《新编计算机基础教程》(第四版)28集成门电路课件.ppt

1、2.8 简单门电路 目目 录录 用晶体管实现的门电路用晶体管实现的门电路 集成集成门电路门电路 门电路门电路实验实验 OC门和三态门门和三态门 计算机总线计算机总线(BUS)实验实验A B Y 与门与门 +A B Y 或门或门 Y A 非门非门 +A B Y 或非门或非门 A B Y 与非门与非门 逻辑门逻辑门 逻 辑 门 在用晶体管实现逻辑门电路中，主要用到了三极管的开关特性和在用晶体管实现逻辑门电路中，主要用到了三极管的开关特性和二极管的单向导通特性。二极管的单向导通特性。导通导通：二极管两端加正向电压二极管两端加正向电压。截截 止：二极管两端加反向电压。止：二极管两端加反向电压。二极管单

2、向导通性二极管单向导通性 三极管的开关特性三极管的开关特性 Vi=“1”时开关闭合，时开关闭合，Vo=“0”Vi=“0”时开关断开，时开关断开，Vo=“1”晶体管的开关特性 正向电流RDER3+5VVi Vo QR2R1S8050R3+5VVo QS8050反向电流RDE 0.7V+5V D2D1A B Y R1K0V5V0V 5V ABY0100001001110.7V 5V 根据二极管的单向导通特性设计与门电路。根据二极管的单向导通特性设计与门电路。利用二极管实现与门电路利用二极管实现与门电路 与逻辑真值表与逻辑真值表 Y=A B 与 门A B Y 与逻辑符号与逻辑符号 利用二极管实现与门

3、电路利用二极管实现与门电路 与 门 根据二极管的单向导通特性设计与门电路。根据二极管的单向导通特性设计与门电路。+5V D2D1A B Y R1K4.3V D2D1A B R1KY 0V 5V 0V 5V 0V 根据二极管的单向导通特性可以设计或门电路。根据二极管的单向导通特性可以设计或门电路。利用二极管实现或门电路利用二极管实现或门电路 或逻辑真值表或逻辑真值表 ABY011000101111Y=A+B 或 门 利用二极管实现或门电路利用二极管实现或门电路 或逻辑符号或逻辑符号 +A B Y Y D2D1A B R1K 根据二极管的单向导通特性可以设计或门电路。根据二极管的单向导通特性可以设

4、计或门电路。或 门 AY10015V5V0V 0.2V利用三极管实现非门电路利用三极管实现非门电路 非逻辑真值表非逻辑真值表 0.2V Y=A 根据三极管的开关特性设计非门电路。根据三极管的开关特性设计非门电路。非 门 Y A 利用三极管实现非门电路利用三极管实现非门电路 非逻辑符号非逻辑符号 根据三极管的开关特性设计非门电路。根据三极管的开关特性设计非门电路。非 门 0V 5V 0V 5V 0V 4.3V 0.2V 5V 利用晶体管实现与非门电路利用晶体管实现与非门电路 与非逻辑真值表与非逻辑真值表 R4D3D1D2+5VBA1KR3+5VYQR2R1 10K4.7K1KABY0010111

5、01110Y=A B 根据二极管的单向导通特性和三极管的开关特性设计与非门电路。根据二极管的单向导通特性和三极管的开关特性设计与非门电路。与 非 门 利用晶体管实现与非门电路利用晶体管实现与非门电路 A B Y 与非逻辑符号与非逻辑符号 R4D3D1D2+5VBA1KR3+5VYQR2R1 10K4.7K1K 根据二极管的单向导通特性和三极管的开关特性设计与非门电路。根据二极管的单向导通特性和三极管的开关特性设计与非门电路。与 非 门 ABY0100011001100V 5V 0V 5V 0V 4.3V 0.2V 5V R4D1D2BA1KR3+5VYQR2R1 10K4.7K1K利用晶体管实

6、现或非门电路利用晶体管实现或非门电路 或非逻辑真值表或非逻辑真值表 Y=A+B 根据二极管的单向导通特性和三极管的开关特性设计或非门电路。根据二极管的单向导通特性和三极管的开关特性设计或非门电路。或 非 门 利用晶体管实现或非门电路利用晶体管实现或非门电路 或非逻辑真值表或非逻辑真值表 R4D1D2BA1KR3+5VYQR2R1 10K4.7K1K+A B Y 根据二极管的单向导通特性和三极管的开关特性设计或非门电路。根据二极管的单向导通特性和三极管的开关特性设计或非门电路。或 非 门 目目 录录 用晶体管实现的门电路用晶体管实现的门电路 集成门电路集成门电路 门电路实验门电路实验 OC门和三

7、态门门和三态门 计算机总线计算机总线(BUS)实验实验 集成电路（集成电路（Integrated Circuit）是一种微型电子器件或部件，）是一种微型电子器件或部件，即采用半导体制造工艺，将元器件和连线集成在一块硅基片上，构即采用半导体制造工艺，将元器件和连线集成在一块硅基片上，构成的特定功能的电子电路，在电路中常用字母成的特定功能的电子电路，在电路中常用字母“IC”表示。表示。Y 集成门电路的形成过程集成门电路的形成过程 集成电路的概念 集成电路的分类集成电路的分类 集成电路按其集成电路按其功能、结构的不同功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数字

8、集成电路和数/模混合集成电路三大类模混合集成电路三大类。模拟集成电模拟集成电路路又称线性电路，用来产生、放大和处理各种又称线性电路，用来产生、放大和处理各种模拟模拟信号信号 数字集成电数字集成电路路用来产生、放大和处理各种用来产生、放大和处理各种数字数字信号信号 集成电路的分类集成电路的分类 集成电路按集成电路按集成度高低的不同集成度高低的不同，即包含的门电路或元器件数量，即包含的门电路或元器件数量，可分为：可分为：分类分类门的个数门的个数典型的集成电路典型的集成电路小规模集成电路最多12个逻辑门、触发器中规模集成电路1299计数器、加法器大规模集成电路1009999小型存储器、门阵列超大规模

9、集成电路1000099999微控制器特大规模集成电路106以上32位ARM处理器 集成电路的分类集成电路的分类 集成电路按集成电路按导电类型导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路可分为双极型集成电路和单极型集成电路,它们都是数字集成电路。它们都是数字集成电路。双极型双极型集成电路集成电路制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型等类型单极型集成单极型集成电路电路制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有代表集成电路有CMOS、NMO

10、S、PMOS等类型等类型 用双极工艺制造的用双极工艺制造的TTL、ECL系列产品系列产品 1 1从 诞 生 到 发 展 的 过 程从 诞 生 到 发 展 的 过 程 COMS系列产品系列产品2 2具有双极和具有双极和COMS特点的特点的BiC-MOS3 3 尽管系列品种很多，但它们在逻辑功能方尽管系列品种很多，但它们在逻辑功能方面还是一样的，只不过在处理信号的速度、功面还是一样的，只不过在处理信号的速度、功率与驱动能力等方面各有所不同。率与驱动能力等方面各有所不同。根据集成电路根据集成电路从诞生到发展的成长过程从诞生到发展的成长过程，大致可以分为：，大致可以分为：集成电路的分类集成电路的分类

11、TTL电路工作电压为电路工作电压为5V，其制作工艺复，其制作工艺复杂，功耗较大，典型的杂，功耗较大，典型的TTL电路：电路：74系列。系列。20世纪世纪70年代，制作工艺简单，待机时接近零年代，制作工艺简单，待机时接近零功耗的功耗的COMS电路诞生，工作电压为电路诞生，工作电压为318V，典型，典型电路：电路：4000/14000、74C/74H、74HC等系列。等系列。80年代前半期，年代前半期，74HC系列电路被美国系列电路被美国JEDEC标准标准委员会标准化，从此确立了该系列产品在标准逻辑器件委员会标准化，从此确立了该系列产品在标准逻辑器件中的核心地位。中的核心地位。CMOS器件的特点器

12、件的特点 与双极型与双极型TTL相比，相比，CMOS器件主要有以下优点：器件主要有以下优点：低压与宽压低压与宽压 功耗低功耗低 噪声容量大噪声容量大 容易集成容易集成 输入阻抗高输入阻抗高 与双极型与双极型TTL的的5V相比，相比，CMOS器器件的工作电压为件的工作电压为318V，工作电压，工作电压更低、范围更宽更低、范围更宽。使用使用CMOS器件进行数据处理时，器件进行数据处理时，由于输入信号的上升时间和下降时由于输入信号的上升时间和下降时间非常短，贯穿电流所引起的功耗间非常短，贯穿电流所引起的功耗非常少。功耗低是非常少。功耗低是CMOS器件拥有器件拥有巨大市场的最大原因。巨大市场的最大原因

13、。CMOS具有更宽的噪声容量。数字电具有更宽的噪声容量。数字电路的噪声容量由输出振幅的最小值与路的噪声容量由输出振幅的最小值与输入信号的最小必要振幅之差来定义。输入信号的最小必要振幅之差来定义。差值越大，对于电源差值越大，对于电源/GND线或由信线或由信号线产生的突发噪声来说，越不容易号线产生的突发噪声来说，越不容易引起误动作。引起误动作。由于由于CMOS的低功耗特征，在发热问的低功耗特征，在发热问题上比双极器件更优越，有利于集成题上比双极器件更优越，有利于集成化。化。实际的实际的CMOS器件输入级都配备有保器件输入级都配备有保护电路二极管或护电路二极管或MOS晶体管，这些器晶体管，这些器件通

14、常是反向偏置，所以具有几十件通常是反向偏置，所以具有几十M以上的输入阻抗。以上的输入阻抗。74HC00为二输入四与非门为二输入四与非门。14813111210912345671A1B1Y2A2B2YGNDVcc3A3B3Y4A4B4Y 常用的集成门电路 1481311121091234567A1Y1A2Y2A3Y3GNDVccA6Y6A5Y5A4Y4 74HC04的内部结构电路如下。的内部结构电路如下。常用的集成门电路 采用了比较先进的半导体技术，线路较为复杂。采用了比较先进的半导体技术，线路较为复杂。它功能齐全、可靠性高。它功能齐全、可靠性高。输入阻抗高、输出驱动能力强、功耗低、工作速度快。

15、输入阻抗高、输出驱动能力强、功耗低、工作速度快。所有输入、输出端都加了二极管箝位保护。所有输入、输出端都加了二极管箝位保护。集成门电路的特点 集成门电路的特点集成门电路的特点 目目 录录 用晶体管实现的门电路用晶体管实现的门电路 集成门电路集成门电路 门电路实验门电路实验 OC门和三态门门和三态门 计算机总线计算机总线(BUS)实验实验 门电路的组成 8个单刀双掷的拨动个单刀双掷的拨动开关，用于产生高电平开关，用于产生高电平逻辑逻辑“1”和低电平逻辑和低电平逻辑“0”。K1 K8 逻辑拨码开关与逻辑拨码开关与LED发光二极管显示电路发光二极管显示电路 门电路的组成 D1 D8为共阳极为共阳极L

16、ED驱动驱动 逻辑拨码开关与逻辑拨码开关与LED发光二极管显示电路发光二极管显示电路 门电路的组成 逻辑拨码开关与逻辑拨码开关与LED发光二极管显示电路发光二极管显示电路 U1与与U2为为74HC04反相器反相器 +K1 K8的工作原理8个单刀双掷的拨动个单刀双掷的拨动开关，用于产生高电平开关，用于产生高电平逻辑逻辑“1”和低电平逻辑和低电平逻辑“0”。K1 K8 以单个电路为例进行说明以单个电路为例进行说明 K1 K8的工作原理 1 产生逻辑高电平产生逻辑高电平“1”0 产生逻辑低电平产生逻辑低电平“0”0 门电路实验原理 0000 000000H K8K1HEXD8D10000000000

17、000000 门电路实验原理 0000 000000H 0000 000101H K8K1HEXD8D11000000010000000 门电路实验原理 0000 000000H 0000 000101H 0000 001002H K8K1HEXD8D10100000001000000 门电路实验原理 0000 000000H 0000 000101H 0000 001002H 0000 001103H K8K1HEXD8D11111 11110FFH 11000000实验结论实验结论Next 28 门电路实验结论 8位二进制数可以表达位二进制数可以表达0255种状态。种状态。可以将十六进制数

18、转换为二进制数的表示形式，用可以将十六进制数转换为二进制数的表示形式，用LED显示数据的状态。显示数据的状态。实验结论实验结论 目目 录录 用晶体管实现的门电路用晶体管实现的门电路 集成门电路集成门电路 门电路实验门电路实验 OC门和三态门门和三态门 计算机总线计算机总线(BUS)实验实验 OC门又称集电极开路与非门。门又称集电极开路与非门。高阻态高阻态 当三极管当三极管Q截止时，输出为截止时，输出为“高阻高阻”状态。当处于高阻态时，电路与负载状态。当处于高阻态时，电路与负载之间相当于开路，输出端对地电阻和之间相当于开路，输出端对地电阻和对电源端的电阻都近似为无穷大。对电源端的电阻都近似为无穷

19、大。R3+5 V1K+R4D3D1D25VBA1KYQR2R1 10 K4.7K0V 5V 0.2V (Open Collector)OC 门 OC门可以输出低电平和高阻两种状态。当处于高阻态时，电路与负门可以输出低电平和高阻两种状态。当处于高阻态时，电路与负载之间相当于开路，输出端对地电阻和对电源端的电阻都近似为无穷大。载之间相当于开路，输出端对地电阻和对电源端的电阻都近似为无穷大。A B Y OC门电路符号门电路符号 OC门真值表门真值表 ABY01 高高 阻阻 00高高 阻阻 10 高高 阻阻 110 OC 门 结论：结论：0 1 0 0 OC门的线与功能分析。门的线与功能分析。只要有只

20、要有1个个OC门输出低门输出低电平，则总输出电平，则总输出Y就为低电就为低电平，平，只有当所有只有当所有OC门输出门输出状态为高阻态时，总输出状态为高阻态时，总输出Y才被电阻才被电阻R拉为高电平，这拉为高电平，这就是就是“线与线与”功能。功能。高高阻阻 高高阻阻 高高阻阻 0 VCCABCDEFYOC门线与电路门线与电路 OC门线与功能 R OC门为集电极开路。门为集电极开路。OC门可以输出两种状态：低电平和高阻态。门可以输出两种状态：低电平和高阻态。OC门处于高阻态时，电路与负载之间相当于开路。门处于高阻态时，电路与负载之间相当于开路。OC门具有线与、逻辑电平转换、晶体管驱动等功能。门具有线

21、与、逻辑电平转换、晶体管驱动等功能。OC门电路的特点门电路的特点 OC 门电路的特点 Y =A ENA Y A Y EN 或或三态非门三态非门 三态门是指输出有三态门是指输出有3种状态，除了种状态，除了“高高”、“低低”两种状态以外，还两种状态以外，还有有“高阻高阻”态，它是在逻辑门的基础上加上使能控制信号和控制电路构态，它是在逻辑门的基础上加上使能控制信号和控制电路构成的，即通过成的，即通过1个额外的输入控制端来控制三态门进入个额外的输入控制端来控制三态门进入“高阻高阻”态。态。0011X高阻高阻010ENAY使能端使能端 三 态 门ENn 为为1时输出为高阻态。时输出为高阻态。ENn 为为

22、0时非门可以正常工作。时非门可以正常工作。EN1 A1 A2 An ENn 信号传输通道信号传输通道 EN2 出错出错 0 1 0 1 0 三 态 门多多个个非非门门设设备备之之间间通通信信演演示示多多个个三三态态门门设设备备之之间间通通信信演演示示EN1 A1 A2 An ENn 信号传输通道信号传输通道 1 0 1 0 1 0 EN2 0 1 0 1 0 1 ENn 为为1时输出为高阻态。时输出为高阻态。ENn 为为0时非门可以正常工作。时非门可以正常工作。三 态 门多多个个三三态态门门设设备备之之间间通通信信演演示示设备设备2 设备设备1 设备设备6 计算机总线设备设备3 设备设备4 设

23、备设备5 在计算机中常常需要多个设备之间进行相互通信。若将所有设备两两在计算机中常常需要多个设备之间进行相互通信。若将所有设备两两相连需要相连需要 n(n-1)/2条连接线。条连接线。设备设备6 设备设备5 设备设备4 设备设备3 设备设备2 设备设备1 data data data data data data 为了简化线路，可以将相互通信的多个器件连接到一条线上，我们称为了简化线路，可以将相互通信的多个器件连接到一条线上，我们称之为总线，即用一个传输通道以选通的方式传送多路信号，分时实现多之为总线，即用一个传输通道以选通的方式传送多路信号，分时实现多路信息的采集。路信息的采集。计算机总线系

24、统中多个设备使用同一个传输通道，传送多路信号。系统中多个设备使用同一个传输通道，传送多路信号。系统分时采集多路信息。系统分时采集多路信息。总线上各器件互不影响。总线上各器件互不影响。各器件的输出一定是三态门各器件的输出一定是三态门,各门电路控制端轮流有效。各门电路控制端轮流有效。计算机总线的特点计算机总线的特点 计算机总线的特点 14813111210912345671E1A1Y2E2A2YGNDVcc4E4A4Y3E3A3Y 74HC125是一个三态输出四路总线缓冲器。内部结构图如下。是一个三态输出四路总线缓冲器。内部结构图如下。74HC125的内部结构1481311121091234567

25、1E1A1Y2E2A2YGNDVcc4E4A4Y3E3A3Y 74HC125的工作原理EN为三态控制为三态控制(使能使能)端端 EN=0，Y=A；EN=1，Y为高阻态。为高阻态。目目 录录 用晶体管实现的门电路用晶体管实现的门电路 集成门电路集成门电路 门电路实验门电路实验 OC门和三态门门和三态门 计算机总线计算机总线(BUS)实验实验 计算机总线实验门电路实验原理图门电路实验原理图 计算机总线实验原理图计算机总线实验原理图 在输入电路与总线之间增加74HC125，通过打开和关闭三态门，实现输入电路与CPU的隔离。计算机总线实验门电路实验原理图门电路实验原理图 计算机总线实验原理图计算机总线实验原理图 在输入电路与总线之间增加74HC125，通过打开和关闭三态门，实现输入电路与CPU的隔离。计算机总线实验门电路实验原理图门电路实验原理图 计算机总线实验原理图计算机总线实验原理图 在输入电路与总线之间增加74HC125，通过打开和关闭三态门，实现输入电路与CPU的隔离。11111111