第 2 章 逻辑门电路

1. 第2章 逻辑门电路 2.1 逻辑门电路简介 2.2 分立元件门电路 2.3 TTL集成逻辑门电路 2.4 CMOS集成逻辑门电路 2.5 常用集成逻辑门系列 2.6 逻辑门电路的主要电气参数 2.7 逻辑门电路使用中的实际问题

2. 2.1 逻辑门电路简介 逻辑门电路：用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的电子电路统称为逻辑门电路。 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。 逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。 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。

3. 2.2 分立元件门电路 分立元件门电路是利用半导体二极管和三极管的开关特性，由若干个分立的半导体器件和电阻、电容连接而成的。 2.2.1 二极管的开关特性 1．二极管的静态特性 (1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。

4. (2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。 可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。

5. 2．二极管开关的动态特性 给二极管电路加入 一个方波信号，电流的 波形怎样呢？ ts为存储时间，tt称为渡越时间。 tre＝ts十tt称为反向恢复时间

6. 3．二极管的开通时间 二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，它对开关速度的影响很小，可以忽略不计。

7. （2）饱和状态：当输入为高电平时，如VI=5V时， ，VCE约为0.2～0.3V，输出为低电平。三极管工作在饱和状态。 2.2.2 双极型晶体管（BJT）的开关特性 （1）截止状态：当输入为低电平时，如VI=0V时，IB＝ICBO≈0，IC＝ICEO≈0，VCE≈VCC，输出为高电平。三极管工作在截止状态。 1．双极型晶体管的开关作用

8. 2．双极型晶体管的开关时间 （1）延迟时间td——从vi正跳变的瞬间开始，到iC上升到0.1ICS所需的时间 。 （2）上升时间tr——iC从0.1ICS上升到0.9ICS所需的时间。 （3）存储时间ts——从vi下跳变的瞬间开始，到iC下降到0.9ICS所需的时间。 （4）下降时间tf——C从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。 开通时间ton= td +tr 关断时间toff= ts +tf

9. 与逻辑真值表 输 入 输出 A B Y 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 2.2.3 二极管与门

10. 或逻辑真值表 输 入 输出 A B L 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 2.2.4 二极管或门

11. 非逻辑真值表 输 入 输 出 A L 0 1 1 0 2.2.5 三极管反相器（非门）

12. 2.3 TTL集成逻辑门电路 2.3.1 TTL反相器（非门） 1. TTL反相器的电路结构和工作原理 （1）输入低电平0.2V时。 该发射结导通，VB1≈0.9V。T2、T5都截止。 忽略流过R2的电流，VB4≈VCC=5V。 5V 0.9V 0.2V 由于T4和D导通，所以： VO≈VCC-VBE4-VD =5-0.7-0.7=3.6（V） 3.6V 实现了非门的逻辑功能之一： 输入低电平时，输出为高电平。

13. （2）输入为高电平3.6V时。 T2、T5饱和导通， 由于T5饱和导通，输出电压为： VO=VCES5≈0.2V 由于T2饱和导通，VC2=1V。 T4和二极管D2都截止。 实现了非门逻辑功能的另一方面： 输入为高电平时，输出为低电平。 1V 2.1V 3.6V 综合上述两种情况，该电路满足非的逻辑功能，即： 1.4V 0.7V 0.2V

14. 将TTL门电路的输出电压随输入电压的变化用曲线表示出来，就得到了图2.10所示的电压传输特性曲线。电压传输特性转折区中点对应的输入电压称为阈值电压(threshold voltage)或门槛电压，用VTH表示。由图可知VTH近似1.4V。

15. 2. TTL反相器的输入特性 （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。 从上面分析可知，TTL电路无论输入为高电平还是低电平，输入电流都不等于零。而且空载下的电源电流也比较大。因此，TTL电路的功耗比较大，所以难以做成大规模或超大规模集成电路。 通常在产品手册上都给出每种门电路产品IIL的最大值。例如74系列TTL电路的最大值IIL(max)=1.6mA。

16. （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。（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。 通常在产品手册上都给出每种门电路产品IIH的最大值。 IIH的数值比较小，例如74系列TTL电路的最大值IIH(max)约40μA。

17. 由此可知，当TTL反相器的输入端悬空时(Rp为无穷大)，输出必为低电平。如果从输出端看，就如同输入端接高电平信号一样。所以，对于输出端的状态而言，TTL输入悬空和接逻辑高电平是等效的。由此可知，当TTL反相器的输入端悬空时(Rp为无穷大)，输出必为低电平。如果从输出端看，就如同输入端接高电平信号一样。所以，对于输出端的状态而言，TTL输入悬空和接逻辑高电平是等效的。

18. 3. TTL反相器的输出特性 因为反相器的输出电阻不等于零，所以，当反相器的输出端接上负载以后，输出的高、低电平将随负载电流的变化而改变。不过TTL电路输出高电平时的输出电阻和输出低电平时的输出电阻都很小，所以当负载在允许的工作范围内变化时，输出的高、低电平变化不大。反相器7404的高电平输出电阻ROH在100Ω以内，低电平输出电阻ROL小于8Ω。由于高电平输出电阻比较大，而且允许的负载电流又比较小，所以在需要驱动较大的电流负载时，总是用输出低电平去驱动。 （1） IoL——是输出低电平时，流入输出端的电流。 IoL(max)=16mA。 （2） IoH——是输出高电平时，流出输出端的电流。IoH(max)=0.4mA。

19. 2.3.2 其它类型的TTL门电路 1. TTL与非门 2. TTL或非门

20. 3. TTL与或非门 4. TTL异或门

21. 5. 集电极开路的TTL门电路（OC门） 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。 • 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。

22. 式中，IOL(max)为OC门导通时允许流过的最大负载电流，IOH为OC门截止时的漏电流。

23. OC门主要有以下几方面的应用： （1）实现线与。 逻辑关系为: （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。

24. 6. TTL三态门电路 • （1）当控制端为0时，P点为高电平，二极管截止，反相器处于正常的工作状态，，输出可能是高电平也可能是低电平、视A的状态而定。 • （2）当控制端为1时，P点为低电平，二极管D3导通，VC2等于P点的低电平加上D3的导通压降（约0.8V），故T2、T4截止。同时，T3、D2也截止，所以输出端呈高阻状态。

25. 2.3.3 ECL逻辑门电路

26. ECL门电路的主要特点： 1）优点 （1）由于三极管导通时工作在非饱和状态，且逻辑电平摆幅小，传输时间可缩短至2ns以下，ECL电路是目前各种数字集成电路中工作速度最快的一种。 （2）因为输出端采用了射极输出结构，所以输出内阻很低，带负载能力很强。 （3）ECL电路多设有互补的输出端，输出有互补性，使用方便、灵活。 （4）电源电流基本不大，电路内部的开关噪声很低。 2）缺点 （1）噪声容限比较低。ECL电路的逻辑摆幅只有0.8V，直流噪声容限仅200mV左右，因此抗干扰能力较差。 （2）功耗大。由于电路里的电阻阻值都很小，而且三极管导通时又工作在非饱和状态，所以功耗很大。每个门的平均功耗可达100mW以上。 基于ECL电路的上述特点，目前仅限于在中、小规模的集成电路，主要用在高速、超高速的电路中。

27. 2.4 CMOS集成逻辑门电路 2.4.1 CMOS反相器（非门） CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。

29. 1．逻辑关系： （设VDD＞（VTN+|VTP|），且VTN=|VTP|） （1）当Vi=0V时，TN截止，TP导通。输出VO≈VDD。 （2）当Vi=VDD时，TN导通，TP截止，输出VO≈0V。

30. 2．电压传输特性和电流传输特性 （设: VDD=10V， VTN=|VTP|=2V） CMOS门电路的阈值电压 Vth=VDD/2

31. 3．CMOS反相器的开关速度 由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns。

32. 2.4.2 其他类型的CMOS门电路 • 1．CMOS与非门 • 2．CMOS或非门电路

33. 1）输出MOS管的漏极是开路的。如图2.28中虚线部分所示，工作时必须外接电源VDD2和上拉电阻RL，电路才能工作，实现 。上拉电阻RL的计算与OC门类似。 • 3．漏极开路CMOS门电路 2）可以实现线与功能，即可把几个OD门的输出端直接连接起来实现线与运算。 3）可以用来实现逻辑电平转换。因为OD门输出MOS管漏极电源是外接的，Y随VDD2的不同而改变，所以能够方便地实现电平转换。

34. 当C端接+5 V， 端接0V时，vI在0～+3 V的范围内，TN导通。在＋2～＋5 V的范围内，TP将导通。由此可知，当vI在0～+5 V之间变化时，TN和TP至少有一个导通。 当C端接0V， 端接+5 V时，输入信号vI的取值在0～+5 V范围内，TN和TP同时截止，输入和输出之间呈高阻态，传输门是断开的。 工作原理：（设两管的开启电压VTN=|VTP|=2V） 4 ．CMOS传输门 5．CMOS三态门

35. 2.4.3 BiCMOS逻辑门电路 • 1、 BiCMOS反相器 • 2、 BiCMOS与非门电路

36. 2.5 常用集成逻辑门系列 2.5.1 TTL集成逻辑门系列简介 1）74系列——标准通用系列，为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝10ns，平均功耗P＝10mW。国产型号为CT54/74系列（与国际上SN54/74系列相当，国内沿用的部标型号是T1000系列）。 2）74H系列——高速TTL系列，是在74系列基础上改进得到的。速度提高了，但功耗也增加了。其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝6ns，平均功耗P＝22mW。国产型号为CT54H/74H系列（与国际上SN54H/74H系列相当，国内沿用的部标型号是T2000系列） 3）74L系列——低功耗TTL系列，也是在74系列基础上改进得到的。功耗降低了，但工作速度也降低了。 4）74S系列——肖特基TTL系列，是在74H系列基础上改进得到的，使电路的工作速度和功耗均得到了改善。其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝3ns，平均功耗P＝19mW。国产型号为CT54S/74S系列（与国际上SN54S/74S系列相当，国内沿用的部标型号是T3000系列）。

37. 5）74LS系列——为低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流产品，是目前应用最广的系列。其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝9ns，平均功耗P＝2mW。5）74LS系列——为低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流产品，是目前应用最广的系列。其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝9ns，平均功耗P＝2mW。 6）74AS系列——为先进肖特基系列。74AS(Advanced SchottkyTTL)系列是为了进一步缩短传输延迟时间而设计的改进系列。它的电路结构与74LS系列相似，但是电路中采用了很低的电阻阻值，从而大大提高了工作速度。 7）74ALS系列——为先进低功耗肖特基系列。74ALS(Advanced Low—power Schottky TTL)系列是为了获得更小的延迟-功耗积而设计的改进系列，它的延迟-功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种。为了降低功耗，电路中采用了较高的电阻阻值。同时，通过改进生产工艺缩小了内部各个器件的尺寸，获得了减小功耗、缩短延迟时间的双重效果。 8）74F系列——速度和功耗介于74AS和74ALS之间，广泛应用于速度要求较高的TTL逻辑电路。

38. 2.5.2 CMOS集成逻辑门系列 1）4000系列——基本的CMOS系列。4000系列是最早投放市场的CMOS集成电路产品，随后发展为4000B系列，它具有功耗低、工作电压范围宽、抗干扰能力强的特点。由于受当时制造工艺水平的限制，其工作速度较慢（延迟时间达100 ns左右），带负载能力弱，与TTL不兼容。因此，目前它已基本上被后来出现的HC／HCT系列产品所取代。 2）74HC/HCT系列——高速CMOS系列。与4000系列相比，其工作速度快（传输延迟时间缩短到了10ns左右，仅为4000系列的十分之一）、带负载能力强。 3）74 AHC／AHCT系列——改进的高速CMOS系列。改进后的这两种系列其工作速度能达到74HC和74HCT系列的两倍，而且带负载能力也提高了近一倍。同时AHC／AHCT系列产品又能与HC／HCT系列产品兼容，这就为系统的器件更新带来了很大方便。因此，AHC／AHCT系列是目前比较受欢迎的、应用最广的CMOS器件。就像HC与HCT系列的区别一样，AHC与AHCT系列的区别也主要表现在工作电压范围和对输入电平的要求不同上。

39. 4）74LVC/ALVC系列——低压CMOS系列。LVC系列不仅能工作在1.65～3.6 V的低电压下，而且传输延迟时间也缩短至3.8 ns。同时，它又能提供更大的负载电流。此外，LVC的输入可以接受高达5 V的高电平信号，能很容易地将5 V电平的信号转换为3.3 V以下的电平信号，而LVC系列提供的总线驱动电路又能将3.3 V以下的电平信号转换为5 V的输出信号，这就为3.3 V系统与5 V系统之间的连接提供了便捷的解决方案。 ALVC系列是TI公司于1994年推出的改进的低压CMOS(Advanced Low-Voltage CMOS)逻辑系列。ALVC在LVC基础上进一步提高了工作速度，并提供了性能更加优越的总线驱动器件。LVC和ALVC是目前CMOS电路中性能最好的两个系列，可以满足高性能数字系统设计的需要。尤其在移动式的便携电子设备(如笔记本电脑、移动电话、数码相机等)中，LVC和ALVC系列的优势更加明显。

40. 输入高电平最小值 输出高电平最小值 输入低电平最大值 输出低电平最大值 • 2.6 逻辑门电路的主要电气参数 • 1. 输入输出的高、低电平 （1） 各种系列TTL门电路（74××00）的输入、输出电平值

41. 输出高电平最小值 输入低电平最大值 输出低电平最大值 输入高电平最小值 电源电压范围 （2）各种系列CMOS门电路的输入、输出电平值（以74××04为例） • 2. 噪声容限 噪声容限表示门电路的抗干扰能力。二值数字逻辑电路的优点在于它的输入信号电压允许有一定的变化范围即容差。在数字系统中，各逻辑电路之间的连线可能会受到各种噪声的干扰，这些噪声会叠加在工作信号上，只要其幅度不超过逻辑电平允许的最小值或最大值，则输出的逻辑状态就不会受影响。通常将这个最大噪声幅度称为噪声容限。电路的噪声容限愈大，其抗干扰能力愈强。

42. V V & & o i G G 1 2 V V i o 3.6V 3.6V 输出“1” V 输入“1” OH（min） 2.4V V NH 2V V IH(min) V IL(max) 0.8V V V OL（max） NL 0.4V 输入“0” 输出“0” 0V 0V 门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。 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。 输入低电平噪声容限 VNL＝VIL(MAX)-VOL（max） 输入高电平噪声容限VNH＝VOH（min）-VIH(min)

43. 根据表2.5给出的参数，可求得74系列TTL门电路高电平和低电平噪声容限：根据表2.5给出的参数，可求得74系列TTL门电路高电平和低电平噪声容限： =2.4-2.0=0.4V =0.8-0.4=0.4V 根据表2.6给出的参数，同样方法可以计算出74HC系列CMOS门电路的高、 低电平噪声容限： =4.4-3.15 =1.25V =1.35-0.33=1.02V

44. 表2.7 TTL系列和CMOS系列门电路的输入、输出电流值 • 3. 输入、输出电流 输入低电平电流IIL——是指当门电路的输入端接低电平时，流出输入端的电流。 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。 输出低电平电流IOL——是输出低电平时，流入输出端的电流。 输出高电平电流IOH——是输出高电平时，流出输出端的电流。

45. 4. 扇入数与扇输出数 门电路的扇人数取决于它的输入端的个数，例如一个3输入端的与非门，其扇人数NI=3。 门电路的扇出数是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目(反映了门电路的带负载能力)。 • （1）带拉电流负载 • （2）带灌电流负载

46. 与非门的传输延迟时间tpd： • 5. 传输延迟时间 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。 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。 一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。

47. 表2.8 各种系列TTL门电路（74××00）的传输延迟时间 表2.9 各种系列CMOS门电路（以74××04为例）的传输延迟时间

48. 6. 功耗 • 7. 功耗延迟积 表2.10 各种系列TTL门电路的主要性能参数 表2.11 各种系列CMOS门电路（74××00）的主要性能参数

49. 2.7 逻辑门电路使用中的实际问题 2.7.1 CMOS集成电路的主要特点及使用注意事项 1. CMOS集成电路的主要特点 1）功耗极低。CMOS集成电路静态功耗非常小，例如在VDD=5V时，门电路的功耗只有几个μW，即使是中规模集成电路，其功耗也不会超过100μW。 2）电源电压范围宽。例如CC4000系列，VDD=3～18V。 3）抗干扰能力强。输入端噪声容限典型值可达到0.45VDD。 4）逻辑摆幅大。VOL=0V，VOH≈VDD。 5）输入阻抗极高。输人电阻可达100MΩ。 6）扇出能力强。在低频时，CMOS电路几乎不考虑扇出能力问题；高频工作时，扇出数与工作频有关。

50. 7）集成度很高，温度稳定性好。由于CMOS电路功耗极低，内部发热量很少，所以集成度可以做得非常高。CMOS电路的结构是互补对称的，当外界温度变化时，有些参数可以互相补偿，因此，其特性的温度稳定性好，在很宽的温度范围内都能正常工作。7）集成度很高，温度稳定性好。由于CMOS电路功耗极低，内部发热量很少，所以集成度可以做得非常高。CMOS电路的结构是互补对称的，当外界温度变化时，有些参数可以互相补偿，因此，其特性的温度稳定性好，在很宽的温度范围内都能正常工作。 8）抗辐射能力强。因为MOS管是靠多数载流子运动导电的器件，射线对多数载流子浓度影响很小，所以CMOS电路抗辐射能力强。 9）成本低。CMOS电路集成度很高，功耗很低，因此，用CMOS集成电路制作的设备，成本比较低。