数字电路和模拟电路-4基本逻辑门电路

目录

一、基本逻辑门电路

1、二极管或门电路

2、二极管与门电路

3、三极管非门电路

4、二极管与门或非门电路的缺点

5、解决方法

6、DTL与非门电路

二、TTL逻辑门电路

1、TTL与非门基本结构 

2、TTL与非门的开关速度

3、TTL与非门传输延时时间

4、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力

5、TTL与非门抗干扰能力

6、TTL与非门带负载能力

7、灌电流负载

8、拉电流负载

9、TTL非门电路

10、TTL或非门电路

11、TTL与或非门电路

12、TTL集电极开路门(OC门）电路

13、三态门

14、三态门应用​编辑

15、TTL集成逻辑门电路系列简介​编辑

三、CMOS逻辑门电路

1、NMOS非门​编辑

2、NMOS与非门

3、NMOS或非门

4、CMOS非门

5、CMOS非门-电压传输特性

6、CMOS非门-工作速度

7、其他的CMOS门电路

8、带缓冲级的门电路

9、CMOS异或门电路

10、CMOS三态门

11、CMOS逻辑门电路的系列及主要参数

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一、基本逻辑门电路

1、二极管或门电路

 分析：

首先二极管正极高于负极，相当于一条导线，如果二极管正极小于负极，相当于断开的导线。

优先导通原则：电流会根据压降差选择优先导通的一路，当一路导通顺时电流就增大，那么二极管就处于一个导线，另一路的二极管就要根据优先导通后的原则去判断。

• 当A、B都是0V的时候，底下-12V，二极管正极比负极大，二极管相当于导通状态，0V输出过来，所以L是0v低电平。
• 当A或B其中一个为5V的时候，因为0比-12v大，5v也比-12v大，根据优先导通的原理，要看谁上面压降更大，显然5v的一端比0v的一端压降更大，那么5v直接流向L，那么输出L就是高电平
• 当A、B同时5V的时候，那么两端压降一样，但是有一端会优先导通，我们你不管哪一端会优先导通，最后L输出的还是高电平。

2、二极管与门电路

 分析：

首先二极管正极高于负极，相当于一条导线，如果二极管正极小于负极，相当于断开的导线。

• 当A、B都是0V的时候，Vcc5V，AB的二极管正极比负极大，二极管相当于导通状态，L相当于直接通过导线接入0V，所以L输出0V。
• 当A或B其中一个为5V的时候，假设vcc是12v，那么两个都二极管处于导通状态，根据优先导通的原理，那么其中12比0大12v，而12v比5v大7v，12-0这根二极管的压降更大，会优先导通。先导通的一端中间就会变为0v，那么另一个二极管5v接到0v就截止了，那么输出L就是低电平。
• 当A、B同时5V的时候，假如vcc12v，那么两端压降一样，但是有一端会优先导通，不管哪一端会优先导通，那么相当于L接入了5v的导线中，最后L输出的还是高电平，假如vcc是5v那么最后两根都截止，那么L相当于接入了vcc，最后也是高电平。

3、三极管非门电路

分析：

若A点输入0V，三极管截止状态，因为如果三极管要离开截止状态，发射结要正偏，但是0V不足以使发射极正偏，那么3-2这条路不通，那么L直接接入Vcc，所以L是5v。

若A点输入5V，那么发射结正偏，因为Vb>Ve(1>2)，电阻Rb设计合理的话，流入基极电流Ib会很大，那么三极管就处于饱和状态，那么3-2这条路就接通了，那么L相当于接入地或者饱和压价0.1v左右，L就是0V。

4、二极管与门或非门电路的缺点

在多个门串接使用时，会出现：

• 低电平偏离标准数值的情况。
• 负载能力差。

 

 原因是稳压二级管由于制造工艺,功率,正反压降以及击穿电压都会存在某些不同,从而导致电压降低

分析：

如上图，左边D1二极管正偏，且压降5v-0v大于D2的5v-5v，属于导通状态，D1相当于导线，D2截止相当于断开，p点接入0v，实际因为管压降的关系可能是0.7v，同L点电压继续因为管压降可能是0.7+0.7=1.4v，如果无限级联下去，那么L就不是低电平了。

5、解决方法

 将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。

分析：

三极管是采用饱和状态的时候2、3导通，L候是0.3v，截止状态的时候是接到vcc，不会有电平偏移的问题，并且驱动能力强。

6、DTL与非门电路

分析：

当A、B、C全接为高电平5V时，二极管D1～D3都截止，而D4、D5和T导通，且T为饱和导通，VL=0.3V，即输出低电平。
A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP～1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。

二、TTL逻辑门电路

1、TTL与非门基本结构 

 

分析：

当输入端ABC 都为高电平的时候，相当于与3之间断开，那么3这个点直接接到vcc为高电平，T2饱和导通，那么T4相当于接地，T4截止，那么D相当于也截止，输出低电平

当输入端有一个位低电平的时候，T1相当于饱和导通，那么T2和T3截止，那么T4相当于饱和导通，D相当于饱和导通，输出相当于接Vcc高电平。

2、TTL与非门的开关速度

采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。

3、TTL与非门传输延时时间

导通延迟时间tPHL一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一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。

与非门的传输延迟时间:tpd = (tPHL+tPLH)/2

一般TL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。

4、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力

• 输出高电平电压Voh——在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。Voh的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值Voh (min)=2.4V。
• 输出低电平电压Vol——在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。Vo的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VoL (max)=0.4V。
• 关门电平电压Voff——是指输出电压下降到Voh (min)时对应的输入电压。即输入低电压的最大值在产品手册中常称为输入低电平电压，用Vil (max)表示。产品规定Vil (max)=0.8V。
• 开门电平电压Von——是指输出电压下降到VOL (max)时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用Vih (min)表示。产品规定Vih(min)=2V。
• 阈值电压Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。

   近似地: Vth≈Voff≈Von
   即Vi

   Vi>Vth，与非门开门，输出低电平
   Vth又形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V~1.4V

5、TTL与非门抗干扰能力

TTL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。

低电平噪声容限 Vnl=Voff-Vol (max)=0.8V-0.4V=0.4V

高电平噪声容限 Vnh=Von (min)-Von=2.4V-2.0V=0.4V

6、TTL与非门带负载能力

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。

输入高电平电流lIH——是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。

有两种情况:
①寄生三极管效应:
IIH=βp*IB1
β为寄生三极管的电流放大系数。
②倒置的放大状态:
IIH= βi*IB1

β为倒置放大的电流放大系数。由于βp和βi的值都远小于1,所以IIH的数值比较小，产品规定:IIH<40uA。

coms在这里就没有电流。如果一个计算机10万个ttl *40ua，就不能用了，所以cmos更有优势

7、灌电流负载

是从负载的角度去看，负载灌入驱动门

n=驱动门IoL/负载门IIL

电流从负载门灌入驱动门。负载不能无线大，如果大到低电平的上限时，就不能增加了。

8、拉电流负载

是从负载的角度去看，负载从驱动门拉电流

 

n=驱动门的输出高电平的最大电流Ioh/负载门的输入高电平的最大电流IIh

0.4/0.04=10 ，一般接10个左右

为什么要设计拉电流？

灌电流，GPIO能否驱动一个发光二极管，16ma>1.5ma完全可以。
如果是风扇呢？200ma，就不行，所以设计拉电流。
应用

4*3=12v，vcc与gnd

9、TTL非门电路

 

 分析：

A点如果高电平，T1截止，电流灌向T2饱和导通，T3饱和导通，T4截止，D截止，L相当于接地输出低电平

A点如果低电平，T1饱和导通，T2、T3截止，T4相当于接入vcc饱和导通，D二极管正偏，L高电平

10、TTL或非门电路

分析

如果AB都是0，那么TlA、T1B都是饱和导通，T2A就和T2B都是截止，那么T3也是截止，那么T4饱和导通，L输出高电平

如果A高电平、B低电平。那么TA集电极电流等于Vcc，T2导通，T3导通，L输出低。B低电平，那么T1B饱和导通，T2B截止，和T2A没有任何关系。

11、TTL与或非门电路

 延伸出来与或非门

12、TTL集电极开路门(OC门）电路

集电极开路门open collector，用三极管做得

线与是一种逻辑关系，意思是TTL器件的输出直接相连，实现与的逻辑，就是线与的逻辑。

TTL器件是不能直接线与的，如图所示：

假如G1输出高电平，G2输出低电平。面输出1，那么T4导通，T3截止；下面输出0，那么T4截止，T3饱和导通。L属于深度饱和状态，上面2个器件都可能烧坏，两个器件无法连接到一起。L无法形成线与。

我们把上面的三极管拿掉一个，然后从集电极引出来形成一个集电极开路。

上图如果三极管导通的话，输出引脚是低电平直接接地了。如果三极管截止的话，集电极相当于断开，我们称为高阻态，这个三极管没法输出高电平。需要高电平要接一个上拉电阻，再接一个vcc。

当三极管处于截止状态，下面三极管的引脚相当于断开，但是通过外部vcc实现了输出一个高电平。vcc的电压可以大于基极电压，oc门可以通过外接上拉电阻可以实现驱动大电压驱动。

 

 我们连接之后，同时输出高电平或者低电平都没有问题。如果上面输出1，下面输出0。那么上面的三极管相当于截止，集电极断开，下面的三极管相当于饱和导通，集电极直接可以接地，两个器件可以用导线连接，实现线与逻辑。

 OC门进行线与时，外接上拉电阻Rp的选择:

 

13、三态门

高电平、低电平，高阻态

14、三态门应用

单向总线：如果左图，D1输入，EN使能，那么就能驱动这个总线。同样如何Do取反，下面的器件不工作。

en可以拿出来控制，实现分时双向传送。

15、TTL集成逻辑门电路系列简介

（1）74系列—为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。

（2）74L系列—为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。

（3）74H系列—为高速TTL系列。

（4）74S系列—为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。

  其中74S系列的几点改进:

• 采用了抗饱和三极管
• 将Re2用“有源泄放电路代替”。
• 输出级采用了达林顿结构。
• 输入端加了三个保护二极管。
• 74LS系列—为低功耗肖特基系列。
• 74AS系列—为先进肖特基系列,
• 74ALS系列—为先进低功耗肖特基系列。

三、CMOS逻辑门电路

1、NMOS非门

 g代表放大倍数

2、NMOS与非门

3、NMOS或非门

 

4、CMOS非门

 任意一个状态，只有一个管子是处于导通状态。

5、CMOS非门-电压传输特性

阈值电压Vdd/2

6、CMOS非门-工作速度

10ns

7、其他的CMOS门电路

8、带缓冲级的门电路

9、CMOS异或门电路

10、CMOS三态门

与ttl相同

11、CMOS逻辑门电路的系列及主要参数

 与TTL相比coms能耗更低，速度更快。