数字电路教案阎石第三章逻辑门电路

第3章逻辑门电路

3.1 概述

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。用逻辑1和0 分别来表示电子电路中的高、低电平的逻辑赋值方式，称为正逻辑，目前在数字技术中，大都采用正逻辑工作；若用低、高电平来表示，则称为负逻辑。本课程采用正逻辑。

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。

在数字集成电路的发展过程中，同时存在着两种类型器件的发展。一种是由三极管组成的双极型集成电路，例如晶体管-晶体管逻辑电路（简称TTL电路）及射极耦合逻辑电路（简称ECL 电路）。另一种是由MOS管组成的单极型集成电路，例如N-MOS逻辑电路和互补MOS（简称COMS）逻辑电路。

3.2 分立元件门电路

3.3.1

二极管的开关特性

3.2.2三极管的开关特性NPN型三极管截止、放大、饱和3种工作状态的特点

3.2.3二极管门电路1、二极管与门

2、二极管或门

3.2.4三极管非门

3.2.5组合逻辑门电路1、与非门电路

2、或非门电路

3.3 集成逻辑门电路

一、TTL与非门

1、电路结构

（1）抗饱和三极管

作用：使三极管工作在浅饱和状态。因为三极管饱和越深，其工作速度越慢，为了提高工作速度，需要采用抗饱和三极管。

构成：在普通三极管的基极B和集电极C之间并接了一个肖特基二极管（简称SBD）。

特点：开启电压低，其正向导通电压只有0.4V，比普通硅二极管0.7V的正向导通压降小得多；没有电荷存储效应；制造工艺和TTL电路的常规工艺相容，甚至无须增加工艺就可制造出SBD。（2）采用有源泄放电路

上图中的V6、R3、R6组成。

2、TTL与非门的工作原理

（1）V1的等效电路

V1是多发射极三极管，其有三个发射结为PN结。故输入级用

以实现A、B、C与的关系。其等效电路如右图所示。

（2）工作原理分析

①输入信号不全为1：

如u A=0.3V，u B= u C =3.6V

则u B1=0.3+0.7=1V，T2、T5

截止，T3、T4导通

忽略i B3，输出端的电位为：

u Y≈5―0.7―0.7＝3.6V

输出Y为高电平。

②输入信号全为1：如u A=u B=u C 3.6V

则u B1=2.1V，T2、T5导通，T3、T4截止

输出端的电位为：

u Y=U CES＝0.3V

输出Y为低电平。

功能表

逻辑表达式：

集成与非门电路引脚排列图（顶视）：

（74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门）

3、电压传输特性和噪声容限

（1）电压传输特性

定义：门电路输出电压u o随输入电压变化的特性曲线称为电压传输特性。

（电压传输特性曲线见课本图3.3.3.）

（2）概念

输入电平范围：高电平U iHmin～U iHmax=1.2～5V；低电平U iLmin～U iLmax=0.2～1.0V

·关门电平。上述输入低电平中的最大值，即U OFF = U iLmax =1.0V。

只有当输入u I

·开门电平。上述输入高电平中的最小值，即U ON =U iHmin=1.2V

只有当输入u I >U ON 时，与非门才开通，输出低电平。

·阈值电压。工作在电压传输特性曲线转折区中点对应的输入电压称为阈值电压，又称为门槛电压。用U TH表示。

近似分析时，可以认为：当u I

u I >U TH时，与非门工作在开通状态，输出低电平U OL。

（3）噪声容限

在输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限。

电路的噪声容限越大，其抗干扰能力就越强。

4、输入负载特性

定义：输入电压u I随输入端对地外接电阻R I变化的曲线，称为输入负载特性。

（1）在V2和V5导通前，u I随R I的增大而上升，输入电压u I

在R I上升到V2和V5开始导通时，u I不能用上式进行计算。当u I上升到1.1V 时，V1的基极电压被钳在1.8V上，V2和V5导通，输出u o为低电增U OL，此后，u I不再随R I的增大而升高。u I随R I 变化的曲线如上面右图所示。

·维持输出高电平的R I最大值称为关门电阻，用R OFF表示，其值约为700Ω。

·维持输出低电平的R I最小值称为开门电阻，用R ON表示，其值约为2。1KΩ。

5、输出负载特性

输出电压u o随负载电流I O变化的特性曲线称为输出负载特性。

6、传输延迟时间

由于二极管、三极管由导通变为截止或由截止变为导通时，都需要一定的时间，再加上其它原因，输出电压u o的脉冲波形不仅比输入波形延迟了一定的时间，而且波形的上升沿和下降沿也都变坏了。

3.3.2低功耗肖特基系列

3.3.3其它功能的TTL门电路

TTL集成逻辑门电路除与非门外，常用的还有集电极开路与非门、或非门、与或非门、三态门和异或门等。它们都是在上面所述的非门的基础上发展出来的。

1、集电极开路与非门（OC门）

·电路结构与逻辑符号

·作用与功能

问题的提出：为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。（作用）

功能：接入外接电阻R后：

①A、B不全为1时，u B1=1V，T2、T3截止，Y=1。

②A、B全为1时，u B1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。

外接电阻R的取值范围为：

·应用

（a）实现线与（b）驱动显示器（c）实现电平转换2、与或非门3、三态输出门（TSL 门）

·电路结构和逻辑符号

·工作原理

①当EN＝0时，二极管D截止，TSL门的输出状态完全取决于输入信号A、B的状态，电路输出与输入的逻辑关系和一般与非门相同。

②当EN＝1时，二极管D导通，一方面使u C2 =1V，V4截止；另一方面使u B1 =1V，从而使V2和V5截止。输出端开路，电路处于高阻状态。

结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。

·三态输出门的应用（a）构成单向总线（b）构成双向总线TTL数字集成电路及主要参数

TTL系列集成电路