第3章 集成逻辑门.ppt

第第3 3章章 集成逻辑门集成逻辑门3.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。的导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑逻辑0和和1：电子电路中用高、低电平来表示。电子电路中用高、低电平来表示。逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路，简称门电路。路，简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。与非门、或非门、与或非门和异或门等。分立元件门电路分立元件门电路1 1、二极管与门二极管与门+VCC(+5V)R 3k Y D1A D2B5V0VABY&uA uBuYD1 D20V 0V0V 5V5V 0V5V 5V0.7V0.7V0.7V5V导通 导通导通 截止截止 导通截止 截止A BY0 00 11 01 10001Y=ABA D1B D2 5V 0V YR3k2 2、二极管或门二极管或门ABY 1uA uBuYD1 D20V 0V0V 5V5V 0V5V 5V0V4.3V4.3V4.3V截 止 截 止截 止 导 通导 通 截 止导 通 导 通A BY0 00 11 01 10111Y=A+B A =30+5V Y 电路图 1 逻辑符号 A Y 1k 4.3k 3 3、三极管非门三极管非门uA0V时，三极管截止，时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。时，三极管导通。三极管工作在饱和状态。输出电压三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。AY0110AY AA1电路图逻辑符号YYGSDB+VDD+10V RD20k当当uA0V时，由于时，由于uGSuA0V，小于开启电压，小于开启电压UT，所以所以MOS管截止。输出电压为管截止。输出电压为uYVDD10V。当当uA10V时，由于时，由于uGSuA10V，大于开启电压，大于开启电压UT，所以所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为只有几百欧姆。输出电压为uY0V。AY 3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门 T4+VCC(+5V)b1 A BR13kT3T2T1Y R4100+VCC(+5V)T5 A BTTL与非门电路T1的等效电路D3c1R13kR2750R3360R53kD1D23.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门3.2.1 TTL与非门与非门BAYuA uBuY0.3V 0.3V0.3V 3.6V3.6V 0.3V3.6V 3.6V3.6V3.6V3.6V0.3VA BY0 00 11 01 11110功能表功能表真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式74LS00 的引脚排列图VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 14 13 12 11 10 9 874LS20 1 2 3 4 5 6 7VCC 2A 2B NC 2C 2D 2Y 1A 1B NC 1C 1D 1Y GND74LS20 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 874LS00 1 2 3 4 5 6 774LS00内含内含4个个2输入与非门，输入与非门，74LS20内含内含2个个4输入与非门。输入与非门。3.2.2 TTL与非门的特性与参数与非门的特性与参数 1.电压传输特性电压传输特性 电压传输特性是指输出电压跟随输入电压变化的关系曲电压传输特性是指输出电压跟随输入电压变化的关系曲线，即线，即UO=f(uI)函数关系，它可以用图函数关系，它可以用图3-3所示的曲线表示。所示的曲线表示。由图可见，曲线大致分为四段：由图可见，曲线大致分为四段：AB段段(截止区截止区)：当：当UI0.6V时，时，T1工作在深饱和状态，故工作在深饱和状态，故T2、T5截止，截止，T3、T4均导通，均导通，输出高电平输出高电平UOH=3.6V。图 3-3 TTL与非门的电压传输特性 AUOHBCDEUOLUI(V)UO(V)0.32.7UOFFUTUON BC段段(线性区线性区)：当：当0.6VUI1.3V时，输出电压时，输出电压Uo随输随输入电压入电压UI 的增大而线性降低。的增大而线性降低。CD段段(过渡区过渡区)：1.3VUI1.4V，输出电压，输出电压Uo急剧下降到急剧下降到低电平，低电平，UOL=0.3V，由于，由于UI的微小变化，而引起的微小变化，而引起Uo的急剧的急剧下降。下降。DE段段(饱和区饱和区)：当：当UI1.4V时，时，T3导通，导通，T4截止，截止，T2、T5饱和，因而输出低电平饱和，因而输出低电平UOL=0.3V。从电压传输特性可以得出以下几个重要参数：从电压传输特性可以得出以下几个重要参数：输出高电平输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL。电压传输特性的截止区的输出电压电压传输特性的截止区的输出电压UOH=3.6V，饱和区的，饱和区的输出电压输出电压UOL=0.3V。一般产品规定。一般产品规定UOH2.4V、UOL0.4V时即为合格。时即为合格。阈值电压阈值电压UT。阈值电压也称门槛电压。电压传输特性上转折区中点所阈值电压也称门槛电压。电压传输特性上转折区中点所对应的输入电压对应的输入电压UT1.3或或1.4 V，可以将，可以将UT看成与非门导通看成与非门导通(输出低电平输出低电平)和截止和截止(输出高电平输出高电平)的分界线。的分界线。开门电平开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF。开门电平开门电平UON是保证输出电平达到额定低电平是保证输出电平达到额定低电平(0.3V)时，所允许输入高电平的最低值，即只有当时，所允许输入高电平的最低值，即只有当UIUON时，时，输出才为低电平。通常输出才为低电平。通常UO N=1.4V，一般产品规定，一般产品规定UON1.8V。关门电平关门电平UOFF是保证输出电平为额定高电平是保证输出电平为额定高电平(2.7V左右左右)时，允许输入低电平的最大值，即只有当时，允许输入低电平的最大值，即只有当UIUOFF时，时，输输出才是高电平。通常出才是高电平。通常UOFF1V，一般产品要求，一般产品要求UOFF0.8V。3.2.4 3.2.4 OC门及门及TSL门门OC 与非门的电路结构AB+VCCYR YABCD&OC 门线与图+VCCR Y1 Y2 T1 T2 T3 uB1问题的提出：问题的提出：为解决一般为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。与非门不能线与而设计的。A、B不全为不全为1时，时，uB1=1V，T2、T3截止，截止，Y=1。接入外接电阻接入外接电阻R后：后：A、B全为全为1时，时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，饱和导通，Y=0。BAYOC门TSL门门 三态逻辑门（三态逻辑门（Three State Logic），简称），简称TSL门，该门，该门输出不仅有高电平和低电平两种状态，还有第三个状态门输出不仅有高电平和低电平两种状态，还有第三个状态叫做高阻态。叫做高阻态。TSL门的应用：门的应用：G1 总线 1 EN E1 A1 1 EN E2 A2 1 EN En An (a)单向总线 G2 Gn 构成数据总线：让各门的控制构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个刻只让一个TSL门处于工作状门处于工作状态，而其余态，而其余TSL门均处于高阻门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受状态，这样总线就会轮流接受各各TSL门的输出。门的输出。3.3 MOS逻辑门逻辑门 CMOS集成门电路集成门电路1 1、CMOS反相器反相器uA+VDD+10VTPTN+VDD+10V+VDD+10VSSRONPRONN10V0V(a)电路(b)TN截止、TP导通(c)TN导通、TP截止uYuYuY（1）uA0V时，时，TN截止，截止，TP导通。输出电压导通。输出电压uYVDD10V。（2）uA10V时，时，TN导通，导通，TP截止。输出电压截止。输出电压uY0V。AY 2 2、CMOS与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门 CMOS与非门与非门BY+VDDATP1TN1TN2TP2BAYA、B当中有一个或全为当中有一个或全为低电平时，低电平时，TN1、TN2中有中有一个或全部截止，一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，中有一个或全部导通，输出输出Y为高电平。为高电平。只有当输入只有当输入A、B全为高全为高电平时，电平时，TN1和和TN2才会都导才会都导通，通，TP1和和TP2才会都截止，才会都截止，输出输出Y才会为低电平。才会为低电平。BY+VDDATN1TP2TN2TP1 CMOS或非门或非门BAY只要输入只要输入A、B当当中有一个或全为高中有一个或全为高电平，电平，TP1、TP2中有中有一个或全部截止，一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或中有一个或全部导通，输出全部导通，输出Y为为低电平。低电平。只有当只有当A、B全为全为低电平时，低电平时，TP1和和TP2才会都导通，才会都导通，TN1和和TN2才会都截止，输才会都截止，输出出Y才会为高电平。才会为高电平。C+VDDTGuiuiuouoTPTNCCC(a)电路(b)符号 CMOS 传输门传输门C0、，即，即C端为低电平（端为低电平（0V）、）、端为高电平（端为高电平（VDD）时，时，TN和和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。开关断开一样。C1、，即，即C端为高电平（端为高电平（VDD）、）、端为低电平（端为低电平（0V）时，时，TN和和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，通一样，uoui。1C0CCC使用集成电路时的注意事项使用集成电路时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）TTL电路和电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。对器件造成损害。利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、两方面都别具特色的三态门、OCOC门和传输门。门和传输门。随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。数字电路已被集成电路所取代。TTLTTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能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。力较强，带负载的能力也比较强，