數(shù)字電路-Chapter2

1、輸入輸入輸出輸出邏輯門邏輯門Chapter 2 邏輯門電路邏輯門電路Logic Gates 2.1 概述概述邏輯門邏輯門: 用以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的單元電路稱為邏輯門電路。用以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的單元電路稱為邏輯門電路。 基本邏輯門基本邏輯門與門與門 AND 或門或門 OR非門非門 NOT復(fù)合邏輯門復(fù)合邏輯門與非門與非門或非門或非門與或非門與或非門異或門異或門同或門同或門在邏輯運(yùn)算和邏輯門中使用在邏輯運(yùn)算和邏輯門中使用二進(jìn)制系統(tǒng)二進(jìn)制系統(tǒng): 邏輯高邏輯高 (邏輯邏輯1)邏輯低邏輯低 (邏輯邏輯0)邏輯高和邏輯低使用電壓高低來表示的邏輯高和邏輯低使用電壓高低來表示的邏輯高邏輯高 邏輯邏輯1 - 高電平高電平

2、邏輯低邏輯低 邏輯邏輯0 - 低電平低電平實(shí)現(xiàn)高實(shí)現(xiàn)高 (logic 1)、低、低 (logic 0) 輸出電平的基本原理輸出電平的基本原理:開關(guān)開關(guān) S輸出電壓輸出電壓 VoS 斷開斷開高高S 接通接通 低低S晶體二極管晶體二極管 晶體三極管晶體三極管輸入信號輸入信號 Vi 控制二極管或三極管工作在截控制二極管或三極管工作在截止和導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)，就可以起到開關(guān)止和導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)，就可以起到開關(guān)S作用。作用。2.2 邏輯門電路邏輯門電路1. 與門與門 AND Gate燈滅燈亮 0 1斷開閉合開關(guān) 0 1A.B 僅當(dāng)開關(guān)僅當(dāng)開關(guān) A 和和 B 同時(shí)閉合時(shí)同時(shí)閉合時(shí) (邏輯邏輯 1), 燈燈 (F)

3、亮亮.1)與開關(guān)電路與開關(guān)電路FLAMPABE兩個(gè)開關(guān)串聯(lián)兩個(gè)開關(guān)串聯(lián)2.2.2.1 2.1 基本邏輯門基本邏輯門2)真值表真值表0 00 11 01 1A B F1.輸入的所有可能取值按二進(jìn)制數(shù)大小排列輸入的所有可能取值按二進(jìn)制數(shù)大小排列在左；在左；2.左側(cè)兩列是函數(shù)的輸入左側(cè)兩列是函數(shù)的輸入3.右側(cè)一列是對應(yīng)的函數(shù)輸出右側(cè)一列是對應(yīng)的函數(shù)輸出3)與功能與功能 與門：與門：輸入只要有低，輸出為低；輸入只要有低，輸出為低； 輸入都為高時(shí)，輸出為高。輸入都為高時(shí)，輸出為高。01004)與門符號及表達(dá)式與門符號及表達(dá)式最多8個(gè)輸入AF &BABF表達(dá)式表達(dá)式: F = A B = AB (

4、A 與與 B) (邏輯乘邏輯乘)(a)矩形輪廓的圖形符號矩形輪廓的圖形符號(b)特定外形的圖形符號特定外形的圖形符號5 5）與運(yùn)算）與運(yùn)算A是任意變量是任意變量6 6）波形圖）波形圖對應(yīng)輸入波形畫出輸出波形對應(yīng)輸入波形畫出輸出波形111010010000AAAAAA1A00AABF=AB與與2. 2. 或門或門1)或門電路或門電路兩個(gè)開關(guān)兩個(gè)開關(guān)(A, B)并聯(lián)并聯(lián) 只有任何一個(gè)開關(guān)閉合，燈只有任何一個(gè)開關(guān)閉合，燈F就會亮就會亮 FLAMPABE2)真值表真值表00 00 1101 1A B F1113)3) 或門或門 函數(shù)函數(shù)或函數(shù)功能：或函數(shù)功能：只要有一個(gè)輸入為高電平只要有一個(gè)輸入為高電

5、平1，輸出就為高電平，輸出就為高電平1；只有輸入全為低電平只有輸入全為低電平0時(shí)，輸出才為低電平時(shí)，輸出才為低電平0。4)或門符號和表達(dá)式或門符號和表達(dá)式AF 1BF = A+B 邏輯加邏輯加最多最多8個(gè)輸入個(gè)輸入ABF(a)矩形輪廓的圖形符號矩形輪廓的圖形符號(b)特定外形的圖形符號特定外形的圖形符號5 5）或運(yùn)算）或運(yùn)算0+0=0+1=1+1=011A+0=A+1=A+A=A+ =AA1A16 6）波形圖）波形圖ABF=A+B或運(yùn)算3. 3. 非門非門1)非門電路非門電路如果開關(guān)如果開關(guān) A 閉合，閉合， 燈燈 F 熄滅熄滅 。2)真值表真值表AF011RFLAMPEA03)3) 非門功能

6、非門功能 輸入高，輸出低輸入高，輸出低輸入低，輸出高輸入低，輸出高產(chǎn)生產(chǎn)生反向反向輸出波形。輸出波形。4)非門符號和表達(dá)式非門符號和表達(dá)式AFFAAF15）非門運(yùn)算）非門運(yùn)算10 01AA 0AA1AA(a)矩形輪廓的圖形符號矩形輪廓的圖形符號(b)特定外形的圖形符號特定外形的圖形符號非門運(yùn)算FAA6）波形圖）波形圖2.2.2 2.2.2 復(fù)合邏輯門復(fù)合邏輯門基本邏輯門包括：基本邏輯門包括：1. AND（與門與門）F=AB2. OR (或門或門)F=A+B3. NOT (非門非門)F=AAF &BAF 1BAF1復(fù)合邏輯門由基本邏輯門組合而成復(fù)合邏輯門由基本邏輯門組合而成4. 與非門與

7、非門F=AB5. 或非門或非門F=A+B6. 與或門與或門F=AB+CD7. 與或非門與或非門F=AB+CDABFABFAF &BAF 1B&1ABCDF&1ABCDF8. 異或門異或門 XORF=AB =AB+AB 國內(nèi)使用真值表真值表0 00 1101 1A B F(異或) 異或門輸入端只有異或門輸入端只有2 2個(gè)且必須個(gè)且必須 2 2 個(gè)，輸入相異時(shí)輸出高電平。個(gè)，輸入相異時(shí)輸出高電平。功能：比較功能：比較( (判斷判斷) )兩輸入是否相異。兩輸入是否相異。F=1ABABF00119. 同或門同或門 XNORF=AB真值表真值表:0 00 1101 1A B F(

8、XOR) F(XNOR)01101001同或門有同或門有2 2個(gè)輸入，輸出與異或門相反；個(gè)輸入，輸出與異或門相反；兩輸入相同時(shí)輸出高電平。兩輸入相同時(shí)輸出高電平。功能：比較功能：比較( (判斷判斷) )兩輸入是否相同兩輸入是否相同F(xiàn)=ABF=1ABF=A B=AB+BA10.三態(tài)門三態(tài)門 TSL (Three State Logic)1)高電平有效高電平有效 Active High EN=1, F=AB2)低電平有效低電平有效 Active LowEN=0, (與非門與非門)EN=1, F= Hi-ZF=ABAB&ENFAB&ENFEN: enable input (使能輸入端

9、使能輸入端)(與非門與非門)EN=0, F= Hi-Z (高阻態(tài)高阻態(tài))11.傳輸門傳輸門 (Transmission Gate，TG)C：控制端控制端C=1, , F=A (開關(guān)合上，信號傳過）開關(guān)合上，信號傳過）C=0, , (開關(guān)斷開開關(guān)斷開）C0C1TGCAFC2.3.1 晶體二極管的開關(guān)特性晶體二極管的開關(guān)特性二極管二極管 +_ 二極管在外加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，外加反向電壓時(shí)截止。二極管在外加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，外加反向電壓時(shí)截止。 所以二極管相當(dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制的開關(guān)。所以二極管相當(dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制的開關(guān)。硅二極管導(dǎo)通時(shí)，二極管上的電壓降鉗制在硅二極管導(dǎo)通時(shí)，二極管上的電壓

10、降鉗制在0.7V。2.3 晶體二極管和三極管的開關(guān)特性晶體二極管和三極管的開關(guān)特性輸出特性曲線輸出特性曲線csI臨界飽和集電極電流臨界飽和集電極電流bsI臨界飽和基極電流臨界飽和基極電流臨界點(diǎn)臨界點(diǎn), 保持放大保持放大關(guān)系的最后一點(diǎn)關(guān)系的最后一點(diǎn) bscsIIRbARcEccTbe輸入F輸出2.3.2 晶體三極管的開關(guān)特性晶體三極管的開關(guān)特性晶體三極管晶體三極管在模擬電路里用于放大，工作在放大狀態(tài)在模擬電路里用于放大，工作在放大狀態(tài)在數(shù)字電路里用作開關(guān)，工作在飽和在數(shù)字電路里用作開關(guān)，工作在飽和/截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)NPN三極管電路三極管電路開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài):1) 輸入輸入 A = 0 0.3V

11、(低電平低電平, 邏輯邏輯 0)三極管三極管 T 截止截止 (兩個(gè)兩個(gè) NPN 結(jié)都處于反向偏置結(jié)都處于反向偏置)T 等價(jià)電路如下圖等價(jià)電路如下圖:近似于斷開近似于斷開 cebRbARcEccTbe輸入F輸出A=0, F=1輸出輸出 F= Ec (電源電壓，高電平，邏輯電源電壓，高電平，邏輯 1)T 等價(jià)電路如下圖等價(jià)電路如下圖:近似于短路近似于短路ceb2) 輸入輸入 A = 3.6V (高電平高電平, 邏輯邏輯 1)三極管三極管T 飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通輸出輸出 F= = 0.1 0.3V (邏輯邏輯 0)cesVRbARcEccTbe輸入F輸出 A=1, F=0A=0, F=1A=1, F=0

12、 開關(guān)狀態(tài)的變化不是躍變的，狀態(tài)必須經(jīng)歷中間的放開關(guān)狀態(tài)的變化不是躍變的，狀態(tài)必須經(jīng)歷中間的放大區(qū)，這一過程決定了三極管開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度大區(qū)，這一過程決定了三極管開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度如何判斷三極管是否處于開關(guān)狀態(tài)如何判斷三極管是否處于開關(guān)狀態(tài) ?(ON) ,7 . 0(OFF) ,7 . 0:導(dǎo)通截止TvVTvVVbebebe2.飽和臨界飽和放大 bsbbsbbsbbsbIiIiIiIi開關(guān)狀態(tài)在短路和斷路之間變化開關(guān)狀態(tài)在短路和斷路之間變化RbARcVcccTbe輸入F輸出1.例例 1: 三極管電路如圖所示，判斷三極管的工作狀態(tài)？三極管電路如圖所示，判斷三極管的工作狀態(tài)？T 飽和飽和T =3030k

13、4kib+12cccesccbsccVVVIRR3120.70.26mA30 10ccbebbVViRbbsiI3120.1mA30 4 10bsI 例例2: 如果輸入電壓為一個(gè)脈沖如果輸入電壓為一個(gè)脈沖 04V, 判斷三極管是否判斷三極管是否可以作為一個(gè)開關(guān)可以作為一個(gè)開關(guān)?T=3020k3kib5kViVo+12-6Vi1i2iV4V, b12334 0.70.7 ( 6)iii0.32mA5 1020 10 bbsiIT 飽和飽和 T 可以作為開關(guān)?？梢宰鳛殚_關(guān)。bs312 I0.13mA30 3 10 Vb :54(46)2V520V T 導(dǎo)通導(dǎo)通Vi=0V，Vbe=0，T截止截止4V

14、0V2.4.1 三極管非門三極管非門2. 分立器件門電路分立器件門電路TRcRbViVoEcAFVi Vo01Ec (1) T 截止Vces(0) T 導(dǎo)通2.4.2 二極管與門二極管與門如果如果 A=0 (低低)， D1 導(dǎo)通，導(dǎo)通， 如果如果 A=B=1 (高，高， 比如比如6V)， D1 和和 D2 都斷開，都斷開， +5VD1D2ABRF同樣，如果同樣，如果B=0, 則則F=0.7 V如果如果A=0 且且B=0，則，則F=0.7V(真值表中的前三行真值表中的前三行) 邏輯邏輯0 (低電平低電平)D1上壓降上壓降0.7V， 所以所以 F = 0.7VF=1 (高，高， 5V) (真值表中

15、最后一行真值表中最后一行)如果如果 A=B=0 (0V, 邏輯低邏輯低), D1 和和 D2 都截止都截止, F=0 (邏輯低邏輯低);D1D2ABRF0V如果如果 A=1 (邏輯高邏輯高), D1導(dǎo)通導(dǎo)通, F = 1 (邏輯高邏輯高). (減減0.7V仍為高電平仍為高電平)如果如果B=1、或、或 A=B=1 原理相同原理相同, F = 1 (邏輯高邏輯高). 2.4.3 二極管或門二極管或門分立器件分立器件 缺點(diǎn)：電氣特性不如集成電路，抗干擾能力、帶負(fù)載能力不足缺點(diǎn)：電氣特性不如集成電路，抗干擾能力、帶負(fù)載能力不足集成門電路集成門電路 優(yōu)點(diǎn)：體積小、可靠性高、壽命長、速度快、成本低、功耗小

16、等優(yōu)點(diǎn)：體積小、可靠性高、壽命長、速度快、成本低、功耗小等Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOS) ) 功耗低功耗低Transistors-Transistors-Logic三三極極管管-三三極極管管-邏輯（邏輯（TTL） 速度快速度快集成電路集成電路單極型單極型雙極型雙極型邏輯門電路的分類邏輯門電路的分類二極管門電路二極管門電路三極管門電路三極管門電路TTL門電路門電路MOS門電路門電路PMOS門門CMOS門門分立門電路分立門電路集成門電路集成門電路NMOS門門邏輯門電路邏

17、輯門電路2.5 TTL 集成門電路集成門電路Transistors-Transistors-Logic三極管三極管-三三極極管管-邏輯邏輯與非門真值表與非門真值表0 00 11 01 1A B F1110T1: 兩個(gè)發(fā)射極兩個(gè)發(fā)射極 (多發(fā)射極多發(fā)射極) 兩個(gè)發(fā)射極兩個(gè)發(fā)射極-基極結(jié)點(diǎn)基極結(jié)點(diǎn).只要只要A 、 B之一是之一是邏輯低邏輯低, 輸出輸出F 高高A 和和 B都高，輸出都高，輸出F低低R21.6KFD3R14KR4130R310KT1T4T5T2BA+5VF=AB電路電路2.5.1 TTL 與非門與非門1) 入端有低的情況入端有低的情況只要只要A、B有一個(gè)低有一個(gè)低, 電流會電流會從電

18、源，通過從電源，通過 R1 和和 T1 流向流向地。地。350.71.1mA4 10iIT2 截止截止, T5 截止截止10.7VbV這個(gè)電壓太低，不足以打開這個(gè)電壓太低，不足以打開 T1bc 、T2be 和和T5be 。R21.6KFD3R14KR4130R310KT1T4T5T2BA+5IiVb1=0.7V 通過通過 T1， Vb1 的電壓被鉗制在的電壓被鉗制在0.7V。真值表的前三行真值表的前三行等價(jià)電路等價(jià)電路:現(xiàn)在現(xiàn)在輸出輸出 F = 5 - 0.7V - 0.7V = 3.6V45VbV結(jié)論：只要有一個(gè)輸入低，則輸出為高。結(jié)論：只要有一個(gè)輸入低，則輸出為高。T4D3+5FT2T5V

19、b4 = 5VT4beD3典型高電平典型高電平2) 輸入輸入都為高都為高 3.6V輸入 A 和 B 都是 3.6V, T2, T5 導(dǎo)通導(dǎo)通電流從電源電流從電源, 經(jīng)過經(jīng)過 T1,T2 和和 T5 到地。到地。R1R2R3R4T2T4T5D3FABT1+53.6V4.3V 足以打開T1bc , T2be 和 T5be.Vb1T1 導(dǎo)通 , Vb1 鉗制在鉗制在 4.3V (=3.6+0.7).真值表的第四行真值表的第四行等價(jià)電路等價(jià)電路:輸出5F=0.1 0.3V. (Low)ceVT5T5飽和壓降飽和壓降 結(jié)論：輸入高，結(jié)論：輸入高， 輸出低輸出低實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)“與非與非”功能功能: F=ABT4

20、D3T4, D3 截止T2 和和 T5 導(dǎo)通導(dǎo)通, Vb1 = 2.1VVb1 = 2.1VVb4 = Vbe5 + Vce2 = 0.7 +0.3 = 1.0VVb4 不夠正向偏置電壓 T4be 和 D3Vb4FT1+5T5T2理想的理想的TTL與非門電壓特性如下與非門電壓特性如下:現(xiàn)在我們來分析，當(dāng)輸入電壓現(xiàn)在我們來分析，當(dāng)輸入電壓VT =1.4V 時(shí)，時(shí)，輸入電阻的大小輸入電阻的大小VoVOHOFFVOLONViVT0.3V3.6VRiVRiT4T2T5T1R5D3+5VoT6Vi4kR6輸入電阻輸入電阻 Ri VRi = Vi門坎電壓時(shí)的門坎電壓時(shí)的 RiRT : 門坎電阻輸入電阻輸入

21、電阻 RiT4T2T5T1R5D3+5VoT6RiVRiVi4kR6=1.4V (VT)1.9iRk2TkR3(50.7)4 10iRiiRVRRi RT , 等價(jià)于輸入邏輯高等價(jià)于輸入邏輯高 (1)Ri 對地懸空對地懸空,電阻無窮大（電阻無窮大（），邏輯），邏輯1如果如果Ri小，小，VRi低，則對應(yīng)于輸入邏輯低低，則對應(yīng)于輸入邏輯低如果如果Ri大，大，VRi高，則對應(yīng)于輸入邏輯高高，則對應(yīng)于輸入邏輯高例例:1FAB&AB5K2F1&5VX400&5VX4005VXF310111: 門檻電壓 ，VT =1.4VTVVi 懸空懸空 Vi = 1輸入輸入 ViVi 1.4V

22、 相當(dāng)于相當(dāng)于 Vi = 1 &ABF1&ABF3&ABF25VF1 = 1012F =AB13F =AB1. TTL 反向器反向器2.5.2 其他類型其他類型TTL門電路門電路 TTL 非門電路與非門電路與 TTL 與非門電路幾乎相同。與非門電路幾乎相同。c5VEoukR41kR6 . 121304RkR1031D3D1T2T4T5TFiuAFA2. 或非門或非門CCV1R1R2R4R3R1T2T1T2T4T5TABFBAF121: T , T , RB121A: T , T , R電路相同電路相同 中間電路和輸出電路與中間電路和輸出電路與 TTL 與與非門電路相同。

23、非門電路相同。 A：高：高 T2, T5 導(dǎo)通導(dǎo)通T4, D3 截止截止F: 低低B：高：高 T2, T5 導(dǎo)通導(dǎo)通T4 , D3 截止截止F: 低低只有只有 A、 B都低都低T2, T2 截止截止T5 截止截止F: 高高T4 ,D3導(dǎo)通導(dǎo)通三極管是電流控制元件三極管是電流控制元件, cbbcoiiiiV互補(bǔ)型互補(bǔ)型 CMOS: 轉(zhuǎn)換速度較快轉(zhuǎn)換速度較快MOSFET是是 電壓控制元件電壓控制元件優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):MOSFET缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，體積小，能耗小能耗小轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢這里，我們只關(guān)注這里，我們只關(guān)注 MOSFET 作為開關(guān)的工作原理作為開關(guān)

24、的工作原理2.6.1 MOS的開關(guān)特性的開關(guān)特性2.6 MOS 門電路門電路N-溝道 MOSP-溝道 MOSNMOS: 輸入輸入 NMOS 導(dǎo)通導(dǎo)通 TGSVVDrain 漏漏Source 源源Grid 柵柵0TV PMOS:TGSVVPMOS 導(dǎo)通導(dǎo)通0TV 在使用中，在使用中，PMOS采用負(fù)電源，采用負(fù)電源，NMOS采用正電源。采用正電源。MOS管管的襯底電位接法是：的襯底電位接法是：N溝道襯底接電路中最低電位，溝道襯底接電路中最低電位，P溝道襯溝道襯底接電路中最高電位。底接電路中最高電位。 MOSFET 在截止?fàn)顟B(tài)的電阻在截止?fàn)顟B(tài)的電阻 ROFF MOSFET 的開關(guān)電路的開關(guān)電路 如果

25、如果 Vi =VGS VT ，則，則NMOS 截止。截止。只要只要 RD VT ，NMOS 處于恒流狀態(tài)處于恒流狀態(tài), 導(dǎo)通狀態(tài)的電阻導(dǎo)通狀態(tài)的電阻 RON1 k ，只，只要要 RD RON，輸出為低電平，輸出為低電平 VOL, 且且VOL 0。MOSFET 的的 D-S 結(jié)近似結(jié)近似短路。短路。輸入低，輸入低，MOS 截止，輸出高；截止，輸出高；輸入高，輸入高，MOS 導(dǎo)通，輸出低。導(dǎo)通，輸出低。反向器，非門反向器，非門NMOS 開關(guān)電路開關(guān)電路ViVoMOS 電路的輸入電阻電路的輸入電阻 RGS : 1010 , 所以無論外部電所以無論外部電阻是多少，阻是多少， GND 0，Ec 1。&ABF11ABF210VF1 = 1F2 = 001CMOSCMOSCMOS 電路不用的輸入端一定不能懸空（靜電保護(hù)）電路不用的輸入端一定不能懸空（靜電保護(hù)）懸空時(shí)入端無電流，