第2章 数电ppt课件 基本逻辑运算及集成逻辑门.ppt

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1、第二章基本逻辑运算及集成逻辑门,2.1基本逻辑运算2.2常用复合逻辑2.3正负逻辑2.4集成逻辑门,1,2.1基本逻辑运算,逻辑是指事物因果之间所遵循的规律。为了避免用冗繁的文字来描述逻辑问题，逻辑代数采用逻辑变量和一套运算符组成逻辑函数表达式来描述事物的因果关系。逻辑代数中的变量称为逻辑变量，一般用大写字母A、B、C、表示，逻辑变量的取值只有两种，即逻辑0和逻辑1。0和1称为逻辑常量。但必须指出，这里的逻辑0和1本身并没有数值意义，它们并不代表数量的大小，而仅仅是作为一种符号，代表事物矛盾双方的两种状态。,2,逻辑函数与普通代数中的函数相似，它是随自变量的变化而变化的因变量。因此，如果用自变

2、量和因变量分别表示某一事件发生的条件和结果，那么该事件的因果关系就可以用逻辑函数来描述。数字电路的输入、输出量一般用高、低电平来表示，高、低电平也可以用二值逻辑1和0来表示。同时数字电路的输出与输入之间的关系是一种因果关系，因此它可以用逻辑函数来描述，并称为逻辑电路。对于任何一个电路，若输入逻辑变量A、B、C、的取值确定后，其输出逻辑变量F的值也被惟一地确定了，则可以称F是A、B、C、的逻辑函数，并记为,3,2.1.1与逻辑(与运算、逻辑乘),决定某一结论的所有条件同时成立，结论才成立，这种因果关系叫与逻辑，也叫与运算或叫逻辑乘。,与逻辑的真值表,与门逻辑电路实例图,4,由表可知，上述三个语句

3、之间的因果关系属于与逻辑。其逻辑表达式(也叫逻辑函数式)为：F=AB在不致于混淆的情况下，可以把符号“”省掉。在有些文献中，也采用、&等符号来表示逻辑乘。由表的真值表可知，逻辑乘的基本运算规则为：00=001=010=011=10A=01A=AAA=A,5,实现“与运算”的电路叫与门，其逻辑符号如图所示，图(a)为国外流行符号，图(b)为国家标准符号。,与门的逻辑符号,(,a,),F,A,B,(,b,),&,F,A,B,6,2.1.2或逻辑(或运算、逻辑加),决定某一结论的所有条件中，只要有一个成立，则结论就成立，这种因果关系叫或逻辑。,或逻辑的真值表,或门逻辑电路实例图,7,由表可知，上述三

4、个语句之间的因果关系属于或逻辑。其逻辑表达式为：F=A+B读作“F等于A加B”。有些文献也采用、等符号来表示逻辑加。由表的真值表可知，逻辑加的运算规则为：0+0=00+1=11+0=11+1=10+A=A1+A=1A+A=A,8,图或门的逻辑符号,实现“或运算”的电路叫或门，其逻辑符号如图所示，图(a)为国外流行符号，图(b)为国家标准符号。,9,2.1.3非逻辑(非运算，逻辑反),若前提条件为“真”，则结论为“假”；若前提条件为“假”，则结论为“真”。即结论是对前提条件的否定，这种因果关系叫非逻辑。,非逻辑的真值表,非门逻辑电路实例图,10,由表的真值表可知，上述两个语句之间的因果关系属于非

5、逻辑，也叫非运算或者叫逻辑反。其逻辑表达式为：通常称A为原变量，为反变量，二者共同称为互补变量。完成“非运算”的电路叫非门或者叫反相器，其逻辑符号如图所示。,11,非运算的运算规则是：,非门的逻辑符号,(a)常用符号；(b)国外流行符号；(c)国家标准符号,1,0,=,-,0,1,=,-,12,2.2常用复合逻辑,“与非”逻辑是“与”逻辑和“非”逻辑的组合。先“与”再“非”。其表达式为,2.2.1“与非”逻辑,(a)国外流行符号；(b)国标符号,实现“与非”逻辑运算的电路叫“与非门”。其逻辑符号如图所示。,13,2.2.2“或非”逻辑,“或非”逻辑是“或”逻辑和“非”逻辑的组合。先“或”后“非

6、”。其表达式为：,实现“或非”逻辑运算的电路叫“或非门”。其逻辑符号如图所示。,(a)国外流行符号；(b)国家标准符号,14,2.2.3“与或非”逻辑,“与或非”逻辑是“与”、“或”、“非”三种基本逻辑的组合。先“与”再“或”最后“非”。其表达式为：,实现“与或非”逻辑运算的电路叫“与或非门”。其逻辑符号如图所示。,图与或非门的逻辑符号,15,“异或”逻辑：若两个输入变量A、B的取值相异，则输出变量F为1；若A、B的取值相同，则F为0。逻辑表达式为：,2.2.4“异或”逻辑及“同或”逻辑,1.两变量的“异或”及“同或”逻辑,16,实现“异或”运算的电路叫“异或门”。其逻辑符号如图所示。,图异或

7、门的逻辑符号(a)国外流行符号；(b)国家标准符号,17,“同或”逻辑：若两个输入变量A、B的取值相同，则输出变量F为1；若A、B取值相异，则F为0。逻辑表达式为：,实现“同或”运算的电路叫“同或门”。其逻辑符号如图所示。,图同或门的逻辑符号,18,两变量的“异或”及“同或”逻辑的真值表如表所示。,表“异或”及“同或”逻辑真值表,19,反函数：对于输入变量的所有取值组合，函数F1和F2的取值总是相反，则称F1和F2互为反函数。记作：,由表可知，两变量的“异或逻辑”和“同或逻辑”互为反函数。即,20,多变量的“异或”或“同或”运算，要利用两变量的“异或门”或“同或门”来实现。实现电路分别如图所示

8、。,2.多变量的“异或”及“同或”逻辑,图多变量的“异或”电路,21,2.3正负逻辑,2.3.1正负逻辑,正逻辑体系：用1表示高电平，用0表示低电平。负逻辑体系：用1表示低电平，用0表示高电平。,1.正负逻辑的规定,2.正负逻辑的转换,对于同一个门电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。本书若无特殊说明，一律采用正逻辑体制。同一个门电路，对正、负逻辑而言，其逻辑功能是不同的。,22,2.3.2逻辑运算的优先级别逻辑运算的优先级别决定了逻辑运算的先后顺序。在求解逻辑函数时，应首先进行级别高的逻辑运算。各种逻辑运算的优先级别，由高到低的排序如下：长非号是指非号下有多个变量的非号。,23,对于一个代

9、数系统，若仅用它所定义的一组运算符号就能解决所有的运算问题，则称这一组符号是一个完备的集合，简称完备集。在逻辑代数中，与、或、非是三种最基本的运算，n变量的所有逻辑函数都可以用n个变量及一组逻辑运算符“、+、-”来构成，因此称“、+、-”运算符是一组完备集。,2.3.3逻辑运算符的完备性,24,正与门相当于负或门,二极管与门电路,25,但是“与、或、非”并不是最好的完备集，因为它实现一个函数要使用三种不同规格的逻辑门。实际上从反演律可以看出，有了“与”和“非”可得出“或”，有了“或”和“非”可得出“与”，因此“与非”、“或非”、“与或非”运算中的任何一种都能单独实现“与、或、非”运算，这三种复

10、合运算每种都是完备集，而且实现函数只需要一种规格的逻辑门，这就给设计工作带来许多方便。,26,例如，任何一个逻辑函数式都可以通过逻辑变换写成以下五种形式：,与或式,或与式,与非与非式,或非或非式,与或非式,27,图逻辑函数的五种形式,28,2.4集成逻辑门,数字集成电路按其内部有源器件的不同可以分为两大类。一类为双极型晶体管集成电路，它主要有晶体管晶体管逻辑(TTL-Transistor Transistor Logic)、射极耦合逻辑(ECL-Emitter Coupled Logic)和集成注入逻辑(I2L-Integrated Injection Logic)等几种类型。另一类为MOS(

11、Metal Oxide Semiconductor)集成电路，其有源器件采用金属氧化物半导体场效应管，它又可分为NMOS、PMOS和CMOS等几种类型。,29,目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集成电路。TTL集成电路工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低；MOS集成电路集成度高、功耗低。超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路，其缺点是工作速度略低。目前已生产了BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优势，缺点是制造工艺复杂。,30,小规模集成电路(SSI-Small Scale Integration)，每片组件内包含10100个元件(或

12、1020个等效门)。中规模集成电路(MSI-Medium Scale Integration)，每片组件内含1001000个元件(或20100个等效门)。大规模集成电路(LSI-Large Scale Integration)，每片组件内含1000100000个元件(或1001000个等效门)。超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale Integration)，每片组件内含100000个元件(或1000个以上等效门)。,31,目前常用的逻辑门和触发器属于SSI，常用的译码器、数据选择器、加法器、计数器、移位寄存器等组件属于MSI。常见的LSI、VLSI有只读存储器、随机存取

13、存储器、微处理器、单片微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用和专用数字信号处理器等。此外还有专用集成电路ASIC，它分标准单元、门阵列和可编程逻辑器件PLD。PLD是近十几年来迅速发展的新型数字器件，目前应用十分广泛。,32,33,逻辑电平,高电平VH：大于给定电平值的电压范围输入高电平VIH输出高电平VOH低电平VL：小于给定电平值的电压范围输入低电平VIL输出低电平VOL逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低,34,2.4.1 TTL与非门,1. TTL与非门的电路结构,多发射极三极管,“与”,“

14、非”,35,输入级由多发射极管V1和电阻R1组成，其作用是对输入变量A、B、C实现逻辑与，所以它相当一个与门。多射极管V1的结构如图(a)所示，其等效电路如图(b)所示。设二极管V1V4的正向管压降为0.7V，当输入信号A、B、C中有一个或一个以上为低电平(0.3V)时，Ub=1V，Uc=0.3V；当A、B、C全部为高电平(3.6V)时，Ub=4.3V，Uc=3.6V。可见，仅当所有输入都为高时，输出才为高，只要有一个输入为低，输出便是低，所以起到了与门的作用。,36,图多射极晶体管的结构及其等效电路,37,中间级。由V2、R2、R3组成，在V2的集电极与发射极分别可以得到两个相位相反的电压，

15、以满足输出级的需要。输出级。由V3、V4、V5和R4、R5组成，这种电路形式称推拉式电路，它不仅输出阻抗低，带负载能力强，而且可以提高工作速度。,38,(1)输入全部为高电位(3.6V)当输入端全部为高电位3.6V时，由于V1的基极电压Ub1最多不能超过2.1V(Ub1=Ubc1+Ube2+Ube5)，所以V1所有的发射结反偏；这时V1的集电结正偏，V1管的基极电流Ib1流向集电极并注入V2的基极，,2. TTL与非门的功能分析,39,4.3V,T2、T5饱和导通,钳位2.1V,E结反偏,截止,负载电流（灌电流）,输入全高“1”,输出为低“0”,1V,40,此时的V1是处于倒置(反向)运用状态

16、(把实际的集电极用作发射极，而实际的发射极用作集电极)，其电流放大系数反很小(反0.05)，因此Ib2=Ic1=(1+反)Ib1Ib1，由于Ib1较大足以使V2管饱和，且V2管发射极向V5管提供基流，使V5也饱和，这时V2的集电极压降为,这个电压加至V3管基极，可以使V3导通。此时V3射极电位Ue3=Uc2-Ube30.3V，它不能驱动V4，所以V4截止。V5由V2提供足够的基流，处于饱和状态，因此输出为低电位：,41,(2)输入端至少有一个为低电位(0.3V)当输入端至少有一个为低电位(0.3V)时，相应低电位的发射结正偏，V1的基极电位Ub1被钳在1V， 因而使V1其余的发射结反偏截止，如

17、果V2 、V5导通要求Ub1至少为2.1V 所以V2 、V5截止。此时V1的基极电流Ib1经过导通的发射结流向低电位输入端，而V2的基极只可能有很小的反向基极电流进入V1的集电极，所以Ic10，但V1的基流Ib1很大，因此这时V1处于深饱和状态：,此时V2的集电极电位Uc2UCC=5V，足以使V3、V4导通，因此输出为高电位：,42,1V,T2、T5截止,负载电流（拉电流）,输入有低“0”输出为高“1”,流过 E结的电流为正向电流,5V,43,综上所述，当输入端全部为高电位(3.6V)时，输出为低电位(0.3V)，这时V5饱和，电路处于开门状态；当输入端至少有一个为低电位(0.3V)时，输出为

18、高电位(3.6V)，这时V5截止，电路处于关门状态。由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系：,表TTL与非门各级工作状态,44,(3) 输入端全部悬空。输入端全部悬空时，V1管的发射结全部截止。+UCC通过R1使V1的集电结及V2和V5的发射结同时导通，使V2和V5处于饱和状态，则Ub3=Uc2=Uces+Ube5=0.3+0.7=1V。由于R4的作用，V3导通， 故Ube3=0.7 V。此时： Ube4=Ub4-Ub4=Ue3-Uces5=Ub3-Ube3-Uces51-0.7-0.3=0 V 所以V4处于截止状态。,45,可见该电路在输入端全部悬空时，V4截止，V5饱和。故其输出电

19、压UO为： UO=UCES50.3V 故输入端全部悬空和输入端全部接高电平时，该电路的工作状态完全相同。所以，TTL电路的某输入端悬空，可以等效地看作该端接入了逻辑高电平。实际电路中，悬空易引入干扰，故对不用的输入端一般不悬空， 应作相应的处理。 ,46,(4) 一个输入端通过电阻RE接地，其它输入端接高电平。设V1的发射极A通过RE接地，其它输入端均接高电平，如图所示。在+UCC的作用下，接RE的发射结必然导通，在RE上形成电压UEA。RE越大，其压降UEA越大。实验测知，只要RE0.7 k，其端电压就相当于逻辑低电平。使与非门输出高电平，即与非门处于关门状态。只要RE2k，则其端电压UEA

20、达到1.4V，此时V1管的基极电位UB1=UBE1+UEA=0.7+1.4=2.1V，从而使V5导通，V4截止，与非门输出低电平，即与非门处于开门状态。由于V1管的基极电位UB1不可能高于2.1V，因此，不管RE的阻值有多大，其端电压最高为1.4 V。该电压值虽然与高电平(3.6V)相差甚远，但其效果相当于在该端接入了高电平。,47,图一个输入端接电阻,48,当与非门的某一输入端通过电阻RE接参考地(其它输入端接高电平)时，为使与非门可靠地工作在关门状态，RE所允许的最大阻值叫该与非门的关门电阻，记作ROFF。为使与非门可靠地工作在开门状态，RE所允许的最小阻值叫该与非门的开门电阻，记作RON

21、。由上述分析可知，典型TTL与非门的ROFF=0.7 k，RON=2k。考虑到不同类型的TTL与非门，其内部结构及元件参数会有所不同，故它们的ROFF及RON也会有所差异。所以，在工程技术中，TTL与非门的ROFF和RON分别取值为0.5 k和2 k。 综合上述，当TTL与非门的某一输入端通过电阻R接地时，若R0.5k，则该端相当于输入逻辑低电平；若R2 k，则该端相当于输入逻辑高电平。,49,TTL与非门具有较高的开关速度，主要原因有两点：一是由于采用了多射极管V1,它缩短了V2和V5的开关时间。当输入端全部为高电位时，V1处于倒置工作状态。此时V1向V2提供了较大的基极电流，使V2、V5迅

22、速导通饱和；当某一输入端突然从高电位变到低电位时，Ib1转而流向V1低电位输入端，即为V1正向工作的基流，该瞬间将产生一股很大的集电极电流Ic1，正好为V2和V5提供了很大的反向基极电流，使V2和V5基区的存储电荷迅速消散，因而加快了V2和V5的截止过程，提高了开关速度。,50,二是由于采用了推拉式输出电路，加速了V5管存储电荷的消散过程。当V2由饱和转为截止时，V3和V4导通。由于V3、V4是复合射随，相当于V5集电极只有很小电阻，此时瞬间电流很大，从而加速了V5管脱离饱和的速度，使V5迅速截止。此外，由于采用推拉式输出级，与非门输出低电平时V5处于深饱和状态，输出电阻很低；而输出高电平时V

23、3、V4导通，组成射极跟随器，其输出电阻也很低，因此无论哪种状态输出电阻都很低，都有很强的带负载能力。,51,(3)TTL与非门的特性与参数,1.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线，即UO=f(uI)函数关系，它可以用曲线表示。由图可见，曲线大致分为四段：AB段(截止区)：当UI0.6V时，V1工作在深饱和状态，Uces10.1V，Ube20.7V，故V2、V5截止，V3、V4均导通，输出高电平UOH=3.6V。,52,图 TTL与非门的电压传输特性,输出电压 UO与输入电压 Ui的关系。,电压传输特性,测试电路,53,BC段(线性区)：当0.6VUI1.3V时，

24、0.7VUb21.4V，V2开始导通，V5尚未导通。此时V2处于放大状态，其集电极电压Uc2随着UI的增加而下降，并通过V3、V4射极跟随器使输出电压UO也下降，下降斜率近似等于-R2/R3。CD段(转折区)：1.3VUI1.4V，当UI略大于1.3V时，V5开始导通，此时V2发射极到地的等效电阻为R3Rbe5，比V5截止时的R3小得多，因而V2放大倍数增加，近似为-R2/(R3Rbe5)，因此Uc2迅速下降，输出电压UO也迅速下降，最后V3、V4截止， V5进入饱和状态。 DE段(饱和区)：当UI1.4V时，随着UI增加V1进入倒置工作状态，V3导通，V4截止，V2、V5饱和，因而输出低电平

25、UOL=0.3V。,54,从电压传输特性可以得出以下几个重要参数： 输出高电平UOH和输出低电平UOL 电压传输特性的截止区的输出电压UOH=3.6V，饱和区的输出电压UOL=0.3V。一般产品规定UOH2.4V、UOL0.4V时即为合格。 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对应的输入电压UT1.3V，可以将UT看成与非门导通(输出低电平)和截止(输出高电平)的分界线。,55,C,D,E,电压传输特性,典型值UOH =3.6V，UOH(min)=2.4V,典型值UOL = 0.3V，UOL(max)= 0.4V,输出高电平电压UOH,输出低电平电压UOL,输出高电平

26、电压UOH和输出低电平电压UOL,56, 开门电平UON和关门电平UOFF。 开门电平UON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UIUON时，输出才为低电平。通常UON=1.4V，一般产品规定UON1.8V。 关门电平UOFF是保证输出电平为额定高电平(2.7V左右)时，允许输入低电平的最大值，即只有当UIUOFF时， 输出才是高电平。通常UOFF1V，一般产品要求UOFF0.8V。,57, 噪声容限UNL、UNH 实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。 低

27、电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示： UNL=UOFF-UIL 若UOFF=0.8V, UIL=0.3V，则UNL=0.5V。 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)， 用UNH表示：,若UON=1.8V，UIH=3V，则UNH=1.2V。,58,D,E,噪声容限门电路抗干扰能力,59,噪声容限门电路抗干扰能力,1输出,1输入,0输出,0输入,Vo,Vo,VI,VI,VNH,VNH = UOH(min) - UON = 2.4-2=0.4V,VNL,VNL= UOFF -

28、 UOL(max) = 0.8-0.4=0.4V,60,图 TTL与非门输入特性,2. 输入特性 输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f(uI)的函数关系。 典型的输入特性如图所示。,61,前后级之间电流的联系,分两种情况讨论： （1）前级输出为 高电平时 （2）前级输出为 低电平时,62,前级输出为 高电平时,前级,后级,级间电流：流出前级，记为IOH（拉电流）。,拉电流能力：维持UOH时，所允许的最大拉电流值。,63,前级输出为 低电平时,前级,后级,级间电流：流入前级，记为IOL ，约 1.4mA 。称为灌电流。,64,灌电流的计算,65,有关电流的技术参数,66,设输

29、入电流II由信号源流入V1发射极时方向为正，反之为负。从图看出，当UIUT时II为负，即II流入信号源，对信号源形成灌电流负载。当UIUT时II为正，II流入TTL门，对信号源形成拉电流负载。 输入短路电流IIS 当UI=0时的输入电流称为输入短路电流，典型值约为-1.5mA。,67, 输入漏电流IIH。 当UIUT时的输入电流称为输入漏电流，即V1倒置工作时的反向漏电流，其电流值很小，为 A级。 应注意，当UI7V以后V1的ce结将发生击穿，使II猛增。此外当UI-1V时，V1的be结也可能烧毁。这两种情况下都会使与非门损坏，因此在使用时，尤其是混合使用电源电压不同的集成电路时，应采取相应的

30、措施，使输入电位钳制在安全工作区内。,68,3. 输入负载特性,图 TTL与非门输入负载,69,图TTL与非门输,70,由图可见，当RI较小时，UI随RI增加而升高，此时V5截止， 忽略V2基极电流的影响，可近似认为,当RI很小时UI很小，相当于输入低电平，输出高电平。为了保持电路稳定地输出高电平，必须使UIUOFF，即,故,71,若UOFF=0.8V，R1=3k，可求得RI0.7k，这个电阻值称为关门电阻ROFF。可见，要使与非门稳定地工作在截止状态，必须选取RIROFF。 当RI较大时，UI进一步增加，但它不能一直随RI增加而升高。因为当UI=1.4 V时，Ub1=2.1V，此时V5已经导

31、通，由于受V1集电结和V2、V5发射结的钳位作用，Ub1将保持在2.1V，致使UI也不能超过1.4V，见图。 为了保证与非门稳定地输出低电平，应该有UIUON。此时求得的输入电阻称为开门电阻，用RON表示。对于典型TTL与非门，RON=2k，即RIRON时才能保证与非门可靠导通。,72,4. 输出特性,图 TTL与非门输出低电平的输出特性,73,前级输出为 高电平时：,74,前级输出为低电平时：,75, 与非门处于开态时，输出低电平，此时V5饱和，输出电流IL从负载流进V5，形成灌电流；当灌电流增加时，V5饱和程度减轻，因而UOL随IL增加略有增加。V5输出电阻约1020。 若灌电流很大，使V

32、5脱离饱和进入放大状态，UOL将很快增加，这是不允许的。通常为了保证UOL0.35V，应使IL25mA。,76, 与非门处于关态时，输出高电平。此时V5截止，V3微饱和，V4导通，负载电流为拉电流，如图(a)、(b)。从特性曲线可见，当拉电流IL5mA时，V3、V4处于射随器状态，因而输出高电平UOH变化不大。当IL5mA时，V3进入深饱和，由于IR5IL，UOH=UCC-Uces3-Ube4-ILR5，故UOH将随着IL的增加而降低。因此，为了保证稳定地输出高电平，要求负载电流IL14mA，允许的最小负载电阻RL约为170。,77,图TTL与非门输出高电平时的输出特性,78,5. 扇入系数和

33、扇出系数 扇入系数是指门的输入端数。扇出系数NO是指一个门能驱动同类型门的个数。当TTL门的某个输入端为低电平时， 其输入电流约等于IIS(输入短路电流)；当输入端为高电平时， 输入电流为IIH(输入漏电流)。而IIS比IIH大得多，因此按最坏的情况考虑，当测出输出端为低电平时允许灌入的最大负载电流ILmax后，则可求出驱动门的扇出系数NO：,79,6. 平均延迟时间tpd 平均延迟时间是衡量门电路速度的重要指标，它表示输出信号滞后于输入信号的时间。 通常将输出电压由高电平跳变为低电平的传输延迟时间称为导通延迟时间tPHL，将输出电压由低电平跳变为高电平的传输延迟时间称为截止延迟时间tPLH。

34、tPHL和tPLH是以输入、输出波形对应边上等于最大幅度50%的两点时间间隔来确定的， 如图所示。tpd为tPLH和tPHL的平均值：,通常，TTL门的tpd在340ns之间。,80,图 TTL与非门的平均延迟时间,81,2.4.2 TTL集电极开路门,一、 问题的提出,标准TTL与非门进行与运算:,能否“线与”？,（Open Collector),82,TTL与非门的输出电阻很低。这时，直接线与会使电流 i 剧烈增加。,i,功耗,T4热击穿,UOL ,与非门2：,不允许直接“线与”,与非门1 截止,与非门2 导通,UOH,UOL,与非门1：,问题：TTL与非门能否直接线与？,83,集电极悬空

35、,应用时输出端要接一上拉负载电阻 RC 。,二、OC门结构,特点：RC 和UCC 可以外接。,84,OC门的“线与”功能,如果要完成Y1和Y2的与运算，可以直接“线与”。,85,“线与”功能分析：,分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。 F1、F2、F3全截止，则F=1 。,F=F1F2F3,86,OC门的特点：,1.输出端可直接驱动负载,2.几个输出端可直接相联,“0”,“0”,实现了线与,87,外接电阻RC的选择。,（1）计算OC门负载的电阻最大值,当所有OC门同时截止时，v0=VOH.为保证VOH不低于规定值，RL不能选的过大。,OC门输出端数目,负载门输入端数目,88,（2）计算O

36、C门负载电阻的最小值,当只有一个OC门导通时，为了保证流入导通OC门的电流不超过最大允许的负载电流IOL(max)，RL不能选的太小。,负载门数目,IL,89,2.4.2 三态门(TS门或TSL门),“0”,1.工作原理,导通,当控制端为低电平“0”时，输出 Y处于开路状态，也称为高阻状态。,90,“1”,1.工作原理,截止,91, 0 高阻,表示任意态,92,2三态门的主要应用,（1）TTL与总线之间接口，实现分时传输,可实现用一条总线分时传送几个不同的数据或控制信号。,93,(2) 数据的双向传输,EN=1，G1工作，G2高阻，Do经G1反相送至总线。EN=0，G2工作， G1高阻，总线数

37、据经G2反相从Di端送出。,1,0,D1,94,2.4.3 MOS集成逻辑门,所以输出为低电平。,一、 NMOS门电路1NMOS非门,逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1gm2 ）（1）当输入Vi为高电平8V时，T1导通，T2也导通。因为gm1gm2，所以两管的导通电阻RDS1RDS2，输出电压为：,95,（2）当输入Vi为低电平0V时，T1截止，T2导通。所以输出电压为VOH=VDD-VT=8V，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。,2NMOS门电路（1）与非门,（2）或非门,96,1逻辑关系：（设VDD（VTN+|VTP|），且VTN=|VTP|）（1）当Vi=0

38、V时，TN截止，TP导通。输出VOVDD。（2）当Vi=VDD时，TN导通，TP截止，输出VO0V。,二、CMOS反相门（CMOS非门）,CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。,97,（1）当Vi2V，TN截止，TP导通，输出VoVDD=10V。（2）当2VVi5V，TN工作在饱和区，TP工作在可 变电阻区。 （3）当Vi=5V，两管都工作在饱和区， Vo=（VDD/2）=5V。（4）当5VVi8V， TP工作在饱和区， TN工作在可变电阻区。（5）当Vi8V，TP截止， TN导通，输出Vo=0V。 可见： CMOS门电路的阈值电压 Vth=VDD/2,2电压传

39、输特性：(设: VDD=10VVTN=|VTP|=2V),98,（2）或非门,三、其他的CMOS门电路,1CMOS与非门和或非门电路（1）与非门,99,2. CMOS传输门工作原理：（设两管的开启电压VTN=|VTP|）（1）当C接高电平VDD， 接低电平0V时，若Vi在0VVDD的范围变化，至少有一管导通，相当于一闭合开关，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2）当C接低电平0V， 接高电平VDD，Vi在0VVDD的范围变化时，TN和TP都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开。,100,当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出为高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。,3. CMOS三态门

40、,工作原理：当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出,101,1CMOS逻辑门电路的系列（1）基本的CMOS4000系列。（2）高速的CMOSHC系列。（3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。2CMOS逻辑门电路主要参数的特点（1）VOH（min）=0.9VDD； VOL（max）=0.01VDD。 所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2）阈值电压Vth约为VDD/2。（3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。 因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。（4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；（5

41、）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。,四、 CMOS逻辑门电路的系列及主要参数,102,一、TTL与CMOS器件之间的接口问题 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件： 驱动门的VOH（min）负载门的VIH（min）驱动门的VOL（max）负载门的VIL（max）驱动门的IOH（max）负载门的IIH（总） 驱动门的IOL（max）负载门的IIL（总）,2.4.4 集成逻辑门电路的应用,103,（b）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。,二、TTL和CMOS电路

42、带负载时的接口问题,1对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。（a）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W的限流电阻即可。,104,2带大电流负载,（a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（a）所示。,（b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（b）所示。,105,（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。,三、多余输入端的处理,（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（13kW）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。,106,