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1、数 字 电 子 技 术 第3章 逻辑门电路,范立南 田丹 李雪飞 张明 编著 清华大学出版社,本章知识结构图,第3章 逻辑门电路,3.1 概述 3.2 半导体器件的开关特性 3.3 分立元件门电路 3.4 MOS逻辑门电路 3.5 TTL逻辑门电路 3.6 逻辑描述中的几个问题 3.7 逻辑门电路使用中的几个实际问题 3.8 实例电路分析：水位指示器电路,3.1 概述,本章将从半导体基础知识出发介绍二极管、三极管和MOS管在开关状态下的工作特性。重点讲解目前应用广泛的CMOS门电路和TTL门电路，以及逻辑门电路在实际应用中应注意的问题。,3.2 半导体器件的开关特性,3.2.1 半导体二极管的
2、开关特性,硅二极管的伏安特性曲线,二极管具有单向导电性,3.2.2 晶体三极管的开关特性,三极管可工作在截止、放大、饱和三种状态。在模拟电路中，三极管通常作为放大元件使用，工作在放大状态。在数字电路中，三极管作为电子开关，工作在饱和状态(等效于开关闭合)和截止状态(等效于开关断开)，并经常在饱和状态和截止状态之间通过放大状态快速转换。,(a)三极管共发射极电路 (b)输出特性曲线,3.2.3 MOS管的开关特性,MOS管是由绝缘栅场效应晶体管构成的。场效应晶体管按沟道分可分为N沟道管和P沟道管。其中，在P型衬底上，利用光刻、扩散等方法，制作出两个N型区，并引出电极，分别称为源极S和漏极D，同时
3、在源极和漏极之间的二氧化硅SiO2绝缘层上，制作一个金属电极栅极G，便能得到N沟道MOS管。,NMOS管开关等效电路,开关特性如下： 当uGS小于开启电压UT时，MOS管工作在截止区，漏源极间电流iDS基本上为零，MOS管漏源极间相当于断开状态。 当uGS大于开启电压UT时，MOS管工作在导通区，忽略导通电阻，漏源极间相当于短路状态，即开关闭合状态。,3.3 分立元件门电路,1基本逻辑门电路 (1) 二极管与门,(a)电路 (b)逻辑符号,与门真值表,(2) 二极管或门,(a)电路 (b)逻辑符号,或门真值表,(3) 三极管非门电路,(a)电路 (b)逻辑符号,非门真值表,2复合逻辑门电路 (
4、1) 与非门电路,逻辑图 逻辑符号,与非门真值表,(2) 或非门电路,逻辑图 逻辑符号,或非门真值表,3.4 MOS逻辑门电路,3.4.1 CMOS反相器和传输门 1CMOS反相器,CMOS反相器,2CMOS传输门,电路 逻辑符号,3.4.2 CMOS与非门、或非门和异或门,1CMOS与非门,CMOS与非门电路,2CMOS或非门,CMOS或非门电路,3CMOS异或门,CMOS异或门逻辑图,3.4.3 CMOS漏极开路门电路和三态输出门电路,1CMOS漏极开路门电路 在实际电路系统中，往往需要将CMOS逻辑门的输出端并联使用，实现线与逻辑功能。但是实际上输出端不能直接相连，为了使CMOS门电路的
5、输出能直接连在一起，并实现正常逻辑功能，可采用漏极开路(OD)门实现 。,(a)电路 (b)逻辑符号,OD门电路,OD门的主要特点： (1) 漏极开路，工作时必须外接电源和电阻。 (2) 可以实现线与功能。 (3) 带负载能力强。,OD门线与功能图,2CMOS三态输出门电路,(a)电路 (b)逻辑符号,3.4.4 各种系列CMOS数字集成电路的比较,1CMOS数字集成电路的分类 24000系列和74HC系列CMOS集成电路的比较,3.4.5 CMOS门电路的使用规则,(1) 在储存和运输CMOS器件时，一般用铝箔将器件包起来，或者放在铝箔内进行静电屏蔽。 (2) 安装调试CMOS器件时，电烙铁
6、及示波器等工具和仪表均要可靠接地，焊接CMOS器件最好在电烙铁断电时用余热进行。 (3) CMOS器件不用的输入端不能悬空，必须进行适当处理(接高电平或低电平，或与其他使用引脚相连)。 (4) 当CMOS电路接低内阻信号源时，钳位二极管可能会过流烧坏，在这种情况下，最好在信号源和CMOS输入端间串接限流电阻。 (5) 已安装调试好的CMOS器件插件板，最好不要频繁地从整机机架上拔下插上，尤其要注意不要在电源尚未切断的情况下，插拔CMOS器件插件板，平时不通电时也放在机架上较为妥当。,3.5 TTL逻辑门电路,3.5.1 反相器的基本电路,TTL反相器的基本电路,3.5.2 TTL与非门电路结构
7、与工作原理,1TTL与非门的电路结构,TTL与非门电路,2工作原理 TTL与非门的优点是有效提高了工作速度，原理为： (1) 采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。 (2) 采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。 常用的TTL与非门有74系列的74LS00集成芯片,(a)外形引脚排列 (b)逻辑符号,74LS00外形引脚排列及逻辑符号,3.5.3 TTL与非门的改进系列,174H系列 74H系列又称高速TTL系列。该系列有效提高了电路的开关速度，减小了传输延迟时间。与标准74系列相比，电路采取了两项改进措施： 输出级采用达林顿结构(由T3 、T4组成两级射极输出)。
8、 大幅度降低了电路中电阻的阻值。 减小电阻阻值带来的不利影响是增加了电路的静态功耗。,274S系列 74S系列又称肖特基TTL系列。与标准74系列相比，为了进一步提高速度，电路采取了三项改进措施： 输出级采用达林顿结构。 采用了抗饱和三极管(又称肖特基三极管)。抗饱和三极管是由普通的双极型三极管和肖特基二极管(SBD)组合而成的。肖特基二极管正向压降很小，本身无电荷存储作用，开关时间极短(小于普通二极管的十分之一)。 用 、 、 组成有源泄放电路，减少了 的基极电流，也就减轻了 的饱和程度，从而加快其从导通变为截止的过程。,374LS系列 474AS系列 574ALS系列,3.5.4 集电极开
9、路门和三态门,1OC门,OC门电路 符号,OC门的应用 1. 实现线与,线与逻辑图,2. 实现电平转换 3. 驱动非逻辑性负载,OC门实现电平转换,2三态门,(a)电路 (b)E=0有效的逻辑符号 (c) E=1有效的逻辑符号 三态输出与非门,三态门的应用,三态门用于总线传输,双向传输,3.5.5 TTL门电路的使用规则,(1) 接插集成块时，要认清定位标记，不得插反。 (2) 电源电压使用范围为4.5V+5.5V之间。电源极性不允许接错。 (3) 闲置输入端处理方法： 悬空，相当于正逻辑1。对于一般小规模集成电路的数据输入端，允许悬空处理。但易受外界干扰，导致电路的逻辑功能不正常。因此，对于
10、中规模以上的集成电路和使用集成电路较多的复杂电路，所有控制输入端必须按逻辑要求接入电路，不允许悬空。 直接接电源电压VCC(也可以串入一只110k的固定电阻)或接至某一固定电压(2.4V4.5V)的电源上，或与输入端为接地的多余与非门的输出端相接。 若前级驱动能力允许，可以与使用的输入端并联。,(4) 输入端通过电阻接地，电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。当R680时，输入端相当于逻辑0；当R4.7k时，输入端相当于逻辑1。对于不同系列的器件，要求的阻值不同。 (5) 输出端不允许并联使用(集电极开路门和三态输出门除外)。否则不仅会使电路逻辑功能混乱，还会导致器件损坏。 (6) 输出端不允
11、许直接接地或直接接5V电源，否则将损坏器件，有时为了使后级电路获得较高的输出电平，允许输出端通过电阻R接至VCC，一般取R=35.1k。,3.6 逻辑描述中的几个问题,3.6.1 正负逻辑问题,正负逻辑对应的门电路,3.6.2 基本逻辑门电路的等效符号及其应用,1与门及其等效符号 2或门及其等效符号,3. 与非门及其等效符号 4. 或非门及其等效符号,3.7 逻辑门电路使用中的几个实际问题,3.7.1 各种门电路之间的接口问题 1TTL门驱动CMOS门,TTL门驱动CMOS门,2CMOS门驱动TTL门 方法一：将同一封装内的CMOS门并联使用，以增大负载电流。 方法二：在CMOS输出端增加一级
12、CMOS同相输出缓冲器电路(如CC4010)作为驱动门。 方法三：由三极管构成电流放大器作为接口电路。,3.7.2 抗干扰措施,1多余输入端的处理 2去耦合滤波器 3接地和安装工艺,3.8 实例电路分析：水位指示器电路,水位指示电路,CD4069引脚图,本章小结,逻辑门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元。掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。 本章重点介绍了目前广泛使用的TTL和CMOS两类集成门电路。其中，TTL门电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。而CMOS门电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高。,
