1、内容提要：内容提要：本章主要介绍基本分立元件逻辑门电路、功能及本章主要介绍基本分立元件逻辑门电路、功能及逻辑符号。重点讨论组合逻辑门电路的功能及表示逻辑符号。重点讨论组合逻辑门电路的功能及表示方法，集成逻辑门电路的电路特性及使用，侧重分方法，集成逻辑门电路的电路特性及使用，侧重分析其外部特性，本章内容是数字电路的电路基础。析其外部特性，本章内容是数字电路的电路基础。第 2 章逻辑门电路 第 2 章逻辑门电路 2.1 概述概述1 1、所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑
2、关系门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。所以门电路又称为逻辑门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。非门、或非门、与或非门和异或门等。2、逻辑、逻辑0和逻辑和逻辑1：0和1在逻辑代数中代表的两种不同的状态。在电子电路中用高、低电平来表示。正逻辑：1表示高电平，0表示低电平 负逻辑：0表示高电平，1表示低电平高高/低电平都允许有一定的变化范围低电平都允许有一定的变化范围3、获得高、低电平的基本方法、获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导
3、通、截止（即开、关）两种工作状态。u如未加说明，则一律采用正逻辑。4、逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门用分立的元器件用分立的元器件和导线连接起来和导线连接起来构成的门电路构成的门电路把构成门电路的把构成门电路的元器件和连线，元器件和连线，都制作在一块半都制作在一块半导体芯片上，再导体芯片上，再封装起来封装起来 14 13 12 11 10 9 874LS04 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y
4、6A 6Y 1A 1Y 2 A 2Y 3 A 3Y GND6反相器74LS04的引脚排列图2.2.1 二极管门电路二极管门电路1.二极管与门二极管与门+VCC(+5V)R 3k Y D1A D2B5V0VABY&Y=AB5V为高电平用逻辑1表示0.7V为低电平用逻辑0表示根据真值表，可以判断该电路为与门2.2 分立元件门电路分立元件门电路A D1B D2 5V 0V YR3kABY 1uA uBuYD1 D20V 0V0V 5V5V 0V5V 5V0V4.3V4.3V4.3V截止 截止截止 导通导通 截止导通 导通A BY0 00 11 01 10111Y=A+B逻辑分析表真值表2.二极管或门
5、二极管或门uA0V时，三极管截止，时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。基极电流为：时，三极管导通。基极电流为：iBIBS，三极管工作，三极管工作在饱和状态。输出电在饱和状态。输出电压压uYUCES0.3V。mA1mA3.47.05Bi三极管临界饱和三极管临界饱和时的基极电流为：时的基极电流为：mA16.01303.05BSIAY0110AY 2.3.1 TTL与非门与非门VVVVVVVVVBAVVVVVVVVVBABAOLOBOHOB3.0),(1.26.36.3,9.02.0032414321导通，和截止，钳位）时，同为高电平（和当导通，截止
6、，、）时，（有一个为和当由多发射极三极管实现逻辑表达式：BAY真值表真值表输入为低，输出为高；输入全高，输出为低。1.1.功能分析功能分析V1ABV11V122.3 TTL集成集成门电路门电路BA2.3.2 TTL逻辑门的电路特性与参数 1.电压的传输特性电压的传输特性图图2-6 TTL“与非与非”门的电压传输特性门的电压传输特性关门状态门电路输出电压随输入电压变化的特性。门电路输出电压随输入电压变化的特性。uI 0.6 V时，时，工作于工作于AB 段，这段，这时时 V2、V3 截止，截止，V4、D 导通，输出导通，输出为高电平，为高电平，uO=UOH=3.6V，称与，称与非门工作在截止区非门
7、工作在截止区或处于关门状态。或处于关门状态。线性区当当 0.6 V uI 1.3 V时，工作于时，工作于BC段，这时段，这时 V2进进入放大区，入放大区，V3仍截仍截止，输出止，输出 uO 随输随输入入 uI 的增加而线的增加而线性下降，称与非门性下降，称与非门工作在线性区工作在线性区转折或过渡区当当 1.3 V 1.4 V时时,工作工作于于DE 段，这时段，这时 V2、V3 饱和，输饱和，输出恒为低电平，出恒为低电平，UOL 0.3V，称与，称与非门工作在饱和区非门工作在饱和区或处于开门状态。或处于开门状态。总结161）输入和输出的高低电平）输入和输出的高低电平 输出高电平VOH：典型值：3
8、.6V VOH(min)=2.4V输出低电平VOL：典型值：0.3V VOL(max)=0.4V输入高电平VIH：保证输出为额定低电平输入高电压的最小值，叫开门电平 VIH(min)=VON=2.0V 输入低电平VIL：保证输出为高电平的90%的输入低电压的最大值叫关门电平 VIL(max)=VOFF=0.80.9V 这些数字是74系列的典型值，不同的系列是不同的。2.TTL逻辑门的特征与参数逻辑门的特征与参数驱动门负载门参数2）噪声容限）噪声容限 噪声容限 UN 又称抗干扰能力，表示门电路在输入电压上允许叠加多大的噪声电压下仍能正常工作。输入低电平噪声容限 UNL指输出为额定高电平的 90%
9、时，允许在输入低电平上叠加的正向噪声电压。UNL=UOFF UIL输入高电平噪声容限 UNH指输出额定低电平时，允许在输入高电平上叠加的负向噪声电压。UNH=UIH UON3）输入和输出电流及扇入扇出数：）输入和输出电流及扇入扇出数：输入低电平电流IIL：典型值1.6mA输入高电平电流IIH：典型值40uA输出低电平电流IOL：典型值16mA输出高电平电流IOH：典型值0.4mA扇入扇出数：扇入数为输入端的个数。扇出数为驱动同类逻辑门的个数。T1R1+5VIIH2.1V3.6VT1R1+5VIIL1.0V0.3V4）平均传输延迟时间平均传输延迟时间tPd：表征电路开关速度的参数 tPHL：输入
10、波形上升沿中点到输出波形下降沿中点之间的时间延迟称为导通延迟时间；tPLH：输入波形下降沿中点到输出波形上升沿中点之间的时间延迟称为截止延迟时间；tPd=(tPHL+tPLH)/2此值越小越好，表示开关速度越快。此值越小越好，表示开关速度越快。tPHLtPLH50%50%输出输入 5）输入、输出特性）输入、输出特性输入特性输入特性：TTL与非门输入伏安特性指的是输入电流随输入电压变化而变化的规律 图图2-7 与非门的输入特性与非门的输入特性 图图2-8 与非门输入端结构与非门输入端结构 输出特性（输出低电平）输出特性（输出低电平）图图2-11 TTL与非门输出特性与非门输出特性 输出特性（输出
11、低电平）输出特性（输出低电平）灌电流负载：外接负载电流流入与非门的输出端的负载。与非灌电流负载：外接负载电流流入与非门的输出端的负载。与非门输出低电平门输出低电平UOL 时，带灌电流负载。时，带灌电流负载。设与非门输出低电平的最大允许电设与非门输出低电平的最大允许电流为流为IOL(max)，每个负载门输，每个负载门输入低电平电流为入低电平电流为 IIL，则输出端外接，则输出端外接灌电流负灌电流负载门的个数载门的个数 NOL为为 NOL 又称输出低电平扇又称输出低电平扇出系数。出系数。IINILOLOL(max)输出特性（输出高电平）输出特性（输出高电平）输出特性（输出高电平）输出特性（输出高电
12、平）拉电流负载：负载电流从与非门的输出端流向外接负载门的负拉电流负载：负载电流从与非门的输出端流向外接负载门的负载。与非门输出高电平载。与非门输出高电平 UOH 时，带拉电流负载。时，带拉电流负载。设与非门输出高电平的最大允设与非门输出高电平的最大允许电流为许电流为 IOH(max)，每个负载，每个负载门输入高电平电流为门输入高电平电流为IIH，则输，则输出端外接拉电流负载门的个数出端外接拉电流负载门的个数NOH为为 NOH 又称输出高电平扇又称输出高电平扇出系数。出系数。IINIHOHOH(max)注意：注意：一般一般,常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用常取两者中的较小值作为门电路的
13、扇出系数，用 表示。表示。NNOLOH芯片2.3.3 TTL集电极开路门和三态门1.TTL集电极开路门（集电极开路门（OC门）（是门）（是Open Collector的缩写）的缩写）（a）OC门电路图 （b）OC门逻辑符号 图2-14 集电极开路与非门工作过程：n可以分析该电路出现的问题是：当输出为低电平时能正常工作，但是如果输出应为高电平时，此时V3截止，无法输出高电平，因此在工作时，n当A、B输入端全为高电平时，三极管V2、V3导通，Y输出低电平；当A、B有低电平时，三极管V2、V3截止，输出高电平，逻辑表达式为。ABY（1）OC门“线与”（a）线与电路 （b）线与逻辑图 图2-15 OC
14、门线与逻辑电路图（1）OC门“线与”n两个或多个 OC 门的输出端直接相连，相当于将这些输出信号相与，称为线与。一般的TTL门电路的输出端不允许并联使用，否则可能因电流过大而烧坏器件。nOC门采用外接上拉电阻和电源的方式，因此多个OC门的输出端可以直接并联使用，如图2-15所示，输出端的逻辑表达式可以写成 CDABY工程中常常将两个门电路并联起来实现与的逻辑功能，称为线与线与。那么这两个逻辑门是否可以并联？分析：a逻辑功能是否可以实现？若Y1，Y2都为高电平，输出为高电平；若其中有一个为低电平，会将输出拉至低电平；若全为低电平，输出也为低电平。因此，从理论上可以实现与逻辑。b问题出现在什么地方
15、？当Y1，Y2中一个为低电平，一个为高电平时，会形成一个低阻通道，导致T3损坏，因此实际中无法实现与逻辑。？ABY1+5VT1T2DT4T3R1R2R3R44k1.6k130W1kABY2+5VT1T2DT4T3R1R2R3R44k1.6k130W1k（2）驱动较大电流负载 例：下图为用例：下图为用 OC 门驱动发光二极管门驱动发光二极管 LED 的显示电路。的显示电路。已知已知 LED 的正向的正向导通压降导通压降 UF=2V，正向工作电流，正向工作电流IF=10 mA，为保证电路正常工作，试确，为保证电路正常工作，试确定定 RC 的值。的值。分析：该电路只有在 A、B 均为高电平，使输出
16、uO 为低电平时，LED 才导通发光；否则LED 中无电流流通，不发光。要使 LED 发光，应满足IRc IF=10 mA。解：为保证电路正常工作，应满足2.三态输出门（TSL门）nEN=1 时，uI=3.6V，D 1截止，电路等效为一个输入为 A、B 和 1 的 TTL 与非门。ABY n当EN=0时，由于二极管D1导通，和 均被钳制在低电平，所以，V2V4均截止，从输出端看进去，电路处于高阻状态，这是三态与非门的第三种状态（禁止态）VC2VB1何为高阻？EN 即即 Enable功能表功能表Z0AB1YEN使能端的两种控制方式使能端的两种控制方式使能端低电平有效使能端低电平有效使能端高电平有
17、效使能端高电平有效功能表功能表Z1AB0YENEN表表2-7 三态门功能表三态门功能表 利用三态门的总线结构图利用三态门的总线结构图2-18，能够实现分时，能够实现分时轮换传输信号而不至于互相干扰。轮换传输信号而不至于互相干扰。图图2-18 三态门用于总线传输三态门用于总线传输（1）三态门构成单向总线（2）三态门实现数据的双向传输）三态门实现数据的双向传输2DIEN/D1D1总线I1OENGENGDO当当E=1时，门时，门1工作，门工作，门2禁止，禁止，数据数据DI经反相后传送到总线上，经反相后传送到总线上，即把即把 传送到总线上传送到总线上；E=0时，门时，门1禁止，门禁止，门2工作，工作，
18、数据从数据从 经反相后从总线传送出经反相后从总线传送出来，从而构成双向传输功能。来，从而构成双向传输功能。DID02.3.4 其它TTL逻辑门电路n TTL门电路除以上介绍的，还有TTL反相器、或非门、与门、或门、与或非门和异或门及带有施密特触发器功能的门电路等，在实际工作中可通过查阅器件手册使用。双极型数字集成电路除TTL门电路外，还有发射极耦合电路（ECL电路）、注入逻辑电路（电路）等多种，详细内容可查阅相关资料。LI22.3.5 TTL电路产品系列TTL数字集成电路主要有CT54系列（用于军品）和CT74系列（用于民品）两大类，其主要区别在于电源电压和工作温度。在不同子系列在不同子系列
19、TTL 中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速度外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速度(平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd)和和平均功耗不同。实际使用时，高速门电路可以替换低速的；反之则不平均功耗不同。实际使用时，高速门电路可以替换低速的；反之则不行。图2-20 XX74XX00引脚图2.3.6 TTL 2.3.6 TTL 集成逻辑门电路使用注意事项集成逻辑门电路使用注意事项 1.1.电源电压用电源电压用+5 V，74 系列应满足系列应满足 5 V 5%。2.2.输出端的连接输出端的连接 普通普通
20、TTL 门输出端不允许直接并联使用。门输出端不允许直接并联使用。三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。一个门工作，其他门输出处于高阻状态。集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源电源 VCC 之间应接负载电阻之间应接负载电阻 RL。输出端不允许直接接电源输出端不允许直接接电源 VCC 或直接接地。或直接接地。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。3.多余输入端的处理多余输入端的处理 与门和与非门的多余输入端接逻辑与门
21、和与非门的多余输入端接逻辑 1 或者与有用输入端并接。或者与有用输入端并接。接接 VCC通过通过 1 10 kW W 电阻接电阻接 VCC与有用输入端并接与有用输入端并接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，做实验时与门和做实验时与门和与非门等的与非门等的多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。以防止干扰。或门和或非门的多余输入端接逻辑或门和或非门的多余输入端接逻辑 0或者与有用输入端并接或者与有用输入端并接2.4 COMS集成门电路集成门电路uA+VDD+10VTPTN+VDD+10V+
22、VDD+10VSSRONPRONN10V0V(a)电路(b)TN截止、TP导通(c)TN导通、TP截止uYuYuY(1)uA0V时，TN截止，TP导通。输出电压uYVDD10V。(2)uA10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY0V。AY 因此，逻辑函数表达式为：1、CMOS反相器反相器2.4.1 COMS门电路门电路2、CMOS与非门与非门BY+VDDATP1TN1TN2TP2BAYA、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为
23、低电平。逻辑函数表达式为：3、CMOS或非门或非门逻辑函数表达式为：BY+VDDATN1TP2TN2TP1BAY只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。4、漏极开路门漏极开路门(OD门门)&1YAB+VDDRD外接AB&Y(a)电路(b)符号(c)(c)可以实现线与功能可以实现线与功能;(b)(b)与非逻辑不变与非逻辑不变(a)(a)工作时必须外接电源和电阻工作时必须外接电源和电阻;5、三态门三态门11ENAETP2
24、TP1 YTN1TN2AEY+VDD(a)电路(b)符号E=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。E=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。图图2-26 CMOS传输门电路传输门电路(a)电路电路 (b)逻辑符号逻辑符号6、传输门传输门CMOS传输门电路，它由传输门电路，它由NMOS管管T1和和PMOS管管T2并联互补组成。两管的源并联互补组成。两管的源极相联，作为输入端；两管的漏极相联，作为输出端。由于极相联，作为输入端；两管的漏极相联，作为输出端。由于MOS管的结构管的结构是对称的
25、，所以信号可以双向传输。是对称的，所以信号可以双向传输。1）当）当C=0，=1时时开关断开，不能转送信号开关断开，不能转送信号2）当）当C=1，=0时时,相当于开关闭合。称传输门开通。CC2.4.2 CMOS数字集成电路系列及注意事项数字集成电路系列及注意事项1.1.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；电源电压
26、范围功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围 VDD=2 6 V；工作频率高，工作频率高，fmax=50 MHz；驱动能力强。驱动能力强。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CC54HCT /74HCT 系列系列 按按电源电压电源电压不同分为不同分为 按工作温度不同分为按工作温度不同分为 CC74 系列系列 CC54 系列系列 高速高速 CMOS 系列系列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
27、也越强。电源电压越高，抗干扰能力也越强。2.2.CMOS 集成逻辑门使用注意事项集成逻辑门使用注意事项 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。2.5 TTL电路与电路与COMS电路的接口电路的接口1.TTL 电路驱动电路驱动CMOS电路
28、电路当电源电压都为5V时，TTL电路输出低电平，满足驱动CMOS 电路输入的要求，而输出高电平的下限值小于CMOS电路输入高电平的下限值，它们之间不能直接驱动。提高提高TTL门电路的输出高门电路的输出高电平，阻值由几百到几千电平，阻值由几百到几千欧姆欧姆CMOS门的驱动能力不适门的驱动能力不适应应TTL门的要求，可采用门的要求，可采用专用的专用的CMOSTTL电平电平转换器转换器转换器转换器2.CMOS 电路驱动电路驱动TTL电路电路本章小结本章小结n1.利用二极管和三极管可构成简单的与门电路、或门电路和非门电路，它们是集成逻辑门电路的基础。n2.本章以TTL与非门为例介绍了集成电路内部电路结构和工作原理，目的是为了加深器件对外部特性的理解。在学习TTL和CMOS集成电路时，重点学习其外特性，即输入与输出之间的逻辑关系和外部的电气特性，包括电压传输特性、输入负载特性和输出负载特性等。n3.对TTL和CMOS门电路中的集电极开路门（OC门）和漏极开路门（OD门），其输出端可以并联使用，实现线与。三态门（TSL）可以实现总线结构。n4.为了更好的使用数字集成芯片，除掌握其外部电气特性和主要参数外，还应能正确处理多余端能正确解决不同类型电路接口等问题。
