教案.第六讲常用cmos逻辑门电路及74ls系列ttl逻辑门电路

上一讲内容回顾：

CMOS 反相器结构和工作原理

+V DD

B 1

G 1

D 1

S 1

u A

u Y

T N

T P

B 2

D 2S 2G 2

V

SS

+-u

GSN

u +-GSP

A

Y 0V

+V DD u A

u GSN

|u GSP |T N

T P

u Y 0V

|U th(P)|截止导通

V DD V DD >U th(N)<|U th(P)|导通截止

0V

设U th(N)=2V ，U th(P)=-2V ，V DD =5V 。

R ONP

u Y +V DD V DD S

T N T P T R ONN

u Y +V DD 0V S

N T P

A

Y

导通导通

截止

截止u A =0V 时

u A =V DD 时

电压传输特性和电流传输特性

i D ++V DD

B 1

G 1

D 1

S 1

u I

-

u O

T N

T P

B 2

D 2S 2G 2

V SS

A B

C

D

E F

U th(N)

V DD

U TH

U th(P)

U NL

U NH

u O / V

u I / V

D A B

C E F

i D /mA

u I / V

U TH

电压传输特性

电流传输特性

漏极开路输出CMOS 门电路（OD 门） A

B Y AB Y =R L

V DD2V DD1

A B

V SS

用途：输出缓冲/驱动器；输出电平的变换；满足大功率负载电流的需要；实现线与逻辑。 应用举例 “线与”连接方法

R L

V DD G 1

A B Y 2G 2

C

D Y 1Y A B

Y C D R L V DD Y 2Y 1G 1G 2

“线与”逻辑符号

21Y Y Y ?=AB Y =1CD Y =2CD AB CD AB Y +=?=

R L 的选择 m '个V DD V IH

V IL

V IL

R L

(max)L IH OH OH DD L R mI nI V V R =+-≤I OH

I IH

n 个

OH L IH OH DD V R mI nI V ≥+-)(V OH

V DD V IL V IL V IL R L m 个m 、m'是负载门电路分别为高、低电平时，负载门输入端进或

出电流的数目。负载门为CMOS 门电路情况下，m 和m '相等。V OL

I OL I IL (max)/)(OL IL L OL DD I I m R V V ≤'+-(min)

(max)|

|L IL OL OL

DD L R I m I V V R ='--≥

（三）CMOS 传输门和双向模拟开关及CMOS 异或门

TG C C u o /u i

u i /u o

C

C

u i /u o u o /u i

V DD 时，传输门导通。01==C C ，时，传输门截止。10==C C ，

传输门的一个用途可作模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。

TG

C u i /u o

u o /u i

C SW

u o /u i

u i /u o

C SW

u o

u i

R L

C =1时开关接通；C =0时开关截止。

利用CMOS 传输门和CMOS 反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，如：异或门、同或门、触发器等。

用反相器和传输门构成异或门电路

TG 1TG 2

A B

Y

A

B

Y

B

A Y ⊕=A =1、

B =0时，TG 1截止，TG 2导通，Y = =1;B A =0、B =1时，TG 2截止，TG 1导通，Y =B =1;

A =0、

B =0时，TG 2截止，TG 1导通，Y =B =0;A =1、B =1时，TG 1截止，TG 2导通，Y = =0;

B Y A B 0110

0 00 11 01 1

（四）三态输出CMOS 门电路

三态输出的CMOS 反相器

控制端低电平有效三态门：

Y

A

EN

V DD

Y

A

EN

时，反相器正常工作。0=EN 时，输出呈现高阻态。

1=EN 低电平有效

??

?===)

()(10EN Z EN A Y

控制端高电平有效三态门：

A

Y

EN

高电平有效??

?===)

()

(01EN Z EN A Y

三态门有三种状态：高电平、低电平、高阻态。 注意：高阻状态不是逻辑状态！

三态输出反相器应用举例

用三态输出反相器接成

总线结构

…

1

EN 1

A 1

G 2

EN 2

A 2

G n

EN n

A n G …

…总线用三态输出反相器实现

数据双向传输

EN Y O D 1G 2

G 总线I

D I

O D D /

（五）CMOS 电路的特点与使用注意问题

①CMOS 电路的优点

? 静态功耗小；允许电源电压范围宽20V)；扇出系数

大，噪声容限大。 ②CMOS 电路的正确使用

输入电路的静电保护

? 所有与CMOS 电路直接接触的工具、仪表等必须可靠

接地。

? 存储和运输CMOS 电路，最好采用金属屏蔽层做包装

材料。

多余的输入端不能悬空

? 可以按功能要求接电源或接地，或与其它输入端并联

使用。

输入电路需过流保护

? 低内阻信号源时，输入端与信号源之间串进保护电

阻；

? 输入端接有大电容时，应在输入端和电容之间串联接

入保护电阻；

? 输入端接长线时，应在门电路的输入端串联接入保护

电阻。

2. 74LS 系列TTL 门电路

（一）LSTTL 非门结构与工作原理 TTL 集成门电路发展主要经历了四个系列，74系列、74H 系列、74S 系列、74LS 系列。前三个系列已经被淘汰，74LS 系列虽面临

淘汰，但是目前仍有使用，故课程仅简单介绍74LS 系列原理。

利用肖特基管的低导通电压~和多数载流子形成电流特性抗深饱和提高速度。

R R R

R R R D 3

V CC

Y

28K

120K

A

B 1.5K

T 2T 3

T 4

5120T 5

R 4

4K C 3K T 6

u o u i D 26

12K D 1

SBD

b e

e c

b

c

电压关系表u I /V u O /V 0.3 3.4(4.3)3.4

0.3

真值表01

10

A Y

D2、D3的作用

D2在T5导通的瞬间起作用，可抽取T4的基区电荷，加速其截止过程。

D3在T5导通的过程中起作用，此时T2的集电极电位比T5的集电极电位低，可以通过D3给负载电容放电，而这个放电电流又去驱动T5，减小了电路的导通延迟。

T6电路的作用

T2由截止变导通，先驱动T5饱和导通，然后T6才导通，对T5进行分流，饱和度将变浅。使其从饱和变截止时更加迅速。

T5变截止的瞬态，由于T6比T5晚截止，使T5有很好的泄放回路而很快脱离饱和，提高了电路工作速度。

（二）LSTTL 门电路的特性曲线和一些规定参数

i i

u i

R P

u i 低R L

入

V OH V 高

CC R L

入

V OL

u u i /V

o /V

04.3V/3.4V

1.1V

R R R

R R R D 3

V CC

Y 28K

120K

A

B

1.5K

T 2T 3

T 4

5

120T 5

R 4

4K C 3K T 6

u o u i D 26

12K D 1

i -0.230.5 1.0 1.5 2.00u i /V i

/mA 1.1V <40μA P /k R Ω1.1101.01.0020u i /V 0.8

R OFF ≈1k ，R ON ≈10k

低电平输入电流|I IL |≤0.23mA

高电平输入电流|I IH |≤40μA 低电平输出电流|I OL |≤8mA 高电平输出电流|I OH |≤0.4mA

低电平输出电压|V OL |≤0.4V

高电平输出电压|V OH |≥2.4V 负载开路时电压4.3V ，当有负载时约3.4V 注意：TTL 门电路悬空的输入端相当于接高电平。为了防止干扰，一般应将定义为高电平的悬空输入引脚，通过一个几千欧的电阻接电源。也可以根据逻辑情况与其它输入引脚接在一起使用。

（三）TTL 功耗问题

TTL 功耗有静态功耗PD 和动态功耗PT 。由于静态时TTL 工作

CC

8

速度

TTL(LS)大小(μ30%功耗噪声容限扇出系数集成度快(mW)(0.4V 左右)小(20≤)低CMOS 较快(74HC)小W)大(≥V DD )大(≥50)高

多余输入端的处理措施

处理原则：不能影响输入与输出之间的逻辑关系。 ①可并联起来使用；

②可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。

? TTL 电路多余的输入端悬空表示输入为高电平。一般可根据门电路逻辑功能将多余的输入端通过上拉电阻(1~3K )接电源正端(逻辑1的处理)；直接把多余端接地(逻辑0的处理)。尽量把多余的输入端并联使用；虽然可以通过大电阻接地(逻辑1的处理)，但最好不要采用。

? CMOS 电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。对于CMOS 电路对多余输入端，尽量根据门电路逻辑功能并联使用，或者根据需要直接接地(逻辑0的处理)；或直接接V DD (逻辑1的处理)。