1、 數 字 電 子 技 術第二章第二章 集成邏輯門集成邏輯門 概述概述TTL集成邏輯門集成邏輯門 MOS集成邏輯門集成邏輯門 集成邏輯門電路的使用集成邏輯門電路的使用集成邏輯門電路應用舉例集成邏輯門電路應用舉例本章內容本章內容本章要點n了解CMOS、TTL集成邏輯門電路的工作原理、外特性。n理解TTL參數的意義。n掌握線與的概念。n熟悉各種門電路的功能。n掌握各種門電路的應用。技能目標n會用波形圖分析電路。n能夠對CMOS、TTL集成邏輯門電路外特性參數進行測量。n掌握集成邏輯門電路的使用。n掌握OC門負載電阻的計算。 數 字 電 子 技 術.1 概述邏輯門電路的定義邏輯門電路的定義能夠實現各種

2、邏輯運算的單元電路通稱為邏輯門電路 邏輯門電路按電路結構不同分以下二種邏輯門電路按電路結構不同分以下二種：分立元件門電路分立元件門電路 ：集成門電路 集成門電路按內部有源器件的不同分為兩大類集成門電路按內部有源器件的不同分為兩大類 一類是雙極型晶體管集成電路， 另一類是單極型MOS集成電路 2.2 TTL集成邏輯門TTL 是晶體管-晶體管邏輯電路的英文縮寫，在雙極型集成邏輯門電路中應用最為廣泛。其符號構成如下：nCT 54/74 LS 00 C Pn 產品制造單位：CT為中國制造的TTL型；SN為美國TI公司制造。國際通用系列：54系列為軍品；74系列為民品。系列規格：空白為標準系列；H為高速

3、系列；S為肖特基系列；LS為低功耗肖特基系列；AS為先進的肖特基系列；ALS為先進的低功耗肖特基系列。其中，LS系列的功耗-延遲積很小，性能優良，品種多，價格便宜，是TTL集成電路的主要產品。功能編號。如7400為四個2輸入與非門。溫度：C在74系列中出現，為070；M為54系列中出現，為-55125。封裝形式：D為多層陶瓷雙列直插封裝；J為黑瓷低熔玻璃雙列直插封裝；P為塑料雙列直插封裝；F為多層陶瓷扁平封裝。 數 字 電 子 技 術2.2.1 TTL與非門的工作原理與非門的工作原理典型的TTL與非門電路如圖2-1所示。圖2-1 典型的TTL與非門的電路 數 字 電 子 技 術電路結構電路結構

4、 圖2-1是CT54/74H系列與非門的典型電路。它由輸入級、中間級和輸出級三個部分組成。 工作原理工作原理TTL與非門有兩種工作模式，即輸入有低電平時輸出為高電平；輸入全為高電平時輸出為低電平 綜上所述，當電路輸入端有一個或多個為低電平時，輸綜上所述，當電路輸入端有一個或多個為低電平時，輸出為高電平；輸入全為高電平時輸出為低電平，符合出為高電平；輸入全為高電平時輸出為低電平，符合“與非與非”的邏輯要求，即邏輯表達式為的邏輯要求，即邏輯表達式為ABY總結總結 數 字 電 子 技 術2.2.2 TTL與非門的特性與非門的特性外特性即電路在外部所表現的電壓和電流特性 TTL與非門的主要電氣特性與非

5、門的主要電氣特性 .電壓傳輸特性及參數電壓傳輸特性及參數 電壓傳輸特性是指輸出電壓隨輸入電壓變化的關系曲線，即 ouIu如圖2-2所示，給出了TTL與非門電壓傳輸特性曲線。該曲線大致可以分為四個區域。 數 字 電 子 技 術圖2-2 TTL與非門電壓傳輸特性（）截止區（）截止區（AB段）段）（）線性區（段）（）線性區（段）3.02.01.002.03.00.51.5uI/Vuo/VACBDEUSHUSLUTH2CuIuBC段，0.6V 1.3V，這時T1仍處于正向飽和導通，T2開始導通，并工作在放大區，因為 1.3V，所以T5依然截止T2集電極電壓 及 隨 的上升而線性下降，因此該段稱為線性區

6、。IuouIuAB段， 0.6V，這時T1飽和導通，所以 1.3V，T2和T5都截止，T3、T4導通，輸出高電平3.4V。在TTL電路中通常用T5的狀態表器件的狀態，因此該段稱為截止區。Iu1Bu 數 字 電 子 技 術（）轉折區（段）（）轉折區（段）（）飽和區（段）（）飽和區（段）CD段， 1.3V繼續上升，只要 稍有增加，T5開始飽和導通，輸出電壓 迅速降到0.3V，該段稱為轉折區。 IuIuouDE段，1.4V，這時 約為2.1V，所以T2和T5同時處于導通狀態，T3、T4截止。雖然 繼續升高，但 為低電平0.3V不再變化，該段稱為飽和區。Iu1BuIuouTTL門電路的輸入、輸出有效電

7、平如圖2-3所示。可見在實際TTL門電路中高低電平的大小是允許在一定范圍內變化的。 由電壓傳輸特性可得由電壓傳輸特性可得TTL與非門相應的參數與非門相應的參數 輸出邏輯電平： UOH(max) UOH(min)/ USH UOL(max)/ USL UOL(min) 有效的高電平輸出（邏輯 1） 無效輸出 有效的低電平輸出（邏輯 0） +5V +2.4V +0.4V +0V 輸入邏輯電平： UIH(max) UIH(min)/UON UIL(max)/ UOFF UIL(min) 有效的高電平輸入（邏輯 1） 無效輸入 有效的低電平輸入（邏輯 0） +5V +2V +0.8V +0V 圖2-3

8、 TTL門電路的輸入、輸出有效電平 數 字 電 子 技 術（1）標準輸出高電平和標準輸出低電平 SHULSU（2）開門電平電壓和關門電平電壓 NOUFFOU（3）閾值電壓 THU（4）輸入端噪聲容限 和NHUNLU（5）平均傳輸延遲時間 pdt 數 字 電 子 技 術2輸入特性及參數輸入特性及參數（1）輸入端有低電平時（2）輸入端全為高電平時IiTTL與非門的輸入特性是指輸入電壓 和輸入電流 的關系曲線，也稱輸入伏安特性。典型的輸入特性如圖2-4所示。圖中輸入電流以流入輸入端為正方向。IuIi圖2-4 TTL與非門的輸入特性 （ a） （b） 圖2-5 TTL與非門輸入負載特性 （a）外接電阻

9、接地的電路 （b）TTL與非門輸入負載特性如圖2-5（a）所示。輸入端所接電阻 變化時引起的輸入電壓變化的曲線稱為輸入負載特性， iR 數 字 電 子 技 術3輸出特性及參數輸出特性及參數（1）輸出電壓為低電平（2）輸出電壓為高電平（3）扇出系數0N圖2-6 TTL與非門的輸出特性（a）輸出電壓為低電平 （b）輸出電壓為高電平TTL與非門的輸出特性是指輸出電壓隨輸出（負載）電流變化的特性曲線，即 曲線，其中 輸出電流規定輸入電流為正方向。如圖2-6（a）、（b）所示。)(00ifu ISOmax0IIN 0N越大，與非門的帶負載能力越強，TTL集成門電路一般要求 8。0N注注 數 字 電 子

10、技 術2.2.3 TTL邏輯門系列邏輯門系列1CT54/74系列系列2CT54/74H系列系列3CT54/74S系列系列4CT54/74LS系列系列CT54/74CT54/74系列相當于舊型號CT1000系列，為標準型（基本型）系列 CT54/74H系列相當于舊型號的CT2000系列，為高速系列。 CT54/74SCT54/74S系列相當于舊型號CT3000CT3000系列，又稱STTL系列，為肖特基系列。 圖2-7 抗飽和三極管 數 字 電 子 技 術三態輸出門是在普通TTL與非門電路的基礎上附加控制電路而構成。是指電路除了輸出高電平和低電平兩個狀態以外，還有第三個狀態即高阻狀態(也稱禁止狀

11、態或失效態)。如圖所示為三態輸出與非門的電路及邏輯符號，EN為控制端，也稱使能端，A、B為輸入端，Y為輸出端。其工作原理如下： 三態輸出與非門（高電平有效）的電路及邏輯符號2.2.4 三態門（三態門（TSL) 數 字 電 子 技 術該三態輸出與非門的真值表如表所示。 EN A B Y 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 X X 1 1 1 0 高阻 三態輸出與非門的真值表三態輸出與非門的真值表 數 字 電 子 技 術 三態輸出與非門（低電平有效）的電路及邏輯符號 注意：三態電路仍是二值邏輯電路，高阻狀態并無邏輯值，僅表示電路與其它電路無關聯而已。如圖所示為該三態輸出門的電路及邏

12、輯符號， 為控制端（低電平有效）。EN 數 字 電 子 技 術2 2）三態門的應用）三態門的應用三態門的一個重要用途就是實現多個數據或控制信號的總線（ ）傳輸，如圖所示。 BUSA1B1EN1ENA2B2EN2ENA3B3EN3EN數據總線三態門的總線應用另外，利用三態門還可以實現數據的雙向傳輸，如圖所示。 用三態門實現數據的雙向傳輸當EN=1時，G1工作，G2處于高阻狀態，則數據D0經門G1反相送到數據總線上；當EN=0時，G1處于高阻狀態，G2工作，則總線上的數據由門G2反相后在D1端輸出。 數 字 電 子 技 術2.2.5 集電極開路門集電極開路門TTL與非門直接并聯1Y 如圖所示，在一

13、個門（ ）輸出高電平，另一個門（ ）輸出低電平時，將有一個很大的電流同時流經兩個門的輸出級，到導通門的T5管，這個電流會遠遠超過正常的工作電流，不僅會引起邏輯混亂，嚴重時還會因功耗過大使電路燒壞。 2Y 數 字 子 技 術因此因此不允許把兩個或兩個以上的TTL門電路的輸出端直接并接在一起。為了能將兩個或兩個以上的TTL門電路的輸出端直接并接在一起，可以采用集電極開路的與非門，簡稱為（Open Collector Gate）OC門。 如圖（a）、（b）所示為OC門的電路結構及邏輯符號。（a） （b）集電極開路與非門的電路和圖形符號 （a）集電極開路與非門的電路 （b）圖形符號 數 字 電 子 技

14、 術OC門的電路特點:是輸出管T5的集電極開路，故有集電極開路門之稱。這種門電路使用時需要外接負載電阻 RL（負載電阻又稱作上拉電阻），來代替普通TTL與非門的T3、T4。在電路正常工作時，上拉電阻RL須接通電源。所以只要上拉電阻的阻值和電源電壓的數值選擇得當，就既能保證輸出的高、低電平符合要求，而且不會使三極管的負載電流過大而燒壞。 CD2YABY2Y1Y2Y1YAB 如圖所示是兩個OC門電路輸出端并聯的情況。根據TTL與非門的工作原理可知 = ，= ，而且，現將 和 兩條輸出線直接接在一起，不難得出，Y和 、之間的邏輯關系為 = = 這種連接方式稱為“線與”，在邏輯圖中用虛方框表示。1Y2

15、YCD1Y(b)(a) 兩個OC門輸出端并聯的接法及邏輯圖 (a)OC門輸出端并聯的接法 (b)邏輯圖 數 字 電 子 技 術 數 字 電 子 技 術（1）上拉電阻的計算 IHOHSHCCLmInIUVR(max)當所有的OC門同時截止時，輸出電壓為高電平，如圖 (a)所示為保證輸出高電平不小于標準值 ， L不應選得太大，所以可得 L的最大值為：SHURROC門上拉電阻的計算 （a）OC門上拉電阻的最大值 外接電源電壓；CCVOHI是每個OC門輸出級三極管截止時的漏電流 是負載門每個輸端的高電平輸入電流 IHI 數 字 電 子 技 術R當OC門中只有一個輸出級三極管導通時，輸出電壓為低電平，如

16、圖 (b)所示。 這時，負載電流全部流入導通的那一個OC門，為確保流入導通的OC門電流不致超過最大允許的電流 ，則 L不應選得太小，所以可得 RL的最小值為：LMIILLMSLCCLImIUVR(min)RRRL(min) L L(max)綜合以上兩種情況，綜合以上兩種情況， L的選取應的選取應滿足下式滿足下式：R一般為了減少負載電流的 影響， L值應選接近 L(min)的值。 RR注意注意 （b）OC門上拉電阻的最小值 數 字 電 子 技 術（2）OC門的應用門的應用1）實現“線與”功能 2）實現電平轉換 3）用做驅動器OC門實現電平轉換 OC門驅動發光二極管 數 字 電 子 技 術2.3

17、2.3 MOS集成邏輯門集成邏輯門1：MOS邏輯門電路是繼TTL之后發展起來的另一種被廣泛應用的數字集成電路2：MOS屬于單極性集成電路，它包括由NMOS管組成的NMOS電路，由PMOS管組成的PMOS電路以及由這兩種管子組成的互補MOS電路，即CMOS電路。 2.3.1 2.3.1 CMOS反相器反相器 1）電路結構如圖所示的是CMOS反相器的基本電路結構為有源負載反相器。 CMOS反相器電路2）工作原理 數 字 電 子 技 術1.電壓傳輸特性典型CMOS反相器的電壓傳輸特性如圖所示。 CMOS反相器的電壓傳輸特性由 電 壓 傳 輸 特 性 可 知 ，CMOS反相器狀態轉換時，電壓的變化率大

18、，且閾值電壓高。所以，CMOS門的抗干擾能力較強，CMOS反相器接近于理想開關。2.3.2 CMOS邏輯門的特性CMOS門電路的輸入、輸出有效電平如圖所示 輸出邏輯電平： UOH(max) UOH(min) UOL(max) UOL(min) 有效的高電平輸出（邏輯 1） 無效輸出 有效的低電平輸出（邏輯 0） +5V +4.9V +0.1V +0V 輸入邏輯電平： UIH(max) UIH(min) UIL(max) UIL(min) 有效的高電平輸入（邏輯 1） 無效輸入 有效的低電平輸入（邏輯 0） +5V +3.5V +1.5V +0V TTL門電路的輸入、輸出有效電平CMOS門電路

19、， 0, 與TTL門電路相比，更接近理想開關特性，并且噪聲容限即抗干擾能力高于TTL門電路。 OH(min)UDDVOL(max)U2. 輸入特性CMOS門電路的輸入阻抗極高，輸入電壓在0之間時，輸入電流近似為零，因此CMOS門電路的輸入端經電阻接入/接地時，輸入電壓不變。 3. 輸出特性CMOS門電路的輸入電流小，因此CMOS門電路的扇出系數較大，有的可達幾百幾千。 數 字 電 子 技 術2.3.3 2.3.3 其它的其它的CMOS邏輯門邏輯門1 1與非門與非門如圖所示為二輸入CMOS與非門電路。 CMOS與非門電路 CMOS或非門電路2或非門或非門3三態門門4漏極開路門門 數 字 電 子技

20、 術5 5傳輸門傳輸門同CMOS反相器一樣，CMOS傳輸門也是構成各種CMOS邏輯電路的一種基本單元電路。如圖（a）所示為CMOS傳輸門的電路結構，它是由一個NMOS管TN和一個PMOS管TP并聯而成，TP管的源極（或漏極）和TN管的漏極（或源極）連在一起作輸入端，TP管的漏極（或源極）和TN管的源極（或漏極）連在一起作輸出端，兩個柵極是一對控制端，分別接C、 ，使用時總是加互補的控制電壓。如圖（b）所示為其邏輯符號圖。C(a)傳輸門電路 (b)邏輯符號CMOS傳輸門的電路結構及邏輯符號 數 字 電 子 技 術雙向模擬開關雙向模擬開關CMOS傳輸門的另一個重要用途是作模擬開關。模擬開關是用來控

21、制模擬信號傳輸的一種電子開關，它的通斷是用數字信號控制的。模擬開關是由CMOS傳輸門和CMOS反相器組成的，其邏輯符號如圖所示。 模擬開關的電路及其邏輯符號注意：當c=1（高電平）時，模擬開關接通，c=0（低電平）時，模擬開關斷開。 數 字 電 子 技 術 2.3.4 2.3.4 CMOS邏輯門系列邏輯門系列CMOS邏輯門器件有三大系列：4000系列、74C系列和硅氧化鋁系列。前兩個系列被廣泛應用，而硅氧化鋁系列因價格昂貴目前尚未普及。下面介紹前兩種系列的特點。14000系列系列工作電源電壓范圍寬為318V，選擇電源的余地比較大，電源設計要求比較低。而且功耗低，噪聲容限、扇出系數等參數都優于T

22、TL邏輯門。該系列電路的缺點是工作速度比較低，平均傳輸延遲時間為幾十ns，最高工作頻率小于5MHZ。 數 字 電 子 技 術2 274C系列系列74C系列有：普通74C系列、高速COMS74HC/HCT系列及先進的COMS74AC/ACT系列。而且，高速COMS74HCT和74ACT系列可直接與TTL相兼容。該系列電路主要從制造工藝上作了改進，使其大大提高了工作速度，平均傳輸延遲時間小于10ns，最高工作頻率可達50MHZ，并且保持了4000系列功耗低噪聲容限大等優點。2.4 集成邏輯門電路的使用2.4.1 集成邏輯門電路使用應注意的問題n1. 電源TTL電路工作電壓范圍為4.755.25V，

23、不能高于5.5V。CMOS的4000系列電壓范圍為315V，最大不超過18V；HC系列電壓在26V之間，HCT系列在4.55.5V之間，最大不超過7V。不能將電源與地顛倒錯接，否則會造成器件損壞。在安裝、插拔器件時，必須切斷電源，嚴禁帶電操作。 n2. 輸入端TTL電路輸入端外接電阻有特殊要求，不符合要求會造成邏輯錯誤。CMOS電路輸入端外接電阻無要求。TTL電路輸入端可以懸空，懸空為高電平。CMOS電路輸入端不允許懸空，必須按要求接電源或地。 n3. 輸出端除OC、OD門以外，其它門電路的輸出端不允許并聯，也不允許與電源或地相連，否則會損壞器件。 數 字 電 子 技 術4. 4. 集成邏輯門

24、電路芯片中多余輸入端的處理集成邏輯門電路芯片中多余輸入端的處理 方法1：懸空。 這種方法只針對于TTL門電路，而且當外界干擾較小時可采用，但是CMOS電路不允許使用該種方法。 方法2：將多余端與無效電壓相聯。 對于與和與非門：多余端接高電平（即接電源） 對于或和或非門：多余端接低電平（即接地）方法3：將多余端與有用輸入端并聯。5. 5. 防靜電防靜電（CMOS 器件）2.4.2 集成邏輯門電路接口1. 標準TTL電路驅動CMOS4000系列 TTL電路輸出高電平下限值為2.7V，不能滿足CMOS電路輸入高電平下限值為3.5V的要求，兩者不能匹配。解決方法有下列兩種： 當VCC VDD時，可在T

25、TL的輸出端與電源之間接入提升電阻Rp，可將輸出高電平提高到5V左右。當VDD VCC時，為了防止TTL輸出級過電壓，可以將TTL電路改為輸出端耐壓較高的OC門（或增加一級OC門接口）。n2. 用CMOS4000系列電路驅動TTL電路當用CMOS電路驅動TTL電路時，需擴大CMOS電路輸出低電平時吸收負載電流的能力，具體可采用以下兩種方法：在CMOS電路的輸出端增加一級CMOS驅動器。 采用三極管放大器來實現電流擴展。 2.4.3 數字封裝類型及其他邏輯門系列1. 數字封裝類型 (a)封閉（晶體管外殼） (b)扁平封裝 (c)DIP封裝 (d)SMT封裝2. 其他邏輯門系列 數 字 電 子 技 術2.5 2.5