第二章邏輯門電路

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第二章邏輯門電路第一節(jié)邏輯狀態(tài)與正負(fù)邏輯

一、邏輯狀態(tài)和正負(fù)邏輯的規(guī)定將高電平表示有信號(hào)，并用邏輯1表示；低電平表示無信號(hào)，并用邏輯0表示，稱為正邏輯體制，簡(jiǎn)稱正邏輯。將低電平表示有信號(hào)，用邏輯1表示；高電平表示無信號(hào)，并用邏輯0表示，稱為負(fù)邏輯體制，簡(jiǎn)稱負(fù)邏輯。

二、標(biāo)準(zhǔn)高低電平的規(guī)定

a）正邏輯b）負(fù)邏輯

高電平的下限值，稱為標(biāo)準(zhǔn)高電平，用U

SH

表示，低電平的上限值，稱為標(biāo)準(zhǔn)低電平，用U

SL表示。在實(shí)際的邏輯系統(tǒng)中，應(yīng)滿足高電平U

H≥

U

SH，低電平U

L≤U

SL。

第二節(jié)分立元件門電路

一、二極管門電路（一）二極管的開關(guān)特性二極管的主要特性是單向?qū)щ娦浴Ｔ诙O管兩端施加正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通。理想情況下可以認(rèn)為二極管正向壓降為零，相當(dāng)于開關(guān)閉合。當(dāng)二極管加反向電壓時(shí)，二極管截止，反向電流很小而且基本不變，可以認(rèn)為反向電流近似為零，理想情況下，可以等效為一個(gè)斷開的開關(guān)?？梢?，二極管在電路中具有開關(guān)作用。二極管從截止到導(dǎo)通所需的時(shí)間叫導(dǎo)通時(shí)間，導(dǎo)通時(shí)間很短，通?？梢院雎?。二極管從導(dǎo)通變?yōu)榻刂顾璧臅r(shí)間叫反向恢復(fù)時(shí)間，它比導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)。二極管的開關(guān)參數(shù)主要有：最大正向電流IF、最大反向工作電壓UR、反向恢復(fù)時(shí)間tre和零偏壓電容C0。(二)二極管與門電路

二極管“與”門及其邏輯符號(hào)

a)二極管與門電路b)與門邏輯符號(hào)Ｙ等于Ａ與Ｂ的與邏輯，表示為即“有0出0，全1出1”(三)二極管或門電路二極管或門及其邏輯符號(hào)

a)二極管或門電路b)或門邏輯符號(hào)

Ｙ等于Ａ與Ｂ的或邏輯，表示為即“有1出1，全0出0”

二極管構(gòu)成的與門以及或門電路的輸入端可以多于兩個(gè)，如圖所示。

二、晶體管反相器（一）晶體管開關(guān)特性

晶體管有三種工作狀態(tài)：截止?fàn)顟B(tài)、放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)。

在數(shù)字電路中，晶體管通常工作在截止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)，這兩種狀態(tài)稱為開關(guān)狀態(tài)。晶體管截止時(shí)相當(dāng)于開關(guān)斷開，飽和時(shí)相當(dāng)于開關(guān)閉合。

晶體管截止時(shí)，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)斷開，電流幾乎為零。晶體管飽和時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的電壓很小，幾乎為零，相當(dāng)于開關(guān)閉合。晶體管作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，在飽和導(dǎo)通（開關(guān)閉合）和截止（開關(guān)斷開）狀態(tài)之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換時(shí)，需要經(jīng)過一定的時(shí)間。晶體管由截止到飽和導(dǎo)通的時(shí)間稱為開啟時(shí)間，用ton表示，晶體管由飽和導(dǎo)通到截止的時(shí)間稱為關(guān)閉時(shí)間，用toff表示，總稱為晶體管的開關(guān)時(shí)間。晶體管的開關(guān)參數(shù)有飽和壓降UCES（硅管約為0.3Ｖ，鍺管約為0.1Ｖ）以及開啟時(shí)間ton和關(guān)閉時(shí)間toff

。1．反相器的工作原理在圖示電路中，當(dāng)輸入低電平時(shí)，晶體管截止，，輸出高電平，。當(dāng)輸入高電平時(shí)，晶體管飽和，相當(dāng)于開關(guān)閉合，輸出低電平，。利用晶體管反相器構(gòu)成的繼電器驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示。（二）晶體管反相器晶體管反相器a)電路b)輸入信號(hào)波形c)輸出信號(hào)波形2．反相器的改進(jìn)電路若考慮晶體管的開關(guān)時(shí)間，反相器輸出信號(hào)的實(shí)際波形將產(chǎn)生延遲，影響反相器的工作速度，可利用加速電容改善晶體管的開關(guān)特性，提高反相器的工作速度，其電路如圖所示。3.反相器的帶負(fù)載能力負(fù)載就是指反相器輸出端所接的其他電路。根據(jù)負(fù)載電流的方向，可把負(fù)載分為兩類：一類是灌電流負(fù)載，其電流方向是由有源負(fù)載流入反相器的輸出端；一類是拉電流負(fù)載，電流方向是從反相器流向負(fù)載。

1)帶灌電流負(fù)載能力當(dāng)反相器輸出低電平，負(fù)載電流iL流進(jìn)反相器（電流由高電位流向低電位），為灌電流負(fù)載。反相器帶灌電流負(fù)載的能力有一定限制，負(fù)載電流太大時(shí)，通常會(huì)造成輸出電平上升。2）帶拉電流負(fù)載的能力如圖所示，當(dāng)反相器輸出高電平時(shí)，所帶負(fù)載的電流是流出反相器的（電流由高電位流向低電位），故稱為拉電流負(fù)載。反相器帶拉電流負(fù)載的能力也有一定的限制，負(fù)載電流太大時(shí)，通常會(huì)造成輸出電平下降。第三節(jié)晶體管—晶體管集成邏輯門電路（TTL）

一、TTL與非門電路

TTL的基本電路形式是與非門，與非門74LS00是一種四2輸入的與非門，其內(nèi)部有四個(gè)兩輸入端的與非門，其電路圖和引腳圖如圖所示。與非門74LS00a）電路圖b）引腳圖

分析可知，當(dāng)電路的任一輸入端有低電平時(shí)，輸出為高電平；當(dāng)輸入全為高電平時(shí)，輸出為低電平，即有0出1，全1出0。電路輸出與輸入之間為與非邏輯關(guān)系，即

對(duì)于TTL電路來說，輸入端懸空，相當(dāng)于輸入高電平。

二、TTL與非門的主要外部特性（一）電壓傳輸特性從電壓傳輸特性曲線上可以看到，即使有噪聲電壓疊加到輸入信號(hào)的高、低電平上，只要噪聲電壓的幅度不超過允許的界限，就不會(huì)影響輸出的邏輯狀態(tài)。通常把這個(gè)界限叫做噪聲容限，電路的噪聲容限愈大，其抗干擾能力就愈強(qiáng)。LSTTL與非門電壓傳輸特性

（二）TTL與非門的輸入特性

1．輸入伏安特性輸入伏安特性是用以描述輸入電壓與輸入電流之間的關(guān)系曲線。LSTTL與非門輸入特性

2．輸入端負(fù)載特性該特性是指輸入端對(duì)地接上電阻RI時(shí)，uI隨RI變化的關(guān)系曲線，稱為輸入端負(fù)載特性。測(cè)試圖見圖a，曲線示于圖b。LSTTL與非門輸入端負(fù)載特性

關(guān)門電阻

開門電阻

（三）TTL與非門的輸出特性輸出特性是描述與非門輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系曲線。

1．輸出高電平、帶拉電流負(fù)載時(shí)的輸出特性

LSTTL與非門輸出高電平時(shí)的輸出特性2．輸出低電平、帶灌電流負(fù)載時(shí)的輸出特性

LSTTL與非門輸出低電平時(shí)的輸出特性

（四）TTL門電路的主要參數(shù)

1．輸出高電平UOH2．輸出低電平UOL3．低電平輸出時(shí)的電源電流ICCL4．高電平輸出時(shí)的電源電流ICCH5．輸入短路電流IIS6．高電平輸入電流IIH7．輸入高電平最小值UIHmin8．輸入低電平最大值UILmax9．扇出系數(shù)No10．平均傳輸時(shí)間

tpd

【例2-2】如圖a所示，為74LS00與非門構(gòu)成的電路，A端為信號(hào)輸入端，B端為控制端，試根據(jù)其輸入波形畫出其輸出波形。例2-2圖a）電路b）輸入端波形c）控制端波形d）輸出端波形

可以看出，在B=1期間，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相同，該電路可作為數(shù)字頻率計(jì)的受控傳輸門，在控制信號(hào)B的作用下，可傳輸數(shù)字信號(hào)。當(dāng)控制信號(hào)B的脈寬為一秒時(shí)，該與非門在一秒鐘內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)等于A輸入端的輸入信號(hào)的頻率。

三、TTL其他類型的門電路（一）或非門（74LS27）

有高出低，全低出高（有1出0，全0出1）

74LS27中每個(gè)或非門有三個(gè)輸入端，若用它實(shí)現(xiàn)，對(duì)多余的輸入端可以接地或與有用端并接，另外，也可以把它當(dāng)作非門使用，如圖所示。圖中：

或非門無用端的處理

（二）異或門（74LS86）

74LS86是一種四異或門，內(nèi)部有四個(gè)異或門。其輸出與輸入之間的關(guān)系為：當(dāng)A、B不相同時(shí)，Y為１。異或門構(gòu)成的正碼/反碼電路

（三）三態(tài)門（TSL）

下圖給出了三態(tài)輸出與非門的典型電路和邏輯符號(hào)。

當(dāng)Ｅ（使能端）為高電平時(shí)，（高電平有效）。

當(dāng)Ｅ為低電平時(shí)電路處于第三狀態(tài)：禁止態(tài)（高阻態(tài)）。

低電平有效的三態(tài)與非門采用三態(tài)門的數(shù)據(jù)總線為了保證接至同一總線上的許多三態(tài)門能正常工作，在任一時(shí)刻只能有一個(gè)控制端為低電平，使該門信號(hào)進(jìn)入總線，而其余所有控制端均應(yīng)為高電平，對(duì)應(yīng)門處于高阻態(tài)，不影響總線上信號(hào)的傳輸。（四）集電極開路輸出門(ＯＣ門)

集電極開路與非門a）電路圖b）邏輯符號(hào)

ＯＣ門在使用時(shí)，一般必須外接負(fù)載電阻或其它負(fù)載（如繼電器、發(fā)光二極管等）和電源后才能正常工作。

2．ＯＣ門主要用途

1）實(shí)現(xiàn)“線與”功能

圖中，邏輯關(guān)系為：

2）實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換

一般LSTTL電路輸出高電平為3.4Ｖ，低電平為0.35Ｖ，若要把邏輯電平變換成更高（例如15Ｖ）的輸出電平，以滿足其它形式的邏輯門電路或某些特殊的要求，只要使圖中的VCC2為15Ｖ，就可實(shí)現(xiàn)邏輯電平的轉(zhuǎn)換。3）驅(qū)動(dòng)顯示器件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

可以用ＯＣ門直接驅(qū)動(dòng)小電珠或發(fā)光二極管（需串聯(lián)限流電阻）。

四、TTL的不同系列

74系列的產(chǎn)品都是民用產(chǎn)品，除此以外，TTL還有54系列的產(chǎn)品——軍用產(chǎn)品。兩者參數(shù)相差不大，只是電源電壓范圍和工作環(huán)境溫度范圍不同，如下表所示。第四節(jié)CMOS集成門電路

MOS電路具有集成度高、功耗低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但工作速度較低。MOS電路有PMOS電路、NMOS電路和CMOS電路，其中CMOS電路的應(yīng)用最為廣泛。一、MOS管的開關(guān)特性

a）NMOS管b）PMOS管CMOS器件內(nèi)部集成的是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（又稱為MOS場(chǎng)效應(yīng)管）。當(dāng)在MOS管的柵極和源極之間加上特定的控制電壓時(shí)，會(huì)在漏極和源極之間產(chǎn)生一個(gè)能夠?qū)щ姷耐ǖ?，稱為溝道。溝道有兩種類型，一種為N溝道，對(duì)應(yīng)的管子稱為NMOS管；一種為P溝道，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)管稱為PMOS管。CMOS集成電路中集成有兩種MOS管，一種是N溝道MOS管（NMOS管），另一種是P溝道MOS管（PMOS管），所以稱為CMOS器件（互補(bǔ)型MOS器件）。

NMOS管和PMOS管的導(dǎo)通條件不同。

二.CMOS集成門電路

（一）CMOS反相器CMOS反相器及其等效電路CMOS反相器的主要特點(diǎn)：

1．靜態(tài)功耗小。

2．工作速度較高。

3．靜態(tài)傳輸特性好，抗干擾能力強(qiáng)。

4．扇出系數(shù)大。

5．允許的電源電壓波動(dòng)范圍大。一般情況下，電源電壓在3～18Ｖ之間變化時(shí)，CMOS反相器均能正常工作。

6．CMOS電路的主要缺點(diǎn)是輸入端易被靜電擊穿，易在使用不當(dāng)時(shí)損壞。CMOS反相器電壓傳輸特性

（二）其它邏輯功能的CMOS門

1．CMOS或非門如CD4025為三3輸入或非門。2.CMOS與非門如CD4011為四2輸入與非門。CMOS或非門電路

CMOS與非門電路

（三）特殊輸出結(jié)構(gòu)的CMOS門電路

1．漏極開路的CMOS門電路在TTL中有ＯＣ門，與之對(duì)應(yīng)，在CMOS中有漏極開路門，其用途與OC門類似。

漏極開路CMOS門

2．CMOS三態(tài)門CMOS三態(tài)門也分為高電平有效和低電平有效兩類。與TTL三態(tài)門一樣，CMOS三態(tài)門也可以方便地構(gòu)成總線結(jié)構(gòu)的電路。

（四）CMOS傳輸門和模擬開關(guān)CMOS傳輸門CMOS傳輸門和一個(gè)反相器結(jié)合起來，稱為模擬開關(guān)。Ｃ=1，傳輸門導(dǎo)通；Ｃ=0，傳輸門斷開。模擬開關(guān)CD4066是一種用途廣泛的四雙向模擬開關(guān)，內(nèi)部有四個(gè)模擬開關(guān)和四個(gè)控制端。圖示電路是由CD4066組成的話筒選擇電路。話筒選擇電路CD4051是一種8對(duì)1模擬多路開關(guān)/分配器，三根控制輸入端能夠切換8個(gè)模擬開關(guān)，可用在多通道模擬接口電路中。圖2-38所示為簡(jiǎn)易多級(jí)電壓產(chǎn)生電路。簡(jiǎn)易多級(jí)電壓產(chǎn)生電路

（五）CMOS電路的緩沖級(jí)

加入緩沖級(jí)可以提高門電路的帶載能力，電路的抗干擾能力增強(qiáng)。(加有后綴Ｂ表示帶緩沖級(jí))

（六）CMOS電路的各種系列和特點(diǎn)

CMOS集成電路有各種系列，不同的系列有各自的特點(diǎn)。

1．標(biāo)準(zhǔn)型CMOS電路

4000系列、4500系列是標(biāo)準(zhǔn)型CMOS電路，如美國(guó)無線電公司的CD4000/4500系列，美國(guó)摩托羅拉公司的MC14000/14500系列，國(guó)產(chǎn)的CC4000/CC4500系列。

2．高速型CMOS電路40Hxxx系列為高速型CMOS電路，如日本東芝公司的TC40H系列就是這種產(chǎn)品，它與TTL74系列引腳兼容。3．新高速型CMOS電路74HC系列為新高速型CMOS電路，其工作頻率與TTL相似。74HC系列又可以分為四個(gè)小系列：

74HCxxx系列與TTL74系列引腳兼容,其輸入輸出是CMOS電平）。74HCxxx與74LSxxx電路型號(hào)中，英文字母以后的幾位數(shù)字相同者，邏輯功能相同，引腳次序也一樣。

74HC4000系列與4000系列引腳兼容。

74HC4500系列與4500系列引腳兼容。

74HCTxxx系列除引腳與TTL74系列兼容外，輸入電平也與TTL電路相同，而輸出是CMOS電平。

4．先進(jìn)高速型CMOS電路74AC系列為先進(jìn)高速型CMOS電路，它是一種綜合性能最好的CMOS產(chǎn)品。它又分為兩個(gè)小系列：74ACxxx系列和74ACTxxx系列，其引腳與TTL74系列兼容。其中74ACTxxx系列的輸入電平與TTL相同，而輸出是CMOS電平，其工作頻率比74HC系列高幾倍。

（七）CMOS器件使用時(shí)應(yīng)注意的問題

CMOS器件不用的輸入端不應(yīng)懸空，可以接地（或門）或接正電源（與門），也可以和其它輸入端并聯(lián)。當(dāng)輸入端接入電壓可能超過VDD+0.7V或低于-0.7V且內(nèi)阻較低的信號(hào)源時(shí)，應(yīng)在輸入端和信號(hào)源之間串入保護(hù)電阻，并在輸入端接穩(wěn)壓管，如圖所示。穩(wěn)壓管的擊穿電壓應(yīng)等于VDD。CMOS電路的外接保護(hù)電路

（八）TTL與CMOS電路的連接TTL電路和CMOS電路同時(shí)使用時(shí)，在某些情況下要加相應(yīng)的接口電路。1．連接規(guī)則

2．可以直接連接的系列

3．不可以直接連接的系列

第五節(jié)門電路應(yīng)用實(shí)例

一、二進(jìn)制碼奇偶校驗(yàn)電路八位二進(jìn)制碼奇偶校驗(yàn)電路

二、數(shù)字傳輸門數(shù)字式頻率計(jì)原理框圖

三、高增益整形放大器

高增益整形放大器四、小信號(hào)放大電路

小信號(hào)放大電路

五、邏輯探筆CMOS六反相器邏輯探筆電路

六、程控增益放大電路

程控增益放大電路本章小結(jié)本章討論了幾種邏輯門電路，包括分立元件邏輯門電路和集成邏輯門電路兩大類。二極管是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦詠韺?shí)現(xiàn)開關(guān)作用的。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，管子導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合，正