数字电路的基础知识教程第2章.

第二章逻辑门电路2.1基本逻辑门电路2.2TTL逻辑门电路2.3MOS逻辑门电路2.4集成逻辑门电路的应用2.5正负逻辑及逻辑符号的变换一、二极管与门和或门电路1．与门电路2.1基本逻辑门电路B+VALDD3kΩR（+5V）CC12&L=A·BBA输入输出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0011输入0001输出与逻辑真值表2．或门电路输入输出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5VLABDD3kΩ21R≥1L=A+BAB0101BLA0011输入0111输出或逻辑真值表二、三极管非门电路输入输出VA（V）VL（V）0V5V5V0VLA01输入10输出非逻辑真值表+VALT123（+5V）bCRCCRA1AL=A1L=A二极管与门和或门电路的缺点：0V5VL5V+V+VDDDD1213kΩRR3kΩ2CC（+5V）（+5V）CCp（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。（2）负载能力差。解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。LBA+VD123D1kΩTP（+5V）1R2Rc3kΩCCRbDD5R14.7kΩ4CBAL三、DTL与非门电路工作原理：（1）当A、B、C全接为高电平5V时，二极管D1～D3都截止，而D4、D5和T导通，且T为饱和导通，VL=0.3V，即输出低电平。（2）A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP≈1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：+VLABC123DDDDD4（+5V）PR3152CC3kΩR4.7kΩR1kΩTc12.2TTL逻辑门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理1．TTL与非门的基本结构+VLABC123DDDDD4（+5V）PR3152CC3kΩR4.7kΩR1kΩTc1C+VBA（+5V）NNNNPPPPCCRb1+V13b1（+5V）T1CRBACCTTL与非门的基本结构+VV12312312313DTRC输入级输出级中间级T4Tc22R3b1BRc4Aoe211kΩ1.6kΩVc2TCCVR（+5V）e24kΩ130Ω2．TTL与非门的逻辑关系（1）输入全为高电平3.6V时。T2、T3饱和导通，V3.6V+V123D12312313Rb11K1.6kΩ2RCC4kΩ1（+5V）4TB饱和RRCe2TT130Ω截止o饱和3倒置状态c4截止c2TA实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。由于T2饱和导通，VC2=1V。T4和二极管D都截止。由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES3≈0.3V2.1V1.4V0.7V1V0.3V该发射结导通，VB1=1V。T2、T3都截止。（2）输入有低电平0.3V时。3.6V0.3VV+V123123123D131.6kΩ4kΩTCT1kΩ截止e2导通饱和4o截止T130ΩRb12导通TRRBCC3c21ARc4实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。忽略流过RC2的电流，VB4≈VCC=5V。由于T4和D导通，所以：VO≈VCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V）CBAL综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：1V5V4.3V3.6V二、TTL与非门的开关速度1．TTL与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。+VV0.3V3.6V12312313βb14kΩB10.7VTiiB111kΩBR1.6kΩc2e21.4VTA1VTRCCR2oC3（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。+V+VVV123123DD123123（+5V）（+5V）oCC放电CCLRCTT4导通ToL截止c43TR导通3截止4截止充电导通c4C2．TTL与非门传输延迟时间tpd导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。2PHLPLHpdttt与非门的传输延迟时间tpd：tPHLtPLHVoViiV0.52.0V3.02.53.5(V)1.5(V)4.03.02.51.01.03.50.54.02.0o1.5三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力1．电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）V+V13123123D1231K21TBRCe2To3TAiV4T4kΩc4RRCCb11.6kΩR130Ωc2ABCDEV2.4VOH（min）0.4VVOL（max）VOFFONV（1）输出高电平电压VOH——在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。（2）输出低电平电压VOL——在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。（3）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。2．几个重要参数（4）开门电平电压VON——是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。（5）阈值电压Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：Vth≈VOFF≈VON即Vi＜Vth，与非门关门，输出高电平；Vi＞Vth，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V～1.４V。OH（min）3.01.5B(0.6V,3.6V)DD(1.4V,0.3V)o0.4V0.5C(1.3V,2.48V)A(0V,3.6V)iVV4.00.5E(3.6V,0.3V)VVV3.52.51.5VOFFOL（max）2.4VA3.52.0(V)ONE4.02.0(V)2.51.0B1.0C3.0OH（min）3.01.5B(0.6V,3.6V)DD(1.4V,0.3V)o0.4V0.5C(1.3V,2.48V)A(0V,3.6V)iVV4.00.5E(3.6V,0.3V)VVV3.52.51.5VOFFOL（max）2.4VA3.52.0(V)ONE4.02.0(V)2.51.0B1.0C3.0低电平噪声容限VNL＝VOFF-VOL（max）＝0.8V-0.4V＝0.4V高电平噪声容限VNH＝VOH（min）-VON＝2.4V-2.0V＝0.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。3．抗干扰能力高电平电压“0”2.4V0.4V3.6V的范围“1”0VV的范围低电平电压oVNHi3.6VVVG&NL12V&GoVVOL（max）OFF0.8V输入“0”ONOH（min）2V0V0V输出“1”V输出“0”V输入“1”VoV2.4Vi3.6V0.4V同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。(mA)14151b1BCCILRVVI四、TTL与非门的带负载能力1．输入低电平电流IIL与输入高电平电流IIH（1）输入低电平电流IIL——是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。可以算出：产品规定IIL＜1.6mA。&oV&&&G0G1G2Gn0.3V+V13b1B1TR1iCC4K1VILI（2）输入高电平电流IIH——是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况:①寄生三极管效应：IIH=βPIB1，βP为寄生三极管的电流放大系数。由于βp和βi的值都远小于1，所以IIH的数值比较小，产品规定：IIH＜40uA。②倒置的放大状态：IIH=βiIB1，βi为倒置放大的电流放大系数。3.6V+V0.3V131B1ib1RCC4KTIIHABC1V3.6V+V13b1IB1IHTR1iCC4KA2.1V1.4V（1）灌电流负载——当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。ILOLOLIIN2．带负载能力当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3脱离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL，产品规定IOL=16mA。由此可得出:NOL称为输出低电平时的扇出系数。+V+V13123123D13b1C3Rc4输出低电平=RCCR饱和ITIL截止I4K截止IT4ILCCOLIb14K3IHOHOHIIN（2）拉电流负载——当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。NOH称为输出高电平时的扇出系数。产品规定:IOH=0.4mA。由此可得出：拉电流增大时，RC4上的压降增大，会使输出高电平降低。因此，把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH。一般NOL≠NOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。+V+V1231313D123c4RCC输出高电平I导通b14K4KII=RE4导通IHIT4T截止Rb1OHIH3CC五、TTL与非门举例——74007400是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。引脚排列图如图所示。六、TTL门电路的其他类型1．非门L+V123123D12313ATTT123Re2Rc2RCCRTc4b141AL=A2．或非门L+V12313123D12312313R3T1AT2AT1BT2BABTT34CCRRRR1B241AAL=A+BB≥13．与或非门+VL1231231312312313DB21A1BBRCC24RTRT1B1ATTT2B2AR332A1TR41A在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为线与。普通的TTL门电路不能进行线与。为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路——集电极开路门。4．集电极开路门（OC门）ALB&+V+V123123123DD1233导通饱和（+5V）3CCTCCTT4R截止T截止Gc4导通L42截止1G+VL123123133RTTATB211Ke2CCRb1c21.6KR4K（1）实现线与。逻辑关系为:OC门主要有以下几方面的应用：（2）实现电平转换。如图示，可使输出高电平变为10V。（3）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。+VCCP1R&2LLBL&ACDCDABLLL21+10VV&O+5V&270Ω（1）当输出高电平时，RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min）。OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：得：'mVCC-VOH（min）=IIHRP（max）由：IH')min(OH)max(PImVVRCC-+V&InIIIHVOHIHIH……&&P……mRCC&（2）当输出低电平时所以：RP（min）＜RP＜RP（max）ILP(min)OL(max)CCOL(max)ImRVVI由：得：ILOL(max)OL(max)CCP(min)ImIVVR+VIIOL&OLPCC&Rm……I&&IL……ILVRP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max）。（1）三态输出门的结构及工作原理。当EN=0时，G输出为1，D1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。当EN=1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。5．三态门L+V123123D13D123e2Vc2Bc4RRc2TAG141ENCCTTRRT13b1p2L&△BENABENA△&L去掉非门G，则EN=1时，为工作状