数字电路教案阎石第三章逻辑门电路.docx

1、数字电路教案阎石第三章逻辑门电路第3章逻辑门电路3.1 概述逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。用逻辑 1和o分别来表示电子电路中的高、低电平的逻辑赋值方式，称为正逻辑，目前在数字技术中，大都采用正逻 辑工作；若用低、高电平来表示，则称为负逻辑。本课程采用正逻辑。获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。在数字集成电路的发展过程中，同时存在着两种类型器件的发展。一种是由三极管组成的双极 型集成电路，例如晶体管-晶体管逻辑电路（简称 TTL电路）及射极耦合逻辑电路（简称 ECL电 路）。另一种是由MOS管组成的单极型集成电路， 例

2、如N-MOS逻辑电路和互补 MOS（简称COMS） 逻辑电路。3.2 分立元件门电路3.3.1二极管的开关特性性NPN型三极管截止、放大、饱和 3种工作状态的特点工作状态截 止放 大饱 和条 件i b= 00 v i b Ibs工作吐 偏置情况特占八、发射结反偏 集电结反偏UBE0, UBC0,ubc0, UBC0集电极电流ic= 0iC = 3 iBic= lesce间电压uce= Vccuce= Vcc ieRcuce = UcES=0.3Vce间等效电 阻很大， 相当开关断 开可变很小， 相当开关闭合3.2.3二极管门电路1、二极管与门輸入输出A BY0 000 101 001 115P

3、IX1Z oo 卫 E V -JV 5 o%及B220V0V0.7V导通导通0V5V0.7V导通截止5V0V0.7V截止导通5V5V5V截止截止2、二极管或门c1 Di jn只丄3kQUaUbUyDiD20V0V0V截止截止0V5V4.3V截止导通5V0V4.3V导通截止5V5V4.3V导通导通3.2.4三极管非门电路图 逻辑符号1(Dua-OV时.三极管截止，rE = 0, ic = 0, 输出电压wy=c=5V细=5V时，三极管导通。基极电流为5-0.7 A Ait，= mA = 1mA 4.33.2.5组合逻辑门电路1与非门电路A5 VrjV 乡 o2、或非门电路三极管临券饱和时 的基极

4、电流为5-0.330x10 16 mA怙时三极管工作 在饱和状态右输出电 压旳=tES = 0Ay01103.3集成逻辑门电路一、TTL与非门1、电路结构+fM+W)V1（1） 抗饱和三极管作用：使三极管工作在浅饱和状态。因为三极管饱和越深，其工作速度越慢，为了提高工作速度， 需要采用抗饱和三极管。构成：在普通三极管的基极 B和集电极C之间并接了一个肖特基二极管（简称SBD )。特点：开启电压低，其正向导通电压只有 0.4V，比普通硅二极管0.7V的正向导通压降小得多；没 有电荷存储效应；制造工艺和 TTL电路的常规工艺相容，甚至无须增加工艺就可制造出 SBD。（2） 采用有源泄放电路上图中的

5、V6、R3、R6组成。2、TTL与非门的工作原理（1）Vi的等效电路Vi是多发射极三极管，其有三个发射结为 PN结。故输入级用以实现A、B、C与的关系。其等效电路如右图所示。（2）工作原理分析输入信号不全为 1：女口 Ua=0.3V, ub= uc=3.6V则 Ubi=0.3+0.7=1V，T2、T5截止，T3 T4 导通忽略iB3,输出端的电位为：uy 50.7 0.7 = 3.6V输出Y为高电平。输入信号全为1 :如ua=ub=uc 3.6V则 ub1=2.1V , T2、T5导通,T4截止输出端的电位为：uy=Uces= 0.3V输出Y为低电平。功 能0.3V 占3.6V B o3.6V

6、 匚 0ViV输入信号不全为1+JW+5V)Wy0.3V 0.3V3.6 V0.3V 3.6V3,6V36V OJV3.6 V3.6V 3.6V0.3V逻辑表达式：真值表0111011丄集成与非门电路引脚排列图（顶视）U iHmin UiHmax=1.2 5V ；低电平 U iLmin UiLmax=0.2 1.0V 上述输入低电平中的最大值，即 UoFF = U iLmax =1.0V。U| Uon时，与非门才开通，输出低电平。工作在电压传输特性曲线转折区中点对应的输入电压称为阈值电压，又称为门槛电（74LS00内含4个2输入与非门，74LS203、 电压传输特性和噪声容限（1） 电压传输特

7、性 定义：门电路输出电压 Uo随输入电压变化的特性曲线称为电压传输特性。（电压传输特性曲线见课本图 3.3.3.）（2） 概念 输入电平范围：高电平关门电平。 只有当输入开门电平。 只有当输入阈值电压。压。用U TH表示。近似分析时，可以认为：当 UI Uth时，与非门工作在开通状态，输出低电平 Uol。（3） 噪声容限在输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值 称为噪声容限。电路的噪声容限越大，其抗干扰能力就越强。4、 输入负载特性定义：输入电压Ui随输入端对地外接电阻 Ri变化的曲线，称为输入负载特性。在Ri 上升到 V和 V开始导通时，Ui不能用

8、上式进行计算。当 Ui 上升到1.1V时，Vi的基极电压 被钳在1.8V上，V2和V5导通，输出Uo为低电增Uol，此后，Ui不再随Ri的增大而升高。Ui随Ri 变化的曲线如上面右图所示。维持输出高电平的 Ri最大值称为关门电阻，用 Roff表示，其值约为700 Q o维持输出低电平的 Ri最小值称为开门电阻，用 Ron表示，其值约为 2。1K Q。5、 输出负载特性输出电压uo随负载电流Io变化的特性曲线称为输出负载特性。6、 传输延迟时间由于二极管、三极管由导通变为截止或由截止变为导通时，都需要一定的时间，再加上其它原因， 输出电压u0的脉冲波形不仅比输入波形延迟了一定的时间，而且波形的上

9、升沿和下降沿也都变坏 了。3.3.2低功耗肖特基系列3.3.3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。它们都是在上面所述的非门的基础上发展出来的。1、集电极开路与非门（0C门）电路结构与逻辑符号工作原理1当EN = 0时，二极管D截止，TSL门的输出状态完全取决于输入信号 A、B的状态，电路输出与输入的逻辑关系和一般与非门相同。2当EN = 1时，二极管D导通，一方面使 Uc2 =1V , V4截止；另一方面使Ubi =1V，从而使 V2和v5截止。输出端开路，电路处于高阻状态。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低

10、电平 3种状态。三态输出门的应用（a）构成单向总线 （b）构成双向总线 TTL数字集成电路及主要参数TTL系列集成电路174：标准系列，前面介绍的 TTL 门电路都属于 74 系列，其典型电路与非门的平均传输时间 tpd=10ns,平均功耗 P= 10mW。274H :高速系列，是在 74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间 tpd= 6ns,平均功耗 P = 22mW。374S:肖特基系列，是在 74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间 tpd =3ns,平均功耗 P = 19mW。TTL 与非门主要参数(1)输出高电平 UOH: TTL 与非门的一个或几个

11、输入为低电平时的输出电平。产品规范值UOH2.4V，标准高电平 Ush= 2.4V。(2)高电平输出电流IOH:输出为高电平时，提供给外接负载的最大输出电流，超过此值会 使输出高电平下降。 IOH 表示电路的拉电流负载能力。(3) 输出低电平Uol: TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平。 产品规范值UolW 0.4V , 标准低电平USL= 0.4V。(4) 低电平输出电流 IOL :输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出 低电平上升。 I oL 表示电路的灌电流负载能力。(5)扇出系数 No：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一 般TTL门电

12、路NOA 8,功率驱动门的 NO可达25。(6)最大工作频率fmax:超过此频率电路就不能正常工作。(7) 输入开门电平 Uon:是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平 Usl的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般 TTL门电路的UON 1.8V。(8) 输入关门电平 UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平 USH的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般 TTL门电路的UOF严0.8V。(9) 高电平输入电流l|H :输入为高电平时的输入电流， 也即当前级输出为高电平时， 本级输入电路造成的前级拉电流。(10)低电平输入电流Iil :输入为低电平时的输出电

13、流，也即当前级输出为低电平时，本级输入 电路造成的前级灌电流。(11) 平均传输时间tpd:信号通过与非门时所需的平均延迟时间。 在工作频率较高的数字电路中， 信号经过多级传输后造成的时间延迟,会影响电路的逻辑功能。(12) 空载功耗：与非门空载时电源总电流 Ice与电源电压 Vec的乘积。三、TTL集成电路逻辑门电路的使用注意事项( 1)关于电源等：对于各种集成电路,使用时一定要在推荐的工作条件范围内,否则将导致性能 下降或损坏器件。( 2)关于输入端：数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用, 也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。 TTL 电路多余的输入端悬空表示输入为高电平( 3)关 于输出端：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 V ee 或直接接地。3.4CMOS集成逻辑门电路一、CMOS反相器1、MOS管的符号增强型NMOS管和增强型 PMOS管的符 号如右图所示：漏极）2、CMOS反相器电路 （助 5截止、Tp导通 e g导通、Tp截止（1） UA = 0V时，Tn截止，Tp导通。输出电压 Uy = Vdd= 10V。（2） uA = 10V时，Tn导通，TP截止。输出电压 uY = 0V。、其它功能的 CMOS电路CMOS