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您的位置网站首页>>数字电路>>2.3集成逻辑门电路
责任编辑:刘昆山

一、集成逻辑电路的分类:

  按电路组成的结构来分,可将数字电路分为分立元件电路和集成电路两类。
  集成电路具有体积小、成本低、可靠性高等优点。
  按制造工艺的不同,集成逻辑门可分为双极型逻辑门和单极型逻辑门两大类。

 1.双极型逻辑门

  以二极管、三极管作为开关元件,电流通过PN结流动。
  双极型逻辑门主要有晶体管-晶体管逻辑(TTL)、射极耦合逻辑(ECL)和集成注入逻辑(I2L)三种。
  TTL应用广泛、速度快、抗干扰能力和带负载能力强。功耗较大,集成度较低,不适合做成大规模集成电路。
  ECL速度快、带负载强。功耗大,主要用于高速中小规模集成电路。
  I2L面积小,功耗低,适合做成大规模集成逻辑门。速度慢、抗干扰能力弱。

 2.单极型逻辑门

  以MOS作为开关元件,电流通过导电沟道流动。
  MOS电路具有制造工艺简单、功耗小、集成度高、无电荷存储效应等优点。其缺点是速度较慢。
  单极型逻辑门又分为PMOS逻辑门、NMOS逻辑门和CMOS逻辑门。
  CMOS采用了NMOS和PMOS互补电路,所以速度比NMOS更快、功耗更小。虽然它制造工艺比较复杂,其优点非常突出,在数字系统中逐渐占据了主导地位。

二、TTL门电路:

 1.TTL与非门的电路组成

  该电路由输入极、倒相极、输出极三部分组成。
  输入极:由多发射极晶体管T1和电阻R1构成,它实现了逻辑与的功能。
  倒相极:由三极管T2和电阻R2、R3构成。通过T2的集电极和发射极提供两个相位相反的信号,分别驱动T3和T4管。
  输出极:由三极管T3、T4,二极管D和电阻R4构成的推拉式电路。T3导通时,T4和D截止;T3截止时,T4和D导通。

 2.TTL与非门工作原理:

  当T1发射极中有一输入为低电平(0.3V)时,T1深饱和,此时C-E间压降VCE1=0.1V,T2基极电位为0.1+0.3=0.4V,因此T2、T3必然截止。此时VCC通过R2向T4提供基极电流,使T4和D导通,输出V0≈5-0.7-0.7=3.6V,为高电平。
  当T1发射极输入全为高电平(3.6V)时,VCC通过R1和T1的集电结向T2提供基极电流,使T2和T3饱和。输出V0=0.3V,为低电平。此时T2的集电极电压为VC2=0.7+0.3=1V。使T4、D必然截止。T1基极电压VB1=VBE3+VBE2+VBE1>=2.1V,T1的发射结电压VBE1=VB1-3.6V=2.1-3.6=-1.5V<0。T1处于发射结反偏、集电结正偏的“倒置”放大状态。
  
   总结:当T1发射极中有任一输入为低时,输出为高;当T1发射极中全为高时,输出为低,实现与非运算。TTL电路输入端悬空相当于接“1”电平。

 3.TTL门电路的主要参数:

  输出高电平VOH和输出低电平VOL
  当与非门输入端有低电平时,输出的电压称输出高电平VOH,约3.6V。   
  当与非门输入端全是高电平时,输出的电压称输出低电平VOL,约0.3V。
  输入开门电平VON和输入关门电平VOFF
  使与非门输出维持低电平状态所需的最小输入电压称输入开门电压VON,约为1.8V。即要使与非门维持导通状态,输入电压必须大于1.8V。
  使与非门输出维持高电平状态所需的最大输入电平称输入关门电平VOFF,约为0.8V。即要使与非门维持截止状态,输入电压必须小于0.8V。
  扇入系数NI和扇出系数NO
  一个门电路允许的输入端数目,称门电路的扇入系数NI,约1~5。 注意
  一个门电路的输出端所能连接的下一级门电路输入端的个数称门电路的扇出系数,约为8。

 4.其它类型的TTL门电路

  集电路开路与非门(OC门)
  一般TTL门在使用时不允许将两个门电路的输出端直接连接在一起。因为若两个TTL与非门的输出端连在一起,则当其中一个门的T4和D导通、T3截止,另一个门的T4和D截止、T3饱和时,将有大电流流过各门的输出导通道,导致它们损坏。
  实际中专门设计了一种允许输出端相互连接的特殊的TTL门电路,称集电极开路与非门,又称OC门(Open Collector Gate)。
  三个输入端的OC与非门的符号如右图: 

                                               
                                        
  OC与非门的应用之一是线与。

  其逻辑电路图如下:


   
  由此图得到逻辑关系:F=F1·F2=·
  OC与非门的应用之二是实现多路信号在总线上的选通传输。可以将多个输入信号中的某一个反相送到总线上。

  三态门(TS门)
  三态门有三种状态:“0”态、“1”态和高阻状态。高阻状态又称禁止态,此时三态门输出端与其它电路的连接断开。
  三态门的标准符号如下:

  该电路中若控制端E/D为低时,此时输出F=,即三态门处于工作状态。若控制端E/D为高时,输出端F便处于高阻悬浮状态。    注意
  三态门的应用是总线传输。它可以将多个输入中的某一个通过控制端反相送到总线。

三、MOS门电路:

  CMOS逻辑门与其它MOS门相比,有功耗低,速度快,抗干扰能力强,扇出系数大等特点。
 1.CMOS反相器
  由NMOS管和PMOS管的互补电路构成。
  CMOS反相器电路如下:

  其中工作管T1是增强型NMOS管,负载管T2是增强型PMOS管。两管的栅极相连作为反相器的输入端,漏极相连作为反相器的输出端。

  原理分析: 当VI输入低电平时,T1截止,T2导通,结果输出端与电源接通、与地断开,输出VO为高电平。当VI输入高电平时,T1导通,T2截止,结果输出端与电源断开、与地接通,输出VO为低电平。实现了逻辑非功能。

 2.CMOS与非门

  电路图如下:


  由两个串联的增强型NMOS管T1、T2作为工作管,两个并联的增强型      PMOS管T3、T4作为负载管。T1、T3是一对互补管,它们的栅极相连作为输入端A;T2、T4是另一对互补管,它们的栅极相连作为输入端B。

  原理分析: 当A、B均为高电平时,T1、T2导通,T3、T4截止,输出端F必为低电平。当A、B中至少有一个为低电平时,T1、T2中至少有一个截止,T3、T4中至少有一个导通,输出端F必为高电平。实现了与非功能。

 3.CMOS或非门

  电路图如下:


  两个并联的增强型NMOS管T1、T2作为工作管,两个串联的增强型PMOS管T3、T4作为负载管。T1、T3是一对互补管,它们的栅极相连作为输入端A;T2、T4是一对互补管,它们的栅极相连作为输入端B。

  原理分析: 当A、B端均为低电平时,T1、T2截止,T3、T4导通,输出端F必为高电平;当A、B中至少有一个为高电平时,T1、T2中至少有一个导通,T3、T4中至少有一个截止,输出F必为低电平。实现了或非功能。

 4.CMOS传输门(TG门)

  CMOS传输门的符号如下:


  它是一种可控的双向信号传输开关。
  当控制端 CP=1,=0,VI可向VO传输,反过来VO也可向VI传输。
  当 CP=0,=1时,信号无法传输。

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2.4逻辑函数的化简
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