1、第二章第二章 门电路门电路内容内容：分立元件逻辑门分立元件逻辑门TTL与非门与非门MOS门电路门电路目的与要求目的与要求：掌握掌握TTL与非门电路结构、工作原理、电压传输特性、与非门电路结构、工作原理、电压传输特性、输入输入/输出特性、主要参数及其测量方法；了解输出特性、主要参数及其测量方法；了解CMOS反相器、反相器、CMOS门电路、门电路、CMOS传输门的逻传输门的逻辑功能和应用。辑功能和应用。重点与难点重点与难点：重点：重点：TTL与非门与非门；难点：难点：TTL与非门的工作原理与非门的工作原理。2.1 概述概述门电路的作用：门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电是用以实现逻辑关系的电
2、子电路，与基本逻辑关系相对应。路，与基本逻辑关系相对应。门电路的主要类型：门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或与门、或门、与非门、或非门、异或门等。非门、异或门等。门电路的输出状态与赋值对应关系：门电路的输出状态与赋值对应关系：正逻辑：正逻辑：高电位对应高电位对应“1”；低电位对应；低电位对应“0”。混合逻辑：混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。入用负逻辑、输出用正逻辑。一般采用一般采用正逻辑正逻辑负逻辑：负逻辑：高电位对应高电位对应“0”；低电位对应；低电位对应“1”。100VVcc在数字电路中，对电压值为多少并不重要，
3、在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。只要能判断高低电平即可。K开开-VO输出高电平，对应输出高电平，对应“1”。K合合-VO输出低电平，对应输出低电平，对应“0”。VOKVccR V V2.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路 一、二极管与门一、二极管与门FD1D2AB+12VuAuBuF0V0V0.3V0V3V0.3V3V0V0.3V3V3V3.3V逻辑变量逻辑变量逻辑函数逻辑函数(uD=0.3V )0 0 00 1 0 A B F1 0 01 1 1真值表：真值表：逻辑式：逻辑式：F=A B逻辑符号：逻辑符号：&ABF二、二极管或门二、二极管或门uAuBuF0V0V-
4、0.3V0V3V2.7V3V0V2.7V3V3V2.7VFD1D2AB-12V0 0 00 1 1 A B F1 0 11 1 1逻辑式：逻辑式：F=A+B逻辑符号：逻辑符号：ABF真值表：真值表：R1DR2AF+12V+3V三、三极管非门三、三极管非门uAuF3V0.30V3.3嵌位二极管嵌位二极管AF0110逻辑式：逻辑式：AF 逻辑符号：逻辑符号：1AF真值表：真值表：R1DR2F+12V+3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门四、与非门四、与非门逻辑式：逻辑式：BAF&ABF逻辑符号：逻辑符号：2.3 TTL与非门与非门数字集成电路：数字集成电路：在一块半导体
5、基片上制作出一个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。完整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。数字集成电使用时接：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、而且价路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。格便宜的特点。TTL型电路：型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为体管，称之为:Transistor Transistor Logic。CBAF 2.3.1 TTL与非门的基本原理与非门的基本原理一、结构一、结构TTL与非门的内部结构与非门的内部结构+5VFR4R2R
6、13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 输入级输入级输出级输出级中间级中间级+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5T1 多发射极晶多发射极晶体管：体管：实现实现“与与”运算。运算。+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5“非非”复合管形式复合管形式与非门与非门输出级输出级“与与”1.任一输入为低电平（任一输入为低电平（0.3V）时）时“0”0.7V不足以让不足以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 二、工作原理二、工作原理三个三个PN结结导通需导通需2.
7、1V+5VFR4R2R13kR5R3T3T4T1T5b1c1ABC0.7V“0”uouo=5-uR2-ube3-ube4 3.4V 高电平！高电平！逻辑关系：逻辑关系：任任0则则1。+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC“1”全导通全导通电位被嵌电位被嵌在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止2.输入全为高电平（输入全为高电平（3.4V）时）时+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏全反偏“1”饱和饱和uF=0.3VABCF 输入、输出的逻辑关系式：输入、输出的逻辑关系式：逻辑关系：逻辑关系：全全1则则0。一、电压传输特性一、电压传输特性2.3.2 T
8、TL与非门的特性和技术参数与非门的特性和技术参数测试电路测试电路&+5Vuiuo 电压传输特性是指电压传输特性是指输出电压输出电压 Vo随输入电随输入电压压 Vi变化的特性。变化的特性。传输特性曲线传输特性曲线uo(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值阈值UT=1.4V理想的传输特性理想的传输特性输出高电平输出高电平输出低点平输出低点平AUOHBCDEUOLUI(V)UO(V)0.32.7UOFFUTUON1.输出高电平输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。典型值典型值UOH=3.4V UOL=0.3V。2
9、.开门电平开门电平UON和关门电平和关门电平UOFFuiUTON=2.0V时，是输入高电平。时，是输入高电平。3.高电平噪声容限高电平噪声容限 UNH和低电平噪声容限和低电平噪声容限UNL(max)(min)OLOFFNLONOHNHUUUUUU二、输入、输出负载特性二、输入、输出负载特性&？分两种情况讨论：分两种情况讨论：（1）前级输出为）前级输出为 高电平时高电平时 （2）前级输出为）前级输出为 低电平时低电平时1.扇出系数扇出系数:与非门电路输出能驱动同类门的个数。与非门电路输出能驱动同类门的个数。IiH1IiH3IOH前级输出为前级输出为 高电平时：高电平时：+5VR4R2R5T3T4
10、T1前级前级T1T1IiH221iHiHOHIII拉拉电电流流T1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为低电平时：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10。例：例：某某TTL门电路，最大灌入电流门电路，最大灌入电流IOL=10mA,最大最大 拉出电流拉出电流IOH=1mA,输入低电平电流输入低电平电流IIL1.0mA,输入高电平电流输入高电平电流IIH80A。求该门电路的扇出。求该门电路的扇出 系数。系数。解：解：输出为高电平时的扇出系数：输出为高电平时的扇出系数：输出为低
11、电平时的扇出系数：输出为低电平时的扇出系数：所以该门电路的扇出系数为所以该门电路的扇出系数为10。OLILI10=10I1OHIHI1000=25I802.平均传输延迟时间平均传输延迟时间tui0tuo050%50%tPHLtPLHpdPHLPLH1t=(t+t)2典型值：典型值：3 10 ns+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCRui k45.133.4)V(4.1临临界界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 UT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UCC
12、uiuo二二.CMOS反相器反相器NMOS管管PMOS管管CMOS电路电路工作原理：工作原理：ui=0时：时：ugs2=UCC，T2导通、导通、T1截止，截止，uo=“”；ui=1时：时：T1导通、导通、T2截截止，止，uo=“0”。UCCST2DT1uiuoDSComplementary-Symmetry MOS互补对称式互补对称式MOS,简称简称CMOS。T1:ONT2:OFF同一电平同一电平:OFFON三三.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 FBAF A
13、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 四四.CMOS或非门或非门BAF 附附:门电路的常见逻辑符号门电路的常见逻辑符号 与门与门 或门或门 非门非门F=AB F=A+BAF&ABFABFABFABF ABFABF A1FAFAFAF 与非门与非门 或非门或非门 OC门门 (两输入与非两输入与非)BAF BAF&ABFABFABF ABFABF ABF&ABFABFABF 国标国标ABE&ABE&ABE国家标准国家标准 三态门三态门(两输入与非两输入与非)与或非门与或非门CDAB+AB
14、CDFABCDF&.利用半导体器件的开关特性，可以构成利用半导体器件的开关特性，可以构成与门与门、或门或门、非非门门、与非门与非门、或非门或非门、与或非门与或非门、异或门异或门等各种逻辑门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的的三态门三态门、OCOC门门和和传输门传输门。2.2.TTLTTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。载的能力也比较强，缺点是功耗较大。3.3.CMOSCMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集电路具有
15、制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOSCMOS电路的工作电路的工作速度已有了大幅度的提高。速度已有了大幅度的提高。1.三态门输出高阻状态时，三态门输出高阻状态时，是正确的说法。是正确的说法。P.用电压表测量指针不动用电压表测量指针不动 Q.相当于悬空相当于悬空 R.电压不高不低电压不高不低 S.测量电阻指针不动测量电阻指针不动2.以下电路中可以实现以下电路中可以实现“线与线与”功能的有功能的有 。P.与非门与非门 Q.三态输出
16、门三态输出门 R.集电极开路门集电极开路门 S.或非门或非门3TTL电路的特点是工作速度电路的特点是工作速度 、负载能力、负载能力 、功耗、功耗 ；CMOS电路的特点是集成度电路的特点是集成度 、功耗、功耗 、工作速度、工作速度 。P.高高 Q.低低 4 TTL电路在正逻辑系统中，以下各种输入中电路在正逻辑系统中，以下各种输入中 相当于输入逻辑相当于输入逻辑“1”。P.悬空悬空 Q.通过电阻通过电阻2.7k接电源接电源 R.通过电阻通过电阻2.7k接地接地 S.通过电阻通过电阻510接地接地5对于对于TTL与非门闲置输入端的处理，可以与非门闲置输入端的处理，可以 。P.接电源接电源 Q.通过电阻通过电阻3k接电源接电源 R.接地接地 S.与有用输入端并联与有用输入端并联 Do you know?(3)Do you know?(3)
