结构
将两个参数对称一致的增强型NMOS管TN和PMOS管TP并联可构成COMS传输门，其电路和逻辑符号如图2-19所示。
（a）电路图（b）逻辑符号
图2-19CMOS传输门
（2）工作原理
当控制电压C=VDD，
=0V时，传输门相当于接通的开关，uO＝uI；当控制电压C=0V，
=VDD时，传输门相当于断开的开关，输入电压不能传到输出端，输出呈高阻状态。
由于TN和TP在结构上对称，所以图中的输入端和输出端可以互换，故又将传输门称为双向开关。
图2-20CMOS模拟开关
可见CMOS传输门实现了信号的可控传输。
将CMOS传输门和一个反相器组合起来，由非门产生互补的控制信号，就可实现单刀单掷或单刀双掷开关的功能，如图2-20所示，称为模拟开关。
2．CMOS漏极开路与非门（OD门）
电路如图2-21（a）所示，图（b）是其逻辑符号。
由图可知，该电路具有与非功能，即
。
电路工作时，必须外接电源VDD2和负载电阻RD。
通常电源电压VDD1和VDD2不同，因此它还可用于电平转换。
当输入A、B都为高电平UIH＝VDD1时，输出Y为低电平UOL≈0V；当输入A、B中有低电平UIL＝0V时，输出Y为高电平UOH＝VDD2。
可见，该电路能将VDD1～0V的输入电压转换为0V～VDD2的输出电压，从而实现了电平转换。
（a）电路图（b）逻辑符号
图2-21漏极开路输出的CMOS与非门
2.3.3CMOS数字集成电路系列及特点
1．CMOS数字集成电路系列
（1）CMOS4000系列
这是早期的CMOS集成逻辑门产品，工作电源电压范围为3～18V，由于具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点，已得到普遍使用。
缺点是工作速度较低，平均传输延迟时间为几十ns，且工作频率低，最高工作频率小于5MHz，驱动能力差，门电路的输出负载电流约为0.51mA/门，因此CMOS4000系列的使用受到一定的限制。
（2）高速CMOS电路（HCMOS）系列
该系列电路主要从制造工艺上作了改进，使其大大提高了工作速度，平均传输延迟时间小于10ns，最高工作频率可达50MHz。
高速CMOS电路主要有54系列和74系列两大类，其电源电压范围为2～6V。
它们的主要区别是工作温度的不同，如表2-10所示。
表2-10HCMOS电路54系列和74系列工作温度的对比
参数
54系列
74系列
最小
一般
最大
最小
一般
最大
工作温度/℃
－55
25
25
－40
25
85
由表2-10可知，HCMOS电路54系列更适合在温度条件恶劣的环境中工作，而74系列则适合在常规条件下工作。
2．CMOS4000系列和HCMOS系列的比较
CMOS4000系列和HCMOS系列的重要参数见表2-11所示。
表2-11CMOS4000系列和HCMOS系列参数比较
系列名称
CMOS4000
54HC/74HC
工作电压/V
5
5
平均功耗（每门）/mW
5×10－3
3×10－3
平均传输延迟时间（每门）/ns
45
8
最高工作频率/MHz
5
50
噪声容限/V
2
2
输出电流/mA
0.51
4
输入电阻/Ω
1012
1012
由上表显见：
HCMOS电路比CMOS4000系列具有更高的工作频率和更强的输出驱动负载的能力，同时还保留了CMOS4000系列的低功耗、高抗干扰能力的优点，已达到CT54LS/CT74LS的水平，他完全客服了CMOS4000系列存在的问题。
因此，它是一种很有发展前途的CMOS器件。
3．CMOS数字集成电路的特点
CMOS集成电路诞生于20世纪60年代末，经过制造工艺的不断改进，在应用的广度上已与TTL平分
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