數(shù)字電路與系統(tǒng) （第4版） 課件【ch02】邏輯門電路

邏輯門電路第二章集成電路科學(xué)與工程系列教材數(shù)字電路與系統(tǒng)(第4版)概述0101概述用于實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路統(tǒng)稱為門電路(GateCircuits)。常用的邏輯門電路主要有與門(AND)、或門(OR)和非門(NOT)，以及與非門(NAND)、或非門(NOR)、異或門(XOR)、同或門(XNOR)等。在數(shù)字電路中，通常用高電平(H)、低電平(L)分別表示二值邏輯的真(1)和假(0)兩種狀態(tài)。如果以輸出的高電平表示邏輯1，以低電平表示邏輯0，則稱這種表示方法為正邏輯。反之，若以輸出的高電平表示0，而以低電平表示1，則稱這種表示方法為負(fù)邏輯。01概述邏輯門電路種類繁多，按是否集成來分類，可分為分立元件邏輯門電路和集成邏輯門電路。集成電路按照其內(nèi)部有源器件的不同又可以分為兩類:雙極型晶體管集成電路(BipolarIntegratedCircuits)和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管集成電路(MOSIntegratedCircuits)。其中，以TTITransistor-TransistorLogic)為代表的雙極型晶體管集成電路和以CMOS(ComplementaryMetalOxideSemicondutor)為代表的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管集成電路，廣泛應(yīng)用到計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。邏輯門電路介紹0202邏輯門電路介紹基本邏輯門電路1.與門實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算功能的邏輯器件稱為與門，每個(gè)與門有兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入端和一個(gè)輸出端，兩輸入端的與門邏輯符號(hào)如圖2.2(a)所示。02邏輯門電路介紹基本邏輯門電路2.或門實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算邏輯功能的邏輯器件稱為或門。每個(gè)或門有兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入端和一個(gè)輸出端，兩個(gè)輸入端或門的邏輯符號(hào)如圖2.2(b)所示。3.非門實(shí)現(xiàn)非門邏輯運(yùn)算功能的邏輯器件稱為非門，非門也稱為反相器，每個(gè)非門有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，其邏輯符號(hào)如圖2.2(c)所示。02邏輯門電路介紹復(fù)合邏輯門電路從理論上講，由與、或、非三種基本門電路可以實(shí)現(xiàn)任何邏輯功能，但在實(shí)際應(yīng)用中,為了提高門電路的抗干擾能力、負(fù)載能力等，通常將一些復(fù)合邏輯采用集成電路一起實(shí)現(xiàn)成為復(fù)合邏輯門電路。最常用的復(fù)合邏輯門電路有與非門、或非門、與或非門和異或門、同或門，它們的邏輯符號(hào)如圖2.3所示。02邏輯門電路介紹最大項(xiàng)與最小項(xiàng)的關(guān)系1.與非門實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算后再進(jìn)行非運(yùn)算的復(fù)合邏輯電路稱為與非門。與非門有兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入端，兩個(gè)輸入端與非門的邏輯符號(hào)如圖2.3(a)所示。2.或非門實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算后再進(jìn)行非運(yùn)算的復(fù)合邏輯電路稱為或非門。或非門有兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入端，兩個(gè)輸入端或非門的邏輯符號(hào)如圖2.3(b)所示。復(fù)合邏輯門電路02邏輯門電路介紹最大項(xiàng)與最小項(xiàng)的關(guān)系3.與或非門與、或、非三種運(yùn)算的復(fù)合運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)電路稱為與或非門，其邏輯符號(hào)如圖2.3(c)所示，真值表如表2.6所示。4.異或門異或邏輯指兩輸入端取值不同時(shí)，輸出為1:當(dāng)兩個(gè)輸入端取值相同時(shí)，輸出為0。實(shí)現(xiàn)異或邏輯的門電路稱為異或門。異或門有且只有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，其邏輯符號(hào)如圖2.3(d)所示。復(fù)合邏輯門電路02邏輯門電路介紹02邏輯門電路介紹最大項(xiàng)與最小項(xiàng)的關(guān)系02邏輯門電路介紹5.同或門異或運(yùn)算之后再進(jìn)行非運(yùn)算，則稱為同或運(yùn)算，其邏輯是指兩輸入端取值相同時(shí)，輸出為1;兩輸入取值不同時(shí)，其輸出為0。同或門有且只有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，其邏輯符號(hào)如圖2.3(e)、(f)所示。同或門的真值表如表2.8所示。復(fù)合邏輯門電路TTL邏輯門電路0303TTL邏輯門電路TTL與非門TTL與非門和TTL非門結(jié)構(gòu)相同，只有輸入端個(gè)數(shù)的差別，是TTL門電路中電路結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種。74系列與非門的典型電路如圖2.4所示。03TTL邏輯門電路TTL與非門1.工作原理TTL與非門只要有一個(gè)輸入端為低電平，輸出即為高電平，只有所有輸入端均為高電平時(shí)，輸出才為低電平。03TTL邏輯門電路TTL與非門2.電壓傳輸特性TTL與非門的輸出電壓F隨輸入電壓4的變化關(guān)系曲線稱為電壓傳輸特性曲線，如圖2.7所示，大體可分為4個(gè)段區(qū)。(1)AB段。(2)BC段。(3)CD段。(4)DE段。03TTL邏輯門電路3.關(guān)門電平、開門電平和輸入端噪聲容限(1)關(guān)門電平Voff:為保證與非門輸出高電平時(shí)的最高輸入電平值稱為關(guān)門電平Voff，

。(2)開門電平Von:為保證與非門輸出低電平時(shí)的最低輸入電平值稱為開門電平,。(3)噪聲容限:在保證邏輯門完成正常邏輯功能的情況下，邏輯門輸入端所能承受的最大干擾電壓值。TTL與非門03TTL邏輯門電路1.TTL與非門的輸入負(fù)載特性圖2.8(a)所示為與非門輸入端接入負(fù)載電阻R的電路。當(dāng)Ri在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，由于輸入電流流經(jīng)Ri會(huì)產(chǎn)生壓降，其上電壓也隨之增大，反映兩者之間關(guān)系變化的曲線稱為輸入負(fù)載特性曲線，如圖2.8(b)所示。TTL與非門的電氣特性03TTL邏輯門電路2.TTL與非門的輸入伏安特性輸入伏安特性是指輸入電流隨輸入電壓變化的特性。TTL與非門的電氣特性03TTL邏輯門電路3.TTL與非門的輸出特性(1)灌流負(fù)載能力。TTL與非門輸出為低電平時(shí)帶灌流負(fù)載的等效電路如圖2.10(a)所示。TTL與非門的電氣特性03TTL邏輯門電路(2)拉流負(fù)載能力。TTL與非門輸出高電平時(shí)帶同類TTL與非門負(fù)載的等效電路如圖2.11(a)所示。4.傳輸門延遲我們把輸出電壓波形滯后于輸入電壓波形的時(shí)間稱為傳輸延遲時(shí)間。傳輸延遲時(shí)間是衡量門電路工作速度的重要指標(biāo)，可以從產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找到。TTL與非門的電氣特性03TTL邏輯門電路其他類型TTL門電路1.TTL非門與非門是通用邏輯電路，即可以用其實(shí)現(xiàn)各種邏輯運(yùn)算。但實(shí)際應(yīng)用中為提高可靠性還有其他TTL門電路直接以集成電路形式實(shí)現(xiàn)。2.或非門74系列或非門電路如圖2.13所示。03TTL邏輯門電路其他類型TTL門電路03TTL邏輯門電路其他類型TTL門電路3.與或非門將圖2.13或非門電路中的每個(gè)輸入端改成多發(fā)射極三極管，就得到圖2.14所示的與或非門電路。4.異或門TTL異或門電路結(jié)構(gòu)如圖2.15所示。5.集電極開路的門電路(OC門)使門電路的輸出端能夠直接并聯(lián)使用，可以把TTL與非門電路的推拉式輸出極改為三極管集電極開路輸出，稱為集電極開路(OpenCollector)與非門，簡(jiǎn)稱OC門。03TTL邏輯門電路其他類型TTL門電路03TTL邏輯門電路6.三態(tài)門(TSL門)三態(tài)(ThreeStateLogic，TSL)門是指門的輸出端不僅有高、低電平兩種狀態(tài)，還有懸空(對(duì)地高阻抗)狀態(tài)。其他類型TTL門電路MOS門電路0404MOS門電路1.NMOS反相器(非門)NMOS反相器邏輯電路如圖2.26所示，它有兩個(gè)MOS管，T1為負(fù)管，T2為開關(guān)管(也稱驅(qū)動(dòng)管)。2.NMOS與非門NMOS與非門邏輯電路如圖2.27所示。NMOS門電路04MOS門電路3.NMOS或非門NMOS或非門邏輯電路如圖2.28所示，T1是負(fù)載管，始終導(dǎo)通，T2、T3是并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)管，其功能表見表2.12。NMOS門電路04MOS門電路1.CMOS非門CMOS電路04MOS門電路2.CMOS與非門CMOS電路04MOS門電路3.CMOS或非門CMOS電路04MOS門電路4.CMOS三態(tài)門5.CMOS傳輸門CMOS電路04MOS門電路(1)功耗小。(2)電路電源電壓取值范圍大。(3)抗干擾能力強(qiáng)。(4)工作速度已接近TTL。(5)負(fù)載能力強(qiáng)。CMOS電路特點(diǎn)04MOS門電路1.CMOS電路使用注意事項(xiàng)(1)包裝、運(yùn)輸和存儲(chǔ)CMOS器件時(shí)，不宜接觸化纖材料的制品，最好用防靜電材料包裝;(2)組裝、調(diào)試CMOS電路時(shí)，所有工具、儀表、工作臺(tái)、服裝、手套等應(yīng)注意接地或防靜電。(3)CMOS電路不用的輸入端一定不能懸空。集成電路使用注意事項(xiàng)04MOS門電路1.CMOS電路使用注意事項(xiàng)(4)CMOS電路中有輸入保護(hù)鉗位二極管，為防止其過流損壞，對(duì)于低內(nèi)阻信號(hào)源，要加限流電阻。(5)CMOS電路輸出端不允許接E或地，不同芯片的輸出端不能并接。2.TTL數(shù)字集成電路使用注意事項(xiàng)(1)電源。TTL電路采用+5V電源，一般要求電源電壓穩(wěn)定度在正負(fù)5%以內(nèi)。為防止千擾要在電源和地之間接入濾波電容。集成電路使用注意事項(xiàng)04MOS門電路2.TTL數(shù)字集成電路使用注意事項(xiàng)(2)輸出端的連接。TTL電路輸出端不允許直接接電源或地。三態(tài)門輸出可以并聯(lián)使用,但任一時(shí)刻只允許一個(gè)門處于工作狀態(tài)，其他門處于高阻狀態(tài)。OC門輸出端可以并接使用其他TTL門電路不允許輸出端并接使用。(3)TTL電路不用的輸入端的處理。集成電路使用注意事項(xiàng)TTL與CMOS電路的連接0505TTL與CMOS電路的連接在一個(gè)數(shù)字電路系統(tǒng)中，若同時(shí)采用TTL和CMOS電路，必然會(huì)遇到TTL與CMOS電路連接的問題。兩種不同類型的集成電路，在連接時(shí)應(yīng)滿足一定的條件，否則必須通過接口電路進(jìn)行電平或電流的變換之后才能連接，而相互連接就可能存在匹配問題。門電路在連接時(shí)，前面的稱為驅(qū)動(dòng)門，后面的稱為負(fù)載門。驅(qū)動(dòng)門必須能為負(fù)載門提供符合要求的高、低電平和足夠的輸入電流。電壓匹配。驅(qū)動(dòng)門的輸出端高電平一定要大于負(fù)載門的輸入高電平;驅(qū)動(dòng)門的輸出低電平一定要小于負(fù)載門的輸入低電平。電流匹配。驅(qū)動(dòng)門的輸出電流一定要大于負(fù)載門的輸入電流。05TTL與CMOS電路的連接表2.17列出了TTLCT1000系列、TTLCT4000系列和CMOSCC4000系列有關(guān)電壓和電流的參數(shù)，供TTL與CMOS電路接口時(shí)參考。TTL、CMOS常用芯