数字电路 逻辑门电路

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第2章 逻辑门电路,2.1 二极管及三极管的开关特性,2.2 基本逻辑门电路,2.1.1,二极管的开关特性,2.1.2,三极管的开关特性,2.2.1,二极管与门,2.2.2,二极管或门,2.2.3,关于高低电平的概念及状态赋值,2.2.4,二极管非门（反相器）,2.2.5,关于正逻辑和负逻辑的概念,9/21/2024,1,复习,请回忆实现与、或、非逻辑的开关电路形式？,它们有何共同特点？,开关电路与逻辑电路是如何联系起来的？,9/21/2024,2,2.1 二极管及三极管的开关特性,数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。,导通状态：相当于开关闭合,截止状态：相当于开关断开。,逻辑变量两状态开关：,在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1；,电子开关有两种状态：闭合、断开。,半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。,9/21/2024,3,(1) 静态特性：,断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻R,OFF,= 无穷，电流I,OFF,= 0。,闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻R,ON,= 0，电压U,AK,= 0。,(2) 动态特性：开通时间 t,on,= 0,关断时间 t,off,= 0,理想开关的开关特性：,9/21/2024,4,客观世界中，没有理想开关。,乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。,半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。,9/21/2024,5,2.1.1 二极管的开关特性,1.,静态特性及开关等效电路,正向导通时U,D(ON),0.7V（硅）,0.3V（锗）,R,D,几 几十,相当于开关闭合,图2-1 二极管的伏安特性曲线,9/21/2024,6,反向截止时,反向饱和电流极小,反向电阻很大（约几百k）,相当于开关断开,图2-1 二极管的伏安特性曲线,9/21/2024,7,图2-2 二极管的开关等效电路,(a) 导通时 (b) 截止时,图,2-1,二极管的伏安特性曲线,开启电压,理想化伏安特性曲线,9/21/2024,8,2. 动态特性：,若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此,高频应用时,需考虑此参数。,二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。,反向恢复时间t,re,：二极管从导通到截止所需的时间。,一般为纳秒数量级（通常t,re,5ns ）。,9/21/2024,9,2.1.2 三极管的开关特性,1. 静态特性及开关等效电路,在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在,饱和,和,截止,两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。,图2-3三极管的三种工作状态,（a）电路 （b）输出特性曲线,9/21/2024,10,开关等效电路,(1) 截止状态,条件：发射结反偏,特点：电流约为,0,9/21/2024,11,(2)饱和状态,条件：发射结正偏，集电结正偏,特点：,U,BES,=0.7V，U,CES,=0.3V/硅,9/21/2024,12,图2-4三极管开关等效电路,(a) 截止时 (b) 饱和时,9/21/2024,13,2. 三极管的开关时间（动态特性）,图2-5 三极管的开关时间,开启时间,t,on,上升时间,t,r,延迟时间,t,d,关闭时间,t,off,下降时间,t,f,存储时间,t,s,9/21/2024,14,(1) 开启时间,t,on,三极管从截止到饱和所需的时间。,t,on,= t,d,+t,r,t,d ：,延迟时间,t,r ：,上升时间,(2) 关闭时间,t,off,三极管从饱和到截止所需的时间。,t,off,= t,s,+t,f,t,s,：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）,t,f,：下降时间,t,off, t,on,。,开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。,9/21/2024,15,门电路的概念：,实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。,分立元件门电路和集成门电路:,分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起,来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。,集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都,制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。,2.2 基本逻辑门电路,9/21/2024,16,2.2.1 二极管与门电路,1.,电路,2.,工作原理,A、B,为输入信号,（,+3V,或,0V,）,F,为输出信号,V,CC,+12V,表2-1电路输入与输出电压的关系,A,B,F,0V,0V,0.7V,0V,3V,0.7V,3V,0V,0.7V,3V,3V,3.7V,9/21/2024,17,用逻辑,1,表示高电平（此例为,+3V,）,用逻辑,0,表示低电平（此例为,0.7V,）,A,B,F,0V,0V,0.7V,0V,3V,0.7V,3V,0V,0.7V,3V,3V,3.7V,3. 逻辑赋值并规定高低电平,4. 真值表,A,B,F,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,表2-2 二极管与门的真值表,A,、,B,全1，,F,才为1。,可见实现了与逻辑,9/21/2024,18,5.,逻辑符号,6.,工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）,7.,逻辑表达式,F,A B,图2-6,二极管与门,（a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形,9/21/2024,19,2.2.2 二极管或门电路,1.,电路,2.,工作原理,电路输入与输出电压的关系,A,B,F,0V,0V,0V,0V,3V,2.3V,3V,0V,2.3V,3V,3V,2.3V,A、B,为输入信号（,+3V,或,0V,）,F,为输出信号,9/21/2024,20,4. 真值表,A,B,F,0V,0V,0V,0V,3V,2.3V,3V,0V,2.3V,3V,3V,2.3V,可见实现了或逻辑,3. 逻辑赋值并规定高低电平,用逻辑,1,表示高电平（此例为,+2.3V,）,用逻辑,0,表示低电平（此例为,0V,）,A,B,F,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,1,1,A,、,B,有1，,F,就1。,表2-2 二极管或门的真值表,9/21/2024,21,图2-7 二极管或门,（a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形,5.,逻辑符号,6.,工作波形,7.,逻辑表达式,F,A+ B,9/21/2024,22,2.2.3 关于高低电平的概念及状态赋值,电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。,高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围。,例：上面二极管与门电路中规定高电平为,3V,，低电平,0.7V,。,又如，,TTL,电路中，通常规定高电平的额定值为,3V,，但从,2V,到,5V,都算高电平；低电平的额定值为,0.3V,，但从,0V,到,0.8V,都算作低电平。,1.,关于高低电平的概念,9/21/2024,23,2. 逻辑状态赋值,在数字电路中，用逻辑,0,和逻辑,1,分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。,经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。,9/21/2024,24,2.2.4 非门（反相器）,图2-8 非门,(a) 电路 （b）逻辑符号,1.,电路,2.,工作原理,A、B,为输入信号,（,+3.6V,或,0.3V,）,F,为输出信号,A,F,0.3V,+V,CC,3.6V,0.3V,9/21/2024,25,3. 逻辑赋值并规定高低电平,用逻辑,1,表示高电平（此例为,+3.6V,）,用逻辑,0,表示低电平（此例为,0.3V,）,4. 真值表,A,F,0.3V,+V,CC,3.6V,0.3V,A,F,0,1,1,0,表2-4 三极管非门的真值表,A,与,F,相反,可见实现了非逻辑,Y,=,A,9/21/2024,26,2.2.5 关于正逻辑和负逻辑的概念,正逻辑体系：用1表示高电平，用0表示低电平。,负逻辑体系：用1表示低电平，用0表示高电平。,1.,正负逻辑的规定,2.,正负逻辑的转换,对于同一个门电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。,本书若无特殊说明，一律采用正逻辑体制。,同一个门电路，对正、负逻辑而言，其逻辑功能是不同的。,9/21/2024,27,A,B,F,0V,0V,0.7V,0V,3V,0.7V,3V,0V,0.7V,3V,3V,3.7V,正与门相当于负或门,二极管与门电路,用正逻辑,A,B,F,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,正与门,用负逻辑,负或门,A,B,F,1,1,1,1,0,1,0,1,1,0,0,0,9/21/2024,28,2.3.1,TTL反相器的工作原理,2.3.2,TTL反相器的电压传输特性及参数,2.3 TTL反相器,2.3.4,TTL反相器的其它参数,2.3.3,TTL反相器的输入特性和输出特性,9/21/2024,29,2.3 TTL反相器,TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。,TTL电路的基本环节是反相器。,简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。,9/21/2024,30,2.3.1 TTL反相器的工作原理,1. 电路组成,图2-9 TTL反相器的基本电路,9/21/2024,31,(1) 输入级,N,P,N,当输入低电平时,，,u,I,=0.3V，,发射结正向导通，,u,B1,=1.0V,当输入高电平时,，,u,I,=3.6V，,发射结受后级电路的影响将反向截止。,u,B1,由后级电路决定。,N,N,P,9/21/2024,32,(2) 中间级,反相器,VT,2,实现非逻辑,反相输出,同相输出,向后级提供反相与同相输出。,输入高电 压时饱和,输入低电压时截止,9/21/2024,33,(3) 输出级（,推拉式输出）,VT,3,为射极跟随器,低输入,高输入,饱和,截止,低输入,高输入,截止,导通,9/21/2024,34,2. 工作原理,（1）当输入高电平时,，,u,I,=3.6V，,VT,1,处于倒置工作状态，,集电结正偏，发射结反偏，,u,B1,=0.7V3=2.1V，,VT,2,和,VT,4,饱和，,输出为低电平,u,O,=0.3V,。,2.1V,0.3V,3.6V,9/21/2024,35,（,2） 当输入低电平时,，,u,I,=0.3V，,VT,1,发射结导通，,u,B1,=0.3V+0.7V=1V，,VT,2,和,VT,4,均截止，,VT,3,和,V,D,导通。,输出高电平,u,O,=V,CC,-U,BE3,-U,D,5V-0.7V-0.7V=3.6V,1V,3.6V,0.3V,9/21/2024,36,(3) 采用,推拉式输出级,利于提高开关速度和负载能力,VT,3,组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。,当输入高电平时，,VT,4,饱和，,u,B3,=,u,C2,=0.3V+0.7V=1V,，,VT,3,和,VD,截止，,VT,4,的集电极电流可以全部用来驱动负载。,当输入低电平时，,VT,4,截止，,VT,3,导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。,可见，无论输入如何，,VT,3,和,VT,4,总是一管导通而另一管截止。,这种推拉式工作方式，,带负载能力很强,。,9/21/2024,37,2.3.2 TTL反相器的电压传输特性及参数,电压传输特性：,输出电压,u,O,与输入电压,u,I,的关系,曲线。,图2-10 TTL反相器电路的电压传输特性,截止区,线性区,转折区,饱和区,1. 曲线分析,VT,4,截止，称关门,VT,4,饱和，称开门,9/21/2024,38,2. 结合电压传输特性介绍几个参数,(1) 输出高电平,U,OH,典型值为,3V,。,(2) 输出低电平,U,OL,典型值为,0.3V,。,9/21/2024,39,(3) 开门电平,U,ON,一般要求,U,ON,1.8V,(4) 关门电平,U,OFF,一般要求,U,OFF,0.8V,在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平,U,ON,。,在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平,U,OFF,。,U,OFF,U,ON,9/21/2024,40,(5) 阈值电压,U,TH,电压传输特性曲线转折区中点所对应的,u,I,值称为阈值电压,U,TH,（又称门槛电平）。通常,U,TH,1.4V,。,(6) 噪声容限（,U,NL,和,U,NH,）,噪声容限也称,抗干扰能力,，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。,U,NL,和,U,NH,越大，电路的抗干扰能力越强。,9/21/2024,41,U,OFF,U,NL,U,IL,U,ON,U,NH,U,IH,9/21/2024,42, 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）,U,NL,=U,OFF,-U,IL,U,IL,为电路输入低电平的典型值,（0.3V）,若,U,OFF,=0.8V,，则有,U,NL,=0.8-0.3=0.5 (V), 高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）,U,NH,= U,IH,- U,ON,U,IH,为电路输入高电平的典型值,（3V）,若,U,ON,=1.8V,，则有,U,NH,= 3-1.8 =1.2 (V),9/21/2024,43,2.3.3 TTL反相器的输入特性和输出特性,1.,输入伏安特性,输入电压和输入电流之间的关系曲线。,图2-11 TTL反相器的输入伏安特性,（a）测试电路 （b）输入伏安特性曲线,9/21/2024,44,两个重要参数：,(1),输入短路电流,I,IS,当,u,I,= 0V,时，,i,I,从输入端流出。,i,I,=(V,CC,U,BE1,)/R,1,=(50.7)/4 ,1.1mA,(2),高电平输入电流,I,IH,当输入为高电平时，VT,1,的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数,反,很小(约在,0.01,以下)，所以,i,I,= I,IH,=,反,i,B2,I,IH,很小，约为,10A,左右,。,9/21/2024,45,图2-12 输入负载特性曲线,（a）测试电路 （b）输入负载特性曲线,TTL,反相器的输入端对地接上电阻,R,I,时，,u,I,随,R,I,的变化而变化的关系曲线。,2. 输入负载特性,9/21/2024,46,在一定范围内，,u,I,随,R,I,的增大而升高。但当输入电压,u,I,达到,1.4V,以后，,u,B1,= 2.1V,，,R,I,增大，由于,u,B1,不变，故,u,I,= 1.4V,也不变。这时,VT,2,和,VT,4,饱和导通，输出为低电平。,虚框内为TTL反相器的部分内部电路,9/21/2024,47,R,I,不大不小时，工作在线性区或转折区。,R,I,较小时，关门，输出高电平；,R,I,较大时，开门，输出低电平；,R,OFF,R,ON,R,I, ,悬空时？,9/21/2024,48,(1),关门电阻,R,OFF, 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许,R,I,的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路,R,OFF, 0.7k,。,(2) 开门电阻,R,ON, 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许,R,I,的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路,R,ON, 2k,。,数字电路中要求输入负载电阻,R,I,R,ON,或,R,I,R,OFF,，否则输入信号将不在高低电平范围内。,振荡电路则令,R,OFF,R,I,R,ON,使电路处于转折区。,9/21/2024,49,3. 输出特性,指输出电压与输出电流之间的关系曲线。,(1) 输出高电平时的输出特性,负载电流i,L,不可过大，否则输出高电平会降低。,图2-13 输出高电平时的输出特性,（a）电路 （b）特性曲线,拉电流负载,9/21/2024,50,图2-14输出低电平时的输出特性,（a）电路 （b）特性曲线,(2) 输出低电平时的输出特性,负载电流i,L,不可过大，否则输出低电平会升高。,一般灌电流在,20 mA,以下时，电路可以正常工作。典型,TTL,门电路的灌电流负载为,12.8 mA,。,灌电流负载,9/21/2024,51,2.3.4 TTL反相器的其它参数,1. 平均传输延迟时间,t,pd,平均传输延迟时间,t,pd,表征了门电路的开关速度。,t,pd,= （,t,pLH,+,t,pHL,）/2,图2-15 TTL反相器的平均延迟时间,9/21/2024,52,2 TTL门电路主要参数的典型数据,表2-5 74系列TTL门电路主要参数的典型数据,参 数 名 称,典 型 数 据,导通电源电流,I,CCL,10 mA,截止电源电流,I,CCH,5 mA,输出高电平,U,OH,3 V,输出低电平,U,OL,0.35 V,输入短路电流,I,IS,2.2 mA,输入漏电流,I,IH,70A,开门电平,U,ON,1.8 V,关门电平,U,OFF,0.8 V,平均传输时间,t,pd,30 ns,9/21/2024,53,2.4.3,三态输出门电路（TSL门）,2.4.1,TTL与非门,2.4.2,集电极开路门（OC门）,2.4 其它类型TTL门电路,9/21/2024,54,2.4.1 TTL与非门,每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三极管进入放大或饱和区。,图2-16 多发射极三极管,1TTL与非门的电路结构及工作原理,有,0.3V,箝位于,1.0V,全为,3.6V,集电结导通,9/21/2024,55,图2-17三输入TTL与非门电路,(a)电路 (b) 逻辑符号,全1,输出0,有0,输出1,1V,2.1V,9/21/2024,56,为了提高工作速度，降低功耗，提高抗干扰能力，各生产厂家对门电路作了多次改进。,74系列与54系列的电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。其不同之处见下表所示。,系列,参数,74系列,54系列,工作环境温度,070,O,C,-55125,O,C,电源电压工作范围,5V5%,5V10%,2TTL门电路的改进系列,9/21/2024,57,表,2-6,不同系列,TTL,门电路的比较,系列,参数,54/74,标准,54H/74H,高速,54S/74S,肖特基,t,pd,/ns,10,6,4,P/门/mw,10,22.5,20,系列,参数,54LS/74LS,低功耗肖特基,54ALS/74ALS,低功耗肖特基高速,t,pd,/ns,10,4,P/门/mw,2,1,其中,LS,系列的综合性能(功耗延迟积)较优，价格较,ALS,系列优越，因此得到了较广的应用。,9/21/2024,58,对于不同系列的,TTL,器件，只要器件型号的后几位数码一样，则它们的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。,例如，,7420、74H20、74S20、74LS20,都是四输入双与非门，都采用,14,条引脚双列直插式封装，而且各引脚的位置也是相同的。,9/21/2024,59,2.4.2 集电极开路门（OC门）,为何要采用集电极开路门呢？,推拉式输出电路结构存在局限性,。,首先，,输出端不能并联使用,。若两个门的输出一高一低，当两个门的输出端并联以后，必然有很大的电流同时流过这两个门的输出级，而且电流的数值远远超过正常的工作电流，,可能使门电路损坏,。而且，输出端也,呈现不高不低的电平,，不能实现应有的逻辑功能。,9/21/2024,60,图,2-18,推拉式输出级并联的情况,0,1,很大的电流,不高不低的电平：,1/0?,9/21/2024,61,其次，在采用推拉式输出级的门电路中，电源一经确定（通常规定为,5V,），输出的高电平也就固定了（不可能高于电源电压,5V,），因而无法满足对不同输出高电平的需要。,集电极开路门（简称,OC,门）就是为克服以上局限性而设计的一种,TTL,门电路。,9/21/2024,62,(1)电路结构：输出级是集电极开路的。,1集电极开路门的电路结构,(2)逻辑符号：用“,”表示集电极开路。,图2-19 集电极开路的TTL与非门,（a）电路 （b）逻辑符号,集电极开路,9/21/2024,63,(3)工作原理：,当,VT3饱和，输出低电平,U,OL,0.3V,；,当VT3截止，由外接电源,E,通过外接上拉电阻提供高电平,U,OH,E。,因此，,OC,门电路必须外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号。,9/21/2024,64,(1),OC,门的输出端并联，实现,线与,功能。,R,L,为外接负载电阻。,图,2-20 OC,门的输出端并联实现线与功能,Y,1,Y,2,Y,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,Y,1,=AB,Y,2,= CD,2. OC门的应用举例,9/21/2024,65,图2-21用OC门实现电平转换的电路,（2）用,OC,门实现电平转换,9/21/2024,66,2.4.3 三态输出门电路（TS门）,三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。,何为高阻状态？,悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。,测电阻为,，故称为高阻状态。,测电压为,0V,，但不是接地。,因为悬空，所以测其电流为,0A,。,9/21/2024,67,(1)电路结构：增加了控制输入端（,Enable）,。,1三态门的电路结构,(2)工作原理：,0,1,截止,YAB,EN,=,0时，,电路为正常的与非工作状态，所以称控制端低电平有效。,9/21/2024,68,1,0,导通,1.0V,1.0V,截止,截止,悬空,当EN = 1时，门电路输出端处于悬空的高阻状态。,9/21/2024,69,控制端高电平有效的三态门,(2)逻辑符号,控制端低电平有效的三态门,用“,”表示输出为三态。,高电平有效,低电平有效,9/21/2024,70,2三态门的主要应用,实现总线传输,要求各门的控制端,EN,轮流为高电平，且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平。,图2-23 用三态门实现总线传输,如有,8,个门，则,8,个,EN,端的波形应依次为高电平，如下页所示。,9/21/2024,71,9/21/2024,72,2.5.1,CMOS反相器,2.5.2,其它类型的CMOS门电路,2.5 CMOS,门电路,2.6.3,TTL门电路和CMOS门电路的相互连接,2.6.1,CMOS门电路的使用知识,2.6.2,TTL门电路的使用知识,2.6 CMOS门电路和TTL门电路,的,使用知识及相互连接,本章小结,9/21/2024,73,MOS,门电路：以,MOS,管作为开关元件构成的门电路。,MOS,门电路，尤其是,CMOS,门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。,2.5 CMOS 门电路,9/21/2024,74,2.5.1 CMOS反相器,1,MOS,管的开关特性,MOS管有NMOS管和PMOS管两种。,当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。,MOS管有增强型和耗尽型两种。,在数字电路中，多采用增强型。,9/21/2024,75,图2-24 NMOS管的电路符号及转移特性,(a) 电路符号 （b）转移特性,D接正电源,截止,导通,导通电阻相当小,（1）NMOS,管的开关特性,9/21/2024,76,图2-25 PMOS管的电路符号及转移特性,(a) 电路符号 （b）转移特性,D接负电源,（2）PMOS,管的开关特性,导通,导通电阻相当小,截止,9/21/2024,77,图2-26 CMOS反相器,PMOS管,负载管,NMOS管,驱动管,开启电压|U,TP,|=U,TN,，且小于V,DD,。,2,CMOS,反相器的工作原理,（1）基本电路结构,9/21/2024,78,（2）工作原理,图2-26 CMOS反相器,U,IL,=0V,截止,导通,U,OH,V,DD,当,u,I,= U,IL,=0V,时，,VT,N,截止，,VT,P,导通，,u,O,= U,OH,V,DD,9/21/2024,79,图2-26 CMOS反相器,U,IH,= V,DD,截止,U,OL, 0V,当,u,I,=,U,IH,= V,DD,，,VT,N,导通，,VT,P,截止，,u,O,=U,OL,0V,导通,9/21/2024,80,（3）逻辑功能,实现反相器功能（非逻辑）。,（4）工作特点,VT,P,和,VT,N,总是一管导通而另一管截止，流过,VT,P,和,VT,N,的静态电流极小（纳安数量级），因而,CMOS,反相器的,静态功耗极小,。这是,CMOS,电路最突出的优点之一。,9/21/2024,81,图,2-27 CMOS,反相器的电压传输特性和电流传输特性,3 电压传输特性和电流传输特性,AB段：截止区,i,D,为0,BC段：转折区,阈值电压,U,TH,V,DD,/2,转折区中点：电流最大,CMOS反相器,在使用时应尽,量避免长期工,作在BC段。,CD段：导通区,9/21/2024,82,4. CMOS,电路的优点,（1）微功耗。,CMOS,电路静态电流很小，约为纳安数量级。,（2）抗干扰能力很强。,输入噪声容限可达到,V,DD,/2,。,（3）电源电压范围宽。,多数,CMOS,电路可在,318V,的电源电压范围,内正常工作。,（4）输入阻抗高。,（5）负载能力强。,CMOS,电路可以带50个同类门以上。,（6）逻辑摆幅大。（低电平,0V,，高电平,V,DD,）,9/21/2024,83,2.5.2 其它类型的CMOS门电路,负载管串联,（串联开关）,1,CMOS,或非门,驱动管并联,（并联开关）,图,2-28 CMOS,或非门,A、B有高电平，则驱动管导通、负载管截止，输出为低电平。,1,0,截止,导通,9/21/2024,84,该电路具有或非逻辑功能,即,Y=A+B,当输入全为低电平，两个驱动管均截止，两个负载管均导通，输出为高电平。,0,0,截止,导通,1,9/21/2024,85,图2-29 CMOS与非门,该电路具有与非逻辑功能，即,Y=AB,2 CMOS与非门,负载管并联,（并联开关）,驱动管串联,（串联开关）,9/21/2024,86,（1）电路结构,C,和,C,是一对互补的控制信号。,由于,VT,P,和,VT,N,在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。,3,CMOS,传输门,图,2-30 CMOS,传输门,（a）电路 （b）逻辑符号,9/21/2024,87,若,C =1,（接,V,DD,)、,C =0,（接地），,当,0,u,I,(V,DD,|U,T,|,)时，,VT,N,导通；,当,|U,T,|,u,I,V,DD,时，,VT,P,导通；,u,I,在,0V,DD,之间变化时，,VT,P,和,VT,N,至少有一管导通，使传输门,TG,导通,。,（2） 工作原理（了解）,若,C = 0,（接地)、,C = 1,（接,V,DD,），,u,I,在,0V,DD,之间变化时，,VT,P,和,VT,N,均截止，即传输门,TG,截止,。,9/21/2024,88,（3） 应用举例,图2-31,CMOS,模拟开关,CMOS,模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。,C = 0,时，,TG,1,导通、,TG,2,截止，,u,O,=,u,I1,；,C = 1,时，,TG,1,截止、,TG,2,导通，,u,O,=,u,I2,。,9/21/2024,89,图2-32,CMOS,三态门,(a)电路 (b) 逻辑符号,当,EN= 0,时，,TG,导通，,F=A,；,当,EN=1,时，,TG,截止，,F,为高阻输出。,CMOS,三态门,9/21/2024,90,2.6.1 CMOS门电路的使用知识,1输入电路的静电保护,CMOS,电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于,CMOS,电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿,MOS,管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：,2.6 CMOS门电路和TTL门电路的,使用知识及相互连接,9/21/2024,91,（1）所有与,CMOS,电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。,（2）存储和运输,CMOS,电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。,2多余的输入端不能悬空。,输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。,9/21/2024,92,2.6.2 TTL门电路的使用知识,1多余或暂时不用的输入端不能悬空，可按以,下方法处理：,（1）与其它输入端并联使用。,（2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。,9/21/2024,93,(1) 在每一块插板的电源线上，并接几十F的低频去耦电容和0.010.047F的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。,(2) 整机装置应有良好的接地系统。,2 电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。,9/21/2024,94,2.6.3 TTL门电路和CMOS 门电路的相互连接,TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。,一般要考虑两个问题：,一是要求,电平匹配,，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；,二是要求,电流匹配,，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。,9/21/2024,95,1.,TTL,门驱动,CMOS,门,（1）电平不匹配,TTL,门作为驱动门，它的,U,OH,2.4V,U,OL,0.5V,；,CMOS,门作为负载门，它的,U,IH,3.5V，U,IL,1V,。,可见，,TTL,门的,U,OH,不符合要求,。,（2）电流匹配,CMOS,电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。,9/21/2024,96,（3）解决电平匹配问题,图,2-33 TTL,门驱动,CMOS,门,外接上拉电阻,R,P,在,TTL,门电路的输出端外接一个上拉电阻,R,P,，使,TTL,门电路的,U,OH,5V,。（当电源电压相同时）,9/21/2024,97,选用,电平转换电路,(如,CC40109,),若电源电压不一致时可选用电平转换电路。,CMOS,电路的电源电压可选,318V,；,而,TTL,电路的电源电压只能为,5V,。, 采用,TTL,的,OC,门,实现电平转换。,若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。,9/21/2024,98,2.,CMOS,门驱动,TTL,门,（1）电平匹配,CMOS,门电路作为驱动门，,U,OH,5V，U,OL,0V,；,TTL,门电路作为负载门，,U,IH,2.0V，U,IL,0.8V,。,电平匹配是符合要求的。,（2）电流不匹配,CMOS,门电路,4000系列,最大允许灌电流为,0.4mA，,TTL,门电路的,I,IS,1.4 mA,，,CMOS4000,系列驱动电流不足,。,9/21/2024,99,（3）解决电流匹配问题,CMOS,电路常用的是,4000,系列和,54HC/74HC,系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。, 选用,CMOS,缓冲器,比如，,CC4009,的驱动电流可达,4 mA,。, 选用,高速,CMOS,系列产品,选用,CMOS,的,54HC/74HC,系列产品可以直接驱动,TTL,电路。,9/21/2024,100,表2-7 各种系列门电路的主要参数,9/21/2024,101,表2-8 常用集成门电路(TTL系列）,型 号,名 称,主 要 功 能,74LS00,四2输入与非门,74LS02,四2输入或非门,74LS04,六反相器,74LS05,六反相器,OC,门,74LS08,四,2,输入与门,74LS13,双,4,输入与非门,施密特触发,74LS30,8,输入与非门,74LS32,四,2,输入或门,74LS64,4-2-3-2,输入与或非门,74LS133,13,输入与非门,74LS136,四异或门,OC,输出,74LS365,六总线驱动器,同相、三态、公共控制,74LS368,六总线驱动器,反相、三态、两组控制,9/21/2024,102,表2-8 常用集成门电路(,CMOS,系列）,型 号,名 称,主 要 功 能,CC4001,四,2,输入或非门,CC4011,四,2,输入与非门,CC4030,四异或门,CC4049,六反相器,CC4066,四双向开关,CC4071,四,2,输入或门,CC4073,三,3,输入与门,CC4077,四异或非门,CC4078,8,输入或 / 或非门,CC4086,2-2-2-2,输入与或非门,可扩展,CC4097,双,8,选1模拟开关,CC4502,六反相器 / 缓冲器,三态、有选通端,9/21/2024,103,本章小结,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。,本章介绍了目前应用最广泛的TTL和CMOS两类集成逻辑门电路。在学习这些集成电路时，应把重点放在它们的外部特性上。外部特性包含两个内容，一个是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理，但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解，以便更好地利用这些器件。,9/21/2024,104,