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1、第2章 逻辑门电路,集成电路 把若干个器件及其连线，按照一定的功能要求，制做在同一块半导体基片上的产品。 数字集成电路（逻辑集成电路） 完成逻辑功能或数字功能的集成电路。 集成逻辑门 最简单的数字集成电路。,7400引脚配置及DIP封装外形图,本章教学要求,熟练掌握常用门电路的符号及逻辑功能；了解TTL与非门的工作原理； 熟悉TTL、CMOS集成逻辑门的外部特性、主要参数和使用方法； 理解集电极开路门和三态门的主要特点及应用； 了解ECL的特点。,正逻辑 高电平UOH “真” (1)； 低电平UOL “假” (0)。 负逻辑 与上相反 高电平UOH “假” (0)； 低电平UOL “真” (1
2、)。 逻辑电平（ UOH和UOL） 因逻辑器件内部结构不同而异; UOH和UOL的差值愈大，电路可靠性越高。,正负逻辑,获得高低电平的原理,输入信号Ui控制晶体管起到开关S的作用： 开关S断开时，输出电压UO为高电平； 开关S导通时，输出电压UO为低电平；,输入、输出电压的高低电平都是一个范围,1. 按集成度分类,一、逻辑门电路的分类,2. 按基本结构分类,3.按逻辑门电路的型号分类（TI）,54系列军用型：尺寸小、功耗小、可靠性高、工作温度范围大（-55+125 ） 74系列民用型，低成本改进型，工作温度（0+70 ）,P:39,P:48,4.按逻辑功能分类,5.按结构分类,TTL电路具有速
3、度快、驱动能力强的特点。 缺点，是功耗比较大，只能做成小规模和中规模集成电路 。 CMOS集成电路最突出的优点在于功耗极低，所以非常适合于制作大规模集成电路。 随着CMOS制作工艺的不断进步，无论在工作速度还是在驱动能力上，CMOS电路都已经可与TTL电路比拟。因此，CMOS电路将逐渐取代TTL电路而成为数字集成电路的主流产品。,1. 二极管、三极管逻辑门,二极管与门,二极管或门,三极管非门,二、分立门电路和集成门电路功能分析,双极型三极管的开关等效电路,关门状态,开门状态,2. TTL与非门,OC门在使用时输出端必须外接一个电阻到+VCC，称为上拉电阻,3. 集电极开路输出门(OC门),OC
4、门 “线与”,OC门并联电路,等效逻辑电路,4. 漏极开路输出门(OD门),5. 三态输出门（TS门）,EN = 1 正常的与非门 EN = 0 禁止状态 输出端相当于悬空 三态门与负载之间 无信号联系 注意 禁止状态不是逻辑状态 三态门不是三值逻辑门,三态门的图形符号,低电平有效：,高电平有效：,三态缓冲门,三态倒相门,三态与门,三态与非门,三态门的应用,在公用通道（总线）上轮流传送信息,实现输入输出双向传输端口,输出 G=0,输入 G=1,【例】写出下图电路的输出函数表达式，画出对应所示输入波形的输出波形。,解 由图可见，当E=0时，上端三态门工作，下端三态门处于高阻状态， ；当E=1时，
5、下端三态门工作，上端三态门处于高阻状态， 。由此可得F的综合表达式为： ，F对应的输出波形如图所示。 ,6. CMOS传输门及双向模拟开关,当C=0，C=1时，TG门截止； 当C=1，C=0时，TG门导通；,外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。外部特性包含两个内容： 输出与输入间的逻辑关系，即逻辑功能； 外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。,三、TTL集成门电路的主要外部特性及参数,直流电源电压 输入 / 输出逻辑电平 输入 / 输出电流 扇出系数 传输延时 功耗,参数,引线排列从左下角 开始,逆时针计算,缺口 标记,1,7,8,14,绝大多数 右下角GND,绝大多
6、数 左上角Vcc,74LS00是在一个封装内有四个相同的与非门。其外形如图所示。,正视图,74LS00封装和引脚,24,1. 标准TTL门的输入 / 输出逻辑电平,输入低电平时噪声容限：,输入高电平时噪声容限：,【例】74系列门电路中，输入输出电平典型参数为： VIL(max) =0.8V， VIH(min) =2.0V， VOL(max) =0.4V， VOH(min) =2.4V，,因此可以计算出 VNL=0.4V， VNH=0.4V。,导通延迟时间tpHL 从输入端接入高电平开始，到输出端输出低电平为止，所经历的时间； 截止延迟时间tpLH 从输入端接入低电平开始，到输出端输出高电平为止
7、，所经历的时间 平均传输延迟时间tpd,TTL与非门的延迟时间,27,2. 扇入和扇出系数,“拉电流”工作状态 :（相对驱动门来说的) “灌电流”工作状态: 扇入系数：指一个门电路所能允许的输入端个数。 扇出系数：一个门电路所能驱动的同类门电路输入端的最大数目。,【例】在如图所示的由74系列TTL与非门组成的电路中，计算门G1能驱动多少同样的与非门。要求G1输出的高、低电平满足VOH3.2V，VOL0.4V。与非门的输入电流为IIL-1.6mA，IIH40A。VOL0.4V时输出电流最大值为IOL（max）=16mA，VOH3.2V时输出电流最大值为IOH（max）=-0.4mA。G1的输出电
8、阻忽略不计。,灌电流工作时：,拉电流工作时：,3. 电压传输特性,TTL与非门电压传输特性是指在某一输入端接可调直流电源，其余输入端接高电平情况下，输出电压VO随输入电压VI变化的曲线。,AB段（截止区） BC段（线性区） CD段（转折区） DE段（饱和区）,根据电压传输特性，可以求出TTL非门几个重要参数:输入高电平VIH和输入低电平VIL 、输出高电平VOH和输出低电平VOL 、开门电平VON和关门电平VOFF 、阈值电压VTH等。,VOH(min),VOL(max),V IL（max）,V IH（min）,关门状态,开门状态,B,【例】根据电压传输特性，求出TTL非门几个重要参数:输入高
9、电平VIH和输入低电平VIL 、输出高电平VOH和输出低电平VOL 、开门电平VON和关门电平VOFF 、阈值电压VTH等。,4. 输入端负载特性,TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随RI 的变化而变化的关系曲线。,ROFF关门电阻 RON 开门电阻,uI为输入低电平,uI为输入高电平,数字电路中要求输入负载电阻RIRON或RIROFF ， 否则输入信号将不在高低电平范围内。 振荡电路则令 ROFF RI RON使电路处于转折区。,(1) 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.9k。,(2) 开门电
10、阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路,数字电路中要求输入负载电阻RIRON或RIROFF ， 否则输入信号将不在高低电平范围内。 振荡电路则令 ROFF RI RON使电路处于转折区。,【例】以下电路均为TTL电路，ROFF0.9k，RON 3.6k。 试写出各电路的输出表达式。,51,UIH,F1,30k,UIL,F2,1M,F3,510,A,F4,X,悬空,F6,A,10K,F5,51,UIH,F1=1,30k,UIL,F2=1,1M,F3=A,510,A,F4=1,X,悬空,F6=A,A,10K,F5=0,【例】以下电路均为
11、TTL电路，ROFF0.9k，RON 3.6k。 试写出各电路的输出表达式。,解：,1、电压传输特性、电流传输特性,四、CMOS反相器的主要外部特性及参数,1.传输特性、 2.输入噪声容限、 3.静态输入特性、 4.静态输出特性 5.动态特性、 6.扇出系数,A,B,C,D,E,F,理想情况下：输出高电平UOHUDD，输出低电平UOL0,输入高电平UIHUDD，输入低电平UIL0,高电平噪声容限UNH,低电平噪声容限UNL,输出状态转换的阀值电压UTUDD,2.输入噪声容限,结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限,提高噪声容限的方法？,3.静态输入特性,CMOS门电路的输入阻抗非常大。,优点：
12、几乎不吸收电流。一般来说，高电平输入电流IIH1A，低电平输入电流IIL1A。,缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。,措施：输入级一般都加了保护电路。,根据静态输入特性讨论：CMOS门电路多余引脚的处理,将2输入的CMOS逻辑门转换成CMOS反相器（非门），其中的一个引脚多余，请分析以下4种处理方法是否正确。,结论：CMOS门电路多余引脚不能悬空；输入引脚接一电阻到地相当于输入低电平。,当门电路输出低电平时 即开门时,当门电路输出高电平时，即关门时,4. 静态输出特性,扇出系数,因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，一般额定扇出系数可达50。但必须指出的是，扇出系数是指驱动CMOS电
13、路的个数，若就灌电流负载能力和拉电流负载能力而言，CMOS电路远远低于TTL电路。,灌电流工作时：,拉电流工作时：,五、逻辑门电路使用中的几个实际问题,1. 集成门电路使用注意事项 2. 门电路之间的接口 3. 门电路带其他负载时的接口 4. 抗干扰措施,1. 集成门电路使用注意事项,(1) TTL门电路使用注意事项,TTL电路的电源一般均采用+5V，纹波及稳定度通常要求应不大于10%，甚至有的要求应不大于5%，即电源电压应限制在5V0.5V(或5V0.25V)以内。 输入端不能直接与高于+ 5.5V或低于-0.5V的低内阻电源连接，否则会因为低内阻电源供给较大电流而烧坏器件。 输出端不允许与
14、电源或地短接，必要时必须通过串接电阻与电源连接，以提高输出电平。 插入或拔出集成电路时，务必切断电源，否则会因电源冲击而造成永久损坏。,(2) CMOS门电路使用注意事项,CMOS门电路的电源工作范围较宽，但要符合工作电压上下限要求。 输入高电平不得高于VDD+ 0.5V，低电平不得低于-0.5V，输入端的电流一般应限制在1mA以内。 与TTL门电路一样，输出端不允许与电源或地短接，必要时必须通过串接电阻与电源连接，以提高输出能力。 测试CMOS电路时，如果信号电源和电路供电采用两组电源，则在上电时应先接通电路供电电源，后开信号电源；断电时先关信号电源，后关电路供电电源。,2. 门电路之间的接
15、口,（1）驱动能力： 驱动门为负载门提供足够大的灌电流和拉电流 驱动门与负载门电流之间的驱动应满足： IOH(max)nIIH(max) ， IOL(max)mIIL(max) （n和m是负载电流的个数）,接口电路应考虑的问题,（2）电平匹配： 驱动门的输出电压应在负载门所要 求的输入电压范围内。 驱动门与负载门之间的逻辑电平应满足： UOH(min)UIH(min)， UOL(max)UIL(max)。,(1)TTL门驱动74HC和74AHC系列,图2-40 TTL驱动CMOS时的接口 a) 电源电压都为5V时的接口 b) 电源电压不同时的接口,(2)TTL门驱动74HCT系列和74AHCT系列,当都采用5V电源时，CMOS门的VOH(min)大于TTL门的VIH(min)，CMOS门的VOL(max)小于TTL门的VIL(max)，两者电压参数相容。但是CMOS门的IOH、IOL参数较小，所以，这时主要考虑CMOS门的输出电流是否满足TTL输入电流的要求。,(3) CMOS门驱动TTL门,CMOS驱动 TTL门接口电路,(4) 低电压CMOS门电路及接口,为了减小功耗，半导体厂家推出了供电电压分别为3.3V、2.5V、1.8V等一系列低电压集成逻辑电路。在同一系统中采用不同电压的逻辑器件，需要考虑不同逻辑器件之间的接口问题。,将CMOS门电路
