中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路第二章第二章 逻辑门电路逻辑门电路( (Logic Logic circuit)circuit) 2.1 2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路2.2 2.2 TTLTTL逻辑门电路逻辑门电路2.3 MOS2.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路2.4 2.4 集成逻辑们电路的应用集成逻辑们电路的应用中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路 基本要求基本要求1、了了解解分分立立元元件件与与、或或、非非、或或非非、与与非非门门的的电电路路组组成成、 工作原理、逻辑功能及其描述方法；工作原理、逻辑功能及其描述方法；2、掌握逻辑约定及逻辑符号的意义；、掌握逻辑约定及逻辑符号的意义；3、熟熟练练掌掌握握TTL与与非非门门典典型型电电路路的的分分析析方方法法、电电压压传传输输特特性性、输输入入特特性性、输输入入负负载载特特性性、输输出出特特性性；了了解解噪噪声声容容限限、TTL与非门性能的改进方法；与非门性能的改进方法；4、掌掌握握OC门门、三三态态门门的的工工作作原原理理和和使使用用方方法法，正正确确理理解解OC门负载电阻的计算及线与、线或的概念；门负载电阻的计算及线与、线或的概念；5、掌掌握握CMOS反反相相器器、与与非非门门、或或非非门门、三三态态门门的的逻逻辑辑功功能分析，能分析，CMOS反相器的电压及电流传输特性；反相器的电压及电流传输特性；6、熟练掌握、熟练掌握CMOS传输门及双向模拟开关。传输门及双向模拟开关。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路逻辑约定逻辑约定在 电子电路中 ，用高、低电平分别表示二值逻辑中的0和1。各种门电路的输出与输入之间的逻辑关系，实质上反映的是用以表示两种逻辑状态的逻辑电平之间的关系。因此，在讨论逻辑关系时，必须定义两个确定的、不同范围的电平来描述两个逻辑状态。逻辑电平：两个不同范围的电位称为逻辑电平，其中电位相对较高的称为逻辑高电平，用H表示；电位相对较低的称为逻辑低电平，用L表示。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路一、二极管与门和或门电路一、二极管与门和或门电路1与门电路与门电路 2.1 2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路2或门电路或门电路中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路二、三极管非门电路二、三极管非门电路中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路二极管与门和或门电路的缺点：二极管与门和或门电路的缺点：（2 2）负载能力差）负载能力差（1 1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。值的情况。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路解决办法：解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路三、三、DTL与非门电路与非门电路工作原理： （1）当A、B、C全接为高电平5V时，二极管D1D3都截止，而D4、D5和T导通，且T为饱和导通， VL=0.3V，即输出低电平。（2）A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：2.2 2.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理与非门的基本结构及工作原理1TTL与非门的基本结构与非门的基本结构中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路2 2TTL与非门的逻辑关系与非门的逻辑关系（1）输入全为高电平3.6V时。 实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。T2、T3导通，VB1=0.73=2.1（V ），由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES30.3V这时T2也饱和导通，故有VC2=VE2+ VCE2=1V。使T4和二极管D都截止。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路该发射结导通，VB1=1V。所以T2、T3都截止。由于T2截止，流过RC2的电流较小，可以忽略，所以VB4VCC=5V ，使T4和D导通，则有： VOVCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V）实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。（2）输入有低电平0.3V 时。综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路二、二、TTL与非门的开关速度与非门的开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路 （2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路2 2TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd导导通通延延迟迟时时间间tPHL从从输输入入波波形形上上升升沿沿的的中中点点到到输输出出波波形形下下降降沿沿的中点所经历的时间。的中点所经历的时间。截止延迟时间截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd是是tPHL和和tPLH的平均值。即的平均值。即 一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路三、三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力与非门的电压传输特性及抗干扰能力1电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路（1）输出高电平电压VOH在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。2几个重要参数几个重要参数（2）输出低电平电压VOL在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路（3）关门电平电压VOFF是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称 为 输 入 低 电 平 电 压 ， 用 VIL（ max）表 示 。 产 品 规 定VIL（max）=0.8V。开门电平电压VON是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（ min）表示。产品规定VIH（min）=2V。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路 （5）阈值电压Vth电压传输特性的过渡区所对应的输 入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。 近似地：VthVOFFVON 即ViVth，与非门关门，输出高电平； ViVth，与非门开门，输出低电平。 Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V1.V。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路低电平噪声容限低电平噪声容限 VNLVOFF- -VOL（max）0.80.8V-0.4-0.4V0.40.4V高电平噪声容限高电平噪声容限 VNHVOH（min）- -VON2.42.4V-2.0-2.0V0.40.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。3 3抗干扰能力抗干扰能力中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路四、四、TTL与非门的带负载能力与非门的带负载能力1 1输入低电平电流输入低电平电流I IILIL与输入高电平电流与输入高电平电流I IIHIH（1 1）输入低电平电流输入低电平电流I IILIL是指当门电路的输入是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。可以算出：可以算出：产品规定产品规定IIL1.61.6mA。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路（2 2）输入高电平电流输入高电平电流I IIHIH是指当门电路的输入是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况。端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况。 寄生三极管效应：如图（a）所示。这时IIH=PIB1，P为寄生三极管的电流放大系数。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路倒置的放大状态：如图（b）所示。这时IIH=iIB1，i为倒置放大的电流放大系数。系数。 由于p和i的值都远小于1，所以IIH的数值比较小，产品规定：IIH40uA。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路 （1 1）灌电流负载）灌电流负载2 2带负载能力带负载能力当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。N NOLOL称为输出低电平时的扇出系数。称为输出低电平时的扇出系数。当当负负载载门门的的个个数数增增加加，灌灌电电流流增增大大，会会使使T3 3脱脱离离饱饱和和，输输出出低低电电平平升升高高。因因此此，把把允允许许灌灌入入输输出出端端的的电电流流定定义义为为输输出出低低电平电流电平电流I IOLOL，产品规定产品规定IOL=16=16mA。由此可得出由此可得出: :中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路 （2 2）拉电流负载。）拉电流负载。 NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定产品规定IOH=0.4=0.4mA。由此可得出：由此可得出： 当当驱驱动动门门输输出出高高电电平平时时，电电流流从从驱驱动动门门拉拉出出, ,流流至至负载门的输入端。负载门的输入端。一一般般NOLNOH，常常取取两两者者中中的的较较小小值值作作为为门门电电路路的扇出系数，用的扇出系数，用NO表示。表示。拉拉电电流流增增大大时时，RC4C4上上的的压压降降增增大大，会会使使输输出出高高电电平平降降低低。因因此此，把把允允许许拉拉出出输输出出端端的的电电流流定定义义为为输输出高电平电流出高电平电流I IOHOH。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路五、五、TTL与非门举例与非门举例7400740074007400是是一一种种典典型型的的TTL与与非非门门器器件件，内内部部含含有有4 4个个2 2输输入入端端与非门，共有与非门，共有1414个引脚。引脚排列图如图所示。个引脚。引脚排列图如图所示。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路六、六、 TTL门电路的其他类型门电路的其他类型1 1非门非门中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路2或非门或非门 中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路3与或非门与或非门中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路在工程实践中，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，称为与逻辑，称为线与线与。普通的普通的TTL门电路不能进行线与门电路不能进行线与。 为此，为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开集电极开路门。路门。4集电极开路门（集电极开路门（ OC门）门）中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路OC门主要有以下几方面的应用门主要有以下几方面的应用：（2 2）实现电平转换）实现电平转换如图示如图示，可使输出高电平变为可使输出高电平变为1010V V。（3 3）用做驱动器。）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。如图是用来驱动发光二极管的电路。 （1 1）实现线与逻辑功能实现线与逻辑功能中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路（1）当输出高电平时，当输出高电平时， RP不能太大。不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由，由OC门进行线与时，外接上拉电阻门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：的选择：得：得：中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路得：得：（2）当输出低电平时，当输出低电平时，RP不能太小。不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由由所以：所以： RP（min）RPRP（max）中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路（1）三态输出门的结构及工作原理5 5三态输出门三态输出门当EN=1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。当EN=0时，G输出为1，D1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。使能端低电平有效使能端高电平有效中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。（2 2）三态门的应用）三态门的应用（a）组成单向总线，实现信号的分时单向传送.中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路5 57474LS系列系列为低功耗肖特基系列。为低功耗肖特基系列。6 67474AS系系列列为为先先进进肖肖特特基基系系列列，它它是是7474S系系列列的后继产品。的后继产品。7 77474ALS系系列列为为先先进进低低功功耗耗肖肖特特基基系系列列，是是74LS系列的后继产品。系列的后继产品。七、七、TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑门电路系列简介1 17474系列系列为为TTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTL器件。器件。2 27474L系列系列为低功耗为低功耗TTL系列，又称系列，又称LTTL系列。系列。3 37474H系列系列为高速为高速TTL系列。系列。4 47474S系系列列为为肖肖特特基基TTL系系列列，进进一一步步提提高高了了速速度度。如如图图示。示。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路所以输出为低电平。所以输出为低电平。一、一、 NMOS门电路门电路1 1NMOS非门非门2.3 2.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1gm2 ）（1）当输入Vi为高电平8V时，T1导通，T2也导通。因为gm1gm2，所以两管的导通电阻RDS1RDS2，输出电压为： 中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路（2）当输入Vi为低电平0V时，T1截止，T2导通。所以输出电压为VOH=VDD-VT=8V，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。2 2NMOS门电路门电路（1 1）与非门）与非门（2）或非门）或非门中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路1 1逻辑关系：逻辑关系：（设（设VDD（VTN+|+|VTP| |），且），且VTN=|=|VTP| |）（1 1）当）当Vi=0=0V时，时，TN截止，截止，TP导通。输出导通。输出VOVDD。（2 2）当）当Vi= =VDD时，时，TN导通，导通，TP截止，输出截止，输出VO00V。二、二、CMOS非门非门CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路（1 1）当）当Vi2 2V，TN截止，截止，TP导通，输出导通，输出VoVDD=10=10V。（2 2）当）当2 2VVi5 5V，TN工作在饱和区，工作在饱和区，TP工作在可工作在可 变电阻区。变电阻区。 （3 3）当）当Vi=5=5V，两管都工作在饱和区，两管都工作在饱和区， Vo= =（VDD/2/2）=5=5V。（4 4）当）当5 5VVi8 8V， TP工作在饱和区，工作在饱和区， TN工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。（5 5）当）当Vi8 8V，TP截止，截止， TN导通，输出导通，输出Vo=0=0V。 可见：可见： CMOS门电路的阈值电压门电路的阈值电压 Vth= =VDD/2/22电压传输特性电压传输特性：（设：（设: VDD=10V， VTN=|VTP|=2V）中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路3 3工作速度工作速度由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路（2）或非门）或非门三、其他的三、其他的CMOS门电路门电路1 1CMOS与非门和或非门电路与非门和或非门电路（1）与非门）与非门中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路（3）带缓冲级的门电路）带缓冲级的门电路 为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。 L L= =中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：2 2CMOS异或门电路异或门电路由两级组成，前级为或非门，输出为中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出为高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。3 3 CMOS三态门三态门工作原理：当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路4 CMOS传输门传输门工作原理：工作原理：（设两管的开启电压VTN=|VTP|）（1）当C接高电平VDD， 接低电平0V时，若Vi在0VVDD的范围变化，至少有一管导通，相当于一闭合开关，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2）当C接低电平0V， 接高电平VDD，Vi在0VVDD的范围变化时，TN和TP都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路1 1CMOS逻辑门电路的系列逻辑门电路的系列（1 1）基本的）基本的CMOS40004000系列。系列。（2 2）高速的）高速的CMOSHC系列。系列。（3 3）与）与TTL兼容的高速兼容的高速CMOSHCT系列。系列。四、四、 CMOS逻辑门电路的系列及主要参数逻辑门电路的系列及主要参数中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路2 2CMOS逻辑门电路主要参数的特点逻辑门电路主要参数的特点（1）VOH（min）=0.9VDD； VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2）阈值电压Vth约为VDD/2。（3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。（4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；（5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路一、一、TTL与与CMOS器件之间的接口问题器件之间的接口问题 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：足下列条件： 驱动门的驱动门的VOH（min）负载门的负载门的VIH（min）驱动门的驱动门的VOL（max）负载门的负载门的VIL（max）驱动门的驱动门的IOH（max）负载门的负载门的IIH（总）总） 驱动门的驱动门的IOL（max）负载门的负载门的IIL（总）总） 2.4 2.4 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路 （b）用用TTL门门电电路路驱驱动动5 5V低低电电流流继继电电器器，其其中中二二极极管管D作作保保护，用以防止过电压。护，用以防止过电压。二、二、TTL和和CMOS电路带负载时的接口问题电路带负载时的接口问题1 1对于电流较小、电平能够匹配对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。的负载可以直接驱动。（a a）用）用TTL门电路驱动发光二极门电路驱动发光二极管管LED，这时只要在电路中串接这时只要在电路中串接一个约几百一个约几百W W的限流电阻即可。的限流电阻即可。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路2 2带大电流负载带大电流负载（a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（a）所示。（b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（b）所示。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。三、多余输入端的处理三、多余输入端的处理（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（13kW）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路 本章小结本章小结 1最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集成逻辑门电路的基础。 2目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由NPN型三极管组成，简称TTL集成电路；另一类由MOSFET构成，简称MOS集成电路。 3TTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。在TTL系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外，还有集电极开路门和三态门。中北大学电子信息工程系第二章 逻辑门电路4MOS集成电路常用的是两种结构。一种是NMOS门电路，另一类是CMOS门电路。与TTL门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与TTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。5为了更好地使用数字集成芯片，应熟悉TTL和CMOS各个系列产品的外部电气特性及主要参数，还应能正确处理多余输入端，能正确解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。