數(shù)字電子技術(shù)邏輯門電路

1、邏輯門電路 引 言實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)的實(shí)際基本器件集成邏輯門電路。掌握門電路的邏輯功能和熟悉它們的電氣特性，是學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯的基本要求。本章分為兩個(gè)層次介紹，第一層次先介紹門電路的邏輯功能和應(yīng)用，基本開關(guān)器件（二極管、三極管、coms）的開關(guān)特性，熟悉器件的外部特性。第二層次關(guān)注門電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和電氣特性，對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，能保證系統(tǒng)工作正確和可靠。 引 言熟悉基本開關(guān)器件（二極管、三極管、coms）的開關(guān)特性，這是門電路的工作基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)門電路時(shí)，注重門電路的邏輯功能和應(yīng)用，掌握常用器件類型的外部特性。對(duì)其內(nèi)部電路只作一般介紹。數(shù)字電路中，高、低電平均是一個(gè)許可范圍。輸出高電平+vdd

2、voh(min)vol(max) 0 g1門vo范圍 vo 輸出低電平 輸入高電平vih(min) vil(max) +vdd 0 g2門vi范圍 輸入低電平 vi vo vi 驅(qū)動(dòng)門g1 負(fù)載門g2 1 1 正邏輯：高電平邏輯1；低電平邏輯0半導(dǎo)體二極管：最基本的開關(guān)元件。在數(shù)字電路中最常用的是開關(guān)二極管。基本特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?。外加正向電壓?dǎo)通；外加反向電壓截至符號(hào)：ud 正極負(fù)極1k?5v5ma1k-5vi=0實(shí)物圖(1)加正向電壓vf時(shí)，二極管導(dǎo)通，管壓降vd可忽略。二極管相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。二極管的靜態(tài)特性drlffvifkfrvli(2)加反向電壓vr時(shí)，二極管截止，反向電流is可

3、忽略。二極管相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)。lkvrrdlrvsriudid0v理想二極管伏安特性實(shí)際的硅二極管正向?qū)〞r(shí)，存在一個(gè)0.7v的門檻電壓（鍺二極管為0.3v),其伏安特性曲線為：udid0.7v實(shí)際硅二極管伏安特性drlffvifkfrvliud=0.7v（無能源輸出） 可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個(gè)受外加電壓vi控制的開關(guān)。當(dāng)外加電壓vi為一脈沖信號(hào)時(shí)，二極管將隨著脈沖電壓的變化在“開”態(tài)與“關(guān)”態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程就是二極管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性。用軟件演示二極管開關(guān)特性 +vcc(+5v) r 3k f d1 a d2 b 5v 0v a b f & a b f 0 0 0 1 1 0

4、1 1 0 0 0 1 f=ab a d1 b d2 5v 0v f r 3k a b f 1 a b f 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 f=a+b e b npn型三極管 c e b pnp 型三極管 c 初步認(rèn)識(shí)三極管雙極型三極管（bjt）分類： 根據(jù)制作結(jié)構(gòu)分為npn型和pnp型； 根據(jù)制作材料分為硅材料和鍺材料。三極管的三個(gè)極：發(fā)射極（e）、基極（b）、集電極（c）三極管有兩個(gè)pn結(jié)：發(fā)射結(jié)（ej）、集電結(jié)（cj）發(fā)射結(jié)集電結(jié) ui ib e rb b +vcc ic uo 工作原理電路 rc c rbrc+vccbce0.7v0.3vrbrc+vccbce截止?fàn)顟B(tài)飽

5、和狀態(tài)三極管工作在開關(guān)狀態(tài)的等效電路vivivovo三極管反相器（非門）的工作情況輸入輸入(a)輸出輸出(f)vi（v）vo（v）0.3v5v5v0.3v+v-t123100krccrvbi（+12v）vco10k50k4.7k+5vfa01輸 入10輸 出非邏輯真值表 a f 1 0v5vl5v+v+vdddd1213krr3k2cc（+5v）（+5v）ccp（1）在多個(gè)門串接使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)低電平偏離標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的情況。（2）負(fù)載能力差。0.7v1.4vrl解決辦法： 將二極管與門（或門）電路和三極管非門電路組合起來。lba+vd123d1ktp（+5v）1r2rc3kccrbdd5r14.7k

6、4ffa b c工作原理： （1）當(dāng)a、b、c全接為高電平5v時(shí)，二極管d1d3都截止，而d4、d5和t導(dǎo)通，且t為飽和導(dǎo)通， vl=0.3v，即輸出低電平。（2）a、b、c中只要有一個(gè)為低電平0.3v時(shí)，則vp1v，從而使d4、d5和t都截止，vl=vcc=5v，即輸出高電平。所以該電路滿足與非邏輯關(guān)系，即：+vlabc123ddddd4（+5v）pr3152cc3kr4.7kr1ktc1ffa b c工作原理： （1）當(dāng)a、b、c全接為高電平5v時(shí)，二極管d1d3都截止，而d4、d5和t導(dǎo)通，且t為飽和導(dǎo)通， vl=0.3v，即輸出低電平。（2）a、b、c中只要有一個(gè)為低電平0.3v時(shí)，則

7、vp1v，從而使d4、d5和t都截止，vl=vcc=5v，即輸出高電平。所以該電路滿足與非邏輯關(guān)系，即：+vlabc123ddddd4（+5v）pr3152cc3kr4.7kr1ktc1f+vlabc123ddddd4（+5v）pr3152cc3kr4.7kr1ktc1c+vba（+5v）nnnnppppccrb1+v13b1（+5v）t1crbacc引子：+vv12312312313dtrc輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)t4tc22r3b1brc4aoe211k1.6kvc2tccvr（ +5v）e24k1301、輸入全為高電平3.6v時(shí)。 t2、t3飽和導(dǎo)通，v3.6v+v123d12312313rb

8、11k1.6k2rcc4k1（+5v）4tb飽和rrce2tt130截止o飽和3倒置狀態(tài)c4截止c2ta實(shí)現(xiàn)了與非門的邏輯功能之一：輸入全為高電平時(shí)，輸出為低電平。由于t2飽和導(dǎo)通，vc2=1v。t4和二極管d都截止。由于t3飽和導(dǎo)通，輸出電壓為： vo=vces30.3v2.1v1.4v0.7v1v0.3v該發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，vb1=1v。t2、t3都截止。2、輸入有低電平0.3v 時(shí)。3.6v0.3vv+v123123123d131.6k4ktct1k截止e2導(dǎo)通飽和4o截止t130rb12導(dǎo)通trrbcc3c21arc4 實(shí)現(xiàn)了與非門的邏輯功能的另一方面： 輸入有低電平時(shí)， 輸出為高電平。忽略

9、流過rc2的電流，vb4vcc=5v 。由于t4和d導(dǎo)通，所以： vovcc-vbe4-vd =5-0.7-0.7=3.6（v）fa b c綜合上述兩種情況，該電路滿足與非的邏輯功能，即：1v5v4.3v3.6vl+v12313123d12312313r3t1at2at1bt2babtt34ccrrrr1b241aal=a+bb1+vl1231231312312313db21a1bbrcc24rtrt1b1attt2b2ar332a1tr41a74ls00 的引腳排列圖vcc 3a 3b 3y 4a 4b 4y 1a 1b 1y 2a 2b 2y gnd 14 13 12 11 10 9 87

10、4ls20 1 2 3 4 5 6 7vcc 2a 2b nc 2c 2d 2y 1a 1b nc 1c 1d 1y gnd74ls20 的引腳排列圖 14 13 12 11 10 9 874ls00 1 2 3 4 5 6 774ls00內(nèi)含4個(gè)2輸入與非門，74ls20內(nèi)含2個(gè)4輸入與非門。74ls04內(nèi)含6個(gè)反相器，74ls02內(nèi)含4個(gè)2輸入或非門。 14 13 12 11 10 9 874ls04 1 2 3 4 5 6 7vcc 4a 4y 5a 5y 6a 6y 1a 1y 2a 2y 3a 3y gnd6 反相器 74ls04 的引腳排列圖+vcc 14 13 12 11 10

11、9 874ls02 1 2 3 4 5 6 7vcc 3y 3b 3a 4y 4b 4a 1y 1b 1a 2y 2b 3a gnd74ls02 的引腳排列圖+vcc74ls51內(nèi)含2個(gè)4-2輸入與或非門 14 13 12 11 10 9 874ls51 1 2 3 4 5 6 7vcc 2b 2c 2d 2e 2f 2y 2a 1a 1b 1c 1d 1y gnd74ls51 的引腳排列圖vccdcbay74：標(biāo)準(zhǔn)系列，前面介紹的ttl門電路都屬于74系列，其典型電路與非門的平均傳輸時(shí)間tpd10ns，平均功耗p10mw。74h：高速系列，是在74系列基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，其典型電路與非門的平均

12、傳輸時(shí)間tpd6ns，平均功耗p22mw。74s：肖特基系列，是在74h系列基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時(shí)間tpd3ns，平均功耗p19mw。74ls：低功耗肖特基系列，是在74s系列基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時(shí)間tpd9ns，平均功耗p2mw。74ls系列產(chǎn)品具有最佳的綜合性能，是ttl集成電路的主流，是應(yīng)用最廣的系列。74：標(biāo)準(zhǔn)系列，前面介紹的ttl門電路都屬于74系列，其典型電路與非門的平均傳輸時(shí)間tpd10ns，平均功耗p10mw。74h：高速系列，是在74系列基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時(shí)間tpd6ns，平均功耗p22mw。74s：肖

13、特基系列，是在74h系列基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時(shí)間tpd3ns，平均功耗p19mw。74ls：低功耗肖特基系列，是在74s系列基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時(shí)間tpd9ns，平均功耗p2mw。74ls系列產(chǎn)品具有最佳的綜合性能，是ttl集成電路的主流，是應(yīng)用最廣的系列。 mos管分類pmos管:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作速度低，負(fù)電源工作。nmos管:工藝復(fù)雜，正電源工作。cmos管:pmos管和nmos管組成互補(bǔ)電路。 工作區(qū)ttl: 截止 放大 飽和cmos: 截止 飽和 非飽和相當(dāng)開關(guān)電路: 斷開 接通mos是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)稱vndsgsdgvp

14、pmos管nmos管vgsvtp 時(shí)導(dǎo)通取:vtp =2vvgsvtn 時(shí)導(dǎo)通取:vtn =2v即:|vgs | |vtp |= 2v 時(shí)導(dǎo)通柵極源極漏極nmos管驅(qū)動(dòng)管pmos管負(fù)載管vddafspdngpvpvndpsngn漏極相連做輸出端pmos管的襯底總是接到電路的最高電位nmos管的襯底總是接到電路的最低電位柵極相連做輸入端電路a=1導(dǎo)通截止v=0v即f0vddafvpvn工作原理工作原理設(shè)vdd10v，a1時(shí)，va10v a0時(shí)，va0 vvgsp=0 vvgsn=10 va=0截止導(dǎo)通v=10v即f1vddafvpvn設(shè)vdd10v，a1時(shí)，va10v a0時(shí)，va0 vvgsp

15、=10 vvgsn=0 va vp vn f 0 導(dǎo)通 截止 1 1 截止 導(dǎo)通 0 結(jié)論：vddvp2vp1vn2vn1abfcmos與非門電路負(fù)載管并聯(lián)驅(qū)動(dòng)管串聯(lián)vddvp2vp1vn2vn1abfa=0,b=0:設(shè)vdd10v，ab1時(shí)，vavb10v ab0時(shí)，vavb0 vvgsp1= vgsp2 = 10 vvgsn1= vgsn2 = 0 vvn1、vn2：截止vp1、vp2：導(dǎo)通f=1001vddvp2vp1vn2vn1abf設(shè)vdd10v，ab1時(shí)，vavb10v ab0時(shí)，vavb0 v011a=0,b=0:vn1、vn2：截止vp1、vp2：導(dǎo)通f=1a=0,b=1:vn

16、2、vp1：截止vn1、vp2：導(dǎo)通f=1vddvp2vp1vn2vn1abf設(shè)vdd10v，ab1時(shí)，vavb10v ab0時(shí)，vavb0 va=0,b=0:vn1、vn2：截止vp1、vp2：導(dǎo)通f=1a=0,b=1:vn1、vp2：截止vp1、vn2：導(dǎo)通f=1101a=1,b=0:vp2、vn1：截止vn2、vp1：導(dǎo)通f=1vddvp2vp1vn2vn1abf設(shè)vdd10v，ab1時(shí)，vavb10v ab0時(shí)，vavb0 v110a=1,b=1:vp1、vp2：截止vn1、vn2：導(dǎo)通f=0a=0,b=0:vn1、vn2：截止vp1、vp2：導(dǎo)通f=1a=0,b=1:vn1、vp2：

17、截止vp1、vn2：導(dǎo)通f=1a=1,b=0:vp2、vn1：截止vn2、vp1：導(dǎo)通f=1電路：vddvp2vp1vn2vn1abf負(fù)載管串聯(lián)驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)vddvp2vp1vn2vn1abf設(shè)vdd10v，ab1時(shí)，vavb10v ab0時(shí)，vavb0 va=0,b=0:vp1、vp2：導(dǎo)通f=1vn1、vn2：截止vgsn1= vgsn2 = 0 vvgsp1= vgsp2 = 10 v001vddvp2vp1vn2vn1abf設(shè)vdd10v，ab1時(shí)，vavb10v ab0時(shí)，vavb0 va=0,b=0:vp1、vp2：導(dǎo)通f=1vn1、vn2：截止010a=0,b=1:vn1、vp2：

18、截止vp1、vn2：導(dǎo)通f=0vddvp2vp1vn2vn1abf設(shè)vdd10v，ab1時(shí)，vavb10v ab0時(shí)，vavb0 v100a=0,b=0:vp1、vp2：導(dǎo)通f=1vn1、vn2：截止a=0,b=1:vn1、vp2：截止vp1、vn2：導(dǎo)通f=0a=1,b=0:f=0vp1、vn2：截止vn1、vp2：導(dǎo)通vddvp2vp1vn2vn1abf設(shè)vdd10v，ab1時(shí)，vavb10v ab0時(shí)，vavb0 v110a=0,b=0:vp1、vp2：導(dǎo)通f=1vn1、vn2：截止a=0,b=1:vn1、vp2：截止vp1、vn2：導(dǎo)通f=0a=1,b=0:f=0vp1、vn2：截止vn1、vp2：導(dǎo)通a=1,b=0:vp1、vn2：截止vn1、vp2：導(dǎo)通f=0_fab邏輯關(guān)系:a b vp1 vp2 vn1 vn2 f 0 0 導(dǎo)通 導(dǎo)通 截止 截止 10 1 導(dǎo)通 截止 截止 導(dǎo)通 01 0 截止 導(dǎo)通 導(dǎo)通 截止 01 1 截止 截止 導(dǎo)通 導(dǎo)通 0負(fù)載管驅(qū)動(dòng)管ttl門使用注意事項(xiàng)二、閑置輸入端的處理1、閑置輸入端不允許懸空。2、對(duì)于與門和與非門，閑置輸入端應(yīng)接正電源或高電平；對(duì)于或門和或非門，閑置輸入端應(yīng)接地或低電平。3、閑置輸入端不宜與使用輸入端并聯(lián)使用，因?yàn)檫@樣會(huì)增大輸入電容。從而使