第16章邏輯門電路

第16章邏輯門電路16.1

基本邏輯門電路16.2

組合邏輯門16.3

TTL集成門和CMOS集成門具有邏輯功能的電路稱為邏輯電路或邏輯門電路，它是構(gòu)成數(shù)字電路的基本單元。邏輯門電路按照結(jié)構(gòu)組成的不同可分為兩類。

(1)分立元件門：它是由單個(gè)半導(dǎo)體器件組成的，目前較少使用。

(2)集成門：將各種半導(dǎo)體元器件集成在一個(gè)芯片上。

無論哪一種門電路，都是用高、低電平分別表示邏輯1和0兩種邏輯狀態(tài)的，如圖16.1所示。若以邏輯1表示輸出或輸入高電平，以邏輯0表示輸出或輸入低電平，則稱為正邏輯。反之，若以輸出或輸入的高電平為0，輸出或輸入的低電平為1，則稱為負(fù)邏輯。圖16.1正邏輯與負(fù)邏輯16.1基本邏輯門電路

用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算的門電路有與門、或門、非門等。

1.與門電路

能實(shí)現(xiàn)與邏輯關(guān)系的電路稱為與門電路。二極管與門電路如圖16.2(a)所示，其邏輯符號(hào)和波形圖如圖16.2(b)和(c)所示，其中A、B為輸入變量，Y為輸出變量。圖16.2與門電路(a)電路圖；(b)邏輯符號(hào)；(c)波形圖設(shè)UCC=5V，A、B輸入端的高、低電平分別為UiH=3V,UiL=0V，UD=0.7V。輸出Y的高、低電平為UoH=3.7V，UoL=0.7V，即輸出Y高于3V為高電平，低于0.7V為低電平。輸入、輸出的邏輯電平及真值表如表16.1和表16.2所示。其邏輯表達(dá)式為

Y=A·B2.或門電路

能實(shí)現(xiàn)或邏輯關(guān)系的電路稱為或門電路。二極管或門電路、符號(hào)和波形圖如圖16.3所示，其中，A、B為輸入變量，Y為輸出變量。

設(shè)UCC=5V，A、B端輸入高電平為UiH=3V，輸入低電平為UiL=0V；輸出高電平為UoH=2.3V，輸出低電平UoL=

－0.7V，即輸出Y高于2.3V為高電平，低于－0.7V為低電平。輸入、輸出的邏輯電平和真值表如表16.3和表16.4所示。其邏輯表達(dá)式為

Y=A+B圖16.3或門電路(a)電路圖；(b)邏輯符號(hào)；(c)波形圖3.非門電路(反相器)

能實(shí)現(xiàn)非邏輯關(guān)系的電路稱為非門電路。非門電路、符號(hào)和波形圖如圖16.4所示，其中A為輸入變量，Y為輸出變量。

由圖16.4可知，當(dāng)輸入端A為低電平時(shí)，輸出端Y為高電平；當(dāng)輸入端A為高電平時(shí)，輸出端Y為低電平。輸入、輸出的邏輯電平和真值表如表16.5和表16.6所示。其邏輯表達(dá)式為圖16.4非門電路(a)電路圖；(b)邏輯符號(hào)；(c)波形圖16.2組合邏輯門

可以用基本邏輯門組成一些組合邏輯門，如與非門、或非門、與或非門及異或門等。

1.與非門

圖16.5所示為與非門的組成及符號(hào)。表16.7是與非門的真值表。其邏輯表達(dá)式為圖16.5與非門的組成及符號(hào)(a)組成；(b)符號(hào)2.或非門

圖16.6所示為或非門的組成及符號(hào)。表16.8為或非門的邏輯真值表。其邏輯表達(dá)式為3.與或非門

圖16.7所示是與或非門的組成及符號(hào)。表16.9是與或非門的邏輯真值表。其邏輯表達(dá)式為圖16.7與或非門的組成及符號(hào)(a)組成；(b)符號(hào)4.異或門

異或關(guān)系是指兩個(gè)輸入信號(hào)在它們相同時(shí)沒有輸出，而不相同時(shí)一定有輸出，這種邏輯關(guān)系的電路稱為異或門。根據(jù)異或門的邏輯關(guān)系，可得到其真值表(見表16.10)。它的

邏輯符號(hào)如圖16.8所示。其邏輯表達(dá)式為圖16.8異或門的邏輯符號(hào)16.3TTL集成門和CMOS集成門

16.3.1TTL集成門電路

TTL集成門電路是晶體管邏輯電路的簡(jiǎn)稱，它主要是由雙極型三極管組成的。由于TTL集成電路生產(chǎn)工藝成熟，產(chǎn)品的參數(shù)穩(wěn)定，工作良好，開關(guān)速度較快，因此應(yīng)用較為廣泛。其主要型號(hào)有：N-TTL(標(biāo)準(zhǔn)型)，H-TTL(高速型)，L-TTL(低功耗型)，S-TTL(肖特基型)，LS-TTL(低功耗肖特基型)等。1.TTL與非門電路

1)電路結(jié)構(gòu)

TTL與非門的典型電路如圖16.9所示，它由三部分組成：多發(fā)射極三極管V1和電阻R1組成輸入級(jí)；V2和R2、R3組成中間級(jí)(倒相級(jí))；V3、V4、R4、VD3組成輸出級(jí)。電源UCC=

5V，輸入U(xiǎn)iL=0.3V，UiH=3.6V；輸出電平UoL=0.3V，UoH=0.6V；VD1、VD2為保護(hù)二極管。圖16.9TTL與非門典型電路2)TTL與非門的工作原理

當(dāng)輸入信號(hào)中任意一個(gè)為低電平，即UiA=UiL或UiB=UiL時(shí)，V1的發(fā)射結(jié)正偏，UB1=UiL+0.7=0.3+0.7=1V，使V1管飽和導(dǎo)通，此時(shí)UB2=1V(要使V2導(dǎo)通，UB2=2×0.7V=1.4V)，V2管截止，V4也處于截止?fàn)顟B(tài)，而V3導(dǎo)通，則

Uo=UCC=UoH

當(dāng)輸入信號(hào)都為高電平時(shí)，UiA=UiB=UiH=3.6V，UB1=

UiH+UBE1=3.6+0.7=4.3V，UBC≈0.1V，則UC1≈4.3V，此時(shí)UB2>1.4V，則V2、V4飽和導(dǎo)通，V3截止輸出，有

Uo=UV4CES≈0.3V=UoL

2.TTL與非門的電氣特性

1)電壓傳輸特性

將與非門電路的輸出電壓隨輸入電壓的變化用曲線描繪出來，可得到如圖16.10所示的電壓傳輸特性，它反映了TTL與非門電路的輸出電壓Uo隨輸入電壓Ui的變化規(guī)律。

電壓傳輸特性曲線可分為四段:AB、BC、CD、DE。

AB段：因Ui<0.6V，V1的基極電位UB1<1.4V，V2、V4截止，V3導(dǎo)通，所以輸出為高電平，UoH=UCC－UR4－UV3CES－UVD=3.6V。這段稱為特性曲線的截止區(qū)。

BC段：因0.6V<Ui<1.4V，V2導(dǎo)通而V4仍然截止，故此時(shí)V2工作在放大區(qū)。隨著Ui的升高，UC2、Uo線性下降，這段稱為特性曲線的線性區(qū)。圖16.10TTL與非門電壓傳輸特性

CD段：當(dāng)輸入電壓上升到1.4V左右時(shí)，UB1≈2.1V，V2、V4同時(shí)導(dǎo)通，V3截止，輸出電位急劇下降為低電平，

Uo=0.3V。此時(shí)的輸出電壓稱為閾值電壓或門檻電壓，用

Uth表示，它是輸出高、低電平的分界線。CD段稱為轉(zhuǎn)折區(qū)。

DE段：Ui繼續(xù)升高時(shí)，Uo不再變化。此段稱為特性曲線的飽和區(qū)。2)輸入伏安特性

輸入伏安特性是指輸入電壓和輸入電流之間的關(guān)系。圖16.11(a)所示為輸入電路，改變輸入電壓Ui，測(cè)出對(duì)應(yīng)的輸入電流Ii值，即可畫出輸入伏安特性曲線，如圖16.11(b)所示。

設(shè)R1=4kΩ，UCC=5V，當(dāng)Ui=0V時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，可求得輸入端對(duì)地短路時(shí)的輸入電流，用Iis表示，稱為輸入短路電流，即上式中負(fù)號(hào)表示輸入短路電流與Ii的參考方向相反。圖16.11輸入電路及輸入伏安特性(a)輸入電路；(b)輸入伏安特性在Ui>1.4V以后，V4導(dǎo)通，V1的基極電位UB1被鉗在

2.1V左右，V1進(jìn)入倒置狀態(tài)，此時(shí)輸入端只有微小電流，用Iih表示，這個(gè)電流稱為TTL與非門的輸入漏電流，一般Iih≤10μA。3)輸入負(fù)載特性

由于在Ui=0V時(shí)有輸入電流存在，因而在輸入端與地之間接入電阻RP，就會(huì)影響輸入電壓。TTL與非門輸入端串電阻接地時(shí)的等效電路如圖16.12(a)所示。輸入電流流過電阻RP，會(huì)在RP上產(chǎn)生壓降而形成輸入電位Ui，且RP越大，Ui也越高。當(dāng)Ui升高到1.4V時(shí)，由于V2、V4的導(dǎo)通，就使得V1的UB1被鉗在2.1V左右，再加大RP的值，Ui也不會(huì)再升高，并且與非門輸出低電平：Uo=UoL≈0.3V。

因此，在使用TTL與非門時(shí)，若輸入端的串電阻較大，則相當(dāng)于輸入端接了一高電平。為了保證輸入低電平，就要求在輸入端的串聯(lián)電阻RP≤1kΩ。輸入負(fù)載特性如圖16.12(b)所示。圖16.12輸入等效電路和輸入負(fù)載特性(a)輸入等效電路；(b)輸入負(fù)載特性4)高電平輸入特性(帶拉電流負(fù)載)

與非門電路的輸出等效電路及輸出特性如圖16.13所示。負(fù)載電流IL與規(guī)定的輸出電流Io方向相反，為負(fù)值。當(dāng)|Io|較小時(shí)，Uo=UoH；當(dāng)|Io|增大且|Io|>5mA時(shí)，Uo快速下降，使Uo→UoL(低電平)，這說明此時(shí)該電路的帶負(fù)載能力較差，其主要原因是功率損耗增大。一般手冊(cè)上給出輸出高電平、帶拉電流負(fù)載時(shí)的負(fù)載電流為－400μA左右。圖16.13帶拉電流負(fù)載輸出等效電路及輸出特性(a)輸出等效電路；(b)輸出特性5)低電平輸出特性(帶灌電流負(fù)載)

當(dāng)輸入低電平時(shí)，與非門輸出級(jí)的V4飽和導(dǎo)通，V3截止，此時(shí)的輸出等效電路及輸出特性如圖16.14所示。由于V4飽和導(dǎo)通，因而負(fù)載電流IL與輸出電流同相。當(dāng)V4飽和導(dǎo)通時(shí)，UV4CES≈0.1V，故IL增大時(shí)，輸出電壓Uo上升不快，接近于UoL，即該電路帶負(fù)載的能力較強(qiáng)。受到功耗的限制，一般手冊(cè)上給出的輸出低電平帶灌電流負(fù)載的負(fù)載電流值在十幾mA以上。圖16.14帶灌電流負(fù)載輸出等效電路及輸出特性(a)輸出等效電路；(b)輸出特性3.TTL與非門的扇出系數(shù)N

扇出系數(shù)N表示TTL與非門電路的帶負(fù)載能力，即代表電路能驅(qū)動(dòng)同類型門電路的最大個(gè)數(shù)。當(dāng)輸出高電平、帶拉電流負(fù)載時(shí)：當(dāng)輸出低電平、帶灌電流負(fù)載時(shí):【例16.1】已知TTL與非門電路T1004的IoH=400μA,

IoL=16mA，IiL=－1.6mA，IiH=40μA。電路如圖16.15所示，求該電路的扇出系數(shù)N。

解當(dāng)輸出高電平時(shí):當(dāng)輸出低電平時(shí):NH=NL=10，取N=10。如果NH≠NL，則把較小的個(gè)數(shù)定義為扇出系數(shù)。圖16.15例16.1電路16.3.2其它類型的TTL門電路

1.集電級(jí)開路與非門(OC門)

在實(shí)際使用中，經(jīng)常將門電路的輸出端連接在一起，以實(shí)現(xiàn)邏輯與的關(guān)系。圖16.16給出了兩個(gè)與非門“線與”的邏輯圖，其輸出邏輯表達(dá)式為但是，這樣的“線與”是不允許的。從圖16.9所示的TTL與非門的電路結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)G1門輸出高電平，G2門輸出低電平時(shí)，G1門的V3、VD3導(dǎo)通，G2門的V4導(dǎo)通，將產(chǎn)生較大的電流I0從G1門流經(jīng)G2門，然后流入?yún)⒖键c(diǎn)。該電流值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出器件的額定值,很容易將器件損壞。因此，常采用OC門的技術(shù)解決此類問題。圖16.16“線與”的邏輯圖圖16.17所示是與非門的電路結(jié)構(gòu)圖，將V3、VD3、R4去掉，讓V4的集電極輸出開路，即構(gòu)成了OC門電路，如圖16.18所示。OC門電路工作時(shí)，需要外接電源UCL，并串聯(lián)一個(gè)上拉電阻RL。只要選擇合適的RL，該電路就不僅能實(shí)現(xiàn)與非功能，還能實(shí)現(xiàn)門的“線與”，且不會(huì)損壞器件。OC門器件中，除有與非門之外，還有反相器、或非門、與或門等電路。圖16.17與非門的電路結(jié)構(gòu)圖16.18OC門電路2.CMOS三態(tài)輸出門

三態(tài)輸出門的輸出有三種狀態(tài)：高電平、低電平和高阻態(tài)。圖16.19所示為三態(tài)輸出門的邏輯符號(hào)。其中，輸入信號(hào)為A、B，輸出為Y，EN為使能端。其輸出分別為和圖16.19三態(tài)輸出門的邏輯符號(hào)(a)控制端低電平有效；(b)控制端高電平有效3.或非門、與或非門和異或門

圖16.20所示是TTL或非門、與或非門和異或門的邏輯符號(hào)。圖16.20邏輯符號(hào)(a)或非門；(b)與或非門；(c)異或門4.TTL集成電路系列

考慮到國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的工作溫度和電源，將TTL數(shù)字集成電路大體分為兩大類：CT54系列和CT74系列。CT54和CT74系列具有完全相同的供電性能和電氣性能參數(shù)，不同之處在于它們適應(yīng)不同的溫度環(huán)境，且供電電壓范圍有所不同。其中，CT54可在較惡劣的環(huán)境、供電電壓變化較大的情況下工作；而CT74系列則適合在常規(guī)條件下工作。5.TTL集合邏輯門的使用

1)輸出端的連接

除OC門以外，一般邏輯門的輸出是不能“線與”連接的，也不能與電源或地短路。使用時(shí)，輸出電壓應(yīng)小于手冊(cè)上給出的最大值。三態(tài)門的輸出端可以并聯(lián)使用，但同一時(shí)刻只能有一個(gè)門工作。2)多余輸入端的處理

TTL集成門電路在使用時(shí)，多余的輸入端一般不能懸空。為防止干擾，在保證輸入正確邏輯電平的條件下，可將多余的輸入端接高電平或低電平。

與門的多余輸入端接高電平，或門的多余輸入端接低電平。接高、低電平的方法可通過限流電阻接正電源或地，也可直接和地相連接。但要注意輸入端所接的電阻不能過大，否則將改變輸入邏輯狀態(tài)。16.3.3CMOS集成門電路

CMOS邏輯門電路是互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管門電路的簡(jiǎn)稱。它是由增強(qiáng)型PMOS管和NMOS管組成的互補(bǔ)對(duì)稱MOS門電路。

1．CMOS反相器

圖16.21(a)所示為CMOS反相器的原理圖，其中VN是增強(qiáng)型NMOS管，VP是增強(qiáng)型PNOS管，兩管的參數(shù)對(duì)稱，且電壓分別是：UVN=2V，UVP=－2V。兩管的柵極相連作為輸入端，漏極相連作為輸出端。VP的源極接正電源UDD，VN的源極接地。

圖16.21CMOS反相器(a)原理圖；(b)Ui=0V時(shí)的等效電路圖；(c)Ui=10V時(shí)的等效電路圖2．CMOS反相器的工作原理

當(dāng)Ui=UiL=0V時(shí)，UGSN=0V<UVN=2V，VN管截止，而UGSP=－10V<UVP=－2V，VP管導(dǎo)通，其等效電路如圖16.21(b)所示，此時(shí)的輸出電壓為

Uo≈UDD=10V(UoH)

當(dāng)Ui=UiH=10V時(shí)，UGSN=10V>UVN=2V，VN管導(dǎo)通，而UGSP=0V>UVP=－2V，VP管截止，其等效電路如圖16.21(c)所示，此時(shí)的輸出電壓為

Uo=0V(UoL)3．CMOS反相器的電氣特性

1)CMOS反相器的電壓傳輸特性

把輸出電壓隨輸入電壓的變化曲線稱為電壓的傳輸特性，如圖16.22所示。UDD=10V，兩管的開啟電壓為±2V。當(dāng)反相器工作于電壓傳輸特性的AB段時(shí)，由于Ui≤2V，VP導(dǎo)通，VN截止，使得Uo=UoH=UDD。

當(dāng)反相器工作在電壓傳輸特性的BC段，即2V<Ui<5V時(shí)，VP管工作在可變電阻區(qū),VN管工作在飽和區(qū),此時(shí)兩管同時(shí)導(dǎo)通，Uo開始隨Ui的增大而線性地減小，故BC段為電壓傳輸特性的線性區(qū)。

在特性曲線的CD段，由于Ui≥1/2UDD，因而VP管截止，VN管導(dǎo)通，則此時(shí)的輸出電壓隨輸入電壓的增加而迅速下降，并很快達(dá)到低電壓UoL=0V，故CD段又叫做電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)或過渡區(qū)。圖16.22CMOS反相器的電壓傳輸特性2)CMOS反相器的電流轉(zhuǎn)移特性

圖16.23所示為CMOS反相器的電流轉(zhuǎn)移特性。在AB段，因?yàn)閂N工作在截止?fàn)顟B(tài)，所以內(nèi)阻較高，流過VP、VN管的Io電流較小而近似為0。在BC和DE段，VN、VP兩個(gè)管子導(dǎo)通，此時(shí)電流Io流過VN、VP，且在Ui=1/2UDD時(shí)，Io電流最大，在使用時(shí)，應(yīng)盡量不要使CMOS反相器工作在Ui接近UDD/2的區(qū)域。圖16.23CMOS反相器的電流轉(zhuǎn)移特性3)CMOS反相器的輸入和輸出特性

由于存在保護(hù)電路，且MOS管的輸入電阻較高(109～1014Ω)，因此輸入電流Ii≈0A，輸入特性曲線如圖16.24所示。在Ui>UDD+0.7V以后，Ii迅速增大；而在Ui<USS－UDF后，Ii向負(fù)方向增加，而且斜率由Rs決定。

圖16.25(a)所示為CMOS反相器輸出高電平，帶拉電流負(fù)載。圖16.25(b)所示為CMOS反相器輸出低電平，帶灌電流負(fù)載。圖16.25(c)所示是CMOS反相器輸出特性曲線。從曲線上看，CMOS反相器與TTL反相器相比較，帶負(fù)載能力較差。圖16.24輸入特性曲線圖16.25CMOS反相器拉電流負(fù)載和灌電流負(fù)載及輸出特性曲線(a)帶拉電流負(fù)載；(b)帶灌電流負(fù)載；(c)輸出特性曲線4.其它功能的CMOS門電路

1)CMOS與非門

CMOS與非門電路如圖16.26(a)所示，其邏輯符號(hào)如圖16.26(b)所示，其中V1、V2為NMOS管，V3、V4為PMOS管，A、B為輸入端，Y為輸出端，UDD為正電源。

電路實(shí)現(xiàn)的邏輯功能為圖16.26CMOS與非門(a)電路；(b)邏輯符號(hào)2)CMOS或非門

CMOS或非門電路如圖16.27(a)所示，其邏輯符號(hào)如圖16.27(b)所示，其中V1、V2為NMOS管，V3、V4為PMOS管，A、B為輸入端，Y為輸出端，UDD為正電源。電路實(shí)現(xiàn)的邏輯功能為圖16.27CMOS或非門(a)電路；(b)邏輯符號(hào)3)CMOS傳輸門

CMOS傳輸門又稱為模擬開關(guān)，它實(shí)質(zhì)上是電壓控制的無觸點(diǎn)開關(guān)。圖16.28所示是CMOS傳輸門電路圖