數(shù)字電子技術第二章

1、 邏輯門電路邏輯門電路概述概述第第 2 章邏輯門電路章邏輯門電路二極管、三極管的開關特性二極管、三極管的開關特性ttl 集成邏輯門集成邏輯門cmos 集成邏輯門集成邏輯門集成邏輯門的應用集成邏輯門的應用本章小結本章小結最簡單的與、或、非門電路最簡單的與、或、非門電路 邏輯門電路邏輯門電路2.1 概概 述述主要要求：主要要求： 了解邏輯門電路的作用和常用類型。了解邏輯門電路的作用和常用類型。 理解高電平信號和低電平信號的含義。理解高電平信號和低電平信號的含義。 邏輯門電路邏輯門電路2.1 2.1 概述概述門電路門電路是用以實現(xiàn)是用以實現(xiàn)邏輯邏輯關系的電子電路。關系的電子電路。門電路門電路分立元件

2、門電路分立元件門電路集成門電路集成門電路雙極型集成門（雙極型集成門（dtl、ttl）mos集成門集成門 nmospmoscmos基本門電路基本門電路: :與門、或門、非門與門、或門、非門 邏輯門電路邏輯門電路正邏輯：用高電平表示邏輯正邏輯：用高電平表示邏輯1，用低電平表示邏輯，用低電平表示邏輯0負邏輯：用低電平表示邏輯負邏輯：用低電平表示邏輯1，用高電平表示邏輯，用高電平表示邏輯0 在數(shù)字系統(tǒng)的邏輯設計中，若采用在數(shù)字系統(tǒng)的邏輯設計中，若采用npn晶體管晶體管和和nmos管，電源電壓是正值，一般采用正邏輯。管，電源電壓是正值，一般采用正邏輯。若采用的是若采用的是pnp管和管和pmos管，電源電

3、壓為負值，管，電源電壓為負值，則采用負邏輯比較方便。則采用負邏輯比較方便。今后除非特別說明，一律采用正邏輯。今后除非特別說明，一律采用正邏輯。2.1 2.1 概述概述一、正邏輯與負邏輯一、正邏輯與負邏輯 邏輯門電路邏輯門電路二、獲得高低電平的方法及高電平和低電平的含義二、獲得高低電平的方法及高電平和低電平的含義 獲得高、低電平的基本原理獲得高、低電平的基本原理 邏輯門電路邏輯門電路高電平和低電平為某高電平和低電平為某規(guī)定范圍規(guī)定范圍的電位值，而非一固定值。的電位值，而非一固定值。 高電平信號是多大的信號？低高電平信號是多大的信號？低電平信號又是多大的信號？電平信號又是多大的信號？10高電平高電

4、平低電平低電平01高電平高電平低電平低電平正邏輯體制正邏輯體制負邏輯體制負邏輯體制由門電路種類等決定由門電路種類等決定 邏輯門電路邏輯門電路一些約定一些約定:ttl門電路門電路:vilmax=0.7v,vihmin=1.4v volmax=0.3v,vohmin=3.6vcmos門電路門電路:vilmax=vihmax=vdd/2 vol=0v,voh=vdd對低電平而言對低電平而言,電壓越低越好電壓越低越好,對高電平而言對高電平而言,電壓越電壓越高越好高越好.但前提是不能超過電源電壓的范圍但前提是不能超過電源電壓的范圍. 邏輯門電路邏輯門電路主要要求：主要要求： 理解二極管、理解二極管、三極

5、管的開關特性。三極管的開關特性。 掌握二極管、三極管開關工作的條件。掌握二極管、三極管開關工作的條件。 2.2二極管和二極管和三極管的開關特性三極管的開關特性 邏輯門電路邏輯門電路 利用二極管的單向導電利用二極管的單向導電性，此電路相當于一個受外性，此電路相當于一個受外加電壓極性控制的開關。加電壓極性控制的開關。當當u ui i=u=uilil時，時，d d導通，導通，u uo o=0.7=u=0.7=uolol 開關閉合開關閉合 ui 二極管開關電路二極管開關電路 vcc uo d r 2.2.1二極管開關特性二極管開關特性假定：假定：u uihih=v=vcc cc ，u uilil=0=

6、0當當u ui i=u=uihih時，時，d d截止，截止，u uo o=v=vcccc=u=uohoh 開關斷開開關斷開 邏輯門電路邏輯門電路三極管為什么能用作開關？三極管為什么能用作開關？怎樣控制它的開和關？怎樣控制它的開和關？ 當輸入當輸入 ui 為低電平，使為低電平，使 ube uth時，三極管截止。時，三極管截止。 ib 0，ic 0，c、e 間相當間相當于開關斷開。于開關斷開。 三極管關斷的條件和等效電路三極管關斷的條件和等效電路ic(sat)qauceuce(sat)oicmnib(sat)ts負載線負載線臨界飽和線臨界飽和線 飽飽和和區(qū)區(qū)放大區(qū)放大區(qū)一、三極管的開關作用及其條件

7、一、三極管的開關作用及其條件 截止區(qū)截止區(qū)ube uthbec三極管三極管截止狀態(tài)截止狀態(tài)等效電路等效電路ui=uilube+ +- -uth為門限電壓為門限電壓2.2.2半導體三極管的開關特性半導體三極管的開關特性 邏輯門電路邏輯門電路ic(sat)qauceuce(sat)oicmnib(sat)ts臨界飽和線臨界飽和線 飽飽和和區(qū)區(qū)放大區(qū)放大區(qū)一、三極管的開關作用及其條件一、三極管的開關作用及其條件 ui 增大增大使使 ib 增大，增大，從而工作點上移，從而工作點上移， ic 增增大，大，uce 減小。減小。截止區(qū)截止區(qū)ube uth時，三極管開始導通，時，三極管開始導通，ib 0，三極

8、管工作于放大，三極管工作于放大導通狀態(tài)。導通狀態(tài)。 邏輯門電路邏輯門電路ic(sat)qauceuce(sat)oicmnib(sat)ts臨界飽和線臨界飽和線 飽飽和和區(qū)區(qū)放大區(qū)放大區(qū)一、三極管的開關作用及其條件一、三極管的開關作用及其條件 截止區(qū)截止區(qū)ube ib(sat)因為因為 ib =ihb 0.7 vurbbv .92v 7 . 06 . 3rr cccb(sat)rvi ma 1 . 0k 150v 5 所以求得所以求得 rb 100100即可即可例例這里的參數(shù)在以后的講課這里的參數(shù)在以后的講課中會用到中會用到. 邏輯門電路邏輯門電路當當u ui i=u=uilil時，三極管截止

9、，時，三極管截止，u uo o=v=vcccc=u=uohoh 開關斷開開關斷開假定：假定：u uihih=v=vcc cc ，u uilil=0=0當當u ui i=u=uihih時，三極管深度飽和，時，三極管深度飽和，u uo o=u=ucesces=u=uolol 開關閉合開關閉合 ay0110三級管非門電路三級管非門電路 ui ib e rb b +vcc ic uo 三極管開關三極管開關電路電路 rc c 以后在數(shù)字電路中以后在數(shù)字電路中遇到這樣的電路遇到這樣的電路,都都可以認為這是一個可以認為這是一個非門非門. 邏輯門電路邏輯門電路ic(sat)ooouiicuotttuihuil

10、vccuce(sat)上例中三極管反相上例中三極管反相器的工作波形是理想波器的工作波形是理想波形，實際波形為形，實際波形為 ：ui 從從 uil 正跳到正跳到 uih 時，時，三極管將由截止轉變?yōu)轱柡?，三極管將由截止轉變?yōu)轱柡停?ic 從從 0 逐漸增大到逐漸增大到 ic(sat)，uc 從從 vcc 逐漸減小為逐漸減小為 uce(sat)。ui 從從 uih 負跳到時負跳到時 uil，三極管不能很快由飽和轉變?nèi)龢O管不能很快由飽和轉變?yōu)榻刂?，而需要?jīng)過一段時為截止，而需要經(jīng)過一段時間才能退出飽和區(qū)。間才能退出飽和區(qū)。二、三極管的動態(tài)開關特性二、三極管的動態(tài)開關特性 邏輯門電路邏輯門電路ic(s

11、at)ooouiicuotttuihuilvccuce(sat)0.9ic(sat)ton0.1ic(sat)toffui 正跳變到正跳變到 ic 上升到上升到 0.9ic(sat) 所需的時間所需的時間 ton 稱稱為三極管開通時間。為三極管開通時間。 通常工作頻率不高時，通常工作頻率不高時，可忽略開關時間，而工作可忽略開關時間，而工作頻率高時，必須考慮開關頻率高時，必須考慮開關速度是否合適，否則導致速度是否合適，否則導致不能正常工作。不能正常工作。ui 負跳變到負跳變到 ic 下降到下降到 0.1ic(sat) 所需的時間所需的時間 toff 稱稱為三極管關斷時間。為三極管關斷時間。 通常

12、通常 toff ton二、三極管的動態(tài)開關特性二、三極管的動態(tài)開關特性 開關時間主要由于開關時間主要由于電電荷存儲效應荷存儲效應引起，要提高引起，要提高開關速度，必須降低三極開關速度，必須降低三極管飽和深度，加速基區(qū)存管飽和深度，加速基區(qū)存儲電荷的消散。儲電荷的消散。 邏輯門電路邏輯門電路c e b sbd b c e 在普通三極管的基極和集電極之間并在普通三極管的基極和集電極之間并接一個肖特基勢壘二極管接一個肖特基勢壘二極管( (簡稱簡稱 sbd) ) 。bcsbd抗飽和三極管的開關速度高抗飽和三極管的開關速度高 沒有電荷存儲效應沒有電荷存儲效應 sbd 的導通電壓只有的導通電壓只有 0.4

13、 v 而非而非 0.7 v， 因此因此 ubc = 0.4 v 時，時，sbd 便導通，使便導通，使 ubc 鉗在鉗在 0.4 v 上，降低了飽和深度。上，降低了飽和深度。三、三、抗飽和三極管簡介抗飽和三極管簡介 邏輯門電路邏輯門電路圖2.3.1 二極管與門返回返回 真值表真值表邏輯電平邏輯電平aby001101010001a/v b/v y/v00000.70.70.73.72.3.1 二極管與門二極管與門2.3 最簡單的與、或、非門電路最簡單的與、或、非門電路缺點：輸出電平發(fā)生偏移缺點：輸出電平發(fā)生偏移 邏輯門電路邏輯門電路2.3.2 二極管或門二極管或門圖2.3.2 二極管或門返回返回邏

14、輯電平邏輯電平a/vb/vy/v00000.3.3.3 真值表真值表aby001101010111缺點：輸出電平發(fā)生偏移缺點：輸出電平發(fā)生偏移 邏輯門電路邏輯門電路2.3.3三極管非門三極管非門圖2.3.3 三極管非門（反相器）返回返回 真值表真值表ay0110r2 和和vee的作用：保證輸入為低電平時三極管可的作用：保證輸入為低電平時三極管可靠截止；輸入為高電平時，保證三極管工作在靠截止；輸入為高電平時，保證三極管工作在深度飽和狀態(tài)，使輸出電平接近于零。深度飽和狀態(tài)，使輸出電平接近于零。缺點缺點:輸出電阻大輸出電阻大,帶負載能力差帶負載能力差. 邏輯門電路邏輯門電路2.3.4dtl(二級管二

15、級管-三極管三極管)門電路門電路或非門或非門:二級管或門二級管或門+三極管非門三極管非門與非門與非門:二級管與門二級管與門+三極管非門三極管非門缺點：缺點：1、輸出電平發(fā)生偏移輸出電平發(fā)生偏移,級數(shù)越多級數(shù)越多,偏移越大偏移越大.與或非門與或非門:二級管與門二級管與門+二級管或門二級管或門+三極三極管非門管非門2 、帶負載能力差、帶負載能力差 邏輯門電路邏輯門電路主要要求：主要要求： 了解了解 ttl 與非門的組成和工作原理。與非門的組成和工作原理。了解了解 ttl 集成邏輯門的主要參數(shù)和使用常識。集成邏輯門的主要參數(shù)和使用常識。2.4ttl 集成邏輯門集成邏輯門 掌握掌握 ttl 基本門電路

16、的邏輯功能和主要外特性?；鹃T電路的邏輯功能和主要外特性。掌握掌握集電極開路門和三態(tài)門的邏輯功能和應用集電極開路門和三態(tài)門的邏輯功能和應用。 邏輯門電路邏輯門電路v1v2v3v5v62.4.12.4.1ttl 反相器的電路結構和工作原理反相器的電路結構和工作原理 一、電路結構一、電路結構 輸入級主要由三極管輸入級主要由三極管 t1 、基極電基極電阻阻 r1 和鉗位二極管和鉗位二極管d1組成。組成。 d1 為輸入鉗位二極管，用以抑制為輸入鉗位二極管，用以抑制輸入端出現(xiàn)的負極性干擾。正常信號輸輸入端出現(xiàn)的負極性干擾。正常信號輸入時，入時，d1 不工作，當輸入的負極性干不工作，當輸入的負極性干擾電壓

17、大于二極管導通電壓時，二極管擾電壓大于二極管導通電壓時，二極管導通，輸入端負電壓被鉗在導通，輸入端負電壓被鉗在 - -0.7 v上，上，這不但抑制了輸入端的負極性干擾，對這不但抑制了輸入端的負極性干擾，對 v1 還有保護作用。還有保護作用。 中間級起倒相放大作中間級起倒相放大作用，用，t2 集電極集電極 c2 和發(fā)射極和發(fā)射極 e2 同時輸出兩個邏輯電平同時輸出兩個邏輯電平相反的信號，分別驅動相反的信號，分別驅動 t3和和 t5。 輸出級輸出級由由 t3、d2、 r4和和v5組成。組成。其中其中 v3 ，與，與 v5 構成推拉構成推拉式輸出結構，式輸出結構，提高了負載提高了負載能力。能力。 邏

18、輯門電路邏輯門電路 輸入端為低電平時，輸入端為低電平時，輸出高電平。輸出高電平。二、二、ttl 反相器的工作原理反相器的工作原理（設輸入（設輸入v vihih=3.6v=3.6v，v vilil=0.3v=0.3v） 輸入電流方向輸入電流方向:iil流出輸入端流出輸入端輸入電流大?。狠斎腚娏鞔笮。?ma 輸入為高電平時，輸入為高電平時，輸出低電平輸出低電平輸入電流方向輸入電流方向:iih流入輸入端流入輸入端輸入電流大小：小于輸入電流大?。盒∮?0uaay0110ay 邏輯門電路邏輯門電路電壓傳輸特性測試電路電壓傳輸特性測試電路0uo/vui/v0.31.02.03.03.61.02.0acdb

19、uohuolsttl與非門與非門電壓傳輸特性曲線電壓傳輸特性曲線三、三、電壓傳輸特性電壓傳輸特性和噪聲容限和噪聲容限 輸出電壓隨輸入電壓變化的特性輸出電壓隨輸入電壓變化的特性 ui 較小時工作于較小時工作于ab 段，段，這時這時 t2、t5 截止，截止，t4、d2 導通，輸出恒為高電平，導通，輸出恒為高電平，uoh 3.6v，稱與非門工，稱與非門工作在截止區(qū)或處于關門狀作在截止區(qū)或處于關門狀態(tài)。態(tài)。 ui 較大時工作于較大時工作于 bc 段，這時段，這時 t2、t5 工作于工作于放大區(qū)，放大區(qū)， ui 的微小增大的微小增大引起引起 uo 急劇下降，稱與急劇下降，稱與非門工作在轉折區(qū)。非門工作在

20、轉折區(qū)。 ui 很大時工作于很大時工作于 cd 段，段，這時這時 t2、t5 飽和，輸出恒為飽和，輸出恒為低電平，低電平，uol 0.3v，稱與非，稱與非門工作在飽和區(qū)或處于開門狀門工作在飽和區(qū)或處于開門狀態(tài)。態(tài)。 1 1、電壓傳輸特性、電壓傳輸特性 邏輯門電路邏輯門電路下面介紹與下面介紹與電壓傳輸特電壓傳輸特性有關的主要參數(shù)：性有關的主要參數(shù)：有關參數(shù)有關參數(shù) 0uo/vui/v0.31.02.03.03.61.02.0acdbuohuol電壓傳輸特性曲線電壓傳輸特性曲線標準高電平標準高電平 ush 當當 uo ush 時，則認為輸出高時，則認為輸出高電平，通常取電平，通常取 ush = 3

21、 v。 標準低電平標準低電平 usl當當 uo usl 時，則認為輸出低時，則認為輸出低電平，通常取電平，通常取 usl = 0.3 v。 關門電平關門電平 uoff保證輸出保證輸出不小于不小于標準高電平標準高電平ush 時時,允許的輸入低電平的最大值。允許的輸入低電平的最大值。開門電平開門電平 uon保證輸出保證輸出不高于不高于標準低電平標準低電平usl 時時,允許的輸入高電平的最小值。允許的輸入高電平的最小值。閾值電壓閾值電壓 uth轉折區(qū)中點對應的輸入電壓，轉折區(qū)中點對應的輸入電壓，又稱門檻電平。又稱門檻電平。ush = 3vusl = 0.3vuoffuonuth近似分析時認為：近似分

22、析時認為：ui uth，則與非門開通，則與非門開通， 輸出低電平輸出低電平uol；ui uth，則與非門關閉，則與非門關閉， 輸出高電平輸出高電平uoh。 邏輯門電路邏輯門電路噪聲容限越大，抗干擾能力越強。噪聲容限越大，抗干擾能力越強。 指輸入低電平時，允許的最大正向噪聲電壓。指輸入低電平時，允許的最大正向噪聲電壓。unl = uoff uil 指輸入高電平時，允許的最大負向噪聲電壓。指輸入高電平時，允許的最大負向噪聲電壓。unh = uih uon 輸入信號上疊加的噪聲電壓只要不超過輸入信號上疊加的噪聲電壓只要不超過允許值，就不會影響電路的正常邏輯功能，這允許值，就不會影響電路的正常邏輯功能

23、，這個允許值稱為個允許值稱為噪聲容限噪聲容限。 輸入高電平噪聲容限輸入高電平噪聲容限 unh輸入低電平噪聲容限輸入低電平噪聲容限 unl2 2、噪聲容限、噪聲容限0uo/vui/v0.31.02.03.03.61.02.0acdbuohuol電壓傳輸特性曲線電壓傳輸特性曲線 邏輯門電路邏輯門電路2.4.2 ttl反相器的靜態(tài)輸入特性和反相器的靜態(tài)輸入特性和 輸出特性輸出特性返回返回圖2.4.4 ttl反相器的輸入端等效電路b）-0.6vvi6v時，輸入電流將隨輸入電壓的增加而時，輸入電流將隨輸入電壓的增加而迅速增大，甚至達到擊穿電流值，因此迅速增大，甚至達到擊穿電流值，因此ttl門門電路的輸入

24、電壓一般應限制在電路的輸入電壓一般應限制在5.5v以下。以下。當輸入端數(shù)增加時當輸入端數(shù)增加時,總電流為各輸入端電流相加總電流為各輸入端電流相加. 邏輯門電路邏輯門電路二二. 輸入負載特性輸入負載特性 當用當用ttl與非門組成一些較復雜的邏輯電路時，有時需與非門組成一些較復雜的邏輯電路時，有時需要在信號與輸入端或輸入端與地之間接一電阻。有電流要在信號與輸入端或輸入端與地之間接一電阻。有電流流過流過ri，必然產(chǎn)生電壓降，將必然產(chǎn)生電壓降，將vi隨隨ri的變化而變化的關系的變化而變化的關系曲線叫做門電路的輸入負載特性。曲線叫做門電路的輸入負載特性。 邏輯門電路邏輯門電路roff 稱關門電阻。稱關門

25、電阻。ri ron 時，相應輸入端相當時，相應輸入端相當于輸入高電平。對于輸入高電平。對 sttl 系列，系列，ron 2.1 k 。a）ri變化使變化使t2管未導通以前，管未導通以前，ri增大，增大，vi增大。使增大。使vi=0.7v時的時的ri稱稱為關門電阻，記為為關門電阻，記為roff。b） vi0.7v以后，以后，vi仍隨仍隨ri的的增大而增大。增大而增大。c） vi1.4以后，以后，t5管開始導通，管開始導通，ub1被鉗位在被鉗位在2.1v,此后此后vi不再隨不再隨ri的增大而增大。此時的的增大而增大。此時的ri稱為開稱為開門電阻門電阻 邏輯門電路邏輯門電路輸入負載特性測試電路輸入負

26、載特性測試電路 輸入負載特性輸入負載特性曲線曲線0ui /vr1/k uoff1.1fnroffronronroffuoff 邏輯門電路邏輯門電路 例例 下圖中，已知下圖中，已知 roff 800 ，ron 3 k ，試對應，試對應 輸入波形定性畫出輸入波形定性畫出ttl與非門的輸出波形。與非門的輸出波形。( (a) )( (b) )ta0.3 v3.6 vo不同不同 ttl 系列，系列， ron、 roff 不同。不同。相應輸入端相當于輸入低電平，相應輸入端相當于輸入低電平，也即相當于輸入邏輯也即相當于輸入邏輯 0 。邏輯邏輯0因此因此 ya 輸出恒為高電平輸出恒為高電平 uoh 。相應輸入

27、端相當于輸入高電平，相應輸入端相當于輸入高電平，也即相當于輸入邏輯也即相當于輸入邏輯 1 。邏輯邏輯1aayb 1因此，可畫出波形如圖所示。因此，可畫出波形如圖所示。ybtoyatuoho解：圖解：圖( (a) )中，中，ri = 300 ron 3 k 邏輯門電路邏輯門電路實際應用實際應用a）若將兩個）若將兩個ttl門電路經(jīng)過一個電阻串接，門電路經(jīng)過一個電阻串接，這個電阻的阻值不能大于這個電阻的阻值不能大于ron。 邏輯門電路邏輯門電路三三. 輸出特性輸出特性負載電流流入與負載電流流入與非門的輸出端。非門的輸出端。 負載電流從與非門負載電流從與非門的輸出端流向外負載。的輸出端流向外負載。負載

28、電流流入驅動門負載電流流入驅動門iol負載電流流出驅動門負載電流流出驅動門ioh輸入均為輸入均為高電平高電平 輸入有輸入有低電平低電平 輸出為低電平輸出為低電平 輸出為高電平輸出為高電平 灌電流負載灌電流負載拉電流負載拉電流負載 不管是灌電流負載還是拉電流負載，負載不管是灌電流負載還是拉電流負載，負載電流都不能超過其最大允許電流，否則將導致電流都不能超過其最大允許電流，否則將導致電路不能正常工作，甚至燒壞門電路。電路不能正常工作，甚至燒壞門電路。實用中常用實用中常用扇出系數(shù)扇出系數(shù) nol 表示電路負載能力。表示電路負載能力。門電路輸出低電平時允許帶同類門電路的個數(shù)。門電路輸出低電平時允許帶同

29、類門電路的個數(shù)。 通常按照負通常按照負載電流的流向將載電流的流向將與非門負載分為與非門負載分為 灌電流負載灌電流負載 拉電流負載拉電流負載 輸出電壓輸出電壓uo隨輸出電流隨輸出電流il的變化而變化的關系曲線。的變化而變化的關系曲線。 邏輯門電路邏輯門電路a）輸出低電平時的輸出特性）輸出低電平時的輸出特性uol=ilrce5il=niiln為負載門的個數(shù)為負載門的個數(shù). 邏輯門電路邏輯門電路ttl反相器低電平輸出特性反相器低電平輸出特性由低電平輸出特性可以查出輸出某由低電平輸出特性可以查出輸出某一低電平時的最大負載電流。一低電平時的最大負載電流。ttl反相器反相器輸出低電平時的輸出特性如下所示。

30、輸出低電平時的輸出特性如下所示。每個門的輸出低電平特性都可以測出。每個門的輸出低電平特性都可以測出。根據(jù)根據(jù)il=niililmax，可以算出帶負載門的個數(shù)可以算出帶負載門的個數(shù)n。 邏輯門電路邏輯門電路b）輸出高電平時的輸出特性）輸出高電平時的輸出特性輸入低電平時，輸出高電平。輸入低電平時，輸出高電平。此時此時t1深度飽和，深度飽和，t2、t5截截止，止，t4飽和，飽和，uo=uoh=vcc-ur2-ube4-ud2=vcc-ur4-uces4-ud2，ur4=il*r4il=niih 邏輯門電路邏輯門電路ttl反相器高電平輸出特性反相器高電平輸出特性由高電平輸出特性可以查由高電平輸出特性可

31、以查出輸出高電平為某一值時出輸出高電平為某一值時的最大負載電流。的最大負載電流。每個門的輸出高電平特性也可以測出。每個門的輸出高電平特性也可以測出。輸出高電平時的輸出特性如下所示。輸出高電平時的輸出特性如下所示。扇出系數(shù)扇出系數(shù) nol 表示電路負載能力。取上面求出的兩個表示電路負載能力。取上面求出的兩個n的小者。的小者。根據(jù)根據(jù)il=niih3.0v，低電平低電平vol ron ，相應輸入，相應輸入端為高電平。端為高電平。510 ri 0ugsugs(th)u gs(th)0ugsugs(th)ugsugs(th) 邏輯門電路邏輯門電路auiyuovddsgddgsbvpvnbauiyuov

32、ddsgddgsbvpvnb增強型增強型 nmos 管管(驅動管驅動管)增強型增強型 pmos 管管(負載管負載管)構成互補構成互補對稱結構對稱結構( (一一) )電路基本結構電路基本結構 要求要求vdd ugs(th)n +ugs(th)p且且 ugs(th)n =ugs(th)p ugs(th)n增強型增強型 nmos 管開啟電壓管開啟電壓auiyuovddsgddgsbvpvnb nmos 管的襯底接管的襯底接電路最低電位，電路最低電位，pmos管的襯底接最高電位，管的襯底接最高電位，從而從而保證襯底與漏源間保證襯底與漏源間的的 pn 結始終反偏。結始終反偏。.ugsn+- -增強型增強

33、型 pmos 管開啟電壓管開啟電壓ugsp+- -ugs(th)pugsn ugs(th)n 時，增強型時，增強型 nmos 管導通管導通ugsn ugs(th)n 時，增強型時，增強型 nmos 管截止管截止oidugsugs(th)n增強型增強型 nmos 管管轉移特性轉移特性 時時, 增強型增強型 pmos 管導通管導通 時時, 增強型增強型 pmos 管截止管截止oidugsugs(th)p增強型增強型 pmos 管管轉移特性轉移特性pgs(th)gspuu pgs(th)gspuu auiyuovddsgddgsbvpvnb2.6.1 cmos 反相器的工作原理反相器的工作原理 邏輯

34、門電路邏輯門電路auiyuovddsgddgsvp襯底襯底 bvn襯底襯底 broffnronpuo+vddsdds導通電阻導通電阻 ron 截止電阻截止電阻 roffronnroffpuo+vddsdds可見該電路構成可見該電路構成 cmos 非門，又稱非門，又稱 cmos 反相器。反相器。無論輸入高低，無論輸入高低，vn、vp 中總有一管截止，使靜態(tài)漏中總有一管截止，使靜態(tài)漏極電流極電流 id 0。因此。因此 cmos 反相器靜態(tài)功耗極微小。反相器靜態(tài)功耗極微小。 輸入為低電平，輸入為低電平，uil = 0v 時，時，ugsn = 0v ugs(th)n , vn 導通，導通，vp 截止，

35、截止，pgs(th)ddddgspv0uvvu 輸入為低電平輸入為低電平 uil = 0 v 時，時，ugsn = 0v ugs(th)n ， vn 截止，截止，vp 導通，導通，pgs(th)ddspgpv0uvuu gspuuo vdd , 為高電平。為高電平。uih = vdduo 0 v ，為低電平。，為低電平。 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.2 cmos反相器的電壓傳輸特性返回返回電壓傳輸特性電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.3 cmos反相器的電流傳輸特性返回返回電流傳輸特性電流傳輸特性特點：特點：無論輸入低電平

36、無論輸入低電平還是高電平，電流均接還是高電平，電流均接近于零，因此功耗低。近于零，因此功耗低。前面我們已經(jīng)分別前面我們已經(jīng)分別計算過計算過ttl門電路門電路在輸入低電平和高在輸入低電平和高電平兩種情況下的電平兩種情況下的電源電流電源電流 ，從而可，從而可以得知以得知ttl門電路門電路的功耗。的功耗。 邏輯門電路邏輯門電路圖圖2.6.4 不同不同vdd下下cmos反相器的噪聲容限反相器的噪聲容限返回返回三、輸入端噪聲容限三、輸入端噪聲容限結論：電源結論：電源電壓越高，電壓越高，抗干擾能力抗干擾能力越強。越強。 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.6 cmos反相器的輸入保護電路 （a）cc4000系列

37、的輸入保護電路 （b）74hc系列的輸入保護電路返回返回2.6.2cmos反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性1、輸入特性、輸入特性 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.7 cmos反相器的輸入特性 （a）圖2.6.6 (a)電路的輸入特性 （b）圖2.6.6 (b)電路的輸入特性返回返回因因cmos反相器用的是絕緣柵場效應管，故反相器用的是絕緣柵場效應管，故ii0 ，因此，因此輸入特性如下圖所示。輸入特性如下圖所示。 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.8 vo= vol時cmos反相器的工作狀態(tài)返回返回2、輸出特性、輸出特性輸出低電平特性輸出低電平特性 邏輯門電路邏輯門電路圖2

38、.6.9 cmos反相器的低電平輸出特性返回返回同樣的同樣的iol值值下，下，vdd越高，越高，vol也越低也越低 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.10 vo= voh時cmos反相器的工作狀態(tài)返回返回輸出高電平特性輸出高電平特性 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.11 cmos反相器的高電平輸出特性返回返回同樣的同樣的ioh下，下，vdd越大，輸出越大，輸出高電平越高。高電平越高。 邏輯門電路邏輯門電路3、輸入負載特性、輸入負載特性因絕緣柵場效應管的柵極絕緣，因此無因絕緣柵場效應管的柵極絕緣，因此無輸入負載特性。輸入負載特性。4、cmos反相器的功耗反相器的功耗集成電路的功耗是指饋電電源提供給集成

39、電路集成電路的功耗是指饋電電源提供給集成電路的功耗，它是衡量電路性能的重要技術指標。的功耗，它是衡量電路性能的重要技術指標。各種集成電路的功耗水平，由該電路的線路結各種集成電路的功耗水平，由該電路的線路結構、制造工藝、集成度和外部使用條件決定。構、制造工藝、集成度和外部使用條件決定。在目前流行的各種集成電路產(chǎn)品中，在目前流行的各種集成電路產(chǎn)品中，cmos集集成電路的功耗是最低的，整個封裝的靜態(tài)平均成電路的功耗是最低的，整個封裝的靜態(tài)平均功耗小于功耗小于10uw，但隨著工作頻率的升高，但隨著工作頻率的升高，cmos集成電路的動態(tài)功耗顯著增大。集成電路的動態(tài)功耗顯著增大。 邏輯門電路邏輯門電路 例

40、例 下圖中，門電路為下圖中，門電路為cmoscmos系列，系列，試試確定它們的確定它們的輸出。輸出。( (a) )( (b) ) 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.18 cmos與非與非門返回返回2.6.3 其他類型的其他類型的cmos門電路門電路一、其他邏輯功能的一、其他邏輯功能的cmos門電路門電路1. . cmos 與非門與非門 abvddvpbvpavnavnby 每個輸入端對應一每個輸入端對應一對對 nmos 管和管和pmos 管。管。nmos 管為驅動管，管為驅動管，pmos 管為負載管。輸管為負載管。輸入端與它們的柵極相連。入端與它們的柵極相連。與非門結構特點：與非門結構特點：驅動管

41、相串聯(lián)驅動管相串聯(lián)，負載管相并聯(lián)負載管相并聯(lián)。 邏輯門電路邏輯門電路返回返回abvddvpbvpavnavnby cmos 與非門工作原理與非門工作原理11導通導通導通導通截止截止截止截止0 驅動管均導通，驅動管均導通， 負載管均截止，負載管均截止， 輸出為低電平。輸出為低電平。 當輸入均為當輸入均為 高電平時：高電平時： 低電平輸入端低電平輸入端相對應的驅動管截相對應的驅動管截止，負載管導通，止，負載管導通，輸出為高電平。輸出為高電平。 當輸入中有當輸入中有 低電平時：低電平時：abvddvpbvpavnavnby0截止截止導通導通1因此因此 y = ab 邏輯門電路邏輯門電路2. . cm

42、os 或非門或非門 abvddvpbvpavnavnby或非門結構特點：或非門結構特點：驅動管相并聯(lián)驅動管相并聯(lián)，負載管相串聯(lián)負載管相串聯(lián)。圖2.6.19 cmos或非或非門 邏輯門電路邏輯門電路yabuouivdd1漏極開路的漏極開路的cmos與非與非門電路門電路二、漏極開路的二、漏極開路的 cmos 門門簡稱簡稱 od 門門 與與 oc 門相似，常用作驅動器、電平轉換器和實現(xiàn)線與等。門相似，常用作驅動器、電平轉換器和實現(xiàn)線與等。y = ab構成與門構成與門 構成輸構成輸出端開出端開路的非路的非門門需外接上需外接上拉電阻拉電阻 rd 邏輯門電路邏輯門電路功能：功能：1、可以實現(xiàn)線與；、可以實

43、現(xiàn)線與；2、可以實現(xiàn)電平轉換；、可以實現(xiàn)電平轉換；3、可以帶大電流的負載。、可以帶大電流的負載。 邏輯門電路邏輯門電路三、三、cmos 傳輸傳輸門和雙向模擬開關門和雙向模擬開關coms傳輸門與前面所講的推拉式輸出的傳輸門與前面所講的推拉式輸出的門電路、門電路、oc門、三態(tài)門的區(qū)別：門、三態(tài)門的區(qū)別：推拉式輸出的門電路、推拉式輸出的門電路、oc門、三態(tài)門只能用來門、三態(tài)門只能用來傳輸傳輸0、1 信號，而傳輸門可以傳輸信號，而傳輸門可以傳輸0vdd之間的之間的任何信號。任何信號。注意注意 邏輯門電路邏輯門電路c、c 為互補為互補控制信號控制信號 由一對參數(shù)對稱一致的增由一對參數(shù)對稱一致的增強型強型

44、 nmos 管和管和 pmos 管并聯(lián)管并聯(lián)構成。構成。 pmoscui/uovddcmos傳輸傳輸門電路結構門電路結構uo/uivpcnmosvn工作原理工作原理 mos 管的漏極和源極結構對稱，管的漏極和源極結構對稱，可互換使用，因此可互換使用，因此 cmos 傳輸門的傳輸門的輸出端和輸入端也可互換。輸出端和輸入端也可互換。 uouiuiuo 當當 c = 0v，ui = 0 vdd 時，時，vn、vp 均截止，輸出與輸入之間呈現(xiàn)高均截止，輸出與輸入之間呈現(xiàn)高電阻，相當于開關斷開。電阻，相當于開關斷開。 ui 不能傳輸?shù)捷敵龆?，稱傳輸門不能傳輸?shù)捷敵龆?，稱傳輸門關閉。關閉。cc 當當 c

45、= vdd，ui = 0 vdd 時，時，vn、vp 中至少有一管導通，輸出與輸入中至少有一管導通，輸出與輸入之間呈現(xiàn)低電阻，相當于開關閉合。之間呈現(xiàn)低電阻，相當于開關閉合。 uo = ui，稱傳輸門開通。，稱傳輸門開通。 c = 1，c = 0 時，傳輸門開通，時，傳輸門開通，uo = ui； c = 0，c = 1 時，傳輸門關閉，信號不能傳輸。時，傳輸門關閉，信號不能傳輸。cmos 傳輸傳輸門門結構結構 邏輯門電路邏輯門電路pmoscui/uovddcmos傳輸傳輸門電路結構門電路結構uo/uivpcnmosvn 傳輸門是一個理想的傳輸門是一個理想的雙向開關，雙向開關，可傳輸模擬信號可傳

46、輸模擬信號，也可傳輸，也可傳輸數(shù)字信號數(shù)字信號。tgui/uouo/uicc傳輸門邏輯符號傳輸門邏輯符號 tg 即即 transmission gate 的縮寫的縮寫 cmos 傳輸門傳輸門 邏輯門電路邏輯門電路雙向模擬開關雙向模擬開關圖2.6.25 cmos雙向模擬開關的電路結構和符號 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.28 cmos三態(tài)門電路結構之一返回返回四、三態(tài)輸出的四、三態(tài)輸出的cmos門電路門電路反相器上反相器上增加一對增加一對p溝道和溝道和n溝道的溝道的mos管組管組成。成。 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.29 cmos三態(tài)門電路結構之二 （a）用或非或非門控制 （b）用與非與非門控

47、制返回返回在反相器的基礎上增加一個控制管和一個在反相器的基礎上增加一個控制管和一個與非門或者或非門而形成。與非門或者或非門而形成。 邏輯門電路邏輯門電路圖2.6.30 cmos三態(tài)門電路結構之三返回返回在反相器的輸出端串進一個在反相器的輸出端串進一個cmos模模擬開關，作為輸出狀態(tài)的控制開關。擬開關，作為輸出狀態(tài)的控制開關。 邏輯門電路邏輯門電路2.6.52.6.5、cmos 數(shù)字集成電路應用要點數(shù)字集成電路應用要點 ( (一一) )cmos 數(shù)字集成電路系列數(shù)字集成電路系列 cmos4000 系列系列 功耗極低、抗干擾能力強；功耗極低、抗干擾能力強；電源電壓范圍寬電源電壓范圍寬 vdd =

48、3 15 v；工作頻率低，工作頻率低，fmax = 5 mhz；驅動能力差驅動能力差。高速高速cmos 系列系列( (又稱又稱 hcmos 系列系列) ) 功耗極低、抗干擾能力強；電功耗極低、抗干擾能力強；電源電壓范圍源電壓范圍 vdd = 2 6 v；工作頻率高，工作頻率高，fmax = 50 mhz；驅動能力強。驅動能力強。 提高速度措施：減小提高速度措施：減小mos 管的極間電容。管的極間電容。 由于由于cmos電路電路 uth vdd / 2，噪聲容限，噪聲容限unl unh vdd / 2，因，因此抗此抗干擾能力很強。電干擾能力很強。電源電壓越高，抗干擾能源電壓越高，抗干擾能力越強。

49、力越強。 邏輯門電路邏輯門電路民品民品 軍品軍品 vdd = 2 6 v t 表示與表示與 ttl 兼容兼容vdd = 4.5 5.5 v cc54hc / 74hc 系列系列cc54hc / 74hc 系列系列 tt按按電源電壓電源電壓不同分為不同分為 按工作溫度不同分為按工作溫度不同分為 cc74 系列系列 cc54 系列系列 高速高速 cmos 系列系列 邏輯門電路邏輯門電路1. 注意不同系列注意不同系列 cmos 電路允許的電源電壓范圍不同，電路允許的電源電壓范圍不同， 一般多用一般多用 + + 5 v。電源電壓越高，抗干擾能力也越強。電源電壓越高，抗干擾能力也越強。 ( (二二) )

50、cmos 集成邏輯門使用要點集成邏輯門使用要點 2. 閑置輸入端的處理閑置輸入端的處理 不允許懸空。不允許懸空。 可與使用輸入端并聯(lián)使用。但這樣會增大輸入電容，可與使用輸入端并聯(lián)使用。但這樣會增大輸入電容，使速度下降，因此工作頻率高時不宜這樣用。使速度下降，因此工作頻率高時不宜這樣用。 與門和與非門的閑置輸入端可接正電源或高電平；與門和與非門的閑置輸入端可接正電源或高電平；或門和或非門的閑置輸入端可接地或低電平?；蜷T和或非門的閑置輸入端可接地或低電平。 邏輯門電路邏輯門電路主要要求：主要要求： 了解了解 ttl 和和 cmos 電路的主要差異。電路的主要差異。 了解了解集成門電路的選用和應用。

51、集成門電路的選用和應用。 3.5 集成邏輯門電路的應用集成邏輯門電路的應用 邏輯門電路邏輯門電路一、一、cmos 門門電路比之電路比之 ttl 的主要特點的主要特點 注意：注意：cmos 電路的扇出系數(shù)大是由于其負載門電路的扇出系數(shù)大是由于其負載門的輸入阻抗很高，所需驅動功率極小，的輸入阻抗很高，所需驅動功率極小，并非并非 cmos 電電路的驅動能力比路的驅動能力比 ttl 強。強。實際上實際上 cmos4000 系列驅動系列驅動能力遠小于能力遠小于 ttl，hcmos 驅動能力與驅動能力與 ttl 相近。相近。 功耗極低功耗極低 抗干擾能力強抗干擾能力強 電源電壓范圍寬電源電壓范圍寬 輸出信

52、號擺幅大輸出信號擺幅大( (uoh vdd，uol 0 v) ) 輸入阻抗高輸入阻抗高 扇出系數(shù)大扇出系數(shù)大 邏輯門電路邏輯門電路二、集成邏輯門電路的選用二、集成邏輯門電路的選用 根據(jù)電路工作要求和市場因素等綜合決定根據(jù)電路工作要求和市場因素等綜合決定 若對功耗和抗干擾能力要求一般，可選用若對功耗和抗干擾能力要求一般，可選用 ttl 電路。電路。目前多用目前多用 74ls 系列，它的功系列，它的功耗較小，工作頻率一般可用至耗較小，工作頻率一般可用至 20 mhz；如工作頻率較高，可選用如工作頻率較高，可選用 ct74als 系列，系列，其工作頻率一般可至其工作頻率一般可至 50 mhz。 若要

53、求功耗低、抗干擾能力強，則應選用若要求功耗低、抗干擾能力強，則應選用 cmos 電路。電路。其中其中 cmos4000 系列一般用于系列一般用于工作頻率工作頻率 1 mhz 以下、驅動能力要求不高的以下、驅動能力要求不高的場合；場合；hcmos 常用于工作頻率常用于工作頻率 20 mhz 以下、以下、要求較強驅動能力的場合。要求較強驅動能力的場合。 邏輯門電路邏輯門電路解：解：三、集成邏輯門電路應用舉例三、集成邏輯門電路應用舉例 例例 試改正下圖電路的錯誤，使其正常工作。試改正下圖電路的錯誤，使其正常工作。cmos 門門ttl 門門od 門門(a)(b)(c)(d)vddcmos 門門ya =

54、 abvddyb = a + bttl 門門od 門門yc = avddenyd=aben = 1 時時en = 0 時時od 門門&ttl 門門懸空懸空cmos 門門懸空懸空 邏輯門電路邏輯門電路可用兩級電路可用兩級電路 2 個與非門實現(xiàn)之個與非門實現(xiàn)之 例例 試分別采用與非門和或非門實現(xiàn)與門和或門。試分別采用與非門和或非門實現(xiàn)與門和或門。解：解：( (1) ) 用與非門實現(xiàn)與門用與非門實現(xiàn)與門設法將設法將 y = ab 用與非式表示用與非式表示因為因為 y = ab = ab因此，用與非門實現(xiàn)的與門電路為因此，用與非門實現(xiàn)的與門電路為y = ab將與非門多余輸入端與有用端并聯(lián)使用構成非門將

55、與非門多余輸入端與有用端并聯(lián)使用構成非門 邏輯門電路邏輯門電路可用兩級電路可用兩級電路 3 個與非門實現(xiàn)個與非門實現(xiàn)( (2) ) 用與非門實現(xiàn)或門用與非門實現(xiàn)或門因此，用與非門實現(xiàn)的或門電路為因此，用與非門實現(xiàn)的或門電路為y = a + b因為因為 y = a + b = a + b = a b設法將設法將 y = a + b 用與非式表示用與非式表示實現(xiàn)實現(xiàn) a實現(xiàn)實現(xiàn) b 邏輯門電路邏輯門電路可用兩級電路可用兩級電路 3 個或非門實現(xiàn)之。個或非門實現(xiàn)之。( (3) ) 用或非門實現(xiàn)與門用或非門實現(xiàn)與門設法將設法將 y = ab 用或非式表示用或非式表示因此，用或非門實現(xiàn)的與門電路為因此，

56、用或非門實現(xiàn)的與門電路為因為因為 y = ab = a b = a + b將或非門多余輸入端與將或非門多余輸入端與有用端并聯(lián)使用構成非門有用端并聯(lián)使用構成非門y = ab 邏輯門電路邏輯門電路可用兩級電路可用兩級電路 2 個或非門實現(xiàn)之個或非門實現(xiàn)之( (4) ) 用或非門實現(xiàn)或門用或非門實現(xiàn)或門設法將設法將 y = a + b 用或非式表示用或非式表示因為因為 y = a + b = a + b因此，用或非門實現(xiàn)的或門電路為因此，用或非門實現(xiàn)的或門電路為y = a + b 邏輯門電路邏輯門電路 例例 有一個火災報警系統(tǒng)，設有煙感、溫感和紫外光有一個火災報警系統(tǒng)，設有煙感、溫感和紫外光感三種不

57、同類型的火災探測器。為了防止誤報警，只有感三種不同類型的火災探測器。為了防止誤報警，只有當其中兩種或三種探測器發(fā)出探測信號時，報警系統(tǒng)才當其中兩種或三種探測器發(fā)出探測信號時，報警系統(tǒng)才產(chǎn)生報警信號，試用與非門設計產(chǎn)生報警信號的電路。產(chǎn)生報警信號，試用與非門設計產(chǎn)生報警信號的電路。輸輸 入入輸輸 出出a b cy0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1解：解：( (1) ) 分析設計要求，建立真值表分析設計要求，建立真值表感三種不同類型的火災探測器感三種不同類型的火災探測器有煙感、溫感和紫外光有煙感、溫感和紫外光產(chǎn)生報警信號產(chǎn)生報警信號兩種或三種探測器發(fā)出

58、探測信號時，報警系統(tǒng)才兩種或三種探測器發(fā)出探測信號時，報警系統(tǒng)才與非門設計與非門設計 報警電路的輸入信號為煙感、溫感報警電路的輸入信號為煙感、溫感和紫外光感三種探測器的輸出信號，設和紫外光感三種探測器的輸出信號，設用用 a、b、c 表示，且規(guī)定有火災探測信表示，且規(guī)定有火災探測信號時用號時用 1 表示，否則用表示，否則用 0 表示。表示。 報警電路的輸出用報警電路的輸出用 y 表示，且規(guī)表示，且規(guī)定需報警時定需報警時y 為為 1 ，否則，否則 y 為為 0。由此可列出真值表如右圖所示由此可列出真值表如右圖所示11110000( (2) ) 根據(jù)根據(jù)真值表畫函數(shù)卡諾圖真值表畫函數(shù)卡諾圖 邏輯門電

59、路邏輯門電路 1 1abc0100 0111 10 1 1( (3) ) 用卡諾圖化簡法求用卡諾圖化簡法求出輸出邏輯函數(shù)的最出輸出邏輯函數(shù)的最簡與或表達式，再變簡與或表達式，再變換為與非表達式。換為與非表達式。y = ab + ac + bc( (4) ) 畫邏輯圖畫邏輯圖根據(jù)根據(jù) y 的與非表達式畫邏輯圖的與非表達式畫邏輯圖=ab ac bcabcy=ab ac bc 邏輯門電路邏輯門電路門電路是組成數(shù)字電路的基本單元之一，最基門電路是組成數(shù)字電路的基本單元之一，最基本的邏輯門電路有與門、或門和非門。實用中本的邏輯門電路有與門、或門和非門。實用中通常采用集成門電路，常用的有與非門、或非通常采

60、用集成門電路，常用的有與非門、或非門、與或非門、異或門、輸出開路門、三態(tài)門門、與或非門、異或門、輸出開路門、三態(tài)門和和 cmos 傳輸門等。門電路的傳輸門等。門電路的學習重點是常學習重點是常用集成門的邏輯功能、外特性和應用方法。用集成門的邏輯功能、外特性和應用方法。 本章小結本章小結 邏輯門電路邏輯門電路在數(shù)字電路中，三極管作為開關使用。在數(shù)字電路中，三極管作為開關使用。硅硅 npn 管管的截止條件為的截止條件為 ube 0.5 v ，可可靠截止條件為靠截止條件為 ube 0 v，這時這時 ib 0，ic 0，集集電極和發(fā)射極之間相當于開關斷開；飽和條件電極和發(fā)射極之間相當于開關斷開；飽和條件