1、逻辑门电路(精)3.1 3.1 逻辑门电路的一般特性逻辑门电路的一般特性 逻辑器件的数据手册一般提供门电路的逻辑器件的数据手册一般提供门电路的电电压传输特性压传输特性、输入和输出高、低电压输入和输出高、低电压、噪声噪声容限容限、传输延迟时间传输延迟时间和和功耗功耗等技术参数。等技术参数。一、输入和输出的高、低电平一、输入和输出的高、低电平 不同系列的逻辑电路，输入和输出对应的电压不同系列的逻辑电路，输入和输出对应的电压 范围也不同。范围也不同。 74HC系列系列CMOS门（工作电压为门（工作电压为5V时）：时）： 输入电压输入电压：VIH：3.55.0 V VIH(min) VIL：01.5
2、V VIL(max) 输出电压输出电压（所带负载不同，对应电压值也不同）：（所带负载不同，对应电压值也不同）： CMOS负载：负载：VOH：4.95.0 V VOL：00.1 V TTL负载：负载： VOH：3.845.0 V VOL：00.33 V VOH(min)、 VOL(max)二、噪声容限二、噪声容限 表示表示门电路的抗干扰能力门电路的抗干扰能力。允许叠加在工作信。允许叠加在工作信号上的最大噪声幅度，称为号上的最大噪声幅度，称为噪声容限噪声容限。噪声幅度不。噪声幅度不超过输入电平的最小值和最大值时，不会引起电路超过输入电平的最小值和最大值时，不会引起电路输出状态的变化。输出状态的变化
3、。 噪声容限值越大，抗干扰能力越强。噪声容限值越大，抗干扰能力越强。11vOvI驱动门驱动门负载门负载门VNHVNL 输入高电平噪声容限：输入高电平噪声容限： VNH=VOH(min)-VIH(min) 输入低电平噪声容限：输入低电平噪声容限： VNL=VIL(max)-VOL(max)三、扇入、扇出系数三、扇入、扇出系数 前后级之间前后级之间电流的联系电流的联系。？11扇入系数扇入系数Ni 输入端的个数输入端的个数扇出系数扇出系数No 驱动同类门的个数驱动同类门的个数 有两种情况：有两种情况：拉电流拉电流和和灌电流灌电流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流出前级电流流出前
4、级电流IOH（拉电流）拉电流）+VC CD2R21.6KR4130T4+VC CR14KT1拉电流负载拉电流负载 拉电流负载：拉电流负载：负载电流从负载电流从“与非门与非门”流向外电路。流向外电路。 拉电流情况：拉电流情况：当驱动门的输出为高电平时，将有当驱动门的输出为高电平时，将有电流电流IOH从驱动门拉出而流至负载门，当负载门的从驱动门拉出而流至负载门，当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低，但不个数增多时，必将引起输出高电压的降低，但不得低于标准高电压得低于标准高电压。（负载门）（驱动门）IHIOHIOHN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流入前级的电流流入前
5、级的电流IOL (灌电流灌电流)+VCCR14KT1R21.6KT5T2R31K+VCCR14KT1灌电流负载灌电流负载 灌电流负载：灌电流负载：负载电流从外电路流入负载电流从外电路流入“与非门与非门” 灌电流情况：灌电流情况：当驱动门的输出端为逻辑当驱动门的输出端为逻辑0，负载门，负载门产生灌电流。负载门的个数增加会引起产生灌电流。负载门的个数增加会引起VOL升高，升高，因此负载门的个数不得超过一定限度。因此负载门的个数不得超过一定限度。（负载门）（驱动门）ILIOLIOLN特别提示： 逻辑门电路的数据手册中不给出扇出系数，必须逻辑门电路的数据手册中不给出扇出系数，必须通过通过计算或实验得出
6、计算或实验得出。 设计时设计时留有余地留有余地，保证电路或系统正常运行。，保证电路或系统正常运行。 实际工程中，若实际工程中，若IOH和和IOL不相等不相等，则，则 NOLNOH 通常取二者中的通常取二者中的最小值最小值。 对于对于CMOS门电路，所带负载类型不同时，扇出门电路，所带负载类型不同时，扇出系数不同。系数不同。 当负载为当负载为CMOS门时，其输入电容不门时，其输入电容不容忽视。容忽视。 例：计算下列情况的例：计算下列情况的CMOS门电路的扇出系数。门电路的扇出系数。1、负载为、负载为CMOS门。门。1）保证其输出高电平为）保证其输出高电平为4.9V。此时此时IOH=-20uA，
7、IOL=20uA， IIH=1uA， IIL=-1uA；（负号表示从器件流出，正号表示流入器件负号表示从器件流出，正号表示流入器件）2）允许其输出电平降至）允许其输出电平降至TTL门的门的3.84V。此时，。此时， IOH=-4mA， IOL=4mA， IIH=1uA， IIL=-1uA；解：解：1）NOH=NOL=20/1=20 2）NOH=NOL=4000/1=4000 注：注：实际不可能实际不可能，负载门的输入电容充放电，负载门的输入电容充放电 会影响门电路的开关速度。会影响门电路的开关速度。2、负载为、负载为TTL门（门（74HCT系列与其兼容）。若为系列与其兼容）。若为74LS系列系
8、列TTL门：门： IOH=IOL=4mA，而，而 IIH=0.02mA， IIL=0.4mA。解：解：1）NOH=IOH/IIH=4/0.02=200 NOL=IOL/IIL=4/0.4=10 则，扇出系数为则，扇出系数为10。3.3.2 2 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性 对应于有触点开关的对应于有触点开关的“断开断开”和和“闭合闭合”。1、二极管、二极管 正向导通，相当于开关闭合。正向导通，相当于开关闭合。 反向截止，相当于开关断开。反向截止，相当于开关断开。2、三极管、三极管3、MOS管管(场效应管）场效应管） 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较 双极型三极管双极型三
9、极管 单极型场效应管单极型场效应管 电流控制电流控制 电压控制电压控制 控制方式控制方式电子和空穴两种载电子和空穴两种载流子同时参与导电流子同时参与导电载流子载流子电子或空穴中一种电子或空穴中一种载流子参与导电载流子参与导电类类 型型 NPN和和PNP N沟道和沟道和P沟道沟道放大参数放大参数20020 mA/V51gm rce很大很大 rds很大很大 输出电阻输出电阻输入电阻输入电阻421010 较低较低1471010 较高较高热稳定性热稳定性 差差 好好制造工艺制造工艺 较复杂较复杂简单，成本低简单，成本低对应电极对应电极 BEC GSD集成门电路集成门电路半导体三极管又称双极型三极管（半
10、导体三极管又称双极型三极管（BJT），由若干），由若干BJT、二极管和电阻构成的集成门电路称为、二极管和电阻构成的集成门电路称为TTL逻辑逻辑门电路。门电路。 集成逻辑门主要有集成逻辑门主要有CMOS系列系列和和TTL系列系列两大类，两大类，目前目前CMOS系列已成为占主导地位的逻辑器件。系列已成为占主导地位的逻辑器件。 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）系列集成逻辑门电路由互补金属氧化物半导体）系列集成逻辑门电路由NMOS管和管和PMOS管构成。管构成。 CMOS集成电路的性能特点集成电路的性能特点 微功耗微功耗单
11、门静态功耗在毫微瓦（单门静态功耗在毫微瓦（nw）数量级。）数量级。 高噪声容限高噪声容限一般在一般在40%电源电压以上。电源电压以上。 宽工作电压范围宽工作电压范围电源电压一般为电源电压一般为1.518伏。伏。 高逻辑摆幅高逻辑摆幅CMOS电路输出高、低电平的幅度达到电路输出高、低电平的幅度达到 全电：逻辑全电：逻辑“1”为为VDD，逻辑，逻辑“0”为为VSS。 高输入阻抗高输入阻抗CMOS电路的输入阻抗大于电路的输入阻抗大于108,一般一般可达可达1010。 高扇出能力高扇出能力CMOS电路的扇出能力大于电路的扇出能力大于50。 低输入电容低输入电容CMOS电路的输入电容一般不大于电路的输入
12、电容一般不大于5PF。 宽工作温度范围宽工作温度范围陶瓷封装为陶瓷封装为- 55 125； 塑封为塑封为 40 85 。 TTL和和COMS电路比较：电路比较： 1）TTL电路是电流控制器件，而电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压电路是电压控制器件。控制器件。2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。但是功耗大。 COMS电路的速度慢，传输延迟时间长电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越有关，频率越 高，芯片越热，这是正
13、常现象。高，芯片越热，这是正常现象。3）COMS电路的电路的锁定效应锁定效应： COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到的内部电流能达到40mA以上，以上，很容易烧毁芯片很容易烧毁芯片。 防御措施：防御措施：1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过规定电压。超过规定电压。2）芯片的电源输入端加去耦电路，防止）芯片的电源输入端
14、加去耦电路，防止VDD端出现端出现瞬间的高压。瞬间的高压。3）在）在VDD和外电源之间加限流电阻，即使有大的电和外电源之间加限流电阻，即使有大的电流也不让它进去。流也不让它进去。4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启序：开启时，先开启COMS电路得电源，再开启输电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭负载的电源，再关闭COMS。几种常用的特殊门几种常用的特殊门1、CMOS传输门传输门TG 由于由于CMOS的漏极和源极可以互换，因此传输的漏极
15、和源极可以互换，因此传输门的门的输入和输出端可以互换使用输入和输出端可以互换使用，即为，即为双向器件双向器件。 电路符号电路符号 逻辑功能：既可用于模拟电路也可以用于数字电逻辑功能：既可用于模拟电路也可以用于数字电路。以数字电路为例：路。以数字电路为例：C=1（或或 =0）时传输门接通，时传输门接通，VO=VI。C=0（或或 =1）时传输门关闭，入、出阻断。时传输门关闭，入、出阻断。CC传输门的特点：传输门的特点：既可以传输数字信号，又可以传输模拟信号既可以传输数字信号，又可以传输模拟信号。当。当C的高低电平分别为的高低电平分别为VDD和和0V时，传输门可传输时，传输门可传输0 VDD之间的信
16、号。之间的信号。VO、VI端可以互换端可以互换，信号既可以从左向右传送，信号既可以从左向右传送，也可以从右向左传送。也可以从右向左传送。几种常用的特殊门几种常用的特殊门2、漏极开路门（、漏极开路门（OD）、集电极开路门（）、集电极开路门（OC） 逻辑功能：逻辑功能：与非与非 逻辑符号：逻辑符号： 应用：工程中，输出进行应用：工程中，输出进行“线与线与”，需要接上拉电需要接上拉电阻阻。普通的普通的CMOS和和TTL门电路不能进行线与。门电路不能进行线与。限流限流 其取值应保证其取值应保证IOL不超过不超过IOL(max)。因此，取值不能过小。因此，取值不能过小。 几个并联几个并联OD门，对于输出
17、高电门，对于输出高电平的驱动门，流过截止管的漏电流平的驱动门，流过截止管的漏电流IOZ可以忽略。可以忽略。)(max)(max)(min)totalILIOLIOLVDDVPRVDD直流电源电压直流电源电压 VOL(max)驱动器件驱动器件VOL最大值最大值IOL(max) 驱动器件驱动器件IOL最大值最大值IIL(total)灌电流总值，灌电流总值， IIL(total)=nIIL n为为与非负载门数目（或非负载门输入端数目）与非负载门数目（或非负载门输入端数目） RP取值应保证取值应保证VOH不小于不小于VOH(min)，因此，取值不能过大。因此，取值不能过大。 VDD直流电源电压直流电源
18、电压 VOH(min)驱动器件驱动器件VOH最小值最小值IOZ(total) 全部驱动门输出高电平时的漏电流总合全部驱动门输出高电平时的漏电流总合IIH(total)全部驱动门输入高电平时的电流总和全部驱动门输入高电平时的电流总和 IIH(total)=nIIH n为接入为接入OD门的门的输入端的数目输入端的数目例：设例：设3个个OD CMOS与非门作线与连接，驱动一个与非门作线与连接，驱动一个TTL系列反相器和一个系列反相器和一个3输入与非门，试确定一个合输入与非门，试确定一个合适的上拉电阻适的上拉电阻RP。已知。已知VDD=5V，IOZ=5uA。查数据手册知，查数据手册知，CMOS门参数：
19、门参数：mAIVVVVOLOHOL4,84. 3,33. 0(max)(min)(max)TTL门参数：门参数：AImVIIHIL20,4 . 0当当OD门输出为低电平时：门输出为低电平时：KIIVVRtotalILOLOLDDP46. 14 . 02433. 05)(max)(max)(min)当当OD门输出为低电平时：门输出为低电平时：KIIVVRtotalIHtotalOZOHDDP21.1202. 04005. 0384. 35)()(min)(max)几种常用的特殊门几种常用的特殊门3、三态门、三态门 逻辑状态：高电平、低电平、高阻态（禁止态）逻辑状态：高电平、低电平、高阻态（禁止态
20、） 逻辑符号：逻辑符号： 逻辑功能：当逻辑功能：当 E= 0时，输出时，输出F端处于高阻状态端处于高阻状态。 &ABFEEN当当 E= 1时，电路执行正常与非功能时，电路执行正常与非功能 。ABF 控制控制端端1E0EABF 功能表功能表三态门主要作为三态门主要作为TTL电路与电路与总线总线间间的的接口电路接口电路用途：用途：E1E2E3公用总线公用总线ENENEN几种常用的特殊门几种常用的特殊门4、BicMOS门门 采用双极型采用双极型BJT管作为管作为CMOS电路的输出级电路的输出级(P99),结合了结合了MOS管的功耗低和双极型管速度快、驱动力管的功耗低和双极型管速度快、驱动力强的优势。
21、强的优势。5、射极耦合逻辑门电路、射极耦合逻辑门电路 射极连接在一起的电路结构，是一种非饱和型高射极连接在一起的电路结构，是一种非饱和型高速数字集成电路，传输速度快，但制造工艺要求高、速数字集成电路，传输速度快，但制造工艺要求高、功耗大，逻辑摆幅小、噪声容限小，因而抗干扰能力功耗大，逻辑摆幅小、噪声容限小，因而抗干扰能力低。低。3.4 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题一、各种门电路之间的接口问题一、各种门电路之间的接口问题需考虑采用接口电路的几个因素：需考虑采用接口电路的几个因素： 逻辑门电路的逻辑门电路的扇出问题扇出问题： 必须能对负载器件提供灌电流最大值必须能对
22、负载器件提供灌电流最大值 IOL(min) IIL(total) 必须对负载器件提供足够大的拉电流必须对负载器件提供足够大的拉电流 IOH(max) IIH(total) 逻辑逻辑电平兼容性电平兼容性。驱动器件的输出电压必须处在负。驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值。载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值。 VOH(min) VIH(min)、 VOL(max) VIL(max)二、门电路带负载时的接口问题二、门电路带负载时的接口问题 直接驱动显示器件直接驱动显示器件必须串联限流电阻必须串联限流电阻当门电路输出高电平时，当门电路输出高电平时，LED发
23、光，则发光，则DFOHIVVR当门电路输出低电平时，当门电路输出低电平时，LED发光，则发光，则DOLFCCIVVVR1、多余输入端的处理措施、多余输入端的处理措施 一般不让多余的输入端悬空，以防止引入干扰信号。一般不让多余的输入端悬空，以防止引入干扰信号。处理时，以处理时，以不改变原逻辑功能不改变原逻辑功能为准。方法如下：为准。方法如下： 并接：并接：高速电路会增加输入电容，因此不用。高速电路会增加输入电容，因此不用。 接地或接电源：接地或接电源：与门、与非门接电源，或门、或非门与门、与非门接电源，或门、或非门接地。接地。2、去耦合滤波电容、去耦合滤波电容 用用10100uF的大电容接在直流
24、电源和地之间，滤除干扰的大电容接在直流电源和地之间，滤除干扰信号，此外，对每片集成芯片的电源与地之间接一个信号，此外，对每片集成芯片的电源与地之间接一个0.1uF的电容滤除开关噪声。的电容滤除开关噪声。3、接地和安装工艺、接地和安装工艺 信号地与电源地不能直接相连；模拟地和数字地分信号地与电源地不能直接相连；模拟地和数字地分开；连线要尽量短以减少接线电容产生的寄生反馈而开；连线要尽量短以减少接线电容产生的寄生反馈而引起的寄生振荡。引起的寄生振荡。3.5 抗干扰措施抗干扰措施此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
