数字电路与逻辑设计-第三章-逻辑门电路-课件.ppt

1、33 MHz第第 3 章章 逻辑门电路逻辑门电路 介绍各种门电路的功能及特点，掌介绍各种门电路的功能及特点，掌握门电路的外部特性即引脚功能及其应用。握门电路的外部特性即引脚功能及其应用。33 MHz 概述概述 第第 3 章章 逻辑门电路逻辑门电路 在第一章中，我们已经知道在第一章中，我们已经知道 所谓门就是一种开关，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。它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑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，所以门电路又称为逻辑门电路逻辑门电路。其主。其主要类型

2、有要类型有与门、或门、与非门、或非门、异或门与门、或门、与非门、或非门、异或门等。等。33 MHz 门电路的输出状态与赋值对应关系：一般门电路的输出状态与赋值对应关系：一般采用采用正逻辑正逻辑即高电位对应即高电位对应“1 1”；低电位对应；低电位对应“0 0”。1UCC高电平高电平00V低电平低电平利用管子的开关特性能够实现各种门电路。利用管子的开关特性能够实现各种门电路。33 MHz 二极管、三极管的开关特性二极管、三极管的开关特性R导通导通截止截止S3V0VSRRD3V0V33 MHz饱和饱和3V0VuO 0uO UCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V

3、0V33 MHz3.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路输入输入A、B、C全为高电平全为高电平“1”，输出输出 Y 为为“1”。输入输入A、B、C不全为不全为“1”，输出输出 Y 为为“0”。0V0V0V0V0V3V+U 12VRDADCABYDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABYC0V3V33 MHz满足什么逻辑关系？满足什么逻辑关系？表达式？表达式？逻辑符号？逻辑符号？“与与”想一想：想一想：Y=A B C&ABYC33 MHz3.1.2 3.1.2 二极管或门电路二极管或门电路0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V00000011101

4、111011001011101011111ABYC3V3V-U 12VRDADCABYDBC输入输入A、B、C全为低电平全为低电平“0”，输出输出 Y 为为“0”。输入输入A、B、C有一个为有一个为“1”，输出输出 Y 为为“1”。33 MHz满足什么逻辑关系？满足什么逻辑关系？表达式？表达式？逻辑符号？逻辑符号？“或或”想一想：想一想：Y=A+B+CABYC 133 MHz+UCC-UBBARKRBRCYT 1 0饱和饱和逻辑表达式：逻辑表达式：Y=A“0”10“1”“0”“1”AY逻辑符号逻辑符号1AY33 MHzABY1有有“0”出出“0”，全全“1”出出“1”有有“1”出出“1”，全全

5、“0”出出“0”&ABY1 1ABY2Y233 MHzR1DR2F+12V+3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门BAF&ABFR1DR2F+12V+3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门逻辑式：逻辑式：BAF&ABF逻辑符号：逻辑符号：33 MHz1.1.体积大、工作不可靠。体积大、工作不可靠。2.2.需要不同电源。需要不同电源。3.3.各种门的输入、输出电平不匹配。各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点：分立元件门电路的缺点：采用类似的方法还可以构成采用类似的方法还可以构成或非门或非门、异或门等。、异或门等。数字集成电路：数字

6、集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。33 MHz3.2 TTL数字集成逻辑门电路数字集成逻辑门电路33 MHz T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T1E2E3E1BC“与与”“非非”复合复合管形管形式式33 MHz T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T1“1”(

7、3.6V)4.3V钳位钳位2.1V“0”(0.3V)输入全高输入全高“1”,输出为输出为低低“0”1V33 MHz T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T11V(0.3V)“1”“0”输入有低输入有低“0”输出为输出为高高“1”流过流过 E结的电结的电流为正向电流流为正向电流VY 5-0.7-0.7 =3.6V5V33 MHz00010011101111011001011101011110ABYCY=A B CY&ABC33 MHz阈值电压阈值电压UT=1.4v33 MHz=33 MHz33 MHzABDE允许叠加干扰允许叠加干扰UOFF0.9UOH01231234 U

8、i 33 MHzABUON UON是保证输出为额定是保证输出为额定低电平时所对应的低电平时所对应的最小输最小输入高电平电压入高电平电压。DE01231234 Ui 33 MHzG1G233 MHz（4）输入输出特性）输入输出特性&？前后级之间电流的联系存在两种情况前后级之间电流的联系存在两种情况 （1 1）前级输出为）前级输出为 高电平高电平 （2 2）前级输出为）前级输出为 低电平低电平33 MHz前级输出为前级输出为 高电平时高电平时前级前级后级后级反偏反偏+5VR4R2R5T3T4R1T1+5V级间电流：级间电流：流出前级，记为流出前级，记为IOH（拉电流）。拉电流）。拉电流能力：拉电流

9、能力：维持维持UOH时，所允许的最大拉电流值。时，所允许的最大拉电流值。33 MHz前级输出为前级输出为 低电平时低电平时前级前级后级后级R1T1+5V级间电流：级间电流：流入前级，记为流入前级，记为IOL，约约 1.4mA。称称为为灌电流。灌电流。+5VR2R13kT2R3T1T5b1c133 MHz1155RbeTTIOL结压降结压降的的压降压降 mA4.137.03.05灌电流的计算灌电流的计算饱和压降饱和压降R1T1+5V+5VR2R13kT2R3T1T5b1c133 MHz说明：说明：TTLTTL门电路的负载电流门电路的负载电流I IOHOH（输出端为高（输出端为高电平的负载电流）、

10、电平的负载电流）、I IOLOL（输出端为低电平的负（输出端为低电平的负载电流），主要由晶体管的材料和工艺所决定载电流），主要由晶体管的材料和工艺所决定的，由厂家告知的，从输出极的原理图上是分的，由厂家告知的，从输出极的原理图上是分析不出析不出I IOHOH、I IOLOL的大小的。的大小的。看一实例看一实例33 MHz 右图是某同学右图是某同学设计的设计的0、1信号信号指示器。发光二指示器。发光二极管亮表示极管亮表示1，暗，暗表示表示0。1AYIOHA=1A=1，Y=0Y=0，输出低电平，发光二极管，输出低电平，发光二极管中没有电流流过，暗（不亮）！中没有电流流过，暗（不亮）！A=0A=0，

11、Y=1Y=1，输出高电平，输出高电平3.6V3.6V，发光二，发光二极管中有电流流过，亮！极管中有电流流过，亮！对吗？对吗？不对！不对！33 MHz 其实不然，如果采用六反相器其实不然，如果采用六反相器74CS0474CS04，六个，六个反相器中的一个接成上面的电路，那么无论反相器中的一个接成上面的电路，那么无论A=0A=0还还是是1 1，发光二极管都不会亮。为什么？！因为发光，发光二极管都不会亮。为什么？！因为发光二极管发光的电流是二极管发光的电流是5mA5mA左右，而左右，而74CS0474CS04的的I IOHOH400A400A0.4mA0.4mA，即其输出高电平时所能提供的负，即其输

12、出高电平时所能提供的负载电流只有载电流只有0.4mA0.4mA，与发光二极管发光所需的电流，与发光二极管发光所需的电流差一个数量级。差一个数量级。已知已知74CS0474CS04的的I IOLOL8mA8mA（负号表示与（负号表示与I IOHOH方方向相反，这里是流进，前者是流出）向相反，这里是流进，前者是流出）,怎样怎样连接，才能达到理想的效果连接，才能达到理想的效果？33 MHz1AYIOL+5VI IOLOL8mA8mA（负号表示与（负号表示与IOHIOH方向相反，方向相反，这里是流进，前者是流出）这里是流进，前者是流出）33 MHz(5)(5)扇入扇出系数扇入扇出系数 扇入系数扇入系数

13、N Ni i：TTLTTL与非门的输入个数与非门的输入个数 扇出系数扇出系数N No o：与非门电路输出能驱动同类门的：与非门电路输出能驱动同类门的个数。它用以衡量逻辑门的负载能力。个数。它用以衡量逻辑门的负载能力。扇出系数根据负载性质不同而不同。扇出系数根据负载性质不同而不同。33 MHzIiH1IiH3IOH前级输出为前级输出为 高电平时：高电平时：+5VR4R2R5T3T4T1前级前级T1T1IiH221iHiHOHIII拉拉电电流流(max)(max)IHOHOHIIN33 MHzT1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为低电

14、平时：前级输出为低电平时：21iLiLOLIII灌灌电电流流与非门的扇出系数一般是与非门的扇出系数一般是8。(max)(max)ILOLOLIIN33 MHz有关电流的技术参数有关电流的技术参数33 MHz 输入端通过电阻输入端通过电阻R接地接地Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC问题：问题：这时，输入是这时，输入是“1”还是还是“0”？33 MHzRRRURRRubei1113.4)5(R 较小时：较小时：uiUT，T2不不导通，输出高导通，输出高电平。电平。R增大增大时时：Ruiui=UT时，时，输出低电平。输出低电平。+5VFR4R2R13kT2R5R

15、3T3T4T1T5b1c1ABCRui33 MHz+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCRui k45.133.4)V(4.1临界临界RRR计算临界电阻值：计算临界电阻值：即：即：当当R 1.45k 时，可以认为输入为时，可以认为输入为“1”；当当R U UT T导通导通有源有源负载负载(非线性电阻非线性电阻)实际结构实际结构UCCuiuo33 MHzgm1gm2T1的导通电阻的导通电阻 T2的导通电阻的导通电阻“1”“0”“0”“1”即：即：T1的导通管压降的导通管压降 T2的导通管压降的导通管压降+UDDAYT1T233 MHz“1”“0”有有“0”全全“1”有

16、有“1”“0”全全“0”“1”Y=A BY=A+B+UDDBYT2T3AT1Y+UDDT3AT1BT233 MHzComplementary-Symmetry MOS(互补对称式互补对称式MOS)MOS)33 MHz2.CMOS2.CMOS与非门与非门&ABF工作原理工作原理+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG结构结构0 0 10 1 11 0 11 1 0A B T1 T2 T3 T4 FBAF33 MHzA B T1 T2 T3 T4 F ABF工作原理工作原理+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS结构结构0 0 10 1 0 1 0 0 1 1 0 3.CMOS3.CMOS或非门

17、或非门BAF33 MHzi3VT Viii33 MHziii3VT V33 MHzTGuiuOCCTGuiuiCC1“1”TGuiuiCC1“0”33 MHz33 MHz想一想：想一想：如何构造如何构造CMOSCMOS三态门？三态门？33 MHz 3.6 数字集成电路使用中应注意的问题数字集成电路使用中应注意的问题33 MHz(a)(a)接电源接电源;(b);(b)通过通过R R接电源接电源;（c c）与使用与使用 输入端并联输入端并联33 MHz1UI UCCUOUIUO1UI UCCUO(a)(b)(c)1R33 MHz 33 MHz 由于由于MOSMOS管是电压控制元件，其输入端通过电阻

18、管是电压控制元件，其输入端通过电阻接地，该电阻无论是几欧姆或几兆欧，该输入端都接地，该电阻无论是几欧姆或几兆欧，该输入端都相当于接相当于接0 0。33 MHz 两种电路的连接必须是驱动门提供合乎两种电路的连接必须是驱动门提供合乎标准的高低电平和足够的驱动电流，即：标准的高低电平和足够的驱动电流，即：驱动门驱动门 负载门负载门(min)(min)IHOHUU(max)(max)ILOLUU(max)(max)ILOLmII(max)(max)IHOHnII33 MHzCMOSCMOS驱动驱动TTL:TTL:符合扇出系数即可符合扇出系数即可TTLTTL驱动驱动CMOSCMOS :需通过上拉电阻提高需通过上拉电阻提高TTLTTL输出的高输出的高电平，当电平，当CMOSCMOS电源高于电源高于5V5V时，还需进行电平变换时，还需进行电平变换具体参见阎石的具体参见阎石的数字电子技术数字电子技术33 MHz