1、获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。,逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示(高、低电平表示不同的 电压范围）。,逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。,基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。,第3章 门电路,正逻辑与负逻辑,数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。,正逻辑和负逻辑是两种不同的逻辑体制而已，是对事物的有无、真伪的一种规定，这种事物必须是双值的。在我们的日常生活中也具有许多双值性质的事物，如上、下；左、右；男、女
2、等等，逻辑体制的不同并不能改变事物的本质。在一个数字电路中一般只能使用一种逻辑体制，混用时必须有严格的分界面，这会造成许多不便，甚至混乱。,有两种逻辑体制：正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。,下图为采用正逻辑体制所表示的逻辑信号：,正负逻辑的等效变换,非 非,与 或,与非 或非,3一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。,2任一条线一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。,1逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。,二. 逻辑符号的变换,漏极开路的门电路（OD门）,漏极开路输出门如图所示，其原
3、理与TTL开路输出门OC门(集电极开路）相同。,CMOS电路以其低功耗、高抗干扰能力等优点得到广泛的应用。其工作速度已与TTL电路不相上下，而在低功耗方面远远优于TTL电路。,CMOS 三态门(TSL门),三态门的用途,CMOS 传输门,C0、 ，即C端为低电平（0V）、 端为高电平（VDD）时， TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。 C1、 ，即C端为高电平（VDD）、 端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uoui。,由于TP和TN在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关,双向模拟开关,实现单刀
4、双掷开关的功能,CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项,（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低,但已趋近. （2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。 （3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。 （4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。 （5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。 （6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。 （7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接
5、高电平。,CMOS数字电路的特点,1输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：,（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。,2多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。,CMOS门电路的使用知识,集电极开路的T
6、TL与非门（OC门）,B,A,Y,非门的线与连接,图示电路为两个非门的输出端直接连接的情况。其输出与输入间的关系为,两个逻辑门输出端相连，可以实现两输出相与的功能，称为线与。在用门电路组合各种逻辑电路时，如果能将输出端直接并接，有时能大大简化电路。,前面介绍的推拉式输出结构的TTL门电路是不能将两个门的输出端直接并接的。,两个与非门输出 直接相连接的情况,VCC,T4,T3,D4,Y1,VCC,T4,T3,D4,Y2,T2,VOH,VOL,如图所示的连接中，如果Y1输出为高电平，Y2输出为低电平，由于推拉式输出级总是呈现低阻抗，因此将会有一个很大的负载电流流过两个输出级，该电流远远超过正常工作
7、电流，甚至会损坏门电路。,为了使TTL门能够实现线与，把输出级改为集电极开路的结构，简称OC门。,集电极开路的与非门 及其逻辑符号,VCC,T4,Y,B,A,T1,T2,Y,B,A,&,(a),(b),OC门电路取消了典型TTL门电路中T3、D4的输出电路，在使用时外接一个电阻RL和外接电源V。,只要电阻RL和电源V的数值选择恰当，就能保证输出的高、低电平符合要求，输出三极管T4的负载电流又不过大。,图中表示了n个OC门并联使用的情况，其输出,VCC,T4,T3,D4,T2,Y,三态门电路及逻辑符号,T1,D,P,G1,G2,A,B,EN,EN,A,&,B,EN,A,&,B,Y,Y,(a),(
8、c),(b),三态输出门（三态门）,三态门是在普通门电路基础上，增加控制端和控制电路构成的。,若EN为有效电平，三态门与普通门电路一致；否则，输出呈现高阻抗状态，输入与输出之间相当于断开。,高电平有效,低电平有效,三态门接成总线结构,B1,EN1,&,A1,B2,EN2,&,A2,Bn,ENn,&,An,三态门实现总线结构,轮流定时地使各个EN端为1，可把各门的输出信号轮流传送到总线上。,4、TTL系列集成电路及主要参数,TTL系列集成电路,74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗P10mW。,74H：高速系列，是在74系列基
9、础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。,74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。,74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd9ns，平均功耗P2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。,TTL与非门主要参数,（1）输出高电平UOH：TTL与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平。产品规范值UOH2.4V，标准高电平USH2.4V。 （2）高电平输出电流IOH：输出为高电平时，提供
10、给外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出高电平下降。IOH表示电路的拉电流负载能力。 （3）输出低电平UOL：TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规范值UOL0.4V，标准低电平USL0.4V。 （4）低电平输出电流IOL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出低电平上升。IOL表示电路的灌电流负载能力。 （5）扇出系数NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一般TTL门电路NO8，功率驱动门的NO可达25。 （6）最大工作频率fmax：超过此频率电路就不能正常工作。,（7）输入开门电平UON：是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电
11、平USL的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般TTL门电路的UON1.8V。 （8）输入关门电平UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平USH的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般TTL门电路的UOFF0.8V。 （9）高电平输入电流IIH：输入为高电平时的输入电流，也即当前级输出为高电平时，本级输入电路造成的前级拉电流。 （10）低电平输入电流IIL：输入为低电平时的输出电流，也即当前级输出为低电平时，本级输入电路造成的前级灌电流。 （11）平均传输时间tpd：信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频率较高的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影
12、响电路的逻辑功能。 （12）空载功耗：与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积。,使用集成电路时的注意事项,（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。,（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。,（3）TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并
13、不得对器件造成损害。,1CMOS逻辑门电路的系列 （1）基本的CMOS4000系列。 （2）高速的CMOSHC系列。 （3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。 2CMOS逻辑门电路主要参数的特 （1）高电平接近电源电压VOH（min）=0.9VDD；;低电平接近等于0 ;VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。 （2）阈值电压Vth约为VDD/2。 （3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。 （4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门； CMOS的
14、动态功耗将随工作频率的提高而提高 . （5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。 ( 6) 供电电压范围宽，1.5 V - 20 V ;,CMOS逻辑门电路的系列及主要参数,一、TTL与CMOS器件之间的接口问题两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：驱动门的VOH（min）负载门的VIH（min） 驱动门的VOL（max）负载门的VIL（max） 驱动门的IOH（max）负载门的IIH（总）驱动门的IOL（max）负载门的IIL（总）,集成逻辑门电路的应用,（b）用TTL门电路驱动5V低电流继电器，
15、其中二极管D作保护，用以防止过电压。,二、TTL和CMOS电路带负载时的接口问题,1对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。（a）用TTL门电路驱动发光二极管LED，这时只要在电路中串接一个约几百W的限流电阻即可。,2带大电流负载,（a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器。,（b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力。,（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。,三、多余输入端的处理,（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平。如直接接电源正端，在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。,利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、OC门、OD门和传输门。随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。TTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。CMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高。,本章小结,
