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1、 逻辑门电路逻辑门电路数字电子技术第六讲 逻辑门电路逻辑门电路第第 3 章逻辑门电路章逻辑门电路CMOS 集成逻辑门集成逻辑门集成逻辑门的应用集成逻辑门的应用小结小结 逻辑门电路逻辑门电路 是由增强型是由增强型 PMOS 管和增强型管和增强型 NMOS 管组成管组成的互补对称的互补对称 MOS 门电路。门电路。比之比之 TTL，其突出优点其突出优点为：微功耗、抗干扰能力强。为：微功耗、抗干扰能力强。 主要要求：主要要求： 掌握掌握 CMOS 反相器的电路、工作原理反相器的电路、工作原理和主要外特性和主要外特性。 了解了解 CMOS 数字集成电路的应用要点。数字集成电路的应用要点。 了解了解 C
2、MOS 与非门、或非门、开路门、与非门、或非门、开路门、三态门和传输门的电路和逻辑功能。三态门和传输门的电路和逻辑功能。 3.4CMOS 集成逻辑门集成逻辑门 逻辑门电路逻辑门电路AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNBAuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB增强型增强型 NMOS 管管(驱动管驱动管)增强型增强型 PMOS 管管(负载管负载管)构成互补构成互补对称结构对称结构一、一、CMOS 反相器反相器 ( (一一) )电路基本结构电路基本结构 要求要求VDD UGS(th)N +UGS(th)P且且 UGS(th)N =UGS(th)P UGS(th)N增强型增强型 NMOS 管开启
3、电压管开启电压AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB NMOS 管的衬底接管的衬底接电路最低电位，电路最低电位，PMOS管的衬底接最高电位，管的衬底接最高电位，从而从而保证衬底与漏源间保证衬底与漏源间的的 PN 结始终反偏。结始终反偏。.uGSN+- -增强型增强型 PMOS 管开启电压管开启电压uGSP+- -UGS(th)PuGSN UGS(th)N 时，增强型时，增强型 NMOS 管导通管导通uGSN UGS(th)N 时，增强型时，增强型 NMOS 管截止管截止OiDuGSUGS(th)N增强型增强型 NMOS 管管转移特性转移特性 时时, 增强型增强型 PMOS 管导管导通通 时
4、时, 增强型增强型 PMOS 管截管截止止OiDuGSUGS(th)P增强型增强型 PMOS 管管转移特性转移特性AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB( (一一) )电路基本结构电路基本结构 UIL = 0 V，UIH = VDD 逻辑门电路逻辑门电路AuIYuOVDDSGDDGSVP衬底衬底 BVN衬底衬底 B( (二二) )工作原理工作原理 ROFFNRONPuO+VDDSDDS导通电阻导通电阻 RON 截止电阻截止电阻 ROFFRONNROFFPuO+VDDSDDS可见该电路构成可见该电路构成 CMOS 非门，又称非门，又称 CMOS 反相器。反相器。无论输入高低，无论输入高低，V
5、N、VP 中总有一管截止，使静态漏中总有一管截止，使静态漏极电流极电流 iD 0。因此因此 CMOS 反相器静态功耗极微小。反相器静态功耗极微小。 输入为低电平，输入为低电平，UIL = 0V 时，时，uGSN = 0V UGS(th)N , VN 导通，导通，VP 截止，截止， 输入为低电平输入为低电平 UIL = 0 V 时，时，uGSN = 0V UGS(th)N ， VN 截止，截止，VP 导通，导通， uO VDD , 为高电平。为高电平。UIH = VDDuO 0 V ，为低电平。为低电平。 逻辑门电路逻辑门电路二、其他功能的二、其他功能的 CMOS 门电路门电路 ( (一一) )
6、CMOS 与非门和或非门与非门和或非门 1. . CMOS 与非门与非门 ABVDDVPBVPAVNAVNBY 每个输入端对应一每个输入端对应一对对 NMOS 管和管和PMOS 管。管。NMOS 管为驱动管，管为驱动管，PMOS 管为负载管。输管为负载管。输入端与它们的栅极相连。入端与它们的栅极相连。与非门结构特点：与非门结构特点：驱动管相串联驱动管相串联，负载管相并联负载管相并联。 逻辑门电路逻辑门电路ABVDDVPBVPAVNAVNBY CMOS 与非门工作原理与非门工作原理11导通导通导通导通截止截止截止截止0 驱动管均导通，驱动管均导通， 负载管均截止，负载管均截止， 输出为低电平。输
7、出为低电平。 当输入均为当输入均为 高电平时：高电平时： 低电平输入端低电平输入端相对应的驱动管截相对应的驱动管截止，负载管导通，止，负载管导通，输出为高电平。输出为高电平。 当输入中有当输入中有 低电平时：低电平时：ABVDDVPBVPAVNAVNBY0截止截止导通导通1因此因此 Y = AB 逻辑门电路逻辑门电路2. . CMOS 或非门或非门 ABVDDVPBVPAVNAVNBY或非门结构特点：或非门结构特点：驱动管相并联驱动管相并联，负载管相串联负载管相串联。 逻辑门电路逻辑门电路YABuOuIVDD1漏极开路的漏极开路的CMOS与非与非门电路门电路( (二二) )漏极开路的漏极开路的
8、 CMOS 门门简称简称 OD 门门 与与 OC 门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。Y = AB构成与门构成与门 构成输构成输出端开出端开路的非路的非门门需需外接上外接上拉电阻拉电阻 RD 逻辑门电路逻辑门电路C、C 为为互互补补控制信号控制信号 由一对参数对称一致的增由一对参数对称一致的增强型强型 NMOS 管和管和 PMOS 管并联管并联构成。构成。 PMOSCuI/uOVDDCMOS传输传输门电路结构门电路结构uO/uIVPCNMOSVN( (三三) )CMOS 传输门传输门 工作原理工作原理 MOS 管的漏极和源极结构对称，管的
9、漏极和源极结构对称，可互换使用，因此可互换使用，因此 CMOS 传输门的传输门的输出端和输入端也可互换。输出端和输入端也可互换。 uOuIuIuO 当当 C = 0V，uI = 0 VDD 时，时，VN、VP 均截止，输出与输入之间呈现高均截止，输出与输入之间呈现高电阻，相当于开关断开。电阻，相当于开关断开。 uI 不能传输到输出端，称传输门不能传输到输出端，称传输门关闭。关闭。CC 当当 C = VDD，uI = 0 VDD 时，时，VN、VP 中至少有一管导通，输出与输入中至少有一管导通，输出与输入之间呈现低电阻，相当于开关闭合。之间呈现低电阻，相当于开关闭合。 uO = uI，称传输门开
10、通。称传输门开通。 C = 1，C = 0 时，传输门开通，时，传输门开通，uO = uI； C = 0，C = 1 时，传输门关闭，信号不能传输。时，传输门关闭，信号不能传输。 逻辑门电路逻辑门电路PMOSCuI/uOVDDCMOS传输传输门电路结构门电路结构uO/uIVPCNMOSVN 传输门是一个理想的传输门是一个理想的双向开关，双向开关，可传输模拟信号可传输模拟信号，也可传输，也可传输数字信号数字信号。TGuI/uOuO/uICC传输门逻辑符号传输门逻辑符号 TG 即即 Transmission Gate 的缩写的缩写 ( (三三) )CMOS 传输门传输门 逻辑门电路逻辑门电路 在反
11、相器基础上串接在反相器基础上串接了了 PMOS 管管 VP2 和和 NMOS 管管 VN2，它们的栅极分别它们的栅极分别受受 EN 和和 EN 控制。控制。( (四四) )CMOS 三态输出门三态输出门 AENVDDYVP2VP1VN1VN2低电平使能的低电平使能的 CMOS 三态输出门三态输出门工作原理工作原理001导通导通导通导通Y=A110截止截止截止截止Z EN = 1 时，时，VP2、VN2 均截止，输出端均截止，输出端 Y 呈现高呈现高阻态。阻态。 因此构成使能端低因此构成使能端低电平有效的三态门。电平有效的三态门。 EN = 0 时，时，VP2 和和 VN2 导通，呈现低电阻，不
12、影导通，呈现低电阻，不影响响 CMOS 反相器工作。反相器工作。 Y = AEN 逻辑门电路逻辑门电路三、三、CMOS 数字集成电路应用要点数字集成电路应用要点 ( (一一) )CMOS 数字集成电路系列数字集成电路系列 CMOS4000 系列系列 功耗极低、抗干扰能力强；功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围宽电源电压范围宽 VDD = 3 15 V；工作频率低，工作频率低，fmax = 5 MHz；驱动能力差驱动能力差。高速高速CMOS 系列系列( (又称又称 HCMOS 系列系列) ) 功耗极低、抗干扰能力强；电功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围源电压范围 VDD = 2 6 V；工作频
13、率高，工作频率高，fmax = 50 MHz；驱动能力强。驱动能力强。 提高速度措施：减小提高速度措施：减小MOS 管的极间电容。管的极间电容。 由于由于CMOS电路电路 UTH VDD / 2，噪声容限噪声容限UNL UNH VDD / 2，因因此抗此抗干扰能力很强。电干扰能力很强。电源电压越高，抗干扰能源电压越高，抗干扰能力越强。力越强。 逻辑门电路逻辑门电路民品民品 军品军品 VDD = 2 6 V T 表示与表示与 TTL 兼容兼容VDD = 4.5 5.5 V CC54HC / 74HC 系列系列CC54HC / 74HC 系系列列 TT按按电源电压电源电压不同分为不同分为 按工作温
14、度不同分为按工作温度不同分为 CC74 系列系列 CC54 系列系列 高高速速 CMOS 系系列列 逻辑门电路逻辑门电路1. 注意不同系列注意不同系列 CMOS 电路允许的电源电压范围不同，电路允许的电源电压范围不同， 一般多用一般多用 + + 5 V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。电源电压越高，抗干扰能力也越强。 ( (二二) )CMOS 集成逻辑门使用要点集成逻辑门使用要点 2. 闲置输入端的处理闲置输入端的处理 不允许悬空。不允许悬空。 可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。使速度下降，因此工
15、作频率高时不宜这样用。 与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。 逻辑门电路逻辑门电路主要要求：主要要求： 了解了解 TTL 和和 CMOS 电路的主要差异。电路的主要差异。 了解了解集成门电路的选用和应用。集成门电路的选用和应用。 3.5 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 逻辑门电路逻辑门电路一、一、CMOS 门门电路比之电路比之 TTL 的主要特点的主要特点 注意：注意：CMOS 电路的扇出系数大是由于其负载门的电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高
16、，所需驱动功率极小，输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非并非 CMOS 电路的电路的驱动能力比驱动能力比 TTL 强。强。实际上实际上 CMOS4000 系列驱动能力系列驱动能力远小于远小于 TTL，HCMOS 驱动能力与驱动能力与 TTL 相近。相近。 功耗极低功耗极低 抗干扰能力强抗干扰能力强 电源电压范围宽电源电压范围宽 输出信号摆幅大输出信号摆幅大( (UOH VDD，UOL 0 V) ) 输入阻抗高输入阻抗高 扇出系数大扇出系数大 逻辑门电路逻辑门电路二、集成逻辑门电路的选用二、集成逻辑门电路的选用 根据电路工作要求和市场因素等综合决定根据电路工作要求和市场因素等综合决定 若对功耗和
17、抗干扰能力要求一般，可选用若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用 TTL 电路。电路。目前多用目前多用 74LS 系列，它的功系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至耗较小，工作频率一般可用至 20 MHz；如工作频率较高，可选用如工作频率较高，可选用 CT74ALS 系列，系列，其工作频率一般可至其工作频率一般可至 50 MHz。 若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用 CMOS 电路。电路。其中其中 CMOS4000 系列一般用于系列一般用于工作频率工作频率 1 MHz 以下、驱动能力要求不高的以下、驱动能力要求不高的场合；场合；HCMOS 常用于工作频率常用
18、于工作频率 20 MHz 以下、以下、要求较强驱动能力的场合。要求较强驱动能力的场合。 逻辑门电路逻辑门电路解：解：三、集成逻辑门电路应用举例三、集成逻辑门电路应用举例 例例 试改正下图电路的错误，使其正常工作。试改正下图电路的错误，使其正常工作。CMOS 门门TTL 门门OD 门门(a)(b)(c)(d)VDDCMOS 门门Ya = ABVDDYb = A + BTTL 门门OD 门门Yc = AVDDENYd=ABEN = 1 时时EN = 0 时时OD 门门&TTL 门门悬空悬空CMOS 门门悬空悬空 逻辑门电路逻辑门电路可用两级电路可用两级电路 2 个与非门实现之个与非门实现之 例例
19、试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。解：解：( (1) ) 用与非门实现与门用与非门实现与门设法将设法将 Y = AB 用与非式表示用与非式表示因为因为 Y = AB = AB因此，用与非门实现的与门电路为因此，用与非门实现的与门电路为Y = AB将与非门多余输入端与有用端并联使用构成非门将与非门多余输入端与有用端并联使用构成非门 逻辑门电路逻辑门电路可用两级电路可用两级电路 3 个与非门实现个与非门实现( (2) ) 用与非门实现或门用与非门实现或门因此，用与非门实现的或门电路为因此，用与非门实现的或门电路为Y = A + B因为因为 Y = A
20、+ B = A + B = A B设法将设法将 Y = A + B 用与非式表示用与非式表示实现实现 A实现实现 B 逻辑门电路逻辑门电路可用两级电路可用两级电路 3 个或非门实现之。个或非门实现之。( (3) ) 用或非门实现与门用或非门实现与门设法将设法将 Y = AB 用或非式表示用或非式表示因此，用或非门实现的与门电路为因此，用或非门实现的与门电路为因为因为 Y = AB = A B= A + B将或非门多余输入端与将或非门多余输入端与有用端并联使用构成非门有用端并联使用构成非门Y = AB 逻辑门电路逻辑门电路可用两级电路可用两级电路 2 个或非门实现之个或非门实现之( (4) )
21、用或非门实现或门用或非门实现或门设法将设法将 Y = A + B 用或非式表示用或非式表示因为因为 Y = A + B = A + B因此，用或非门实现的或门电路为因此，用或非门实现的或门电路为Y = A + B 逻辑门电路逻辑门电路 例例 有一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光有一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有感三种不同类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才当其中两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才产生报警信号，试用与非门设计产生报警信号的电路。产生报警信号，试用与非门设计产生报
22、警信号的电路。输输 入入输输 出出A B CY0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1解：解：( (1) ) 分析设计要求，建立真值表分析设计要求，建立真值表感三种不同类型的火灾探测器感三种不同类型的火灾探测器有烟感、温感和紫外光有烟感、温感和紫外光产生报警信号产生报警信号两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才与非门设计与非门设计 报警电路的输入信号为烟感、温感报警电路的输入信号为烟感、温感和紫外光感三种探测器的输出信号，设和紫外光感三种探测器的输出信号，设用用 A、B、C 表示，且规定有火灾探测信表示，且规
23、定有火灾探测信号时用号时用 1 表示，否则用表示，否则用 0 表示。表示。 报警电路的输出用报警电路的输出用 Y 表示，且规表示，且规定需报警时定需报警时Y 为为 1 ，否则，否则 Y 为为 0。由此可列出真值表如右图所示由此可列出真值表如右图所示11110000( (2) ) 根据根据真值表画函数卡诺图真值表画函数卡诺图 逻辑门电路逻辑门电路 1 1ABC0100 0111 10 1 1( (3) ) 用卡诺图化简法求用卡诺图化简法求出输出逻辑函数的最出输出逻辑函数的最简与或表达式，再变简与或表达式，再变换为与非表达式。换为与非表达式。Y = AB + AC + BC( (4) ) 画逻辑图
24、画逻辑图根据根据 Y 的与非表达式画逻辑图的与非表达式画逻辑图=AB AC BCABCY=AB AC BC 逻辑门电路逻辑门电路小结小结CMOS 数数字字集集成成电电路路主主要要有有 CMOS4000 系系列列和和HCMOS 系系列列。CMOS4000 系系列列工工作作速速度度低低，负负载载能能力力差差，但但功功耗耗极极低低、抗抗干干扰扰能能力力强强，电电源源电电压压范范围围宽宽，在在工工作作频频率率不不高高的的情情况况下下应应用用很很多多。CC74HC 和和 CC74HCT 两两个个系系列列的的工工作作频频率率和和负负载载能能力力都都已已CT74LS的的水水平平，但但功功耗耗、抗抗干干扰扰能
25、能力力和和对对电电源源电电压压变变化化的的适适应应性性等等比比 CT74LS 更更优优越。越。CMOS 电路在大规模集成电路应用更广泛。电路在大规模集成电路应用更广泛。 逻辑门电路逻辑门电路应用集成门电路时，应注意：应用集成门电路时，应注意： TTL电路只能用电路只能用5 V( (74系列允许误差系列允许误差5%) )；CMOS4000 系系列列可可用用 3 15 V；HCMOS系系列列可可用用 2 6 V；CTMOS 系系列列用用 4.5 5.5 V。一一般般情情况况下下，CMOS 门门多多用用 5 V，以便与以便与 TTL 电路兼容电路兼容。 ( (1) )电源电压的正确使用电源电压的正确
26、使用 ( (2) )输出端的连接输出端的连接 开路门的输出端可并联使用实现线与开路门的输出端可并联使用实现线与，还可用来驱动需，还可用来驱动需要一定功率的负载。要一定功率的负载。 三态输出门的输出端也可并联，用来实现总线结构，三态输出门的输出端也可并联，用来实现总线结构，但三态输出门必须分时使能。但三态输出门必须分时使能。使用三态门时，需注使用三态门时，需注意使能端的有效电平。意使能端的有效电平。 普通门普通门( (具有推拉式输出结构具有推拉式输出结构) )的输出端不的输出端不允许直接并联实现线与允许直接并联实现线与。 逻辑门电路逻辑门电路( (3) ) 闲置输入端的处理闲置输入端的处理 (
27、(4) )信号信号的正确使用的正确使用 TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平，电路输入端悬空时相当于输入高电平，CMOS 电路多余输入端不允许悬空。电路多余输入端不允许悬空。 CMOS电路多余输电路多余输入端与有用入端与有用输入端的并输入端的并接仅适用于接仅适用于工作频率很工作频率很低的场合。低的场合。数数字字电电路路中中的的信信号号有有高高电电平平和和低低电电平平两两种种取取值值，高高电电平平和和低低电电平平为为某某规规定定范范围围的的电电位位值值，而而非非一一固固定定值值。门门电电路路种种类类不不同同，高高电平和低电平的允许范围也不同。电平和低电平的允许范围也不同。 或门和或非门或门和或非门与门和与非门与门和与非门多余输入端接地或多余输入端接地或与有用输入端并接与有用输入端并接多余输入端接正电源多余输入端接正电源或与有用输入端并接或与有用输入端并接
