—— 项目 2 简单抢答器 —— 项目 3 触摸式延时开关工作任务任务 1...

模块 2 集成逻辑门电路

—— 项目 2 简单抢答器 —— 项目 3 触摸式延时开关工作任务• 任务 1 ：集成门电路的功能测试• 任务 2 ：简单抢答器的设计• 任务 3 ：触摸式延时开关的设计和制作学习目标• 1 、掌握集成门电路的外特性• 2 、掌握集成门电路的检测方法• 2 、掌握组合逻辑电路的分析与设计方法

模块二集成门电路


集成电路是将若干个晶体管、二极管和电阻集成并封装在一起的器件。与分立电路相比，集成电路使数字电路的体积大大缩小，功耗降低，工作速度和可靠性得到提高。

2.1 常用集成逻辑门电路的功能测试

2.1.1 数字集成电路的封装及引脚


管芯塑料外壳

引脚

PLCC封装 DIP封装 QFP封装


DIP 封装的集成电路引脚编号方法：芯片的一端有半月形缺口 (有些是一个小圆点，凹口或一个斜切角 )用来指示引脚编号的起始位置；起始标志朝左，紧邻这个起始引脚标志的左下方引脚为第 1脚，其它引脚按逆时针方式顺序排列。

1 2 3 4 5 6 7 8

1011121314 91516

标记

引脚

引脚1


1 2 3 4 5 6 7

891011121314

&&

&&

+5V

S1 S2

S21

0

逻辑电平

S11

0

显示

4

56

L

74LS00

引脚序号引脚编号

四2输入与非门VCC

GND

&

L

2.1.2 数字集成电路的连线及逻辑图


Key = A

Key = B

VCC5V

VCC5V

A

BKey = A

Key = B

VCC5V

向上闭合

向下断开


A B Y

0 00 11 01 1

2.1.3 常用门电路的逻辑功能及测试

一、与门电路

真值表


1 2 3 4 5 6 7

891011121314

GND

VCC

74LS32

1A 1B 1Y 2A 2B 2Y

4B 4A 4Y 3B 3A 3Y

≥1≥1

≥1 ≥1

14

+5V

1 2 7

逻辑电平

电平显示

3

74LS32

≥1

(a) 74LS32引脚排列图 (b) 或门逻辑功能测试接线图

二、或门电路


三、非门电路

（a）74LS04引脚排列图（b ）非门逻辑功能测试接线图

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

GND

VCC

74LS04

1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y

6A 6Y 5A 5Y 4A 4Y

1 1 1

111

14

+5 V

1 7

逻辑电平

电平显示

2

74LS04

1


（a）74LS00引脚排列图（b）与非门逻辑功能测试接线图

14

1 2 7

&

逻辑电平

3

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

GND

VCC

&&

&&

1A 1B 1Y 2A 2B 2Y

4B 4A 4Y 3B 3A 3Y

74LS00

+5V

四、与非门电路


1 2 3 4 5 6 7

891011121314

GND

VCC

&

&

1A 1B NC 1C 1Y

2D 2C NC 2B 2A 2Y

1D

14

42 7

逻辑电平

电平显示

1

74LS20

5

&

6

+5V

（a）74LS20引脚排列图（b）与非门逻辑功能测试接线图


A B

14

1 2 7

&

逻辑电平

3

74LS00

+5V

1kHz5V

与非门电路的允许和禁止功能


74LS00D

1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND

3Y3B3A4Y4B4AVCC

VCC5V

1kHz 5 V

Key = A

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _


1 2 3 4 5 6 7

891011121314

GND

VCC

1Y

4A 3B

2Y 2B

4Y 4B

1B

3Y

1A

3A

2A

≥1≥1

≥1 ≥1

14

32 7

逻辑电平

电平显示

1

74LS02

≥1

+5V

（a）74LS02引脚排列图（b）或非门逻辑功能测试接线图

五、或非门电路


1 2 3 4 5 6 7

891011121314

GND

VCC

=1

1A 1B 1Y 2A 2B 2Y

4B 4A 4Y 3B 3A 3Y

=1 =1

=1

14

1 2 7

逻辑电平

电平显示

3

74LS86

=1

+5V

（a）74LS86引脚排列图（b）异或门逻辑功能测试接线图

六、异或门电路


1 2 3 4 5 6 7

891011121314

GND

VCC

&

&

1A

NC 1D

2C 2Y

1B NC

2B

1C

2A

1Y

2D

&

≥1&

≥1

14

+ 5 V

1013 7

逻辑电平

电平显示

1

74LS51

9

&

8

≥1

（a）74LS51引脚排列图（b）与或非门逻辑功能测试接线图

七、与或非门电路


1 2 3 4 5 6 7

891011121314

VDD

1Y

4Y 3B

2Y 2B

4B 4A

1B

3Y

1A

3A

2A

14

32 7

逻辑电平

电平显示

1

CD4011

+5V

VSS

&

&

&

5 6

891213

&

&

（a） CD4011引脚排列图（b）CMOS与非门逻辑功能测试接线图

九、 CMOS与非门


十、问题与讨论

1. 归纳异或门、与或非门分别在什么输入情况下输出低电平？什么情况下输出高电平？

=1A

B

Y

A 、 B 取值相同时输出为低电平

A 、 B 取值不同时输出为高电平


&AB

CD

Z≥ 1

A 、 B 同时为 1 或 C 、 D 同时为 1 时，输出为低电平

A 、 B 中至少有一个为 0 且 C 、 D 中至少有一个为 0 时，输出为高电平


2. 如果要用 74LS51 实现与非、或非逻辑功能，应如何搭接电路？画出原理图。

ABY BAY

& ≥1A

B

C

D

Y≥1


ABY & ≥1

A

B

C

D

Y≥1

ABOABY


BAY & ≥1

A

B

C

D

Y≥1A

B

1

1

BABAY 11


3. 多输入门电路的一个输入端接连续脉冲时：①其余的输入端是什么逻辑状态时，允许脉冲通过？脉冲通过时，输入和输出波形有何差别？以与门、与非门、或门、或非门为例说明，并画出波形。


&

时钟振荡

允许信号

接收设备

Y

&

时钟振荡

允许信号

接收设备

Y


时钟振荡

允许信号

接收设备

Y

≥1

时钟振荡

允许信号

接收设备

Y

≥1


3. 多输入门电路的一个输入端接连续脉冲时：②如果仅仅想用一个控制端控制输入信号的通断，其余端口如何处理？例如 74LS51 ， A 端输入信号，用 B 作控制端时， C 、 D 如何处理？

当 B=1 时， Y 与 A 的信号什么关系？

& ≥1 YAB

C

D

1

0≥1


A 端输入信号，用 C 作控制端时， B 、 D 如何处理？

1

1

当 C=0 时， Y 与 A 的信号什么关系？

& ≥1 YABCD

1

0

≥1


例 2.1 ：正确连接 4011CMOS 集成芯片的外部线路，实现图 (a) 所示电路。实现电路如图 (b) 所示。

2.1.4 集成门电路的应用

一、集成门电路的应用


电平显示

14 13 12 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

A B

F

C

VDD

D

逻辑电平

CD 4011B

A

D

C

F&

&

&

1

2

3

5

6

4

910

8

CD 4011

（a）逻辑电路（b）实现电路


例 2.2 利用一个 TTL 集成电路 74LS00(4 输入与非门 )来构造含有与非门、与门和反相器的电路，如图(a) 所示。并写出逻辑表达式。使用集成芯片 74LS00 实现。逻辑电路连接 74L

S00 的 IC 外部引脚，如图 (b) 所示。


F

与门反相器

C

A B

F

C

VCC

逻辑电平

电平显示

A

B

&& &

&

1

89

10

1113

126

5

432

74LS00

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

74LS00

（a）仅用一个与非门IC的等效实现电路（b）电路的外部连接图

BCAF


例 2.7 利用组合逻辑进行汽车警告蜂鸣器的设计。警告蜂鸣器的触发规则如下：若“前大灯亮起且驾驶员车门打开”或者“钥匙处于点火位置且车门打开”，则触发蜂鸣器。解：汽车警告蜂鸣器的逻辑功能可用图表示。则表达式可以写成： F=AD+CD

三、实践应用


F≥1

钥匙处于点火位置

前大灯亮起

车门打开 F=AD+CD

警告蜂鸣器

≥ 1

A &

C

D

&

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

+5V

74LS08

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

74LS32

逻辑电平

A C D

F

74LS08

74LS321

23

1

234

56


或者写成： F=D(A+C)

可以仅使用两个逻辑门来实现汽车警告蜂鸣器。

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

+5V

74LS32

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

74LS08

逻辑电平

A C D

F

警告蜂鸣器F

&

A

C

≥ 1

D

74LS32 74LS08

1 1

2

23

3


2. 2 TTL 集成门电路（ Transistor—Transistor Logic ）

一、电路组成及工作原理+VCC(5V)

R1

uI

uo

4k

A

D1

T1

T2

T3

T4

D

R2

1.6k

R3

1k

R4

130

Y

输入级中间级输出级

D1 — 保护二极管防止输入电压过低。

当 uI < 0.5 ~ 0.7 V 时， D1 导通， uI 被钳制在 0.5 ~ 0.7 V ，不可能继续下降。

1. 电路组成

因为 D1 只起保护作用，不参加逻辑判断，为了便于分析，今后在有些电路中将省去。

2. 2. 1 TTL 反相器


2. 工作原理 +VCC(5V)

R1

uI

uo

4k

AT1

T2

T3

T4

D

R2

1.6k

R3

1k

R4

130

Y

V0 )1( ILI Uu

T4 截止

拉电流

T3 、 D 导通

V3.6 V)7.07.05(DBE3B3O uuuu

3.6V0V

负载的等效电阻

截止1

下一级逻辑门

模块 2 集成逻辑门电路+VCC(5V)

R1

uI

uo

4k

AT1

T2

T3

T4

D

R2

1.6k

R3

1k

R4

130

Y

3.6 V

V6.3 )2( IHI Uu

T3 、 D 均截止

T4 深度饱和： uO = UCES4 ≤ 0.3V

截止

1

下一级逻辑门


130

T3

T4

D

VCC (+5V)

A

UOH

IOHT1=0V

4K

1

截止

V0 )1( ILI Uu

V6.3 OH UuO


130

T3

T4

D

VCC (+5V)

A

UOH

IOHT1=0V

1

V6.3 )2( IHI Uu

截止

V3.0 OL UuO

4K


3. 电压传输特性： )( IO ufu

1

+VCC

+5V

uI

+

-uO

+

-

AB

0

uO /V

uI /V1 2 3 4

1

2

3

4

截止区

3.6VC

线性区

D

转折区

E 饱和区0.3V

阈值电压


u0(V)

ui(V)1 2 3

UOH

“1”

UOL

(0.3V)

阈值 UT=1.4V

理想的传输特性


4 输入负载特性：

1

+VCC

+5V

uI

+

-uoRi

uI

+

-

T1

+VCC

+5 V

4k

Ri

Ri/ 0 2 64

1

2uI / V

RonRoff

即：当 Ri 为 2.5 k 以上电阻时，输入相当于高电平

) ( ~k 5 .2i 悬空R

V4.1I u 相当于输入高电平 V3.0OLO Uu

Ri = Ron — 开门电阻（ 2.5 kΩ ）

k 7.0iRV7.0I u 输入相当于低电平 V6.3OHO Uu

Ri = Roff — 关门电阻（ < 0.7 k ）即：当 Ri 为 0 .7 k 以下电阻时 , 输入端相当于低电平。


2.2.2 输入 / 输出电流和扇出系数


+VCC(5V)

R1

uI

uo

4k

AT1

T2

T3

T4

D

R2

1.6k

R3

1k

R4

130

Y

V0 )1( ILI Uu

拉电流

0V


截止1

下一级逻辑门ILI

OHI

3.6V

低电平输入电流 max ＝ -0.4mA

ILI

高电平输出电流 max ＝ -0.4mA

OHI

74LS 系列门电路标准规定：

模块 2 集成逻辑门电路+VCC(5V)

R1

uI

uo

4k

AT1

T2

T3

T4

D

R2

1.6k

R3

1k

R4

130

Y

3.6 V

V6.3 )2( IHI Uu

截止

1

下一级逻辑门

高电平输入电流 max ＝20uA

IHI

低电平输出电流 max ＝8mA

OLI

IHIOLI

74LS 系列门电路标准规定：


+VCC(5V)

R1

uI

uo

4k

AT1

T2

T3

T4

D

R2

1.6k

R3

1k

R4

130

Y

V0 )1( ILI Uu

拉电流

0V


截止1

下一级逻辑门ILI

OHI

3.6V

低电平输入电流 max ＝ -0.4mA

ILI

高电平输出电流 max＝ -0.4mA

OHI


？

前后级之间电流的联系

1 1


1A 1UOH UIH高电平输出电流 max ＝ -

0.4mAOHI

不是实际输出电流值，是不允许超出的最大电流值

高电平输入电流 max ＝ 20uAIHI

130

T3

T4

D

VCC (+5V)

A

130

T3

T4

D

VCC (+5V)

Y

UOHUIH

IOH IIHT1 Q1

=0V


1

驱动门

Y1

1

2

m

…

1

1

负载门

IOH

IHI

IHI

IHI

当驱动门输出高电平时最多可驱动多少个同类门电路？

高电平输入电流 max ＝ 20uAIHI

NOH ≤ |IOH| / IIH ＝ 0.4mA/20µA ＝ 20

输出高电平时的扇出系数

高电平输出电流 max ＝ -0.4mAOHI


1A 1UOL UIL

不是实际灌入电流值，是不允许超出的最大电流值

低电平输出电流 max ＝8mA

OLI低电平输入电流 max ＝ -

0.4mAILI

130

T3

T4

D

VCC (+5V)

A

130

T3

T4

D

VCC (+5V)

Y

UOLUIL

IOL IILT1 T1

=5V


1

驱动门

Y1

1

2

m

…

1

1

负载门当驱动门输出低电平时最多可驱动多少个同类门电路？

输出低电平时的扇出系数

iI

OLmaxIILI

ILI

ILI

低电平输出电流 max ＝ 8mAOLI

低电平输入电流 max ＝ -0.4mAILI

NOL ≤ IOL / |IIL| ＝ 8mA/0.4mA ＝ 20


实用中常用扇出系数 NO 表示电路负载能力。

门电路允许带同类门电路的个数。

扇出系数 NO=min（ NOH NOL ）


LSTTL 门电路的灌电流负载能力远远大于拉电流负载能力。因此， LSTTL 门电路的输出负载能力是不对称的。由于 LSTTL 门电路的输入电流也不对称（高电平输入电流小，低电平输入电流大），当 LSTTL 门电路驱动同类型的 TTL 门电路时，这种不对称不存在什么问题。上面对 LSTTL 门电路的扇出系数的计算就可以看到这一点。


当用 TTL 门电路驱动其他负载如 LED 、继电器等器件时，就会受到这种驱动能力不对称的限制。

I OL(MAX) =8mA I OH(MAX) =0.4mA

LSTTL 门电路驱动 LED 时的两种接法，

哪个方案是合理的？？


具有推拉输出结构的 TTL 门电路的输出端不允许直接并联使用。输出端不允许直接接电源VCC 或直接接地。

+VCC(5V)

R1

uI

uo

4k

AT1

T2

T3

T4

D

R2

1.6k

R3

1k

R4

130

Y

VCC

T4 过流烧坏


具有推拉输出结构的 TTL 门电路的输出端不允许直接并联使用。输出端不允许直接接电源VCC 或直接接地。

+VCC(5V)

R1

uI

uo

4k

AT1

T2

T3

T4

D

R2

1.6k

R3

1k

R4

130

Y

T3 过流烧坏


2.2.3 输入 / 输出电压和噪声容限


高电平和低电平的含义高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。

1

0

高电平

低电平

正逻辑体制

高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？

由门电路种类等决定


V6.3 iH Uui

V3.0 iL Uui

i UVU 2 iH(min)

VU 8.0 iL(max)

5V

IHU

ILU 0V

典型值

1. 输入 / 输出电压

130

T3

T4

D

VCC (+5V)

A T1


130

T3

T4

D

VCC (+5V)

A T1

V6.3 OH UuO

V3.0 OL UuO

O U

VU 7.2 OH(min)

VU 5.0 OL(max)

5V

OHU

OLU0V

典型值

1. 输入 / 输出电压


实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平 UI 偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。

2.输入噪声容限

高电平噪声容限

低电平噪声容限 NLU

NHU

模块 2 集成逻辑门电路输入端噪声容限

uIuO1

G1 G2

1

min IHU

max ILU

NHU

NLU

OHU

OLU

min OHU

max OLU

IHU

ILU

输出高电平

V 7.2min OH U

典型值 = 3.6 V

输出低电平

V 5.0max OL U典型值 = 0.3 V

输入高电平

V0.2min IH U典型值 = 3.6 V

输入低电平

V8.0max IL U典型值 = 0.3 V

UNH — 允许叠加的负向噪声电压的最大值G2 输入高电平时的噪声容限：

V7.0IHminmin OHNH UUUUNL — 允许叠加的正向噪声电压的最大值G2 输入低电平时的噪声容限：

V3.0max OLILmaxNL UUU


minN U ( )NLU NHU

噪声容限：


2.2.4 动态特性传输延迟时间

1uI uO

50%Uom

50%Uim

t

uI

0

t

uO

0

Uim

Uom

tPHL — 输出电压由高到低时的传输延迟时间。

tpd — 平均传输延迟时间

2PLHPHL

pd

ttt

tPLH — 输出电压由低到高时的传输延迟时间。

tPHL tPLH

典型值： tPHL= 8 ns , tPLH= 12 ns

最大值： tPHL= 15 ns , tPLH= 22 ns


电源


1 输出

0 输出

1 输入

0 输入

UOHmi

n UNH

UILma

x

UOLm

ax

UNL

UIHmi

n

噪声容限


NOL ≤ IOL / |IIL|NOH ≤ |IOH| / IIH

扇出系数＝ min（ NOH， NOL ）


传输延迟时间

2PLHPHL

pdtt

t

tpd 越小，则门电路开关速度越高，工作频率越高。


+VCC

+5V

R1

4k

A

D2

T1T2

T3

T4

D

R2

1.6k

R3

1k

R4

130

Y


D1

B

e1

e2

b

c

2. 2. 5 TTL 与非门和其他逻辑门电路一、 TTL 与非门


二、 TTL 或非门 +VCC

+5V

R1

A

D1T1 T2

T3

T4

D

R2

R3

R4

YR1

B

D1 T1 T2


RL

+VCC

模块 2 集成逻辑门电路2. 2. 6 TTL 集电极开路门和三态门一、集电极开路门— OC 门 (Open Collector Gate)

+VCC

+5VR1

A

D2

T1T2

T4

R2

R3

Y

D1

B

1. 电路组成及符号

+V CC

RC外接 YA

B

&

+V CC

RC

OC 门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。

AB

可以线与连接V CC 根据电路需要进行选择

2. OC 门的主要特点

模块 2 集成逻辑门电路线与连接举例：

21 YYY CDAB

CDAB

+VCC

AT1

T2

T4

Y1

B

+VCC

CT1

T2

T4

Y2

D

+V CC

RC

+V CC

RC

AB

Y1AB

&G1

Y2CD

&

G2

线与Y

CD

Y


　　只有 OC 门才能实现线与。普通 TTL 门输出端不能并联，否则可能损坏器件。

注意

具有推拉输出结构的 TTL 门电路的输出端不允许直接并联使用。


推拉式输出级并联

当将两个 TTL“ 与非”门输出端直接并联时：

产生一个大电流1. 抬高门 2 输出低电平 ;2. 会因功耗过大损坏门器件。

注： TTL输出端禁止直接并联（线与）

模块 2 集成逻辑门电路应用：驱动显示器[ 例 ] 下图为用 OC 门驱动发光二极管 LED 的显示电路。已知 LED 的正向导通压降 UF = 2V ，正向工作电流 IF = 10 mA ，为保证电路正常工作，试确定 RC 的值。

解：为保证电路正常工作，应满足 FC

OLFV5C

IR

UUIR

mA 10V 3.0V 2V 5

C

R

即

因此　　　　　　 RC = 270

分析：　　该电路只有在 A、 B 均为高电平，使输出 uO 为低电平时，LED 才导通发光；否则 LED 中无电流流通，不发光。要使 LED 发光，应满足IRc IF = 10 mA 。


应用：驱动继电器

驱动微型继电器


TTL CMOS

RL

VDD+5 V

应用：实现电平转换　　 TTL 与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同种类门电路的高低电平标准不一样。应用 OC 门就可以适应负载门对电平的要求。

　　 OC 门的 UOL 0.3V， UOH VDD ，正好符合 CMOS 电路 UIH VDD， UIL 0 的要求。

VDD

RL


二、输出三态门 – TSL门 (Three - State Logic)

(1) 使能端低电平有效1. 电路组成 +VCC

+5V

R1

AT1

T2

T3

T4

D

R2

R3

R4

YB

1

D3

EN

使能端(2) 使能端高电平有效

1

EN

YA &

EN

B EN

YA &B

EN

EN


以使能端低电平有效为例：

2. 三态门的工作原理

P

Q

时 0EN

P = 1 （高电平）

电路处于正常工作状态：

D3 截止，

BAPBAY

（ Y = 0 或 1 ）

+VCC

+5V

R1

AT1

T2

T3

T4

D

R2

R3

R4

YB

1

D3

EN

使能端


P = 0 ( 低电平 )

D3 导通

时 1EN

T2 、 T4 截止

uQ ≤ 1 V

T3、 D 截止输出端与上、下均断开

+VCC

+5V

R1

AT1

T2

T3

T4

D

R2

R3

R4

YB

1

D3

EN

可能输出状态：0、 1 或高阻

态

Q

P— 高阻态

记做 Y = Z 使能端


EN 即 Enable

功能表

Z0AB1YEN

使能端的两种控制方式

使能端低电平有效使能端高电平有效

功能表

Z1AB0YEN

EN


高电平有效

低电平有效


3. 应用举例：(1) 用做多路开关 YA1

EN

1EN

1EN

A2

1

G1

G2

使能端

1

0

禁止

使能

1A

0

1

使能

禁止

2A

时 0EN

时 1EN


(2) 用于信号双向传输

A1

EN

1EN

1EN

A2

1

G1

G2时 1EN

2A1A时 0EN

0

1禁止

使能1

0使能

禁止


(3) 构成数据总线

EN 1 EN 1 EN 1…G1 G2 Gn

1EN 2EN nENA1 A2 An

数据总线

0 1 1…1 0 1…1 1 0…

注意：任何时刻，只允许一个三态门使能，其余为高阻态。


2.3 数字集成电路使用注意事项


TTL 集成门的类型很多 , 那么如何识别它们 ? 各类型之间有何异同 ? 如何选用合适的门 ?

TTL 集成门应用要点 (1) 各系列 TTL 集成门的比较与选用

用于民品用于军品

　　具有完全相同的电路结构和电气性能参数，但 CT54 系列更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作。

按工作温度和电源允许变化范围不同分为

CT74 系列

CT54 系列


向高速发展

向低功耗发展

按平均传输延迟时间和平均功耗不同分

向减小功耗 -延迟积发展

措施：增大电阻值措施：(1) 采用 SBD 和抗饱和三极管；(2) 采用有源泄放电路；(3) 减小电路中的电阻值。

　　其中， LSTTL 系列综合性能优越、品种多、价格便宜； ALSTTL 系列性能优于 LSTTL ，但品种少、价格较高，因此实用中多选用 LSTTL 。

CT

74

系列(

即标准 T

TL

) CT74L 系列

( 即低功耗 TTL

简称 LTTL)

CT74H 系列( 即高速

TTL 简称 HTTL)

CT74S 系列( 即肖特基

TTL简称 STTL)

CT74AS 系列( 即先进肖特基

TTL简称 ASTTL)

CT74LS 系列( 即低功耗肖特基

TTL 简称 LSTTL)

CT74ALS 系列( 即先进低功耗肖特基TTL 简称 LSTTL)

模块 2 集成逻辑门电路集成门的选用要点

(1) 实际使用中的最高工作频率 fm 应不大于逻辑门最高工作

频率 fmax 的一半。 (2) 不同系列 TTL 中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速度 ( 平均传输延迟时间 tpd ) 和平均功耗不同。实际使用时，高速门电路可以替换低速的；反之则不行。

例如 CT7400CT74L00CT74H00CT74S00CT74LS00CT74AS00CT74ALS00


（ 2 ） TTL 集成逻辑门的使用要点

(1) 电源电压用 + 5 V ， 74 系列应满足 5 V 5% 。

(2) 输出端的连接

a.普通 TTL 门输出端不允许直接并联使用。

b. 三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。

c. 集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源 VCC 之间应接负载电阻 RL 。

d. 输出端不允许直接接电源 VCC 或直接接地。e. 输出电流应小于产品手册上规定的最大值。


(3) 多余输入端的处理与门和与非门的多余输入端接逻辑 1 或者与有用输入端并接。

接 VCC 通过 1 ~ 10 k 电阻接 VCC

与有用输入端并接

　　 TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平，做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。


或门和或非门的多余输入端接逻辑 0或者与有用输入端并接


[ 例 ] 欲用下列电路实现非运算，试改错。


解：OC 门输出端需外接上拉电阻 RC

5.1kΩ

Y = 1 Y = 0

RI > RON ，相应输入端为高电平。

510Ω

RI < ROFF ，相应输入端为低电平。


是由增强型 PMOS 管和增强型 NMOS 管组成的互补对称 MOS 门电路。比之 TTL ，其突出优点为：微功耗、抗干扰能力强。

主要要求：

掌握 CMOS 反相器的电路、工作原理

和主要外特性。

了解 CMOS 数字集成电路的应用要点。

了解 CMOS 与非门、或非门、开路门、

三态门和传输门的电路和逻辑功能。

2.4、 CMOS 集成逻辑门电路


AuI

YuO

VDDS

G

D

D

G

S

BVP

VN

B

AuI

YuO

VDDS

G

D

D

G

S

BVP

VN

B 增强型 NMOS 管

( 驱动管 )

增强型 PMOS 管 ( 负载管 )

构成互补对称结构

一、 CMOS 反相器 ( 一 ) 电路基本结构

uGSN

+

-

uGSP

+

-

AuI

YuO

VDDS

G

D

D

G

S

BVP

VN

B

( 一 ) 电路基本结构

UIL = 0 V， UIH = VDD


CC4093的引脚排列图

VDD H G M L F E

A B J K C D VSS

14 13 12 11 10 9 8

CC4012

1 2 3 4 5 6 7

VDD K H G F E NC

J A B C D NC VSS

CC4012的引脚排列图

14 13 12 11 10 9 8

CC4093

1 2 3 4 5 6 7

CC4093内含 4个 2 输入与非门， CC4012内含 2个 4 输入与非门。与 CC4093互换型号：CD4093BMC4093B 等。

与 CC40120互换型号：CD4012B、MC4012B 等。

（二） CMOS 与非门、或非门、与门、或门

CMOS 与非门 BAY


（三） CMOS OD 门、 TSL 门及传输门

ABY

漏极开路的 CMOS 门简称 OD 门

与 OC 门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。

A

B

＆ Y

需外接上拉电阻 RD


CMOS TSL门

EN

CMOS 传输门

TGuI/uO uO/uI

C

C

传输门逻辑符号

传输门是一个理想的双向开关，可传输模拟信号，也可传输数字信号。

EN = 1 时， VP2、 VN2 均截止，输出端 Y 呈现高阻态。

因此构成使能端低电平有效的三态门。

EN = 0 时， VP2

和 VN2 导通，呈现低电阻，不影响 CMOS 反相器工作。 Y = A


（四） CMOS 数字集成电路的主要参数


（五） CMOS 数字集成电路应用要点

a. CMOS4000 系列功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围宽 VDD = 3 ~ 15 V；工作频率低， fmax = 5 MHz；驱动能力差CMOS 电路抗干扰能力很强。电源电压越高，抗干扰能力越强。

b . 高速 CMOS 系列( 又称 HCMOS 系列 )

功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围 VDD = 2 ~ 6 V；工作频率高， fmax = 50 MHz；驱动能力强。

1. 型号


c. 高速 CMOS 系列

按工作温度不同分为民品

军品

CC74 系列

CC54 系列

按电源电压不同分为 CC54HC / 74HC 系列

VDD = 2 ~ 6 V

CC54HCT / 74HCT 系列

T 表示与 TTL 兼容VDD = 4.5 ~ 5.5 V


1. 注意不同系列 CMOS 电路允许的电源电压范围不同，一般多用 + 5 V 。电源电压越高，抗干扰能力也越强。

2.CMOS 集成逻辑门使用要点

2. 闲置输入端的处理

a. 不允许悬空。

b. 可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。

c. 与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。


例：判断如图 CMOS 电路输出为何状态？

Y0=1 Y1=1 Y2=0

&

10KΩ

Y1

VCC

Y2≥1

VCC

10KΩ&

Y0

10 KΩ

模块 2 集成逻辑门电路例 6

返回

例：已知 7400 为四二输入与非门， IOH= -

400μA， IOL=16mA， UOH=2.4V,UOL=0.4V, 输入信号 A

和 B 均为高电平时欲推动发光二极管发光 ,现有发光二极管工作电流为 10mA, 导通时管压降为 1.5V, 试求逻辑电路图 .若要求 A、 B 有一个或一个以上为低电平时，二极管发光，逻辑图又如何？

YA &B


输入全高时的驱动电路输入有低时的驱动电路

31010

5.14.05D

DOLCC

IUUVR

返回

YA &B

+VCC

+5V

YA &B

+VCC

+5V

1


解：

集成逻辑门电路应用举例 [ 例 ] 试改正下图电路的错误，使其正常工作。

CMOS 门

TTL 门

OD 门

(a) (b) (c) (d)

VDD

CMOS 门

Ya = AB

VDD

Yb = A + B

TTL 门

OD 门

Yc = A

VDD

EN

Yd=A

B

EN = 1

时EN = 0

时

OD 门&

TTL 门

悬空≥

CMOS 门

悬空


主要要求：

了解 TTL 电路和 CMOS 电路的接口。了解集成逻辑门电路的选用和应用。

五、集成逻辑门电路的应用

了解 TTL 和 CMOS 电路的主要差异。


在不同系列器件混合使用的系统中，由于各种集成门电路的参数不同，当一种系列的门电路驱动另外一种系列的门电路时，必须满足以下两个条件：

（ 1 ）驱动门的输出电压应在负载门所要求的输入电压范围内，即

VOH （ min ） ≥ VIH （ min ） VOL （ min ） ≤ VIL （ min ）


在不同系列器件混合使用的系统中，由于各种集成门电路的参数不同，当一种系列的门电路驱动另外一种系列的门电路时，必须满足以下两个条件：

（ 2 ）驱动门对负载门能提供足够大的灌电流和拉电流，即

式中 n 、 m 分别为负载电流中 IIH 、 IIL 的个数。

I OL （ max ） ≤ m I OL （ max ）

I OH （ max ） ≥ nI

IH （ max ）

模块 2 集成逻辑门电路（一）、 TTL 电路驱动 CMOS 电路

TTL 电路输出低电平电流较大 ,满足驱动 CMOS 电路的要求，而输出高电平的下限值小于 CMOS 电路输入高电平的下限值，它们之间不能直接驱动。因此，应设法提高 TTL 电路输出高电平的下限值，使其大于 CMOS电路输入高电平的下限值。

在 TTL 电路输出接一个上拉电阻 RU 。

1 、 TTL 电路驱动 CMOS4000 系列电路

TTL 电路输出和 CMOS 电路输入端之间接入一个 CMOS 电平转换器。


2 、 TTL 电路驱动 74HCT 高速 CMOS 电路高速 CMOS 电路 CC74HCT 系列在制造

时已考虑到和 TTL 电路的兼容问题，它的输入高电平 UIH （ min) = 2 V ，而 TTL 电路输出的高电平 UOH （ min) = 2.7 V ，因此， TTL 电路的输出端可直接与高速 CMOS 电路 CC74HCT 系列的输入端相连，不需要另外再加其它器件。

模块 2 集成逻辑门电路（二）、 CMOS 电路驱动 TTL 电路

将同一芯片上的多个 CMOS电路并联作驱动门。

在 CMOS 电路输出端和 TTL 电路输入端之间接入 CMOS 驱动器。

1 、 CMOS4000 系列驱动 TTL 电路


2 、高速 CMOS 电路驱动 TTL 电路高速 CMOS 电路的电源电压 VDD = VCC = 5 V 时，CC74HC 和 CC74HCT 系列电路的输出端和 TTL 电路的输入端可直接相连。

CMOS4000 系列电路输出的高、低电平都满足要求，但由于 TTL 电路输入低电平电流较大，而 CMOS4000系列电路输出低电平电流却很小，灌电流负载能力很差，不能向 TTL提供叫大的低电平电流。因此，应设法提高CMOS4000 系列电路输出低电平电流的能力。


（三）、集成逻辑门电路的选用

根据电路工作要求和市场因素等综合决定

若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用 TTL 电路。目前多用 74LS 系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至 20 MHz；如工作频率较高，可选用 CT74ALS 系列，其工作频率一般可至 50 MHz 。

若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用 CMOS 电路。其中 CMOS4000 系列一般用于工作频率 1 MHz 以下、驱动能力要求不高的场合； HCMOS 常用于工作频率 20 MHz 以下、要求较强驱动能力的场合。


项目 2 简单抢答器


（（ 11 ）电路组成：）电路组成：实训电路如图所示，电路中标出的实训电路如图所示，电路中标出的 74LS2074LS20 为双为双 44 输输入端与非门，入端与非门， 74LS0574LS05 为为 66 非门（非门（ OCOC结构）。结构）。

（（ 22 ）电路原理：）电路原理：

这是用基本门电路构成简易型四人抢答器。这是用基本门电路构成简易型四人抢答器。 AA 、、 BB 、、 CC 、、DD 为抢答操作开关。任何一个人先将某一开关按下且保持闭合为抢答操作开关。任何一个人先将某一开关按下且保持闭合状态，则与其对应的发光二极管（指示灯）被点亮，表示此状态，则与其对应的发光二极管（指示灯）被点亮，表示此人抢答成功；而紧随其后的其他开关再被按下，与其对应的人抢答成功；而紧随其后的其他开关再被按下，与其对应的发光二极管则不亮。发光二极管则不亮。


项目 3 触摸式延时开关学习目的学习目的• 掌握触摸式延时开关的工作原理掌握触摸式延时开关的工作原理• 掌握掌握 CD4011CD4011 的逻辑功能与电气性能。的逻辑功能与电气性能。• 掌握继电器的功能及主要参数。掌握继电器的功能及主要参数。• 熟悉熟悉 PCBPCB 的布线。的布线。


常用继电器


继电器参数：线圈电压和功率：这是指继电器正常工作时线圈需要的电压值，（直流还是交流电，）以及线圈消耗的额定电功率。

线圈电阻：它指线圈的电阻值。有时，手册中只给出某型号继电器额定工作电压的和线圈电阻，这时可根据欧姆定律求出额定工作电流。

接点负荷：它指接点的负载能力。继电器的接点在切换时能承受的电压和电流。如 JRX-13F：1A*28VDC


CD4011


触摸式延时开关的原理图


触摸式延时开关的 PCB


预习要求：

1. 1. 查阅三极管查阅三极管 90139013 、、 80508050 的参数，说明在本例中的参数，说明在本例中80508050 和和 90139013 所起的作用，两者能否互换？所起的作用，两者能否互换？

2. 2. 查阅继电器查阅继电器 SRS-05VDC-SLSRS-05VDC-SL 的参数及引脚排列。的参数及引脚排列。

3. 3. 对照原理图和对照原理图和 PCBPCB 图，在原理图上标出图，在原理图上标出 CD4011CD4011 的的引脚，并在引脚，并在 PCBPCB 图上标出图上标出 90139013 、、 80508050 的管脚。的管脚。

4. 4. 分析触摸式延时开关的工作原理。分析触摸式延时开关的工作原理。


不同的继电器管脚排列是不一样的，最好还是自己测试。

用万用表测量，两脚之间有几十欧至几百欧电阻的两脚是线圈。

线圈不通电时导通的一对是常闭点。

线圈通电时导通的一对是常开点。

一对常闭点和一对常开点都要用的那个脚是公共脚。

问题补充：六脚的继电器 , 无公用脚。开点，闭点各两脚


SRS-05VDC-SL 为松乐继电器，直流电磁继电器，可用于汽车电器，家用电器，通讯设备及工业自动批控制生产， SRS-05VDC-SL 额定工作电压： 250（ V ）额定工作电流： 7（ A ）、线圈电源 DC5（ V ）、线圈功率 0.2W 、外形尺寸 15.7X10.6X12.4（mm ）


1 、当手未触摸金属M 时，与非门 1 的输入端经 R1 接电源为高电平，其输出端为低电平，故 VD1 截止，使与非门 2 的输入端为低电平，与非门 3 的输出也为低电平， VT1、 VT2均截止，与此同时，电源经 R2向 C1充电。

当手未触摸金属M 时


2 、当人手触摸金属板M 时，由于人体感应使与非门 1 的输入端由高电平变为低电平，则与非门 1 输出为高电平， VD1导通，与非门 2 输出低电平，与非门 3 输出高电平，使 VT1、VT2 均导通，继电器 K1得电吸合，其触点闭合，发光二极管导通。此时， C1 通过 VD1放电。

当人手触摸金属板M 时


3 、当手离开 M 后，与非门的输出端由高到低， VD1 截止。此时，电源经 R2向 C1再次充电，直到与非门 2 的输入端的电位低于阈值电压时，与非门 2 才翻转，其输出端才由低电平变为高电平，使 VT1、 VT2 均截止， K失电停止工作，发光二极管熄灭， R2、 C1 的充电时间常数决定了发光二极管亮的时间。

当手离开 M 后


器件引脚理论值实测电位（ V ）或工作状态

与非门 1 输入端的电位与非门 1 输出端的电位VD1的工作状态C1在刚接通电源时的充、放电情

况与非门 2 输入端的电位与非门 2 输出端的电位与非门 3 输入端的电位与非门 3 输出端的电位VT1各极电位及工作状态判断VT2各极电位及工作状态判断继电器的工作状态VD3的两端电压及工作状态

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