1、3.1 概概 述述主要要求：了解逻辑门电路的作用和常用类型。理解高电平信号和低电平信号的含义。TTL 即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 3.1.1 门电路的作用和常用类型门电路的作用和常用类型 按功能特点不同分 普通门(推拉式输出)CMOS传输门 输出开路门 三态门 门电路(Gate Circuit)指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分 与门 或门 非门 异或门 与非门 或非门 与或非门 按电路结构不同分 TTL 集
2、成门电路 CMOS 集成门电路 输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。3.1.2 高电平和低电平的含义高电平和低电平的含义 高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？10高电平低电平01高电平低电平正逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定 主要要求：理解二极管的开关特性。掌握三极管的开关特性。3.2基本逻辑门电基本逻辑门电路路了解分立元件基本门电路。开关器件3.2.1 开关器件具有闭合和断开两种工作状态。理想开关特性闭合接通电阻为0，断开电阻为无穷大，闭合或断开动作瞬间完成。实际开关特性闭合接通电阻
3、不为0，断开电阻不为无穷大，闭合或断开动作有一定延迟时间（称开关时间），承受功率有限。3.2.2 二极管的开关特性二极管的开关特性 1、二极管伏安特性Uth为门限电压（硅二极管约0.5V）。一、二极管的静态开关特性IR为反向电流（近似为0）。UBR为反向击穿电压。当输入 uI 为低电平UIL Uth，二极管反向截止。二极管通断的条件和等效电路 当输入 uI 为高电平UIH Uth，二极管正向导通。2、静态开关特性开通时间tr ：二极管由截止变为导通所需要的时间。反向恢复时间trr ：二极管由导通变为截止所需要的时间。trr trOuItUIHUILOiDt延迟时间主要由于电荷存储效应引起二、二
4、极管的动态开关特性三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？当输入 uI 为低电平，使 uBE Uth时，三极管截止。iB 0，iC 0，C、E 间相当于开关断开。三极管通断的条件和等效电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS负载线临界饱和线 饱和区放大区3.2.3 三极管的开关特性三极管的开关特性 截止区uBE UthBEC三极管截止状态等效电路uI=UILuBE+-Uth为门限电压一、三极管的静态开关特性IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线 饱和区放大区 uI 增大使 iB 增大，从而工作点上移，iC 增大，uCE
5、 减小。截止区uBE Uth时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作于放大导通状态。IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线 饱和区放大区截止区uBE IB(sat)因为 iB=IHB0.7 VURBBV.92V 7.06.3RR CCCB(sat)RVI mA 1.0k 150V 5 所以求得 RB ton延迟时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。C E B SBD B C E 在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称 SBD)。BCSBD抗饱和三极管的开关速度高 没有电荷存储效
6、应 SBD 的导通电压只有 0.4 V 而非 0.7 V，因此 UBC=0.4 V 时，SBD 便导通，使 UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。三、三、抗饱和三极管抗饱和三极管3.2.4 MOS管的开关特性 一、增强型MOS管的静态开关特性UGS（th）为门限电压相当于实际开关断开相当于实际开关闭合二、增强型MOS管的动态开关特性 uI 正跳变到 iD 上升到 0.9ID 所需的时间 ton 称为MOS管开通时间。uI 负跳变到 iD 下降到 0.1ID 所需的时间 toff 称为MOS管关断时间。通常 toff ton二极管、三极管和MOS管作为开关，其开关的转换速度都与延迟时间有
7、关。1、二极管与门电路3.2.5 分立元件门电路设二极管的导通压降为0.3伏。uA uB uY 0V 0V 0.3V 0V 3V 0.3V 3V 0V 0.3V 3V 3V 3.3V 满足与逻辑关系00.3V为低电平，33.3V为高电平。YD1D2AB+12V电路组成RABY 2、二极管或门电路uA uB uY 0V 0V-0.3V 0V 3V 2.7V 3V 0V 2.7V 3V 3V 2.7V 满足或逻辑关系0-0.3V为低电平2.73V为高电平YD1D2AB-12V电路组成RBAY3、三极管非门电路R1DR2AY+12V+3V嵌位二极管电路组成uA uY 3V 0.3 0V 3.3 满足
8、非逻辑关系三极管的饱和压降假设为0.3 VAY 4、与非门电路二极管与门和三极管非门串接而成,实现与非逻辑功能。ABD1D2+12VRD+3VR2R1+12VFABY 5、或非门电路D1D2-12VRBA二极管或门和三极管非门串接而成,实现或非逻辑功能。+12V+3VFDR1R2BAY需要不同电源主要要求：了解 TTL 与非门的组成和工作原理。了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。3.3TTL 集成逻辑门集成逻辑门 掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。体积大。元件参数差异，工作稳定度差。各种门的输入、输出高低电平差异大。1、分立元件门电
9、路的不足开关转换速度慢。3.3.1 TTL 与非门一、概述需要不同电源，功耗大。集成电路：把电容、电阻、二极管、三极管以及电路的连线都集成在一块硅半导体的基片上，组成了一个具有一定逻辑功能的完整电路，并封装在一个管壳内，这就是集成电路。2、集成电路与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为DTL、TTL、CMOS管集成门电路等。3、早期集成逻辑门电路（DTL）实质上就是将分立元件门电路简单集成化，不足之处是开关转换速度改进不大。4、TTL门电路 TTL门电路是目前广泛使用的集成逻辑门电路，分为54(军用)
10、和74(商用)两大系列，每个系列又有若干子系列。如CT54/74通用系列、CT54/74H高速系列、CT54/74S肖特基系列和CT54/74LS低功耗肖特基系列。TTL门电路中最典型的是TTL与门非电路。（1）CT54/74通用系列的与非门多发射极三极管+5VYR2R3V3V4V1ABCb1R14kV2c1R4130D1-31.6k1kD（2）CT54/74H高速系列的与非门多发射极三极管+5VYR2R3V3V4V1V5ABCb1R12.8kV2c1R5R458D1-34k760470 ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3R1R2R4R5RBRCB1C1C2E2YVCC+5V2.
11、8 k900 50 3.5 k500 250（3）CT54/74S肖特基系列的与非门多发射极肖特基三极管ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3R1R2R4R5RBRCB1C1C2E2YVCC+5V输入级中间倒相级输出级STTL系列与非门电路逻辑符号2.8 k900 50 3.5 k500 250 V1V2V3V5V6二、二、TTL 与非门的工作原理与非门的工作原理(一)典型 TTL 与非门电路（CT54/74S系列为例）除V4外，采用了抗饱和三极管，用以提高门电路工作速度。V4不会工作于饱和状态，因此用普通三极管。输入级主要由多发射极管 V1 和基极电阻 R1 组成，用以实现输入变量
12、 A、B、C 的与运算。VD1 VD3 为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，VD1 VD3不工作，当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时，二极管导通，输入端负电压被钳在-0.7 V上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对 V1 还有保护作用。中间级起倒相放大作用，V2 集电极 C2 和发射极 E2 同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动 V3和 V5。RB、RC 和 V6 构成有源泄放电路，用以减小 V5管开关时间，从而提高门电路工作速度。输出级由 V3、V4、R4、R5和V5组成。其中 V3 和 V4 构成复合管，与 V5 构成推拉式输出结构，提高了负载能力
13、。VD1 VD3 在正常信号输入时不工作，因此下面的分析中不予考虑。RB、RC 和V6 所构成的有源泄放电路的作用是提高开关速度，它们不影响与非门的逻辑功能，因此下面的工作原理分析中也不予考虑。因为抗饱和三极管 V1的集电结导通电压为 0.4 V，而 V2、V5 发射结导通电压为 0.7 V，因此要使 V1 集电结和 V2、V5 发射结导通，必须 uB1 1.8 V。输入端有一个或数个为 低电平时，输出高电平。输入低电平端对应的发射结导通，uB1=0.7 V+0.3 V=1 VV1管其他发射结因反偏而截止。这时 V2、V5 截止。V2 截止使 V1 集电极等效电阻很大，使 IB1 IB1(sa
14、t)，V1 深度饱和。V2 截止使 uC2 VCC=5 V，因此，输入有低电平时，输出为高电平。2.8k0.3 V3.6 V3.6 V1 V5 V截止截止深度饱和V3 微饱和，V4 放大工作。uY=5V-0.7 V-0.7 V=3.6 V电路输出为高电平。微饱和放大(二)TTL 与非门的工作原理 综上所述,该电路实现了与非逻辑功能,即ABCY 3.6 V3.6 V3.6 V因此，V1 发射结反偏而集电极正偏，称处于倒置放大状态。1.8 V这时 V2、V5 饱和。uC2=UCE2(sat)+uBE5 =0.3 V+0.7 V=1 V使 V3 导通，而 V4 截止。1 V uY=UCE5(sat)
15、0.3 V 输出为低电平 因此，输入均为高电平时，输出为低电平。0.3 V V4 截止使 V5 的等效集电极电阻很大，使 IB5 IB5(sat)，因此 V5 深度饱和。倒置放大饱和饱和截止导通TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平。输入均为高电平时，输出低电平 VCC 经 R1 使 V1 集电结和 V2、V5 发射结导通，使uB1=1.8 V。深注意2.TTL与非门的工作原理 电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门电压传输特性曲线(三)TTL 与非门的外特性及主要参数 1.电压传输特性和噪声容限 输出电压随输入电压
16、变化的特性 uI 较小时工作于AB 段，这时 V2、V5 截止，V3、V4 导通，输出恒为高电平，UOH 3.6V，称与非门工作在截止区或处于关门状态。uI 较大时工作于 BC 段，这时 V2、V5 工作于放大区，uI 的微小增大引起 uO 急剧下降，称与非门工作在转折区。uI 很大时工作于 CD 段，这时 V2、V5 饱和，输出恒为低电平，UOL 0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门电压传输特性曲线饱和区：与非门处于开门状态。截止区：与非门处于关门状态。转折区 下面介绍
17、与电压传输特性有关的主要参数：有关参数 0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线标准高电平 USH 当 uO USH 时，则认为输出高电平，通常取 USH=3 V。标准低电平 USL当 uO USL 时，则认为输出低电平，通常取 USL=0.3 V。关门电平 UOFF保证输出不小于USH的90%时,允许的输入低电平的最大值。开门电平 UON保证输出不高于USL 时,允许的输入高电平的最小值。阈值电压 UTH转折区中点对应的输入电压，又称门槛电平。USH=3VUSL=0.3VUOFFUONUTH近似分析时认为：uI UTH，则与非门开通，输
18、出低电平UOL；uI UTH，则与非门关闭，输出高电平UOH。噪声容限越大，抗干扰能力越强。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。UNL=UOFF UIL 指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。UNH=UIH UON 输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限。输入高电平噪声容限 UNH输入低电平噪声容限 UNL输入负载特性测试电路 输入负载特性曲线0uI/VR1/kUOFF1.1FNROFFRON2.输入负载特性 ROFF 称关门电阻。RI RON 时，相应输入端相当于输入高电平。对 STTL 系列，RON 2.1 k。RONROFFU
19、OFF例 下图中，已知 ROFF 800，RON 3 k，试对应 输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。(a)(b)tA0.3 V3.6 VO不同 TTL 系列，RON、ROFF 不同。相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑 0。逻辑0因此 Ya 输出恒为高电平 UOH。相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑 1。逻辑1AAYb 1因此，可画出波形如图所示。YbtOYatUOHO解：图(a)中，RI=300 RON 3 k3.负载能力 负载电流流入与非门的输出端。负载电流从与非门的输出端流向外负载。负载电流流入驱动门IOL负载电流流出驱动门IOH输入均为高电平 输入有低电平
20、输出为低电平 输出为高电平 灌电流负载拉电流负载 不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。实用中常用扇出系数 NOL 表示电路负载能力。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。通常按照负载电流的流向将与非门负载分为 灌电流负载 拉电流负载+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级IOLIiL1IiL2IiL3前级门输出为 低电平时出扇系数：驱动同类门的个数+5VR4R2R5T3T4T1前级T1T1IiH1IiH3IiH2IOH前级门输出为 高电平时 由于三极管存在开关时间，元、器件及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩形
21、脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。输入信号UOm0.5 UOm0.5 UImUIm输出信号4.传输延迟时间 输入电压波形下降沿 0.5 UIm 处到输出电压上升沿 0.5 Uom处间隔的时间称截止延迟时间 tPLH。输入电压波形上升沿 0.5 UIm 处到输出电压下降沿 0.5 Uom处间隔的时间称导通延迟时间 tPHL。平均传输延迟时间 tpd 2PLHPHLpdttt tPHLtPLHtpd 越小，则门电路开关速度越高，工作频率越高。0.5 UIm0.5 UOm5、平均功耗和动态尖峰电流、平均功耗和动态尖峰电流空载开态功耗空载开态功耗 PL=IELVCC空载关态功耗空载关态功耗 PH=IEH
22、VCC静态平均功耗静态平均功耗 P=（PL+PH）/2动态平均功耗 PEM=P+f tpd（IEM-IEL）VCC/2n工作频率愈高功耗愈大。IEHIELIEM6.功耗-延迟积 常用功耗 P 和平均传输延迟时间 tpd 的乘积(简称功耗 延迟积)来综合评价门电路的性能，即M=P tpd 性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的特点，然而这两者矛盾。M 又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。使用时需外接上拉电阻 RL 即 Open collector gate，简称 OC 门。常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、与或非门和异或门等。它们都是在与非门基础上发展出来的，TTL 与非门的上述
23、特性对这些门电路大多适用。VC 可以等于 VCC也可不等于 VCC 3.3.2其他功能的其他功能的 TTL 门电路门电路 一、集电极开路与非门（OC门）1.电路、逻辑符号和工作原理 输入都为高电平时，V2 和 V5 饱和导通，输出为低电平 UOL 0.3 V。输入有低电平时，V2和 V5 截止，输出为高电平 UOH VC。因此具有与非功能。工作原理 OC门 相当于与门作用。因为 Y1、Y2 中有低电平时，Y 为低电平；只有 Y1、Y2 均为高电平时，Y才为高电平，故 Y=Y1 Y2。2.应用(1)实现线与两个或多个 OC 门的输出端直接相连，相当于将这些输出信号相与，称为线与。Y注意CDABC
24、DABY 一般的TTL与非门能否线与？只有 OC 门才能实现线与。普通 TTL 门输出端不能并联，否则可能损坏器件。(2)驱动显示器和继电器等 例 下图为用 OC 门驱动发光二极管 LED 的显示电路。已知 LED 的正向导通压降 UF=2V，正向工作电流 IF=10 mA，为保证电路正常工作，试确定 RC 的值。解：为保证电路正常工作，应满足FCOLFV5CIRUUIR mA 10V 3.0V 2V 5 C R即即因此RC=270 分析：该电路只有在 A、B 均为高电平，使输出 uO 为低电平时，LED 才导通发光；否则 LED 中无电流流通，不发光。要使 LED 发光，应满足IRc IF=
25、10 mA。TTLCMOSRLVDD+5 V(3)实现电平转换 TTL 与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同种类门电路的高低电平标准不一样。应用 OC 门就可以适应负载门对电平的要求。OC 门的 UOL 0.3V，UOH VDD，正好符合 CMOS 电路 UIH VDD，UIL 0的要求。VDDRL 即 Tri-State Logic 门，简称 TSL 门。其输出有高电平态、低电平态和高阻态三种状态。三态输出与非门电路 EN=1 时，P=0，uP=0.3V0110 0.3V1V导通截止截止 另一方面，V1 导通，uB1=0.3V+0.7V=1V,V2、V5 截止。这时，从输出端 Y 看进去
26、，对地和对电源 VCC 都相当于开路，输出端呈现高阻态，相当于输出端开路。Y=AB1V导通截止截止Z这时 VD 导通，使 uC2=0.3 V+0.7 V=1 V，使 V4 截止。二、三态输出门（TSL门）1.电路、逻辑符号和工作原理工作原理 EN=0 时，P=1，VD 截止电路等效为一个输入为 A、B 和1 的 TTL 与非门。Y=AB 综上所述，可见：1.电路、逻辑符号和工作原理只有当使能信号 EN=0 时才允许三态门工作，故称 EN 低电平有效。EN 称使能信号或控制信号，A、B 称数据信号。当 EN=0 时，Y=AB，三态门处于工作态；当 EN=1 时，三态门输出呈现高阻态，又称禁止态。
27、EN 即 Enable功能表Z0AB1YEN使能端的两种控制方式使能端低电平有效使能端高电平有效功能表Z1AB0YENEN2.应用 任何时刻 EN1、EN2、EN3 中只能有一个为有效电平，使相应三态门工作，而其他三态输出门处于高阻状态，从而实现了总线的复用。总线(1)构成单向总线 DIDO/DIDO00高阻态工作DI EN=0 时，总线上的数据 DI经反相后在 G2 输出端输出。(2)构成双向总线 DIDO/DIDO11工作DO高阻态 EN=1 时，数据 DO 经 G1 反相后传送到总线上。DIDO/DIDO11工作DO高阻态 EN=1 时，数据 DO 经 G1 反相后传送到总线上。DIDO
28、/DIDO 三、三、TTL或非门或非门独立的两个输入级、中间级两个中间级的输出并接共用输出级TTL或非门电路各晶体管工作状态 TTL 集成门的类型很多,那么如何识别它们?各类型之间有何异同?如何选用合适的门?3.3.3 TTL 集成门应用要点集成门应用要点 1.各系列 TTL 集成门的比较与选用 用于民品 用于军品 具有完全相同的电路结构和电气性能参数，但 CT54 系列更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作。按工作温度和电源允许变化范围不同分为 CT74 系列 CT54 系列向高速发展 向低功耗发展 按平均传输延迟时间和平均功耗不同分 向减小功耗-延迟积发展 措施：增大电阻值 措施
29、：(1)采用 SBD 和抗饱和三极管；(2)采用有源泄放电路；(3)减小电路中的电阻值。其中，LSTTL 系列综合性能优越、品种多、价格便宜；ALSTTL 系列性能优于 LSTTL，但品种少、价格较高，因此实用中多选用 LSTTL。CT74 系列(即标准 TTL)CT74L 系列(即低功耗 TTL简称 LTTL)CT74H 系列(即高速 TTL简称 HTTL)CT74S 系列(即肖特基TTL简称 STTL)CT74AS 系列(即先进肖特基TTL简称 ASTTL)CT74LS 系列(即低功耗肖特基TTL 简称 LSTTL)CT74ALS 系列(即先进低功耗肖特基TTL 简称 LSTTL)集成门的
30、选用要点(1)实际使用中的最高工作频率 fm 应不大于逻辑门最高工作 频率 fmax 的一半。(2)不同系列 TTL 中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速度(平均传输延迟时间 tpd)和平均功耗不同。实际使用时，高速门电路可以替换低速的；反之则不行。例如 CT7400CT74L00CT74H00CT74S00CT74LS00CT74AS00CT74ALS00 xx74xx00 引脚图 双列直插 14 引脚四 2 输入与非门 2.TTL 集成逻辑门的使用要点(1)电源电压用+5 V，74 系列应满足 5 V 5%。(2)输出端的连接 普通 TTL 门
31、输出端不允许直接并联使用。三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源 VCC 之间应接负载电阻 RL。输出端不允许直接接电源 VCC 或直接接地。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。3.多余输入端的处理 与门和与非门的多余输入端接逻辑 1 或者与有用输入端并接。接 VCC通过 1 10 k 电阻接 VCC与有用输入端并接TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平，做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。或门和或非门的多余输入端接逻辑 0或者与有用输入端并接例 欲用
32、下列电路实现非运算，试改错。(ROFF 700，RON 2.1 k)解：OC 门输出端需外接上拉电阻RC5.1kY=1Y=0 RI RON，相应输入端为高电平。510 RI UGS(th)N+UGS(th)P且 UGS(th)N=UGS(th)PUGS(th)N增强型 NMOS 管开启电压AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB NMOS 管的衬底接电路最低电位，PMOS管的衬底接最高电位，从而保证衬底与漏源间的 PN 结始终反偏。.uGSN+-增强型 PMOS 管开启电压uGSP+-UGS(th)PuGSN UGS(th)N 时，增强型 NMOS 管导通uGSN UGS(th)N 时，增强
33、型 NMOS 管截止OiDuGSUGS(th)N增强型 NMOS 管转移特性 时,增强型 PMOS 管导通 时,增强型 PMOS 管截止OiDuGSUGS(th)P增强型 PMOS 管转移特性PGS(th)GSPUu PGS(th)GSPUu AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB 1、电路基本结构 UIL=0 V，UIH=VDD VDD/2门限电压AuIYuOVDDSGDDGSVP衬底 BVN衬底 B 2、工作原理 ROFFNRONPuO+VDDSDDS导通电阻 RON 截止电阻 ROFFRONNROFFPuO+VDDSDDS可见该电路构成 CMOS 非门，又称 CMOS 反相器。无论输
34、入高低，VN、VP 中总有一管截止，使静态漏极电流 iD 0。因此 CMOS 反相器静态功耗极微小。输入为低电平，UIL=0V 时，uGSN=0V UGS(th)N,VN 导通，VP 截止，PGS(th)DDDDGSPV0UVVu 输入为低电平 UIL=0 V 时，uGSN=0V UGS(th)N，VN 截止，VP 导通，PGS(th)DDSPGPV0UVuu GSPuuOVDD ,为高电平。UIH=VDDuO 0 V，为低电平。3.4.2 其他功能的其他功能的 CMOS 门电路门电路 一、CMOS 与非门和或非门 1.CMOS 与非门 ABVDDVPBVPAVNAVNBY 每个输入端对应一对
35、 NMOS 管和PMOS 管。NMOS 管为驱动管，PMOS 管为负载管。输入端与它们的栅极相连。与非门结构特点：驱动管相串联，负载管相并联。ABVDDVPBVPAVNAVNBY CMOS 与非门工作原理11导通导通截止截止0 驱动管均导通，负载管均截止，输出为低电平。当输入均为 高电平时：低电平输入端相对应的驱动管截止，负载管导通，输出为高电平。当输入中有 低电平时：ABVDDVPBVPAVNAVNBY0截止导通1因此 Y=AB2.CMOS 或非门 ABVDDVPBVPAVNAVNBY或非门结构特点：驱动管相并联，负载管相串联。Y=A+B3、CMOS门电路的构成规律 分析复杂的CMOS门电路
36、时，可以不必像前面一样逐个分析电路中各MOS管的通断情况，而可以按照下面的规律判断CMOS门电路的功能：首先确定基本单元数（一个NMOS管和一个PMOS管构成一个基本单元）。NMOS管串而PMOS管并为“与”，NMOS管并而PMOS管串为“或”。NMOS管组和PMOS管组连接点引出输出为“取反”。基本单元数：NMOS管串而PMOS管并为“与”NMOS管组和PMOS管组连接点引出输出为“取反”。CDABCDABY例逻辑功能七个YABuOuIVDD1漏极开路的CMOS与非门电路 二、漏极开路的 CMOS 门简称 OD 门 与 OC 门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。Y=AB构成与门 构
37、成输出端开路的非门需外接上拉电阻 RDC、C 为互补控制信号 由一对参数对称一致的增强型 NMOS 管和 PMOS 管并联构成。PMOSCuI/uOVDDCMOS传输门电路结构uO/uIVPCNMOSVN 三、CMOS 传输门 1、基本结构 MOS 管的漏极和源极结构对称，可互换使用，因此 CMOS 传输门的输出端和输入端也可互换。uOuIuIuO 当 C=0V，uI=0 VDD 时，VN、VP 均截止，输出与输入之间呈现高电阻，相当于开关断开。uI 不能传输到输出端，称传输门关闭。CC 当 C=VDD，uI=0 VDD 时，VN、VP 中至少有一管导通，输出与输入之间呈现低电阻，相当于开关闭
38、合。uO=uI，称传输门开通。2、工作原理 C=1，C=0 时，传输门开通，uO=uI；C=0，C=1 时，传输门关闭，信号不能传输。PMOSCuI/uOVDDCMOS传输门电路结构uO/uIVPCNMOSVN 传输门是一个理想的双向开关，可传输模拟信号，也可传输数字信号。TGuI/uOuO/uICC传输门逻辑符号 TG 即 Transmission Gate 的缩写 3、逻辑符号 在反相器基础上串接了 PMOS 管 VP2 和 NMOS 管 VN2，它们的栅极分别受 EN 和 EN 控制。四、CMOS 三态输出门 AENVDDYVP2VP1VN1VN2低电平使能的 CMOS 三态输出门1、基
39、本结构001导通导通Y=A110截止截止Z EN=1 时，VP2、VN2 均截止，输出端 Y 呈现高阻态。因此构成使能端低电平有效的三态门。EN=0 时，VP2 和 VN2 导通，呈现低电阻，不影响 CMOS 反相器工作。Y=AEN2、工作原理3.4.3 CMOS数字集成电路应用要点数字集成电路应用要点 一、CMOS 数字集成电路系列 CMOS4000 系列 功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围宽 VDD=3 15 V；工作频率低，fmax=5 MHz；驱动能力差。高速CMOS 系列(又称 HCMOS 系列)功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围 VDD=2 6 V；工作频率高，fmax=50
40、MHz；驱动能力强。提高速度措施：减小MOS 管的极间电容。由于CMOS电路 UTH VDD/2，噪声容限UNL UNH VDD/2，因此抗干扰能力很强。电源电压越高，抗干扰能力越强。民品 军品 VDD=2 6 V T 表示与 TTL 兼容VDD=4.5 5.5 V CC54HC/74HC 系列CC54HC /74HC 系列 TT按电源电压不同分为 按工作温度不同分为 CC74 系列 CC54 系列 高速 CMOS 系列1.注意不同系列 CMOS 电路允许的电源电压范围不同，一般多用+5 V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。二、CMOS 集成逻辑门使用要点 2.闲置输入端的处理 不允许悬空。可
41、与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。主要要求：了解 TTL 电路和 CMOS 电路的接口。了解集成逻辑门电路的选用和应用。3.5 TTL 电路与电路与 CMOS 电路的接口电路的接口 了解 TTL 和 CMOS 电路的主要差异。3.5.1 TTL电路驱动电路驱动CMOS电路电路TTL电路输出低电平电流较大,满足驱动CMOS 电路的要求，而输出高电平的下限值小于CMOS电路输入高电平的下限值，它们之间不能直接驱动。因此，应设法提高TTL电路输出高电平的下限值，使其大
42、于CMOS电路输入高电平的下限值。在TTL电路输出接一个上拉电阻RU。一、TTL电路驱动CMOS4000系列电路TTL电路输出和CMOS 电路输入端之间接入一个CMOS电平转换器。二、TTL电路驱动74HCT高速CMOS电路 高速 CMOS 电路 CC74HCT 系列在制造时已考虑到和TTL电路的兼容问题，它的输入高电平UIH（min)=2 V，而TTL电路输出的高电平 UOH（min)=2.7 V，因此，TTL电路的输出端可直接与高速 CMOS 电路 CC74HCT 系列的输入端相连，不需要另外再加其它器件。3.5.2 CMOS 电路驱动电路驱动 TTL 电路电路CMOS4000 系列电路输
43、出的高、低电平都满足要求，但由于TTL 电路输入低电平电流较大，而 CMOS4000系列电路输出低电平电流却很小，灌电流负载能力很差，不能向TTL提供叫大的低电平电流。因此，应设法提高CMOS4000系列电路输出低电平电流的能力。将同一芯片上的多个CMOS电路并联作驱动门。在CMOS 电路输出端和TTL电路输入端之间接入CMOS驱动器。一、CMOS4000 系列驱动 TTL 电路 二、高速CMOS电路驱动TTL电路 高速 CMOS 电路 的电源电压VDD =VCC=5 V时，CC74HC 和 CC74HCT 系列电路的输出端和 TTL 电路的输入端可直接相连。3.5.3 CMOS 门门电路比之
44、电路比之 TTL 的主要特点的主要特点 注意：CMOS 电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非 CMOS 电路的驱动能力比 TTL 强。实际上 CMOS4000 系列驱动能力远小于 TTL，HCMOS 驱动能力与 TTL 相近。功耗极低 抗干扰能力强 电源电压范围宽 输出信号摆幅大(UOH VDD，UOL 0 V)输入阻抗高 扇出系数大 3.5.4 集成逻辑门电路的选用集成逻辑门电路的选用 根据电路工作要求和市场因素等综合决定 若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用 TTL 电路。目前多用 74LS 系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至 20 MHz；如工作频率较
45、高，可选用 CT74ALS 系列，其工作频率一般可至 50 MHz。若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用 CMOS 电路。其中 CMOS4000 系列一般用于工作频率 1 MHz 以下、驱动能力要求不高的场合；HCMOS 常用于工作频率 20 MHz 以下、要求较强驱动能力的场合。解：3.5.5 集成逻辑门电路应用举例集成逻辑门电路应用举例 例 试改正下图电路的错误，使其正常工作。CMOS 门TTL 门OD 门(a)(b)(c)(d)VDDCMOS 门Ya=ABVDDYb=A+BTTL 门OD 门Yc=AVDDENYd=ABEN=1 时EN=0 时OD 门&TTL 门悬空CMOS 门悬空可用两
46、级电路 2 个与非门实现之例 试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。解：(1)用与非门实现与门设法将 Y=AB 用与非式表示因为 Y=AB=AB因此，用与非门实现的与门电路为Y=AB将与非门多余输入端与有用端并联使用构成非门可用两级电路 3 个与非门实现(2)用与非门实现或门因此，用与非门实现的或门电路为Y=A+B因为 Y=A+B=A+B=A B设法将 Y=A+B 用与非式表示实现 A实现 B可用两级电路 3 个或非门实现之。(3)用或非门实现与门设法将 Y=AB 用或非式表示因此，用或非门实现的与门电路为因为 Y=AB=A B=A+B将或非门多余输入端与有用端并联使用构成非门Y=AB可用两
47、级电路 2 个或非门实现之(4)用或非门实现或门设法将 Y=A+B 用或非式表示因为 Y=A+B=A+B因此，用或非门实现的或门电路为Y=A+B例 有一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才产生报警信号，试用与非门设计产生报警信号的电路。解：(1)分析设计要求，建立真值表感三种不同类型的火灾探测器有烟感、温感和紫外光产生报警信号两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才与非门设计 报警电路的输入信号为烟感、温感和紫外光感三种探测器的输出信号，设用 A、B、C 表示，且规定有火灾探测信号时用 1 表示
48、，否则用 0 表示。报警电路的输出用 Y 表示，且规定需报警时Y 为 1，否则 Y 为 0。由此可列出真值表如右图所示11110000(2)根据真值表画函数卡诺图 1 1ABC0100 0111 10 1 1(3)用卡诺图化简法求出输出逻辑函数的最简与或表达式，再变换为与非表达式。Y=AB+AC+BC(4)画逻辑图根据 Y 的与非表达式画逻辑图=AB AC BCABCY=AB AC BC门电路是组成数字电路的基本单元之一，最基本的逻辑门电路有与门、或门和非门。实用中通常采用集成门电路，常用的有与非门、或非门、与或非门、异或门、输出开路门、三态门和 CMOS 传输门等。门电路的学习重点是常用集成
49、门的逻辑功能、外特性和应用方法。本章小结本章小结在数字电路中，三极管作为开关使用。硅 NPN 管的截止条件为 UBE 0.5 V，可靠截止条件为 UBE 0 V，这时 iB 0，iC 0，集电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件为 iB IB(sat)，这时，硅管的 UBE(sat)0.7 V，UCE(sat)0.3 V，集电极和发射极之间相当于开关闭合。三极管的开关时间限制了开关速度。开关时间主要由电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。TTL 数字集成电路主要有 CT74 标准系列、CT74L 低功耗系列、CT74H 高速系列、CT74S 肖特基
50、系列、CT74LS 低功耗肖特基系列、CT74AS 先进肖特基系列和 CT74ALS先进低功耗肖特基系列。其中，CT74L 系列功耗最小，CT74AS 系列工作频率最高。通常用功耗-延迟积来综合评价门电路性能。CT74LS 系列功耗-延迟积很小、性能优越、品种多、价格便宜，实用中多选用之。ALSTTL 系列性能更优于 LSTTL，但品种少、价格较高。CMOS 数字集成电路主要有 CMOS4000 系列和HCMOS 系列。CMOS4000 系列工作速度低，负载能力差，但功耗极低、抗干扰能力强，电源电压范围宽，因此，在工作频率不高的情况下应用很多。CC74HC 和 CC74HCT 两个系列的工作频
