7.2逻辑门电路

图1-24 非门电路图及符号

图1-25 非门波形图

2. 与门

只要输入端中的任意一端为低电平时，输出端就一定为低电平，只有当输入端均为高电平时，输出端才为高电平，即输入与输出信号状态满足“与”逻辑关系。 任何能够实现“与”逻辑关系(L=A·B)的电路均称为“与门”。与门的逻辑符号如图1-26所示。与门的波形图如图1-27所示。

 图1-26  双输入端与门逻辑符号                     图1-27  双输入端与门波形图

3. 或门

    只要输入端中的任意一端为高电平，输出端就一定为高电平，只有当输入端均为低电平时，输出端才为低电平， 即输入与输出信号状态满足“或”逻辑关系。任何能够实现“或”逻辑关系(L=A+B)的电路均称为“或门”。与门的逻辑符号如图1-28所示。与门的波形图如图1-29所示。

 图1-28  双输入端或门逻辑符号                 图1-29 双输入端或门波形图

4.     与非门

只要输入端中的任意一端为低电平时，输出端就一定为高电平；只有当输入端均为高电平时，输出端才为低电平，即输入与输出信号状态满足“与非”逻辑关系。 任何能够满足“与非”逻辑关系（L=）的电路均称为“与非门”。与非门的逻辑符号如图1-30所示。与非门的波形图如图1-31所示。

图1-30  双输入端与非门逻辑符号                 图1-31 双输入端与非门波形图

5.     或非门

能够实现“或非”逻辑关系(L=)的电路均称为“或非门”。 在一个或门的输出端连接一个非门就构成了“或非门”， 如图1-32所示。图1-33为描述或非门输入与输出信号之间逻辑关系的波形图。

图1-32  双输入端或非门逻辑符号                  图1-33  双输入端或非门波形图

6.     异或门

    任何能够实现“异或”逻辑关系的电路均称为“异或门”。异或门可由非门、与门和或门组合而成， 如图1-34（a）所示。 当输入端A、 B的电平状态互为相反时，输出端L一定为高电平； 当输入端A、 B的电平状态相同时, 输出L一定为低电平。图1-34（b）为异或门的逻辑符号。

    图1-35为描述异或门输入与输出信号之间逻辑关系的波形图。

图1-34 异或门逻辑图及逻辑符号                     图1-35  双输入端异或门波形图

7.     同或门

    任何能够实现“同或”逻辑关系的电路均称为“同或门”。由非门、与门和或门组合而成的同或门及逻辑符号如图1-36所示。 当输入端A、 B的电平状态互为相反时， 输出端L一定为低电平；而当输入端A、 B的电平状态相同时， 输出端L一定为高电平。

    图1-37为描述同或门输入与输出信号之间逻辑关系的波形图。

     图1-36  同或门逻辑图及逻辑符号                     图1-37  双输入端同或门波形图

二．不同系列的门电路介绍

1．常见的TTL集成电路介绍

   TTL 集成电路中，主要有两大系列，54系列和74 系列，具有完全相同的电路结构和电气性能参数。其中54 系列为军用品(工作温度在-55～+125℃)，74 系列集成电路为民用品(工作温度在0～70℃)。国际上，54/74 系列集成电路命名的规则，按以下四部分进行型号命名：

   (1) 厂家器件型号前缀；

   (2) 54/74 族号；

   (3) 系列规格；

   (4) 集成电路的功能编号。

    例 HD74LS02 集成电路型号中，“HD”表示器件型号前缀，“74”是族号，“LS”

是系列规格，“02”集成电路功能编号。综合起来，HD74LS02 为日本HITACHI公司生产的74系列低功耗、四个2 输入或非门集成电路。

TTL系列产品及特性对照如表1-12 所示。

表1-12  TTL系列产品及特性对照

    TTL集成门电路只占数字集成电路中很少的一部分，它们都采用塑封双列直插形式。

下面介绍几种典型TTL 集成门产品。

（1）  74LS00 器件介绍

图1-38是TTL与非门74LS00集成电路示意图，它包括四个双输入与非门。 此类电路多数采用双列直插式封装。在封装表面上都有一个小豁口， 用来标识管脚的排列顺序。引脚 14 接电源正极+VCC，引脚7 接电源负极GND，即地。引脚编号顺序一般以芯片缺口向左为参数，下排最左引脚为1号，按逆时针方向从小到大编排。

    其实现的功能为,,,。

图 1-38  TTL系列74LS00四—二输入与非门

（2）  74LS04 器件介绍

    74LS04 是一个六非门电路，内部集成了六个独立的非门电路，片内逻辑图及引脚如图1-39 所示。其完成的逻辑功能为 ， ， ， ， ， 。

（3）  74LS20 器件介绍

    74LS20是两个4输入与非门，内含两组4与非门。

    第1组：1,2,4,5引脚输入，6脚输出。

第2组：9,10,12,13引脚输入，8脚输出。

    片内逻辑图及引脚如图1-40 所示。

图 1-39 TTL系列74LS04引脚图

图 1-40  TTL系列74LS20引脚图

1．  TTL系列门电路

（1）TTL主要参数

TTL系列数字电路有许多参数指标, 例如， 最大电源电压、 电流、 工作环境温度范围等。下面介绍一些与TTL集成电路电气特性有关的重要参数指标。

   ①高电平输出电压U_OH： 2.7～3.4V。

   ②高电平输出电流I_OH：输出为高电平时，提供给外接负载的最大输出电流。若使用电流超过手册中的规定值时，会使输出高电平下降，严重时会破坏逻辑关系。I_OH也表示电路的拉电流负载能力。

   ③低电平输出电压U_OL： 0.2~0.5 V。

   ④低电平输出电流I_OL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流（实际是从IC输出端流入）。超过此值会使输出低电平上升。 I_OL也表示电路的灌电流负载能力。

   ⑤高电平输入电压U_IH：一般为2 V，是指允许输入高电平的最小值。

   ⑥高电平输入电流I_IH：输入为高电平时的输入电流，即当前级输出为高电平时，本级输入电路作为前级负载时的拉电流。

   ⑦低电平输入电压U_IL：一般为0.8 V，是指允许输入的最大低电平值。

   ⑧低电平输入电流I_IL：输入为低电平时的输入电流， 即当前级输出为低电平时，本级输入电路作为前级负载的灌电流。

   ⑨传输延迟时间t_PLH和t_PHL：输出状态响应输入信号所需的时间。 在工作频率较高的数字电路中，信号经过多级门电路传输后造成的时间延迟将影响门电路的逻辑功能。

   ⑩时钟脉冲f_max：电路最大的工作频率，超过此频率IC将不能正常工作。

    各种TTL集成电路的重要电气特性及参数指标，都可以在TTL集成电路手册中查到。对于功能复杂的TTL集成电路，手册中还提供时序图（或波形图）、功能表（或真值表）以及引脚信号电平的要求等内容。熟练运用集成电路手册，掌握芯片各种描述方法的作用是正确使用各类TTL集成电路的必备条件。

4．其他常用TTL门电路介绍

    除基本门电路外，下面介绍几种常用的特殊门电路: 集电极开路门电路（OC门）、三态门和驱动电路。

（1）  集电极开路门电路（OC门）

     如图1-41所示，当与非门1的输出信号L₁为高电平（L₁=1）时，若与非门2的输出L₂为低电平（L₂= 0），就会有很大的电流i经R₄、V₃、V_D4流入V₄′管的集电极。电流i成为V₃管的拉电流负载，同时也是V₄′管的灌电流负载。i过大一方面会使L₂输出的低电平状态受到破坏（使L₂=1）；另一方面会使V₃管烧坏。所以，实际应用中这种接法是不允许的。

                               图1-41 与非门并联应用

为了既满足门电路“并联应用”的逻辑要求，又不破坏输出端的逻辑状态且不损坏门电路，人们设计出集电极开路的TTL门电路，又称“OC门”。图1-42所示为集电极开路与非门的原理示意图及逻辑符号。

图1-42  集电极开路与非门的原理示意图及逻辑符号

集电极开路的门电路有许多种，包括集电极开路的与门、非门、与非门、异或非门及其他种类的集成电路。“OC门”的逻辑表达式、真值表等描述方法和普通门电路完全一样，它们的主要区别是：“OC门”的输出管V₄的集电极处于开路状态，在具体应用时，必须外接集电极负载电阻R_L。

OC门的应用：

   （1）OC门实现“线与”逻辑

    所谓线与，即将若干个门电路的输出端直接用导线连接起来，实现各输出变量之间的与逻辑功能。

OC门的线与连接图如图1-43所示。两个OC与非门线与，实现与的逻辑功能。  

 即L=·=  逻辑等效符号如图1-44所示。

  图1-43  OC门的线与连接图                      图1-44  逻辑等效符号

上拉电阻的选取：

n: OC门输出端并接的个数

m: 负载门的输入端总数

P: 负载门的总数

（2）电平转换器

 OC门需外接电阻，所以电源V_C可以选5V—30V，因此OC门作为TTL电路可以和其它不同类型不同电平的逻辑电路进行连接。

 图1-45为TTL电路驱动CMOS电路图。当CMOS电源电压V_DD = 5V时，TTL门可以直接驱动CMOS门，如（a）图所示。

 如果CMOS电路的V_DD= 5V--18V，特别是V_DD>V_CC时，为保证CMOS高电平输入的需要，必须选用集电极开路（OC门）TTL电路。如图（b）所示。

图1-45 TTL(OC)驱动CMOS电路

（a）   TTL直接驱动CMOS门                       (b)   集电极开路TTL门驱动CMOS门

     （3）驱动负载

OC门能输出较大的电压和电流，可直接作为驱动器驱动发光二极管、脉冲变压器等。

图1-46  OC门驱动发光二极管

（2）  三态门电路

    一般逻辑门电路的输出只有0、1两种状态，而三态门的输出除了0、1两种状态之外，还有第三种状态——高阻抗状态。高阻抗状态并不表示逻辑意义上的第三种状态，它只表示在高阻抗状态时，门电路的输出阻抗非常大，输入与输出之间可以视为开路状态，即对外电路不起任何作用。在数字电路中，三态门是一种特别实用的门电路，尤其是在计算机接口电路中得到了广泛应用。

图1-47为三态与非门的逻辑符号。三态与非门比一般的与非门多了一个控制信号G。当G=1时，此电路和一个普通的与非门电路完全相同（L=）；当G=0时，输出端呈现高阻抗状态,输入与输出之间不满足与非逻辑关系，即输入与输出状态之间互不影响，输出端L的电平完全取决于与之相连的外电路的逻辑状态。

图1-47 三态与非门的逻辑符号

在逻辑符号的控制端有小圆圈，表示当控制端为低电平时与非门有效，输入和输出状态之间满足与非逻辑关系，若控制端为高电平，则输出端处于高阻状态，不受输入端状态的逻辑控制。若控制端无小圆圈，控制电平正好相反。三态门的真值表如表1-13所示。 表中“×”表示任意状态。

在常用的集成电路中，有许多集成电路的输入端或输出端采用了三态门结构。在使用时，可根据实际需要用控制端实现电路间的接通与断开。

在图1-48（a）中，当G=1时，G₁门有效，G₂门处于高阻状态；当G=0时，G₂门有效，G₁门处于高阻状态。实际应用中G₁门和G₂门可以是具有三态门控制的各种芯片。

通过三态门的控制信号G可实现数据的双向传输控制。在图1-48（b）中，当G=0时，G₁门有效，G₂门无效，信号A传输至B； 当G=1时，G₁门无效，G₂门有效，信号B

表1-13  三态门真值表

传输至A。实际应用中,可根据需要选择具有双向传输功能的集成电路。

在总线结构的应用电路中，数据的传输必须通过分时操作来完成，即在不同时段实现不同电路与总线间的数据传输。图1-48（c）是带三态门的数据传输接口电路与总线连接示意图。通过控制信号G来控制哪一个接口电路可以向公共数据总线发送数据或接收数据。根据总线结构的特点，要求在某一时段只能允许一个接口电路占用总线。通过各接口电路的控制信号G₁～G_i分时控制就能满足这一要求。

图1-48 三态门应用示意图

（a）门电路选择  （b）数据双向传输   （c）总线结构

（3）  驱动电路

在集成电路应用中，有时前级门电路不能直接驱动后级门电路或其他类型电路。此时，可采用专用集成驱动电路来提高前级门电路的负载能力。图1-49为集成驱动器74LS244的示意图， 它由8个三态输出的缓冲/驱动电路构成，并分为两组，每组分别由三态允许控制端_A和_B控制。当_A和_B为低电平时，Y=A；当_A和_B为高电平时，输出端呈高阻状态。

图1-49 集成驱动器74LS244

表1-14 主要参数对照表

在表1-14中列出了74LS244八缓冲/驱动器的主要参数与74LS00四-二输入与非门的主要参数。通过比较可发现，两者的输入/输出电压及输入电流的参数基本相同，但74LS244的输出电流和增大了许多。

5．常用CMOS门电路介绍

CMOS门电路的逻辑图、逻辑符号、逻辑表达式、真值表等描述方法与TTL门电路的是完全一样的，只是它们的电气参数有所不同，使用方法也有差异而已。常用的CMOS门电路在类型、种类上几乎与TTL数字电路相同，因此前面以TTL门电路为例所介绍的各种应用同样适用于CMOS门电路。

常用的 CMOS 集成电路有标准CMOS4000B系列、4500B系列、高速CMOS40H 系列、新型高速COMS74HC 系列等，主要由美国的RCA 公司(4000 系列)和Motorola 公司开发(4500系列)。

4000/4500 系列集成电路的命名规则也由四部分组成：

(1) 厂家器件型号前缀；

(2) 系列号；

(3) 集成电路功能编号；

(4) 类号。

例如 CD4010B，CD 表示美国RCA 公司器件型号前缀，40 是系列号，10 是集成电路

功能编号，即六同相驱动器，B 表示类别。4000/4500 系列集成电路分A、B 两类。采用塑封双列直插形式，引脚编号同TTL 集成电路。

注意：4000/4500 系列中同编号的器件并不表示具有相同逻辑功能。如4000B 与4500B，4000B 是双3 输入或非门加反相器，而4500B 是1 位微处理器。这与54/74 族集成电路不同。

常用的 4000 系列集成CMOS集成门电路如表1-15 所示。

表1-15 常用的 4000系列集成CMOS集成门电路

三．门电路使用注意

1. TTL 集成电路注意事项

   在使用 TTL 集成门电路时，为了保证集成电路的逻辑功能和使用寿命，要注意以下几点：

（1) 工作电压

    TTL集成电路的工作电压均有一定的工作范围，一般在4.75～5.25V 之间，不允许超出其范围，否则会影响集成电路的正常工作或损坏集成电路。

（2) 输入输出电平

    TTL集成电路的输入输出电平也有一定的范围，它包括输入高电平下限V IH(min)、输入低电平上限V IL(max)、输出高电平下限V OH(min)和输出低电平上限V OL(max)。这些参数是由各集成电路生产商给出。一般TTL 集成电路输入输出电平的变化范围如下：

    输入低电平：0≤ u i≤ V IL(max)

    输入高电平：V IH(min)  ≤ u i≤5V

    输出低电平：0≤ u o≤ V OL(max)

    输出高电平：V OH(min)<  u o≤5V

    如果信号在高电平下限和低电平上限之间时，它既非高电平，又非低电平，这在使用时是不允许的。

（3) 驱动负载

    TTL集成电路驱动负载时，其输出的电流必需满足输出高低电平的要求，否则会发生输出逻辑错误。对于同系列的TTL 集成电路之间的驱动，一般驱动能力是足够的，但当TTL 电路驱动COMS 电路时，由于COMS 电路的工作电压输入高电平的范围不同，所以比TTL集成电路高许多，因此，TTL集成电路在驱动CMOS电路时，不能直接接CMOS电路，而是将TTL集成电路输出端接一个上拉电阻R后与CMOS电路相连，如图1-50所示。

图1-50  TTL与CMOS接口电路

（4) 多余端的处理

    在使用集成门电路时，如果输入信号数小于门的输入端数，就有多余输入端。一般不让多余的输入端悬空，以防止干扰信号引入。对多余输入端的处理，必须以不改变电路逻辑工作状态及稳定可靠为原则。

以 TTL 与非门和或非门为例。对于TTL 与非门，通常将多余输入端通过1kΩ左右的电阻与电源VCC相连，或者将多余输入端与另一接有输入信号的输入端连接，如图1-51所示。

图1-51 TTL与非门多余端的处理方法

    对于 TTL 或非门，必须把多余输入端接地，或者把多余输入端与另一个接有输入信号的输入端相接，如图1-52 所示。

图1-52 TTL或非门多余端的处理方法

（5) 其他注意事项

① TTL 电路(OC 门和三态门除外)的输出端不允许并联使用，也不允许直接与+5V 电

源或地线相连。

②考虑集成电路电源的滤波问题，一般在电源输入端与集成电路地之间并接一个100μF的电容，作为低频滤波，而在每块集成块的电源输入端与地之间并接一个0.01～0.1μF的电容作为高频滤波，以保证电路的抗干扰能力。

③严禁带电插拔和焊接集成电路。集成电路的插拔和焊接必须在电源切断后进行，否则容易引起集成电路的损坏。

2. CMOS 集成电路注意事项

    与 TTL 集成门电路一样，CMOS集成门电路在使用时必须注意以下几点。

(1) 工作电压

CMOS 集成电路中，4000/4500 系列的工作电压范畴为3～18V，74HC 系列工作电压为2～6V。在工作时，工作电压的正、负极不能接反。

(2) 输入输出高低电平

CMOS集成电路输入输出高低电平的判别如下:

高电平： 2/3 VDD≤Vi (uo)≤VDD

低电平： 0V≤Vi(uO)≤(1/3)VDD

(3) 驱动负载

对于 CMOS集成门电路，若同系列之间驱动，一般可以满足负载要求，但不同系列之间的驱动如CMOS 集成电路驱动TTL 集成电路负载则需要注意，由于TTL 的输入拉电流较大，一般CMOS 的低电平输出电流不能满足要求。此时，必须在二者之间增加CMOS接口电路。如CC4010 六同相缓冲器/变换器等，提高CMOS 驱动TTL负载的能力，电路如图1-53 所示。

图1-53  使用CC4010的驱动接口电路图

（4) 多余输入端的处理

对于 CMOS 电路的多余输入端必须依据相应电路的逻辑功能决定是接在正电源VDD上还是与地相接，不允许悬空，这一点与TTL 电路有所区别。值得注意的是，CMOS电路的多余输入端一般不宜与使用的输入端并联使用，因为输入端并联越多，将使前级的负载电容增加，工作速度下降，动态功耗增加。

（5) 其他注意事项

①注意CMOS 集成电路的防静电问题。CMOS 集成电路在存放、运输、高温老化过程中，必须放在接触良好的金属屏蔽盒内或用金属铝箔纸包装，以防外来感应电势将栅极击穿。

②焊接时不能使用25W 以上的电烙铁，以防止温度过高破坏电路内部结构。一般采用20W内热式烙铁为宜。焊接时间不宜过长，焊锡量不可过多。

③与TTL电路一样，严禁带电插拔和焊接集成块。

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