集成逻辑门陈仲林教材高职高专

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1、第2章 集成逻辑门学习要点：典型TTL逻辑门的内部组成及工作原理 常用CMOS门的组成常用集成逻辑门系列及使用注意事项第2章 集成逻辑门退出退出2.1 TTL2.1 TTL与非门与非门2.2 OC2.2 OC门和三态门门和三态门2.3 CMOS2.3 CMOS集成逻辑门集成逻辑门 2.4 2.4 集成逻辑门的使用集成逻辑门的使用2.1 TTL与非门2.1.12.1.1 TTL TTL与非门的工作原理与非门的工作原理2.1.22.1.2 TTL TTL与非门的电压传输特性及主要参数与非门的电压传输特性及主要参数集成电路是把若干个有源器件和无源器件 及其导线，按照一定的功能要求制作在同 一块半导体

2、芯片上的产品目前，最常用的集成逻辑门电路是TTL门和 CMOS门，但是不管用哪种技术实现，逻辑门 电路的逻辑功能都是相同的。2.1 TTL与非门TTL门电路 是目前双极型数字集成电路中使用最多 的一种，由于这种数字集成电路的输入端和输出端的 结构形成都采用了半导体三极管，所以一般称为晶体 管晶体管逻辑门电路，简称TTL门电路。 2.1.1 TTL与非门的工作原理1电路组成 下图所示是TTL与非门的基本电路，它由三部分组成 。 输入级中间级输出级2工作原理（1）输入端A、B、C中至少有一个为低电平的情况。当输 入端至少有一个为低电平时，VT1的发射结正向导通，其基 极电位UB=1V。要使VT1集

3、电结以及VT2和VT5发射结导通 ，必须使3个PN结正偏，即VT1的基极电位UB2.1V， 现 在UB仅为1V，故VT2、VT5截止，它的集电极电位约等于 电源电压5V，因此VT3、VT4构成的复合三极管必然导通， VT4的输出端Y的电位UOH=5-0.7-0.7=3.6V，即输出高电平 （3.6V）。（2）输入端A、B、C全为高电平（3.6V）的情况。当输入端全部接高电平（3.6V）时，VT1的基极电位UB最高 也不超过2.1V，因为此时VT1集电结以及VT2、VT5发射结把 VT1基极电位限制在2.1V，故VT1发射结反偏截止。而VT2、 VT5基极有电流就饱和，所以VT5的输出端Y的电位

4、UOL=0.3V ，即输出低电平。下表列出了在输入不同的情况下TTL与非门各管的状态。输入VT1VT2VT3VT4VT5输出至少一个低电电平深度饱饱和截止微饱饱和导导通截止高电电平全为为高电电平倒置运用饱饱和微导导通截止饱饱和低电电平注意：倒置运用时晶体管发射结反偏，集电结正偏，电流放大倍数只有 0.05左右。数字电路中规定电压值大于2.7V为高电平，即通常所认为的 “1”；电压值小于0.5V为低电平，即通常所认为的“0”。据此 可将上表中输入输出情况列出真值表如下所示。与非门的逻辑真值表ABCY0001 0011 0101 0111 1001 1011 1101 1110根据真值表可以得到与

5、非门电路的逻辑表达式为（3）输入端悬空时的情况。输入端全部悬空或某一输入端悬 空的效果同输入端接入逻辑高电平1相同，即悬空相当于1。 实际电路中，虽然输入端悬空相当于逻辑1，但易引入干扰， 较好的办法是将悬空端直接接电源VCC或把多余端与其他端并 联使用。2.1.2 TTL与非门的电压传输特性及主要参数1电压传输特性 电压传输特性是指输入从零逐渐增加到高电平时输出电压随 输入电压变化的特性，通常用电压传输特性曲线来表示。 TTL与非门的电压传输特性测试电路及测试曲线如下图。曲线分为四段:：（1）AB段（截止段）。当输入电平时，VT5截止，VT4饱和 ，电路输出高电平。 （2）BC段（线性区）。

6、当时，VT4和VT5有一管处于放大 状态，输出电压随输入电压的增大而线性下降。 （3）CD段（转折区）。线性区结束后，继续上升，输出电压 突然下降到0.3V，实现高低电平转换。 （4）DE段（饱和区）。这时输出电平不再变化，但是电路内 部的变化仍在继续进行。 在逻辑电路中，TTL与非门通常工作于AB段（截止区）和DE 段（饱和区）。 2主要参数 （1）输入高电平VON。 （2）输出低电平VOL。 （3）阀值电压VTH。 （4）开门电平VON和关门电平VOFF。 （5）噪声容限VN。 （6）扇入系数NI。 （7）扇出系数NO。 （8）平均传输延迟时间tpd。门电路的传输延迟时间波形图： 2.2

7、OC门和三态门在TTL逻辑门电路的系列产品中，除了与非门外，还有非门、或非 门、与或非门、异或非门等，此外还有两种特殊的门电路：OC门和三 态门。 2.2.1 OC门 1OC门电路 将TTL与非门中的三极管VT3和VT4去掉，以一个外接电阻 RL和电源取代，来 实现与非门逻辑功 能，此电路称为集 电板开路与非门 （简称OC门）。OC门的主要用途（1）线与。从下图可以看出，当所有OC门的输出都是高 电平时，电路的总输出Z才为高电平，而当任一个OC门 输出为低电平时，总输出就是低电平。 逻辑表达式为从表达式中可知，此电路通过输出线的连接，相当于在 输出端加了一个与门，最终实现了与逻辑功能，称为“线

8、 与”。（2）电平转移。在需要更高电平输出的情况下，可按右图 连接，当电路输入低电平时输出管截止， 输出高电平10V，实现了电平的转移。（3）用作驱动电路。利用OC门 在电路中的灵活性，可直接用它 驱动指示灯、继电器、脉冲变压 器等，其连接如下图所示。 驱动指示灯带动继电器 带动脉冲变压器 2.2.2 三态门（简称TSL门）三态门是在与非门的基础上加控制电路构成的。在控制电 路的作用下，它的输出端有三种状态： 门导通，输出低电平； 门截止，输出高电平； 高阻态，或称禁止态，此时输出端相当于悬空。 1工作原理 A、B为数据输入端，F为输出端，EN为控制输入端（使能 端）。 （a）图是控制端EN高

9、电平有效的三态门。（b）图是控制 端低电平有效的三态门。2.三态门的用途 三态门在计算机数据总线结构中有着广泛的应用。 如下图三态门的总线连接 ，可以分时传送各路信号 。另一个用途是双向传输，如下图。 2.3 CMOS集成逻辑门在三极管中参与导电的载流子是自由电子和空穴两种，而金 属氧化物半导体场效应管（MOS）中只有一种载流子 参与导电，所以MOS管又叫单极型三极管。 2.3.1 MOS管的开关特性CMOS集成电路主要使用的是增强型MOS管 (a)N沟道 (b)P沟道N沟道增强型MOS管，当栅源电压uGSUT时 ，漏极和源极之间开始 导通，此时相当于开关 的闭合。当uGSUT时，开关闭合；当

10、uGSUT时，开关断开。 2.3.2 CMOS反相器COMS反相器有一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型 MOS管构成。 当A=0时，即 时，P沟道的 VT1管导通；N沟道的VT2管截 止；输出 ，即F=1。 当A=1时，即 时，P沟道的 VT1管截止；N沟道的VT2管导 通；输出 ，即 。 可见CMOS反相器实现了逻辑非 功能，其表达式为2.3.3 CMOS传输门1CMOS传输门 CMOS传输门是一个由传输信号控制的开关。 （1）电路结构。如图所示，CMOS传输门是由一个增强型NMOS管VT1和一个 增强型PMOS管VT2并接而成。（2）工作原理。 设VT1、VT2的开启电压 ， ，

11、。 1）C端加高电平10V， 端加低电平0V。 若 ，则 ，VT1管截止， ，VT2管 导通， 。 若 ，则 ，VT1管导通， ，VT2管截 止， 。可见，当控制端C为高电平， 为低电平时，传输门接通，信 号能传送。由于MOS管的源极和漏极可互换使用，所以可实 现信号的双向传送， 2）C端加低电平0V， 端加高电平10V。 当 在010V范围内变化时，VT1管和VT2管同时截止，相 当于开关断开，输出电压始终为0V不变，信号无法传送到 输出端。 2、CMOS模拟开关COMS传输门除了可以传输数字信号以外，还可以传输模拟信号 电路图及逻辑符号如下：反相器使传输门得到两个相反的控制信号当 ， 时

12、，传输门断开；当 ， 时，传输门接通， 。可 见，由控制端C可控制模拟开关的通和断，实现0 之间 任意电压值的双向传输。2.4 集成逻辑门的使用除了TTL和CMOS门电路之外，还有其他几种常用的门电 路，其性能表如下： 类型优点缺点适应场合TTL功耗低、高速对电源变化敏感（50.5V） 、抗干扰能力一般中小规模集成电路、高速信 号处理和许多接口应用CMOS功耗极低、集成度高、 电源适应范围广（3 18V）、抗干扰能力强速度不够高，对静电破坏敏 感中小规模集成电路、微型计 算机和自动仪器仪表ECL速度快、负载能力强抗干扰能力差、功耗大中、小规模的集成电路、用 在高速、超高速的数字系统 和设备当中

13、I2L集成度高、功耗低输出电压幅度小、抗干扰能 力差、开关速度较低数字系统如单片机、大规模 逻辑阵 列、存储器等2.4.1 集成逻辑门系列介绍集 成 逻 辑 门 的 类 型 （1）00：四个2输入与非门。 （2）02：四个2输入或非门。 （3）04：六个反相器（非门）。 （4）08：四个2输入与门。 （5）10：三个3输入与非门。 （6）11：三个3输入与门。 （7）20：二个4输入与非门。 （8）21：二个2输入与门。 （9）27：三个3输入或非门。 （10）30：单个8输入与非门。 （11）32：四个2输入或门。 （12）86：四个输入异或门。 （13）133：单个13输入与非门。C M

14、O S 系 列CMOS系列根据提供的直流电源电压的不同可分为两类 ：5VCMOS和3.3VMOS 。根据两种不同电压类型提供了各自的CMOS逻辑门系列 产品。这些系列产品根据性能特征的不同分为74系列 和54系列。 74系列属于通用系列，一般用于民用工业；54系列是 为满足军事需要而设计的产品，将可靠性、功耗、体 积等因素放在优先位置考虑。 基本5VCMOS系列及其名称如下： （1）74HC、74HCT：高速CMOS（High-speed CMOS） ，T表示与TTL兼容，表示逻辑功能识别数字。 74AC、74ACT：先进CMOS（Advanced CMOS）。 （2）74AHT、74AHCT

15、：先进高速CMOS（Advanced High-speed CMOS）。基本3.3VCMOS系列及名称如下： （1）74LV、74LVC：低压CMOS（Low-Voltage CMOS）。 （2）74ALVC：先进低压CMOS（Advanced Low-Voltage CMOS ）。 除了以上74系列，目前还有在使用的早期低速CMOS器件即4000系 列。 3TTL系列TTL系列的最大优点就是相对于CMOS来说静电放电不敏感 基本的TTL系列及名称如下： （1）74：标准TTL（standard TTL）。 （2）74S：肖特基TTL（Schottky TTL）。 （3）74AS：先进肖特基TTL（Advanced Schottky TTL）。 （4）74LS：低耗肖特基TTL（Low-power Schottky TTL）。 （5）74ALS：先进低耗肖特基TTL（Advanced Low-power Schottky TTL）。 （6）74F