《数字电路》课件 - 副本 (2).ppt

1、第2章 基本逻辑门电路v 21 基本逻辑运算基本逻辑运算v211 与、或、非逻辑运算1.与逻辑（逻辑乘）：与逻辑（逻辑乘）：2.或逻辑（逻辑加）：或逻辑（逻辑加）：3.非逻辑（逻辑非）：非逻辑（逻辑非）：1AA 00AA AA0AA11A AAAAA1AA0A A第2章 基本逻辑门电路v 21 基本逻辑运算基本逻辑运算v212 其他逻辑运算1.与非逻辑与非逻辑对于与非逻辑，只要输入变量中有一个为0，输出就为1 2.或非逻辑或非逻辑对于或非逻辑，只要输入变量中有一个为1，输出就为0 3.与或非逻辑与或非逻辑与或非逻辑是与逻辑运算和或非逻辑运算的复合，它是先将输入变量A、B及C、D进行与运算，然后

2、再进行或非运算 4.同或逻辑和异或逻辑同或逻辑和异或逻辑同或：当两个输入变量A和B的值相同时，输出P才为1，否则P为0异或：当两个输入变量A和B的值相异时，输出P才为1，否则P为0第2章 基本逻辑门电路v 21 基本逻辑运算基本逻辑运算v213 逻辑函数逻辑函数 v 实用中上述基本逻辑运算很少单独出现，经常是以这些基本逻辑运算构成一些复杂程度不同的逻辑函数 第2章 基本逻辑门电路v 21 基本逻辑运算基本逻辑运算v214 正负逻辑 v在数字电路中，常常用H和L分别表示高、低电平，若令H=1、L=0，则称之为正逻辑体制正逻辑体制。相反，如果令H=0、L=1，则称为负逻辑体制负逻辑体制。（本书一律

3、采用正逻辑体制）。v正、负逻辑体制之间是可以转换的。以与非与非逻辑转换为例，其正逻辑和负逻辑真值表见表2-11。表2-11 与非逻辑的正负体制转换与非逻辑的正负体制转换A B P0 0 10 1 11 0 11 1 0A B P1 1 01 0 10 1 1 0 0 1A B PL L HL H HH L HH H L（a）与非逻辑功能表（b）与非逻辑正真值表（c）与非逻辑负真值表第2章 基本逻辑门电路v 2.2 分立元件门电路分立元件门电路v221 二极管与门电路&、RABPCP=ABC（a）电 路图（b）与门逻辑符号A B C P0 0 0 00 0 1 00 1 0 00 1 1 01

4、0 0 01 0 1 01 1 0 01 1 1 1与门真值表与门真值表ABCDADBDCYR+VDD第2章 基本逻辑门电路v 2.2 分立元件门电路分立元件门电路v222 二极管或门电路YR1、RABP PCP=A+B+C（a）电路图（b）或门国际逻辑符号A B C P0 0 0 00 0 1 10 1 0 10 1 1 11 0 0 11 0 1 11 1 0 11 1 1 1ABCDCDBDA第2章 基本逻辑门电路v 2.2 分立元件门电路分立元件门电路v223 三极管非门电路VDD（a）电路图RCRbAP1、RA（b）非门逻辑符号A P0011表2-15 非门真值表非门真值表P第2章

5、基本逻辑门电路v 23 集成集成TTL门电路门电路 3kcbR4R1T2R2T3T4T5T1R5VDDR3YA3k7501003651、RAY（c）逻辑图（a）电路图图2-11 TTL非门电路结构图5V输入级中 间 级 输 入级输 出 级 输 入级AbR1c+VDD3k（b）T1结构图第2章 基本逻辑门电路v 23 集成集成TTL门电路门电路v231 TTL与非门电路1.TTL非门的电路结构非门的电路结构输入级 中间级 输出级 2.TTL非门的工作原理非门的工作原理当输入端接低电平时，输出为高电平 当输入端接高电平时，输出为低电平 输入端悬空和输入端接高电平时，该电路的工作状态完全相同，所以，

6、TTL电路的输入端悬空，可以等效地看作输入端接入了逻辑高电平 第2章 基本逻辑门电路v 23 集成集成TTL门电路门电路v231 TTL与非门电路3.推挽输出电路和晶体管推挽输出电路和晶体管T1的作用的作用 采用推挽式输出电路可以加速T5管存储电荷的消散 输入级T1的引入将大大缩短T2和T5的开关时间 4.TTL与非门的电路结构与非门的电路结构 将TTL非门输入级的晶体管T1使用多发射极晶体管，便构成多输入端的TTL与非门电路 第2章 基本逻辑门电路v 23 集成集成TTL门电路门电路v232 TTL与非门的主要技术参数1.TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 aVOHVOLVNLV

7、NHVONVOFFvI/V32.421.510.5cd3.6632.421vO/V图2-14 TTL与非门的电压传输特性be第2章 基本逻辑门电路v23 集成集成TTL门电路门电路v232 TTL与非门的主要技术参数2.TTL与非门的主要参数与非门的主要参数 标称逻辑电平 输出高电平VOH和输出低电平VOL 输入高电平VIH 和输入低电平VIL 开门电平VON和关门电平VOFF 空载导通功耗PON 平均传输延迟时间tpd 干扰容限VNH和VNL 输入短路电流IIS 输入漏电流IIH 最大灌电流IOLmax和最大拉电流IOHmax 扇入系数NI和扇出系数NO 第2章 基本逻辑门电路v 23 集成

8、集成TTL门电路门电路 v233 集电极开路与非门和三态输出与非门1.集电极开路与非门集电极开路与非门 OC门的结构特点门的结构特点 OC与非门的电路特点是将T5输出管的集电极开路。使用OC门时，为保证电路正常工作，必须外接一只电阻RL与电源VDD2相连，称为上拉电阻。OC门的工作原理门的工作原理 OC与非门接上上拉电阻之后，当其输入中有低电平时，T2、T5均截止，Y端输出高电平。当其输入全是高电平时，T2、T5均导通，只要取值适当，T5就可以达到饱和，使Y端输出低电平(0.3V)。可见OC与非门外接上拉电阻后就是一个与非门。第2章 基本逻辑门电路v 23 集成集成TTL门电路门电路 v233

9、 集电极开路与非门和三态输出与非门1.集电极开路与非门集电极开路与非门OC门的应用 两个或多个OC与非门的输出信号在输出端直接相与的逻辑功能，称为“线与”。实现多路信号在总线上的分时传输 实现电平转换 抬高输出高电平 驱动非逻辑性负载 用来实现“与或非”运算 第2章 基本逻辑门电路v 23 集成集成TTL门电路门电路 v233 集电极开路与非门和三态输出与非门2.三态输出与非门（三态输出与非门（TSL门）门）工作原理v普通的TTL门电路的输出只有两种状态逻辑0和逻辑1，这两种状态都是低阻输出。三态逻辑（TSL）输出门其输出除了具有这两个状态外，还具有高阻输出的第三状态（或称禁止状态、悬浮状态）

10、。电路输出的三种状态是：v.高电平，即逻辑“1”状态;v.低电平，即逻辑“0”状态;.高阻状态：这种状态是使原TTL门电路中的T4和T5管均处于截止状态，这时输出端相当于悬空，呈现出极高的电阻。输出端的电压值可浮动在0 V至5 V的任意数值上。需要注意的是，在禁止状态下，三态门与负载之间无信号联系，对负载不产生任何逻辑功能，所以禁止状态不是逻辑状态，三态门也不是三值门。第2章 基本逻辑门电路v 23 集成集成TTL门电路门电路 v233 集电极开路与非门和三态输出与非门2.三态输出与非门（三态输出与非门（TSL门）门）三态门的主要用途是可以实现在同一个公用通道上轮流传送多个不同的信息，该公共通

11、道常称之为总线，各个三态门可以在控制信号的控制下与总线相连或脱离 用三态门构成双向总线，实现信号双向传输 第2章 基本逻辑门电路v 23 集成集成TTL门电路门电路 v234 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路v 1或非门或非门 R2B图2-25 TTL或非门电路R1T2T1AR1T2T1R4T4T5R3Y5VVD2VDD第2章 基本逻辑门电路v 23 集成集成TTL门电路门电路 v234 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路v2与或非门与或非门T1R5R4R1T2R2T3T4T5VDDR3Y图2-26 TTL与或非门电路T1A1B1C1A2B2C2T2R1第2章 基本逻辑门电路v 23

12、 集成集成TTL门电路门电路 v235 TTL集成逻辑门电路系列简介v174系列。又称标准TTL系列，属中速TTL器件，其平均传输延迟时间约为10ns，平均功耗约为10mW每门。v274L系列。为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。用增加电阻阻值的方法将电路的平均功耗降低为1 mW每门，但平均传输延迟时间较长，约为33ns。v374H系列。为高速TTL系列，又称HTTL系列。该系列的平均传输延迟时间为6nS，平均功耗约为22mW每门。v474S系列。为肖特基TTL系列，又称STTL系列。v574LS系列。为低功耗肖特基系列，又称LSTTL系列。电路中采用了抗饱和三极管和专门的肖特基二极管来提高

13、工作速度，同时通过加大电路中电阻的阻值来降低电路的功耗，从而使电路既具有较高的工作速度，又有较低的平均功耗。其平均传输延迟时间为9nS，平均功耗约为2mW每门。v674AS系列。为先进肖特基系列，又称ASTTL系列，它是74S系列的后继产品，是在74S的基础上大大降低了电路中的电阻阻值，从而提高了工作速度。其平均传输延迟时间为1.5nS，但平均功耗较大，约为20mW每门。v774ALS系列。为先进低功耗肖特基系列，又称ALSTTL系列，是74LS系列的后继产品。是在74LS的基础上通过增大电路中的电阻阻值、改进生产工艺和缩小内部器件的尺寸等措施，降低了电路的平均功耗、提高了工作速度。其平均传输

14、延迟时间约为4 nS，平均功耗约为1mW每门。第2章 基本逻辑门电路v 2.4 集成集成CMOS电路电路v241 CMOS反相器v1电路结构电路结构VO图2-29 CMOS反相器T1（N沟道）T2（P沟道）（a）电路图（b）简化电路VDDVDDViViT1T2VO第2章 基本逻辑门电路v 2.4 集成集成CMOS电路电路v241 CMOS反相器v2工作原理工作原理 v（1）当CMOS非门输入为低电平，即VI=VIL=0V时（VIL|VT2|，所以T2导通，且导通内阻很低，所以 V O=V O H V D D，即 输 出 为 高 电 平。（2）当输入为高电平，即VI=VIL=VDD时，VGS1=

15、VDD VT1，T1导通，而VGS2=0|VT2|，因此T2截止。此时VO=VOL0，即输出为低电平。可见，CMOS反相器实现了非逻辑功能。第2章 基本逻辑门电路v 2.4 集成集成CMOS电路电路v241 CMOS反相器v3CMOS反相器的主要特性 VIVDDVDDAVTNBCVTPDVTNVDDVOVTPABCD图2-30 CMOS反相器的电压传输特性VI00iD图2-31 CMOS反相器的电流传输特性1/2VDD1/2VDD1/2VDD第2章 基本逻辑门电路v 2.4 集成集成CMOS电路电路 v242 CMOS与非门 v 1电路结构电路结构vCMOS与非门由四个MOS管组成。工作管T1

16、和T2是两个串联的增强型NMOS管，用作驱动管；T3和T4是两个并联的增强型PMOS管，用作负载管。T3和T2为一对互补管，它们的栅极作为输入端A；T4和T1作为一对互补管，它们的栅极相连作为输入端B；T4和T2的漏极相连作为输出端。T2的衬底与T1的源极相连后，共同接地。v 2工作原理工作原理v当输入A、B均为低电平时，T1和T2同时截止，T3和T4同时导通，输出高电平，Y=1；当输入端A为低电平，B为高电平时，T2截止，T3导通，输出高电平（VOHVDD），Y=1；当输入端A为高电平，B 为 低 电 平 时，T 1 截 止，T 4 导 通，输 出 高 电 平（VOHVDD），Y=1；只有当

17、输入A、B均为高电平时，T1和T2同时导通，T3和T4同时截止，输出为低电平，Y=0。综上所述，设高电平为逻辑1、低电平为逻辑0，则输出Y和输入A、B之间是与非逻辑关系第2章 基本逻辑门电路v 2.4 集成集成CMOS电路电路v243 CMOS漏极开路门（OD门）VDD1VDD2YAB&1图2-34 CMOS漏极开路与非门电路TRD第2章 基本逻辑门电路v 2.4 集成集成CMOS电路电路v244 CMOS传输门vCMOS传输门是由NMOS增强型管和PMOS增强型管并联互补而成。CMOS传输门和CMOS反相器一样，是构成各种逻辑电路的基本单元 v传输门的工作原理如次：设控制信号的低电平为0V，

18、高电平为VDD 第2章 基本逻辑门电路v 2.4 集成集成CMOS电路电路 v245 CMOS逻辑门电路的系列及主要参数v1 CMOS逻辑门电路的系列逻辑门电路的系列v（1）基本的CMOS4000系列。v（2）高速的CMOSHC（HCT）系列。v（3）先进的CMOSAC（ACT）系列第2章 基本逻辑门电路v 2.4 集成集成CMOS电路电路 v245 CMOS逻辑门电路的系列及主要参数v2 CMOS逻辑门电路的主要参数逻辑门电路的主要参数v（1）输出高电平VOH与输出低电平VOL。v（2）阈值电压Vth。v（3）抗干扰容限。v（4）传输延迟与功耗。v（5）扇出系数。第2章 基本逻辑门电路v 2

19、.5 门电路的接口门电路的接口v 251 TTL门驱动CMOS门v由于TTL门的IOH（max）和IOL（max）远远大于CMOS门的IIH和IIL，所以TTL门驱动CMOS门时，主要考虑TTL门的输出电平是否满足CMOS输入电平的要求。v若CMOS同TTL电源电压相同都为5V，则两种门可直接连接。由于TTL门电路输出高电平典型值为3.4V，而CMOS电路的输入高电平要求高于3.5V。为解决此矛盾，可在TTL电路的输出端和电源之间，接一上拉电阻RX，RX的阻值取决于负载器件的数目及TTL和CMOS器件的电流参数，一般在几百到几千欧，这样使TTL输出级T4、T5均截止，流过RX的电流极小，其输出

20、高电平可接近VCC。v如果CMOS电源VDD高于TTL电路电源，则选用具有电平偏移功能的CMOS门（如CC74HC109），其输入接受TTL电平，而输出CMOS电平 第2章 基本逻辑门电路v 2.5 门电路的接口门电路的接口v252 CMOS驱动TTL门v当CMOS电源电压与TTL门相同时，CMOS与TTL门的逻辑电平相同，但CMOS门的驱动能力不适应TTL门的要求，原因是CMOS门输出低电平时能承受的灌电流较小，而CT74系列TTL门的输入短路电流较大。这样用CMOS门驱动TTL门时，将不能保证CMOS输出符合规定的低电平。为解决此问题，可采用CMOS-TTL电平转换器（CC74HC90、C

21、C74HC50）第2章 基本逻辑门电路v 2.5 门电路的接口门电路的接口v2.5.3 TTL和CMOS电路带负载时的接口问题v在工程实践中，常常需要用TTL或CMOS电路去驱动指示灯、发光二极管LED、继电器等负载。对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动，图2-43（a）所示为用TTL门电路驱动发光二极管LED，这时只要在电路中串接一个约几百欧的限流电阻即可。图2-43（b）所示为用TTL门电路驱动5V低电流继电器，其中二极管D作保护，用以防止过电压。ABABLED&5V360&5VVCCVCCD继电器图2-43 门电路带小电流负载（a）驱动发光二极管（b）驱动低电流继电器第2章 基本逻辑门电路v 2.5 门电路的接口门电路的接口v2.5.3 TTL和CMOS电路带负载时的接口问题v如果负载电流较大，可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图2-44（a）所示。也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图2-44（b）所示。ABAB&D继电器（b）加驱动三极管&VCC&负载VCC（a）门电路并联使用图2-44 门电路带大电流负载第2章 基本逻辑门电路v 2.5 门电路的接口门电路的接口v254 多余输入端的处理ABABABAB&VCC&11图2-45 与非门多余输入端的处理图2-46 或非门多余输入端的处理（a）（b）（a）（b）