數(shù)字電子技術(shù)（第五版）課件 2.4 基本邏輯運(yùn)算-邏輯門電路

數(shù)字電子技術(shù)（第五版）★課程名稱

數(shù)字電路與

邏輯設(shè)計(jì)2024/3/123第二章基本邏輯運(yùn)算及集成邏輯門2.1基本的邏輯運(yùn)算2.2常用的復(fù)合邏輯2.3正負(fù)邏輯2.4集成邏輯門2.1基本的邏輯運(yùn)算2.2常用的復(fù)合邏輯2.3正負(fù)邏輯2.4集成邏輯門2024/3/1242.4集成邏輯門電路TTL與非門OC門和三態(tài)門MOS集成邏輯門集成邏輯門使用中的實(shí)際問(wèn)題2024/3/125集成電路：把若干個(gè)有源器件和無(wú)源器件及其連線，按照一定的功能要求，制做在同一塊半導(dǎo)體基片上的產(chǎn)品。邏輯集成電路（數(shù)字集成電路）：

完成的功能是邏輯功能或數(shù)字功能。最簡(jiǎn)單的數(shù)字集成電路——集成邏輯門。DIPBGAQFPSOJSOPLCCUVEPROM集成邏輯門2024/3/126集成邏輯門分類雙極性晶體管邏輯門單極性絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管邏輯門（MOS）：二極管三極管邏輯DTL(Diode-TransistorLogic)晶體管晶體管邏輯TTL(Transistor-TransistorLogic)高閾值邏輯HTL(HighThreshold)射極耦合邏輯ECL(Emitter-CoupledLogic)集成注入邏輯I2L(IntegratedInjectionLogic)P溝道增強(qiáng)型MOS管邏輯門PMOSN溝道增強(qiáng)型MOS管邏輯門NMOSCMOS門

(PMOS和NMOS門構(gòu)成的互補(bǔ)電路門

(ComplementarySymmetryMOSLogic)組成的有源器件集成邏輯門2024/3/127目前數(shù)字系統(tǒng)中普遍使用TTL和CMOS集成電路。TTL集成電路工作速度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，但功耗大、集成度低；

MOS集成電路集成度高、功耗低。

超大規(guī)模集成電路基本上都是MOS集成電路，其缺點(diǎn)是工作速度略低。目前已生產(chǎn)了BiCMOS器件，它由雙極型晶體管電路和MOS型集成電路構(gòu)成，能夠充分發(fā)揮兩種電路的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜。但是現(xiàn)在采用小尺寸的CMOS電路，速度同樣、甚至更快。集成邏輯門集成邏輯門分類2024/3/128小規(guī)模集成電路(SSI-SmallScaleIntegration)：

每片組件內(nèi)包含10~100個(gè)元件(或幾十個(gè)等效門)中規(guī)模集成電路(MSI-MediumScaleIntegration)：

每片組件內(nèi)含100~1000個(gè)元件(或上百個(gè)等效門)大規(guī)模集成電路(LSI-LargeScaleIntegration)：

每片組件內(nèi)含1000~100000個(gè)元件(或幾千～幾萬(wàn)個(gè)等效門)

超大規(guī)模集成電路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)：

每片組件內(nèi)含100000以上個(gè)元件(或十萬(wàn)個(gè)以上等效門)集成邏輯門分類集成邏輯門2024/3/1292.4.1三極管-三極管邏輯門電路(TTL)一、TTL與非門工作原理輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)實(shí)現(xiàn)“與”運(yùn)算c、e極輸出極性相反的電平。用于控制T4、T5的工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算，T4、T5總一個(gè)截至、一個(gè)飽和。集成邏輯門2024/3/1210輸入全部接高電平

（UIH＝3.6V）3.6V3.6V3.6V2.1V1.4V1.0V0.7V0.3V0.3V(5V)T1：倒置工作二、功能分析(1)T2：飽和T3：導(dǎo)通T4：截止T5：飽和集成邏輯門2024/3/1211輸入端有一個(gè)或多個(gè)接低電平0.3V3.6V3.6V1.0V5.0V3.6V(5V)T1：深飽和T2：截止T3：微飽和T4：導(dǎo)通T5：截止4.3V集成邏輯門二、功能分析(2)2024/3/12122.4.2TTL與非門的特性電壓傳輸特性輸入特性輸入負(fù)載特性輸出特性是指輸出電壓跟隨輸入電壓變化的關(guān)系曲線輸入電流與輸入電壓之間的關(guān)系曲線輸入端通過(guò)電阻R接地，T1管的基流流過(guò)R產(chǎn)生電壓UI，UI與R間的關(guān)系是指輸出電壓跟隨輸出電流變化的關(guān)系曲線集成邏輯門2024/3/1213電壓傳輸特性：是指輸出電壓跟隨輸入電壓變化的關(guān)系曲線，即UO=f(uI)函數(shù)關(guān)系，它可以用圖所示的曲線表示。電壓傳輸特性集成邏輯門2024/3/1214輸入特性：是指輸入電流與輸入電壓之間的關(guān)系曲線，即II=f(uI)的函數(shù)關(guān)系。輸入特性集成邏輯門典型的輸入特性曲線2024/3/1215輸入負(fù)載特性輸入負(fù)載特性TTL與非門輸入負(fù)載TTL與非門輸集成邏輯門2024/3/1216輸出特性TTL與非門輸出低電平的輸出特性集成邏輯門2024/3/1217TTL與非門輸出高電平時(shí)的輸出特性集成邏輯門輸出特性2024/3/1218輸出高電平UOH、輸出低電平UOL輸入高電平UIH

、輸入低電平UIL平均傳輸延遲時(shí)間tpd開門電平UON、關(guān)門電平UOFF扇入系數(shù)Ni

、扇出系數(shù)NO空載功耗(空載導(dǎo)通功耗PON、空載截止功耗POFF)輸入短路電流IIS、輸入漏電流

IIH噪聲容限UNH、UNL最大灌電流IOLmax

、最大拉電流

IOHmax功耗延遲積

M最小負(fù)載電阻RLmin2.TTL與非門的參數(shù)集成邏輯門2024/3/1219TTL與非門的參數(shù)輸出高電平UOH：與非門至少一個(gè)輸入端接低電平時(shí)的輸出電壓。2.4～3.6V，標(biāo)準(zhǔn)值3V。

輸出低電平UOL：與非門輸入端接高電平時(shí)的輸出電壓。

0～0.5V，標(biāo)準(zhǔn)值0.3V。輸入高電平UIH、輸入低電平UIL：

一般UIH

＞2V、UIL≤0.8V開門電平UON

：允許輸入高電平的最小值。1.4～1.8V。

關(guān)門電平UOFF

：允許輸入低電平的最大值。0.8～1V。集成邏輯門2024/3/1220TTL與非門的參數(shù)扇入系數(shù)Ni

：是指門的輸入端數(shù)。一般≤5，最多不超過(guò)8

扇出系數(shù)NO：是指一個(gè)門能驅(qū)動(dòng)同類型門的個(gè)數(shù)。

一般≥8。平均傳輸延遲時(shí)間tpd

：當(dāng)輸入端接入信號(hào)，到輸出端輸出信號(hào)所需要的時(shí)間。

等于：（導(dǎo)通延遲時(shí)間＋截止延遲時(shí)間）/2。

TTL門典型為3～40ns。集成邏輯門2024/3/12212.4.3集電極開路與非門及三態(tài)與非門兩個(gè)TTL門的輸出端不能直接并接在一起。因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)門并接時(shí)，若一個(gè)門輸出為高電平，另一個(gè)門輸出低電平，就會(huì)有一個(gè)很大的電流從截止門的V4管流到導(dǎo)通門的V5管(見圖)。這個(gè)電流不僅會(huì)使導(dǎo)通門的輸出低電平抬高，而且會(huì)使它因功耗過(guò)大而損壞。集成邏輯門2024/3/1222

集電極開路門和三態(tài)門是允許輸出端直接并聯(lián)在一起的兩種TTL門，并且用它們還可以構(gòu)成線與邏輯及線或邏輯。集電極開路與非門（OC）電路常用符號(hào)國(guó)標(biāo)符號(hào)集成邏輯門2024/3/1223示例線與邏輯電路F=(AB)(CD)集成邏輯門2024/3/1224三態(tài)與非門三態(tài)邏輯(TSL)輸出門除具有兩個(gè)狀態(tài)——邏輯0和邏輯1（兩種狀態(tài)都是低阻輸出）外，還具有高阻輸出的第三狀態(tài)（或稱禁止?fàn)顟B(tài)），這時(shí)輸出端相當(dāng)于懸空。真值表常用符號(hào)國(guó)標(biāo)符號(hào)集成邏輯門2024/3/1225各種三態(tài)邏輯門的符號(hào)集成邏輯門2024/3/12262.4.4MOS集成邏輯門電路與雙極邏輯電路相比的特點(diǎn)制造工藝簡(jiǎn)單，集成度和成品率較高，成本較低；工作電源允許變化范圍大，功率損耗小；輸入阻抗高，一般達(dá)500兆歐以上，扇出系數(shù)大；與現(xiàn)有的大多數(shù)的邏輯電路兼容，只要配備適當(dāng)?shù)木彌_器即可；抗干擾性能好；集成邏輯門2024/3/1227分類PMOS邏輯電路：工作速度低，采用負(fù)電源，不便與TTL電路連接，所以應(yīng)用受到限制。NMOS邏輯電路：工作速度相對(duì)PMOS高，采用正電源，便與TTL電路連接，但對(duì)電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力弱。適宜做大規(guī)模集成電路，不適宜做通用型邏輯集成電路。CMOS邏輯電路：是上面兩者構(gòu)成的互補(bǔ)電路制作的。工作速度高，功耗小，并且采用正電源，便與TTL電路連接。適宜做大規(guī)模集成電路，也適宜做通用型邏輯集成電路。MOS邏輯電路的各項(xiàng)指標(biāo)與TTL門相同，只是數(shù)值有所差異。集成邏輯門2024/3/1228TTLECLCMOS每門功耗(mW)12—2250—1000.001—0.01(靜態(tài))每門傳輸延遲時(shí)間(ns)10—401—540抗干擾能力中較弱強(qiáng)扇出系數(shù)15左右25>50電源電壓(V)5-53—15門電路基本形式與非或/或非與非/或非常用集成電路性能比較集成邏輯門2024/3/1229TTL器件型號(hào)組成符號(hào)及意義第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分型號(hào)前綴工作溫度器件系列品種封裝形式符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義CT中國(guó)制造54-55oC至+125oC標(biāo)準(zhǔn)阿拉伯?dāng)?shù)字器件功能W陶瓷扁平H高速B塑封扁平SN美國(guó)TEXAS公司740oC至+70oCS肖特基F全密封扁平LS低功耗肖特基D陶瓷雙列直插AS先進(jìn)肖特基P塑料雙列直插ALS先進(jìn)低功耗肖特基J黑陶瓷雙列直插FAS快捷先進(jìn)肖特基集成邏輯門2024/3/1230ECL、CMOS器件型號(hào)組成符號(hào)及意義第1部分第2部分第3部分第4部分型號(hào)前綴器件系列器件品種工作溫度范圍符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義CC中國(guó)制造的CMOS40阿拉伯?dāng)?shù)字器件功能C0oC—70oC45E-40oC—85oCCD美國(guó)無(wú)線電公司產(chǎn)品日本東芝公司產(chǎn)品145系列符號(hào)R-55oC—85oCM-55oC—125oCTCCE中國(guó)制造的ECL集成邏輯門2024/3/12312.4.5集成邏輯門使用中的實(shí)際問(wèn)題1、多余輸入端的處理TTL門：輸入端懸空相當(dāng)于輸入高電平。通常不允許懸空。與、與非門：多余輸入端可輸入高電平。

將其通過(guò)電阻（約幾千歐）接UCC，

或大于2千歐的電阻接地?；?、或非門：多余輸入端可輸入低電平。

將其通過(guò)小于500歐電阻接地或直接接地。與或非門：(1)多余的與門輸入端全接低電平；

(2)與門的多余端輸入端接高電平。集成邏輯門2024/3/1232MOS門

多余輸入端不能懸空，處理方法與TTL門基本相同。

注意：由于輸入端是絕緣柵極，通過(guò)一個(gè)電阻接地時(shí)，不論電阻值多大，該輸入端都相當(dāng)于低電平。集成邏輯門1、多余輸入端的處理2024/3/12332、接口電路作用（1）通過(guò)邏輯電平的轉(zhuǎn)換，把不同邏輯值的電路連接起來(lái)；

（2）或用來(lái)驅(qū)動(dòng)集成電路本身驅(qū)動(dòng)不了的大電流及大功率負(fù)載；

（3）也可用來(lái)切斷干擾源通道，增強(qiáng)抗干擾能力。TTL—CMOS門的接口：凡是和TTL兼容的CMOS門可以和TTL的輸出端連接，不必加外接器件。CMOS—TTL門的接口：要把輸出高電平降低到TTL門所允許的范圍內(nèi)，又要對(duì)TTL門有足夠大的驅(qū)動(dòng)電路。集成邏輯門2024/3/1234例1：分析下面的TTL電路TTL門電路——存在輸入短路電流IISR≤500Ω，輸入視為“0”。R≥2kΩ，輸入