《电工电子技术》试读：13.2 集成复合门电路

13.2 集成复合门电路 集成门电路除了或门、与门和非门外，还有将它们的逻辑功能组合起来的复合门电路，如集成或非门、与非门、同或门和异或门等等。其中或非门和与非门应用比较广，尤其是与非门是当前生产量最大、应用最多的集成门电路。本节主要介绍这两种集成门电路内部电路。 在众多数字电路类型中，目前应用最多的主要是TTL电路和CMOS电路。TTL电路的输入和输出部分采用的都是晶体管，故称为晶体管-晶体管逻辑电路（Transistor-Transistor Logic Circuit），简称TTL电路。这种电路生产较早，制造工艺成熟、产量大、品种全、价格低、速度快，是中小规模集成电路的主流。国产TTL电路主要有CTl000~CT4000等4个系列，它们的主要差别反映在速度和功耗两个参数上。CTl000系列为通用系列，CT2000和CT3000为高速系列，CT4000为低功耗系列，国产系列的产品可以直接与国外对应系列的产品互换。 CMOS电路是由PMOS管和NMOS管组成的一种互补型MOS集成电路（Complementary MOS Circuit），简称CMOS电路，这种电路制造方便，功耗小，带负载和抗干扰能力强，工作速度接近于TTL电路，在大规模和超大规模集成电路中大多数采用这种电路。国产CMOS电路主要有CC0000~CC4000等几个系列，国产的CMOS电路与国外的产品能够完全互换。 13.2.1 或非门电路 实现或非逻辑关系的电路称为或非门电路，简称或非门。或非逻辑关系就是先“或”后“非”，逻辑表达式为： （13-7） 逻辑符号如图13-5所示，真值表见表13-4。 图13-5 或非门 表13-4 或非门真值表 A B F 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 图13-6是CMOS或非门的原理电路，其中有两个增强型PMOS管串联，有两个增强型NMOS管并联。增强型NMOS管的开启电压UGS（th）为正值，只有在UGS>UGS（th）时NMOS管才导通，否则NMOS管截止；增强型PMOS管的开启电压UGS（th）为负值，只有在UGS<UGS（th）时，PMOS管导通，否则PMOS管截止。由此可知该电路的工作原理如下： 当A=0，B=0时，PMOS1和PMOS2导通，NMOSl和NMOS2截止，F=1。 当A=0，B=1时，PMOSl导通，PMOS2截止，NMOSl；截止，NMOS2导通，F=0。 当A=1、B=0时，PMOS1截止，PMOS2导通，NMOS1导通，NMOS2截止，F=0。 当A=1、B=1时，PMOS1和PMOS2截止，NMOSl和NMOS2导通，F=0。 目前国产CMOS集成或非门的封装结构多数做成双列直插式，一般有14个管脚，一片CC4001集成电路内含有4个独立的或非门，每个或非门都有两个输入端；一片CC4002集成电路内含有两个独立的或非门，每个或非门都有4个输入端。 同一集成电路内的各个或非门可以独立使用，但共用一根电源线和一根地线，电源电压在3V~18V范围内都能正常工作；当电源电压为+5V时，可与TTL集成电路兼容。 13.2.2 与非门电路 实现与非逻辑关系的电路称为与非门电路，简称与非门。与非逻辑关系就是先“与”后“非”，逻辑表达式为： （13-8） 逻辑符号如图13-7所示，真值表见表13-5。TTL集成与非门的原理电路如图13-8（a）所示，T1是多发射极晶体管，在电路中的作用可以用图13-8（b）所示的等效电路来代替，电路的工作原理如下： 表13-5 与非门真值表 A B F 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 当A或B中任一个或两个为低电平时，T1的基极Bl的电位被钳制在0.7V左右，由B1经T1集电结、T2发射结和T4发射结到地经过三个PN结，0.7V的电压不可能让所有结都导通，所以T1将处于饱和状态，T2和T4都处于截止状态，T3导通，F为高电平。 图13-7 与非门 图13-8 TTL与非门 当A和B都为高电平时，+5V电源经RB1、T1集电结、T2发射结和T4发射结到地构成通路，基极B1的电位被钳制在2.1V左右，低于A和B的电位3.6V，使得T1截止，而T2和T4饱和导通，T3截止，F为低电平。 13.2.3 三态与非门 集成与非门是不能将两个与非门的输出线接在公共的信号传输线上的，因两输出端并联，若一个输出高电平，另一个输出低电平，两者之间将有很大的电流通过，会使元件损坏。但在实用中，为了减少信号传输线的数量，以适应各种数字电路的需要，有时却需要将两个或多个与非门的输出端接在同一信号传输线上，这就要求输出端除了有低电平0和高电平1两种状态外，还要有第三种高阻状态（即开路状态）Z的门电路。当输出端处于Z状态时，与非门与信号传输线是隔断的。这种具有0、1、Z三种输出状态的与非门称为三态与非门。 与前面介绍的与非门相比，三态与非门多了一个控制端，又称使能端E。其逻辑符号和逻辑功能见表13-6，序号为1的三态与非门，在控制端E=0时，电路为高阻状态，E=1时，电路为与非门状态，故称控制端为高电平有效；序号为2的三态与非门正好相反，控制端E=1时，电路为高阻状态，E=0时，电路为与非门状态，故称控制端为低电平有效。在逻辑符号中，用EN端加小圆圈表示低电平有效，不加小圆圈表示高电平有效。 表13-6 三态与非门逻辑符号和逻辑功能 逻辑符号 逻辑功能 不同逻辑功能的门电路可以通过外部接线进行相互转换，下面举例说明。 【例13-3】试利用与非门来组成非门、与门和或门。 解：由与非门组成非门的方法如图13-9（a）所示。只要将与非门的各个输入端并接在一起作为一个输入端A即可。由于A=0时，与非门各输入端都为0，故F=1；A=1时，与非门各输入端都为1，故F=0；实现了非门运算。 由于与逻辑表达式可写成： ，所以，由与非门组成与门的方法如图13-9（b）所示，在一个与非门后面再接一个由与非门组成的非门。 或逻辑表达式可写成： ，所以，由与非门组成或门的方法如图13-9（c）所示。 （a）非门 （b）与门 （c）或门 图13-9 例13-3题图