数字电子技术-逻辑门电路详解
逻辑门电路工作原理
逻辑门电路工作原理
逻辑门电路是数字电子电路中的基本元件，用于进行逻辑运算和控制。
逻辑门电路主要由晶体管和其他电子元件组成，在输入端和输出端之间传输电信号进行逻辑计算。
逻辑门电路根据其功能可以分为与门、或门、非门、与非门、或非门等。
与门的原理是当所有输入端同时为高电平（1）时，输出端才
为高电平；否则输出端为低电平（0）。
或门的原理是当任意一个输入端为高电平时，输出端就为高电平；只有当所有输入端都为低电平时，输出端才为低电平。
与非门的原理是与门的输出端的电平进行取反操作，即当所有输入端同时为高电平时，输出端为低电平；否则输出端为高电平。
或非门的原理是或门的输出端的电平进行取反操作，即当任意一个输入端为高电平时，输出端为低电平；只有当所有输入端都为低电平时，输出端才为低电平。
逻辑门电路通过输入信号的组合来进行逻辑计算，并将计算结果通过输出端输出。
逻辑门电路可以根据需要进行组合和级联，实现更复杂的逻辑功能，如加法器、计数器等。
总之，逻辑门电路通过控制和组合输入信号，实现逻辑计算和控制的功能，是数字电子电路中重要的基本元件。
什么是逻辑门电路逻辑门电路的注意事项
什么是逻辑门电路逻辑门电路的注意事项实现基本和常用逻辑运算的电子电路叫逻辑门电路。
那么你对逻辑门电路了解多少呢?以下是由店铺整理关于什么是逻辑门电路的内容，希望大家喜欢!逻辑门电路的简介定义最基本的逻辑关系是与、或、非，最基本的逻辑门是与门、或门和非门。
实现“与”运算的叫与门，实现“或”运算的叫或门，实现“非”运算的叫非门，也叫做反相器，等等。
逻辑门是在集成电路(也称：集成电路)上的基本组件。
组成逻辑门可以用电阻、电容、二极管、三极管等分立原件构成，成为分立元件门。
也可以将门电路的所有器件及连接导线制作在同一块半导体基片上，构成集成逻辑门电路。
简单的逻辑门可由晶体管组成。
这些晶体管的组合可以使代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或者低电平的信号。
作用高、低电平可以分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的1和0，从而实现逻辑运算。
常见的逻辑门包括“与”门，“或”门，“非”门，“异或”门(也称：互斥或)等等。
逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算。
类别逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。
所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。
门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。
基本逻辑关系为“与”、“或”、“非”三种。
逻辑门电路按其内部有源器件的不同可以分为三大类。
第一类为双极型晶体管逻辑门电路，包括TTL、ECL电路和I2L电路等几种类型;第二类为单极型MOS逻辑门电路，包括NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS、VVMOS、IGT等几种类型;第三类则是二者的组合BICMOS门电路。
常用的是CMOS逻辑门电路。
1、TTL全称Transistor-Transistor Logic,即BJT-BJT逻辑门电路，是数字电子技术中常用的一种逻辑门电路，应用较早，技术已比较成熟。
TTL主要有BJT(Bipolar Junction Transistor 即双极结型晶体管，晶体三极管)和电阻构成，具有速度快的特点。
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第一节 常见元器件的开关特性
3.MOS管的开关特性
A、MOS管静态开关特性
在数字电路中，MOS管也是作为 开关元件使用，一般采用增强型的 MOS管组成开关电路，并由栅源电压 uGS控制MOS管的导通和截止。
时间。
toff = ts +tf 关断时间toff：从输入信号负跃变的瞬间，到iC 下降到 0.1ICmax所经历的时间。
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第一节 常见元器件的开关特性
2.三极管的开关特性
B、晶体三极管动态开关特性
ton和toff一般约在几十纳秒（ns=10-9 s）范围。通常都
有toff > ton，而且ts > tf 。
0 .3V 3 .6V 3 .6V
1V 5V
3 .6V
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第三节 TTL和CMOS集成逻辑门电路
1.TTL集成逻辑门电路
3 .6V 3 .6V 3 .6V
2.1V
0 .3V
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第三节 TTL和CMOS集成逻辑门电路
1.TTL集成逻辑门电路
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
❖ 2.教学重点：不同元器件的静态开关特性，分立元件门电路 和组合门电路，TTL和CMOS集成逻辑门电路基本功能和电气特 性。
❖ 3.教学难点：组合逻辑门电路、TTL和CMOS集成逻辑门4.课时 安排： 第一节 常见元器件的开关特性 第二节 基本逻辑门电路 第三节 TTL和CMOS集成逻辑门电路
数电逻辑门电路
数电逻辑门电路逻辑门电路是数字电路中常见的一种电路结构，用于处理不同的逻辑运算和控制信号。
逻辑门电路通常由不同类型的逻辑门组成，如与门、或门、非门、异或门等。
在这篇文章中，我们将介绍几种常见的逻辑门电路以及它们的应用。
1. 与门电路与门电路是最基本的逻辑门之一，其功能是将两个输入信号进行逻辑与运算，输出结果为如果两个输入信号同时为高电平时输出高电平，否则输出低电平。
与门电路通常用于逻辑运算和控制信号的处理，比如电脑中的逻辑电路、开关控制等。
2. 或门电路或门电路是另一种常见的逻辑门，其功能是将两个输入信号进行逻辑或运算，输出结果为如果任一输入信号为高电平时输出高电平，否则输出低电平。
或门电路也广泛应用于逻辑运算和控制信号处理中，例如电脑中的逻辑电路、开关控制等。
3. 非门电路非门电路是一种单输入单输出的逻辑门，其功能是将输入信号取反输出，即如果输入信号为高电平则输出低电平，如果输入信号为低电平则输出高电平。
非门电路通常用于信号反转、逻辑反相等应用。
4. 异或门电路异或门电路是一种常见的逻辑门，其功能是将两个输入信号进行逻辑异或运算，输出结果为如果两个输入信号不相同则输出高电平，否则输出低电平。
异或门电路在数字电路设计中经常被使用，例如数据的误码检测、加法器电路等。
以上是几种常见的逻辑门电路，下面我们将介绍一个简单的逻辑门电路示例：4位全加器电路。
4位全加器电路是由4个异或门、3个与门和1个或门组成的逻辑电路，用于实现4位二进制数的加法运算。
该电路的原理是将两个4位二进制数相加，得到和输出以及进位输出。
当输入信号为A3-A0、B3-B0时，输出信号为S3-S0代表和值，C代表进位位。
在4位全加器电路中，每个异或门接收两个输入信号A和B，输出一个异或运算结果；每个与门接收三个输入信号A、B和C_in，输出一个与运算结果；一个或门接收四个输入信号S0-S3，输出一个或运算结果。
将这些逻辑门按照接线图正确连接，就可以实现全加器电路的功能。
《数字电子技术基础》——集成逻辑门电路
（6）扇入扇出数。
扇入数：
--门电路输入端的个数，用NI表示。 扇出对数于：一个2输入的“或非”门，其扇入数NI＝2。
--门电路在正常工作时，
所能带同类门电路的最大数目， 它表示带负载能力。
&
IOH IIH
拉电流负载：（存在高电平下限值）。
&
N OH
I
（驱动门）
OH
I
（负载门）
IH
IIH &
...
2.2 TTL集成逻辑门电路
2.2.1 TTL与非门电路 2.2.2 TTL集电极开路门和三态门电路 2.2.3 TTL集成电路的系列产品
2.2.1 TTL与非门电路
输入级和输出级均采用晶体三极管，称为晶体三极 管-晶体三极管逻辑电路，简称TTL电路。
1.电路结构
R1
R2
R4 +UCC
A B
D1
T1 D2
T3
T2
D3
F
T4 R3
输入级 中间级 输出级
（1）输入级。
对输入变量实现“与”运算，
输入级相当于一个与门。
A
（2）中间级。
B D1
实现放大和倒相功能。向后级
提供两个相位相反的信号，分
别驱动T3、T4管。
（3）输出级。
R1 T1 D2
输入级
R2 T2
R3 中间级
R4 +UCC T3
D3 F
1.二极管的开关特性
（1）静态特性。
iD /mA
阳极
阴极
0.5 0.7 uD/V
(VT)
（a） 电路符号
（b）特性曲线
二极管当作开关来使用正是利用了二极管的单向导电性。
数字电子技术基础第二章逻辑门电路基础
（二）二极管的动态开关特性
给二极管电路加入一个方波信号，电流的波形怎样呢？
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础
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
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础
l 1. 反向恢复过程
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础
（1）延迟时间td—— 从输入信号vi正跳变的 瞬 间开始，到集电极电流iC上升到0.1ICS所需的 时间
（2）上升时间tr——集电极电流从0.1ICS上升到 0.9ICS所需的时间。
（3）存储时间ts——从输入信号vi下跳变的瞬间 开始，到集电极电流iC下降到0.9ICS所需的时 间。
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础
l 八、功率损耗（功耗）PD l 九、功耗-延时积DP
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础
十、TTL门电路芯片的封装
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础
十一、其它逻辑功能的TTL门电路
l （一）TTL正与非门
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础
l （二）TTL正或非门
u （1）输入高电平噪声容限电压（最大允许负向干扰电压） u （2）输入低电平噪声容限电压（最大允许正向干扰电压）
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础
输入高电平噪声容限 VNH＝V OH（min）-VON ＝V OH（min）- V IH（min） ＝2.4V-2.0V＝0.4V。
输入低电平噪声容限 VNL＝V OFF-V OL（max） ＝V IL（max） -V OL（max） ＝0.8V-0.4V＝0.4V。
实验一-基本逻辑门电路实验
二 、 TTL、HC器件的电压传输特性
２.输出无负载时74LS00、74HC00电压传输特性测试数据
输入Vi(V)
0.0 0.2 … 1.2 1.4 … 4.8 5.0
74LS00
输出Vo
74HC00
二 、 TTL、HC和HCT器件的电压传输特性
３.输出无负载时74LS00、74HC00和 74HCT00电压传
互连规则与约束
TTL、CMOS器件的互连： 器件的互连总则
在电子产品的某些单板上，有时需要在某些逻辑电平的器件之间进行互连。 在不同逻辑电平器件之间进行互连时主要考虑以下几点： 1：电平关系，必须保证在各自的电平范围内工作，否则，不能满足正常逻辑 功能，严重时会烧毁芯片。 2：驱动能力，必须根据器件的特性参数仔细考虑，计算和试验，否则很可能 造成隐患，在电源波动，受到干扰时系统就会崩溃。 3：时延特性，在高速信号进行逻辑电平转换时，会带来较大的延时，设计时 一定要充分考虑其容限。 4：选用电平转换逻辑芯片时应慎重考虑，反复对比。通常逻辑电平转换芯片 为通用转换芯片，可靠性高，设计方便，简化了电路，但对于具体的设计电 路一定要考虑以上三种情况，合理选用。 对于数字电路来说，各种器件所需的输入电流、输出驱动电流不同，为了驱 动大电流器件、远距离传输、同时驱动多个器件，都需要审查电流驱动能力： 输出电流应大于负载所需输入电流；另一方面，TTL、CMOS、ECL等输入、输 出电平标准不一致，同时采用上述多种器件时应考虑电平之间的转换问题。
五、 不同逻辑电平接口转换及其应用
1.TTL与CMOS 2.CMOS与TTL 2.TTL与LVTTL 3.TTL与LVCMOS 4.LVTTL与TTL 5LVTTL与CMOS 5.LVCMOS与TTL 6.LVCMOS与CMOS 7.TTL/CMOS与ECL 8. LVTTL/LVCMOS与LVECL 9.其它
数字电子技术基础：第三章 逻辑门电路
逻辑符号
C
vI /vO
TG
vO /vI
C
C
υo/ υI
2. CMOS传输门电路的工作原理
vI /vO
5V到+5V
C
+5V
TP +5V vO /vI
5V TN
5V
C
设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2V
I的变化范围为－5V到+5V。
c=0=-5V， c =1=+5V
1）当c=0， c =1时 GSN= -5V (－5V到+5V)=(0到-10)V
在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关 闭时间是相等的。平均延迟时间：<10 ns。
动态功耗
CMOS反相器的PD与f和 2 VDD
CMOS反相器从一个稳定状态转变到另一个稳定状态时所产生的功耗
PD=PC+PT
分布电容CL充放电引起的功耗： PC CL fVD2D
CMOS管瞬时交替导通引起的功耗：PT CPD fVD2D
74标准系列 74LS系列
74AS系列
74LVC 74VAUC 低(超低)电压 速度更加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低
74ALS
3.1 概述
门电路：实现基本逻辑/复合逻辑运算的单元电路
逻辑状态的描述—— 正逻辑：高电平→1，低电平→0 负逻辑：高电平→0，低电平→1
缺点：功耗较大/速度较慢
VDD VIH(min) I OH(total) I IH(total)
… …
I0H（total) &1
+V DD RP
&
&1
IIH（total) &
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50% tPLH
74HC
VDD=5 V
74HCT 74LVC 74AUC VDD=5V VDD=3.3V VDD=1.8V
7
8
2.1
0.9
输出 90%
50%
10%
t
f
90%
50% 10%
t
r
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数字电子技术
4、功耗
静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路
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(b) 带灌电流负载
数字电子技术
当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将 引起输出低电压VOL的升高。输出为低电平，并且保证不超 过输出低电平的上限值。
NOL
IOL (驱动门) IIL (负载门)
四与非门
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中规模集成电路（MSI）
数字电子技术
10－100门/片或100－1000元件/片。
通常为逻辑功能部件。如：译码器，编 码器，数据选择器，计数器，寄存器， 移位寄存器等。
3/8译码器
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大规模集成电路（LSI）
数字电子技术
100－1000门/片或1000－10000元件/片。
2.TTL 集成电路: 广泛应用于中大规模集成电路
74系列
74LS系列
74AS系列
标准TTL 低功耗肖特基 先进肖特基
TTL
TTL
74ALS
先进低功耗 肖特基TTL
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小规模集成电路（SSI）
数字电子技术
1－10门/片或10－100元件/片。
通常为逻辑单元电路。如：各种逻辑门 电路，集成触发器等。
vo
vI
VNH —当前级门输出高电平的最小
值时允许负向噪声电压的最大值。
VNH =VOH(min)－VIH(min)
负载门输入低电平时的噪声容限：
VNL —当前级门输出低电平的最大 值时允许正向噪声电压的最大值
VNL =VIL(max)－VOL(max)
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数字电子技术
数字电子技术
4000系列
速度慢 与TTL不兼容 抗干扰 功耗低
74HC 74HCT
速度加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低
74VHC 74VHCT
速度两倍于74HC 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低
74LVC 74VAUC
低(超低)电压 速度更加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰功耗低
输出
VOL(max)
低电平 0
G1门 vO 范围
VIL(max)
输入 低电平
0 G2门 vI 范围
输出低电平的上限值 VOH(max)
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数字电子技术
2、噪声容限
在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。
它表示门电路的抗干扰能力
驱动门
1
噪声 负载门
1
负载门输入高电平时的噪声容限：
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数字电子技术
3.1.2 逻辑门电路的一般特性
1、输入和输出的高、低电平
1 vo
vI 1
驱动门 G1
负载门 G2
vo 输出
+VDD
+VDD
vI
高电平
VOH(min) 输入
高电平
VIH(min)
输入低电平的上限值 VIL(max)
输入高电平的下限值 VIH(min)
输出高电平的下限值 VOH(min)
通常可构成一个小的数字逻辑系统。如： 微处理器，中央控制器，存储器，串并 行接口电路等。
MSP单片机
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超大规模集成电路（VLSI）
数字电子技术
1000门/片以上或 10000元件/片以上。
通常可构成一个完整的数字系统。如： 在一片硅片上集成一个完整的微处理机。
XC2S200 FPGA
电子技术基础－数字部分 第三章 逻辑门电路
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3. 逻辑门电路
3.1 MOS逻辑门电路
3.2 TTL逻辑门电路 *3.3 射极耦合逻辑门电路 *3.4 砷化镓逻辑门电路
3.5 逻辑描述中的几个问题 3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题 *3.7 用VerilogHDL描述逻辑门电路
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教学基本要求：
1、了解半导体器件的开关特性。 2、熟练掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异
或门）、三态门、OD门（OC门）和传输门的逻
辑功能。
3、学会门电路逻辑功能分析方法。 4、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。
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数字电子技术
74/54LS00:4－2输入与非门集成电路
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3、传输延迟时间
传输延迟时间是表征门电路开关速度 的参数，它说明门电路在输入脉冲波 形的作用下，其输出波形相对于输入 波形延迟了多长的时间。
数字电子技术
CMOS电路传输延迟时间
类型 参数
tPLH或 tPHL(ns)
50% 输入
空载时电源总电流ID与电源电压VDD的乘积。 动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，
对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。
CMOS电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗
5、延时功耗积
是速度功耗综合性的指标. 用符号DP表示
6、扇入与扇出数 扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。
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。
3.1.1 数字集实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。
2、逻辑门电路的分类 分立门电路
逻辑门电路 集成门电路
二极管门电路 三极管门电路 MOS门电路
TTL门电路
NMOS门 PMOS门 CMOS门
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1.CMOS集成电路: 广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路
3.1 MOS逻辑门
3.1.1 数字集成电路简介 3.1.2 逻辑门的一般特性 3.1.3 MOS开关及其等效电路 3.1.4 CMOS反相器 3.1.5 CMOS逻辑门电路 3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门 3.1.7 CMOS传输门 3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数
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(a) 带拉电流负载
数字电子技术
当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高 电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了 负载门的个数。
高电平扇出数:
NOH
IOH (驱动门) IIH (负载门)
IOH :驱动门的输出端 为高电平时电流
IIH :负载门的输入电流 为高电平时电流。