1、Page 1邏輯運算與集成邏輯門電路 研發中心硬件研發部 嚴俊Page 2邏輯門電路的主要電氣參數邏輯門電路的主要電氣參數 4集成集成常用常用邏輯門系列邏輯門系列 3邏輯門電路使用中的幾個實際問題邏輯門電路使用中的幾個實際問題 5Page 3與運算決定某一事件發生的全部條件同時具備時，該事件才能發生，只要有一個條件不具備，該事件就不發生。 Y=AB=AB=A AND B = A&B邏輯運算邏輯運算國標符號國標符號國際標準符號國際標準符號與邏輯真值表與邏輯真值表Page 4與邏輯關系表達方式及邏輯運算規律與邏輯電路圖Y=AB與邏輯表達式與邏輯符號與邏輯運算規律0 000 101 001

2、11 0A=0 1A= A AA=APage 5或運算決定某一事件發生的所有條件中，只要有一個或一個以上條件具備，該事件就會發生，只有當所有條件都不具備時，該事件才不發生。 Y = A+B = A OR BPage 6非運算條件不具備，結果發生；條件具備，結果不發生。 AYNOTA Page 7復合邏輯運算 與非 BAYPage 8復合邏輯運算 與非 R1bUCCe1e2e3cA B CR1VD1VD2VD3e1e2e3cABCVD4P1bUCC(b)UCC 5 Vb1V23 kc1e1e2e3ABCV1750R2R43 k360100R5V3V4V5FUO(a)c2R1R3典型的TTL與非門

3、電路 (a) 電路原理圖； (b) 多射極晶體管的等效電路Page 9復合邏輯運算 與非 （3）晶體管V3、V4、V5和電阻R4、R5構成輸出級，它們的功能是非運算。 在正常工作時，V4和V5總是一個截止，另一個飽和。 電路結構（1）輸入級的功能是對輸入變量A、B、C實現“與運算” 。（2）晶體管V2和電阻R2、R3構成中間級，其集電極和發射極各輸出一個極性相反的電平，分別用來控制晶體管V4和V5的工作狀態。 Page 10 或非 BAYPage 11 與或非 CDABYPage 12異或BAYBABAPage 13同或ABBABAPage 14邏輯門電路：用來實現基本邏輯運算和復合邏輯運算的

4、電子電路統稱為邏輯門電路。基本和常用門電路有與門、或門、非門（反相器）、與非門、或非門、與或非門和異或門等。邏輯門是構成所有數字電路的基本單元電路。目前在數字電路中用的最多的是CMOS電路和TTL電路兩種類型。集成邏輯門電路集成邏輯門電路集成邏輯門分類：雙極性晶體管邏輯門單極性絕緣柵場效應管邏輯門，簡稱MOS門。 雙極性晶體管邏輯門主要有TTL門(晶體管-晶體管邏輯門)、ECL門(射極耦合邏輯門)和I2L門(集成注入邏輯門)等單極性MOS門主要有PMOS門(P溝道增強型MOS管構成的邏輯門)、NMOS門(N溝道增強型MOS管構成的邏輯門)和CMOS門(利用PMOS管和NMOS管構成的互補電路構

5、成的門電路，故又叫做互補MOS門Page 15 圖2.2.2 四2輸入與非門74LS00 常用邏輯門常用邏輯門基本和常用門電路有與門、或門、非門（反相器）、與非門、或非門、與或非門和異或門等。Page 16其它形式的邏輯門其它形式的邏輯門 集電極開路門（OC門）/漏極開路門（OD門）TTL工藝：OC門（Open Collector Gate） CMOS工藝：OD門（Open Drain Gate） BAYOC/OD門Page 17CDABYYY21ILOLOLCCLImIVVR(max)min）（IHOHOHCCLmInIVVR）（maxm個個輸輸入入端端n個個OC門門線與線與m個個與與非非門

6、門OC/OD門(1) 輸出并聯使用，實現線與運算(2) 需要在輸出端與電源之間外接上拉電阻RLPage 18AYEN 時，0三態門呈高阻態。時，YEN1三態門的用途：總線連接三態門的用途：總線連接三態門實現雙向傳送 利用三態門可以實現信號的可控雙向傳送，如圖. 當G=0時，門1選通，門2禁止，信號由A傳送到B；當G=1時，門1禁止，門2選通，信號由B傳送到A。 Page 19TTL集成邏輯門系列常用集成邏輯門系列常用集成邏輯門系列74系列的工作環境溫度規定為070度，電源電壓工作范圍為5V5%。54系列的工作環境溫度為-55+125度，電源電壓工作范圍為5V10%。 1）74系列標準通用系列。

7、為TTL集成電路的早期產品，屬中速TTL器件。國產型號為CT54/74系列（與國際上SN54/74系列相當，國內沿用的部標型號是T1000系列）。 2）74H系列高速TTL系列。是在74系列基礎上改進得到的。速度提高了，但功耗也增加了。國產型號為CT54H/74H系列（與國際上SN54H/74H系列相當，國內沿用的部標型號是T2000系列）。 3）74L系列低功耗TTL系列，也是在74系列基礎上改進得到的。功耗降低了，但工作速度也降低了。 Page 204）74S系列肖特基TTL系列，是在74H系列基礎上改進得到的，使電路的工作速度和功耗均得到了改善。國產型號為CT54S/74S系列（與國際上

8、SN54S/74S系列相當，國內沿用的部標型號是T3000系列）。 5）74LS系列為低功耗肖特基系列，是在74S系列基礎上改進得到的。74LS系列產品具有最佳的綜合性能，是TTL集成電路的主流產品，是目前應用最廣的系列。國產型號為CT54LS/74LS系列（與國際上SN54LS/74LS系列相當，國內沿用的部標型號是T4000系列）。 6）74AS系列為先進肖特基系列。74AS(Advanced SchottkyTTL)系列是為了進一步縮短傳輸延遲時間而設計的改進系列。它的電路結構與74LS系列相似，但是電路中采用了很低的電阻阻值，從而大大提高了工作速度。 TTL集成邏輯門系列Page 21

9、8）74F系列速度和功耗介于74AS和74ALS之間，廣泛應用于速度要求較高的TTL邏輯電路。在過去相當長的一段時間里，74LS系列曾經是TTL的主流系列。有人預測在不遠的將來74ALS系列將取代74LS系列而成為TTL電路的主流產品。 7）74ALS系列為先進低功耗肖特基系列。74ALS(Advanced Lowpower Schottky TTL)系列是為了獲得更小的延遲-功耗積而設計的改進系列，它的延遲-功耗積是TTL電路所有系列中最小的一種。為了降低功耗，電路中采用了較高的電阻阻值。同時，通過改進生產工藝縮小了內部各個器件的尺寸，獲得了減小功耗、縮短延遲時間的雙重效果。 TTL集成邏輯

10、門系列Page 221）4000系列基本的CMOS系列。4000系列是最早投放市場的CMOS集成電路產品，隨后發展為4000B系列，它具有功耗低、工作電壓范圍寬、抗干擾能力強的特點。由于受當時制造工藝水平的限制，其工作速度較慢（延遲時間達100 ns左右），帶負載能力弱，與TTL不兼容。因此，目前它已基本上被后來出現的HCHCT系列產品所取代。 2）74HC/HCT系列高速CMOS系列。與4000系列相比，其工作速度快（傳輸延遲時間縮短到了10ns左右，僅為4000系列的十分之一）、帶負載能力強。 3）74 AHCAHCT系列改進的高速CMOS系列。改進后的這兩種系列其工作速度能達到74HC和

11、74HCT系列的兩倍，而且帶負載能力也提高了近一倍。同時AHCAHCT系列產品又能與HCHCT系列產品兼容，這就為系統的器件更新帶來了很大方便。因此，AHCAHCT系列是目前比較受歡迎的、應用最廣的CMOS器件。就像HC與HCT系列的區別一樣，AHC與AHCT系列的區別也主要表現在工作電壓范圍和對輸入電平的要求不同上。 CMOS集成邏輯門系列Page 234）74LVC/ALVC系列低壓CMOS系列。LVC系列不僅能工作在1.653.6 V的低電壓下，而且傳輸延遲時間也縮短至3.8ns。同時，它又能提供更大的負載電流。此外，LVC的輸入可以接受高達5V的高電平信號，能很容易地將5V電平的信號轉

12、換為3.3V以下的電平信號，而LVC系列提供的總線驅動電路又能將3.3V以下的電平信號轉換為5V的輸出信號，這就為3.3V系統與5V系統之間的連接提供了便捷的解決方案。 ALVC系列是TI公司于1994年推出的改進的低壓CMOS(Advanced Low-Voltage CMOS)邏輯系列。ALVC在LVC基礎上進一步提高了工作速度，并提供了性能更加優越的總線驅動器件。LVC和ALVC是目前CMOS電路中性能最好的兩個系列，可以滿足高性能數字系統設計的需要。尤其在移動式的便攜電子設備(如筆記本電腦、移動電話、數碼相機等)中，LVC和ALVC系列的優勢更加明顯。Page 24邏輯門電路的主要電氣

13、參數邏輯門電路的主要電氣參數 電壓傳輸特性 TTL門電路的電壓傳輸特性Page 25CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性 圖2.4.2 CMOS反相器的傳輸特性 （a） 電壓傳輸特性 （b）電流傳輸特性 圖2.4.2 CMOS反相器的傳輸特性 （a） 電壓傳輸特性 （b）電流傳輸特性 CMOS反相器2DDVDDVPage 26 輸入、輸出特性）（ axmOLI）（maxOHI）（maxILI）（maxIHIPage 27當TTL反相器的輸入端對地接一個56千歐以上的大電阻或懸空時（Rp為無窮大），輸入端和接邏輯高電平是等效的。但對CMOS門電路，由于輸入端電流很小（近似等于0），當輸入端

14、經過一個電阻Rp接地時，不管電阻的阻值有多大，其端電壓都近似為0，因此輸入端都相當于接低電平。 輸入、輸出特性Page 28輸入和輸出的高、低電平 各種系列TTL門電路（7400）的輸入、輸出電平值）（maxILV）（maxOLV）（minIHV）（minOHVPage 29各種系列CMOS門電路的輸入、輸出電平值（以7404為例） DDV）（maxILV）（maxOLV）（minIHV）（minOHV輸入和輸出的高、低電平 Page 30噪聲容限 VVVV9.05.34.4(min)IHminOHNH）（(max)OLmaxILNLVVV）（=2.4-2.0=0.4V =0.8-0.4=0.

15、4V 74系列TTL門電路的噪聲容限： (min)minIHOHNHVVV）（(max)maxOLILNLVVV）（74HC系列CMOS門電路的噪聲容限： (min)minIHOHNHVVV）（(max)maxOLILNLVVV）（=4.4-3.15=1.25V =1.35-0.33=1.02V Page 31扇入數與扇出數（帶負載能力）門電路的扇入數取決于它的輸入端的個數，例如一個3輸入端的與非門，其扇入數NI=3。 門電路的扇出數是指其在正常工作情況下，所能帶同類門電路的最大數目(反映了門電路的帶負載能力)。 1) 1) 帶拉電流負載帶拉電流負載 （負載門）（驅動門）IHOHOHIIN2)

16、 2) 帶灌電流負載帶灌電流負載 （負載門）（驅動門）LOLOLIIINPage 3274HCT系列與TTL兼容，如果CMOS所帶負載為74LS系列的TTL門電路，此時IOH=IOL=4 mA，而IIH=0.02 mA，IIL=0.4 mA，根據上式可計算出高電平輸出時的扇出數： 20002. 04IHOHOHIIN低電平輸出時的扇出數： 104 . 04ILOLOLIIN根據上述兩種情況的計算，取數值小的為扇出數，即CMOS最多可接74LS系列TTL門電路的輸入端10個。 Page 33傳輸延遲時間 傳輸延遲時間是表征門電路開關速度的參數，它說明門電路在輸入脈沖（波形）的作用下，其輸出波形相

17、對于輸入波形延遲了多長時間。 導通延遲時間tPHL從輸入波形上升沿的中點到輸出波形下降沿的中點所經歷的時間。一般一般TTLTTL與非門傳輸延遲時間與非門傳輸延遲時間t tpdpd的值為的值為幾納秒十幾個納秒。幾納秒十幾個納秒。截止延遲時間tPLH從輸入波形下降沿的中點到輸出波形上升沿的中點所經歷的時間。2PHLPLHpdttt與非門的平均傳輸延遲時間與非門的平均傳輸延遲時間tpd： Page 34各種系列TTL門電路（以7400）的傳輸延遲時間 各種系列CMOS門電路（以7404）的傳輸延遲時間 傳輸延遲時間 Page 35功耗 CMOS電路的動態功耗與轉換頻率和電源電壓的平方成正比。當工作頻

18、率比較高時，CMOS門的功耗可能會超過TTL電路。在設計CMOS 電路時，盡量選用低電源電壓器件，例如3.3V供電電源74LVC系列或1.8V供電電源74AUC系列，以降低功率損耗。功耗-延時積 DpdPtDP 空載功耗 輸出端不接負載時，門電路消耗的功率叫空載功耗。動態功耗 門電路的輸出狀態由UOH變為UOL(或相反)時， 門電路消耗的功率。 靜態功耗 門電路的輸出狀態不變時，門電路消耗的功率。靜態功耗又分為截止功耗和導通功耗。 截止功耗POFF 門輸出高電平時消耗的功率；導通功耗PON 門輸出低電平時消耗的功率。導通功耗大于截止功耗。 作為門電路的功耗指標通常是指空載導通功耗。TTL門的功

19、耗范圍為122 mW。 Page 36各種系列TTL門電路的主要性能參數 各種系列CMOS門電路（7400）的主要性能參數 Page 37邏輯門電路使用中的幾個實際問題邏輯門電路使用中的幾個實際問題 CMOS集成電路的主要特點和使用注意事項1. CMOS集成電路的主要特點1）功耗極低。CMOS集成電路靜態功耗非常小，例如在VDD=5V時，門電路的功耗只有幾個W，即使是中規模集成電路，其功耗也不會超過100W。2）電源電壓范圍寬。例如CC4000系列，VDD=318V。3）抗干擾能力強。輸入端噪聲容限典型值可達到0.45VDD。4）邏輯擺幅大(輸出高低電平的差值)。VOL=0V，VOHVDD。5

20、）輸入阻抗極高。輸入電阻可達100M。6）扇出能力強。在低頻時，CMOS電路幾乎不考慮扇出能力問題；高頻工作時，扇出數與工作頻率有關。Page 387）集成度很高，溫度穩定性好。由于CMOS電路功耗極低，內部發熱量很少，所以集成度可以做得非常高。CMOS電路的結構是互補對稱的，當外界溫度變化時，有些參數可以互相補償，因此，其特性的溫度穩定性好，在很寬的溫度范圍內都能正常工作。例如陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度范圍為-55度C+125度；塑料封裝的電路，工作溫度范圍是-40度+85度。8）抗輻射能力強。因為MOS管是靠多數載流子運動導電的器件，射線對多數載流子濃度影響很小，所以CMOS電路抗輻射能

21、力強。 9）成本低。CMOS電路集成度很高，功耗很低，因此，用CMOS集成電路制作的設備，成本比較低。 CMOS集成電路的主要特點和使用注意事項Page 392. CMOS電路使用注意事項1）注意輸入端的靜電保護(1)不用的輸入端不要懸空，以免拾取脈沖干擾。(2)在儲存和運輸CMOS器件時不要使用易產生靜電高壓的化工材料和化纖織物包裝，最好采用金屬屏蔽層作包裝材料。(3)在組裝和調試時，所有儀器、工作臺、和電烙鐵必須可靠接地。焊接CMOS管時，最好先拔掉電源，利用余熱進行快速焊接。2）注意輸入保護電路的過流保護 因為CMOS電路的輸入阻抗很高，柵極與襯底之間存在著以SiO2為介質的輸入電容，所

22、以，在它上面極易產生很高的感應電壓，致使絕緣層永久性擊穿而損壞器件。在目前生產的CMOS門中都已采用了各種形式的輸入保護電路。3 3） 注意電源電壓極性，防止輸出端短路。注意電源電壓極性，防止輸出端短路。CMOS集成電路的主要特點和使用注意事項Page 40TTL電路與CMOS電路的接口驅動門驅動門 負載門負載門(min)minIHOHVV）（(max)maxILOLVV）（(max)maxIHOHnII）（(max)maxILOLmII）（ 圖2.5.2 各種CMOS與TTL系列門電路的輸出、輸入電平 Page 411.用TTL電路驅動CMOS電路 1）用TTL電路驅動4000系列和74HC

23、系列CMOS電路 圖2.5.2 各種CMOS與TTL系列門電路的輸出、輸入電平 (min)minIHOHVV）（(max)maxILOLVV）（(max)maxIHOHnII）（(max)maxILOLmII）（）（IHOUDDOHnIIRVVTTL電路與CMOS電路的接口Page 42）（ axmOLI）（maxOHI）（maxILI）（maxIHITTL電路與CMOS電路的接口Page 432）用TTL電路驅動74HCT和74AHCT系列CMOS門電路 圖2.5.2 各種CMOS與TTL系列門電路的輸出、輸入電平 (min)minIHOHVV）（(max)maxILOLVV）（(max)m

24、axIHOHnII）（(max)maxILOLmII）（TTL電路與CMOS電路的接口Page 44 2.用CMOS電路驅動TTL電路 圖2.5.2 各種CMOS與TTL系列門電路的輸出、輸入電平 (min)minIHOHVV）（(max)maxILOLVV）（(max)maxIHOHnII）（(max)maxILOLmII）（TTL電路與CMOS電路的接口Page 45）（ axmOLI）（maxOHI）（maxILI）（maxIHITTL電路與CMOS電路的接口Page 46門電路帶負載時的接口電路1. 用門電路直接驅動顯示器件 DFOHIVVRDOLFCCIVVVRPage 472. 機電性負載接口 （a）可將同一芯片上的多個門并聯作為驅動器。（b）也可