数字电路与逻辑电路设计第2章集成门电路.ppt

第2章 集成门电路 本章在介绍三极管反相器的 结构和参数特点的基础上，详细 讨论了TTL反相器的结构、工作 原理、主要性能参数、TTL的不 同逻辑门，并简单介绍了TTL各 种系列的特点。另外，讲述了 CMOS门电路的结构、工作原理 、主要参数、应用特点及与TTL 门电路的接口。 本章要点 2.1 三极管反相器 开关电路 开关电路 高低电平 BJT、 FET或 二极管 2.1.1 三极管的开关特性 三极管开关电路 BJT作 为开关 vI=VIL,三极 管截止 vI=VIH,三极管 饱和导通 输出高 电平 输出低 电平 2.1.2 三极管反相器的工作原理 实用的三极管反相器电路 逻辑符号 逻辑表达式 保证三极管 可靠截止 2.1.3 三极管的开关时间 三极管开关的动态特性 三极管电路的有关知识可知，当输 入信号由高电平变为低电平或由低电 平变为高电平时，三极管不可能立即 实现从饱和到截止或从截止到饱和的 转换。的变化总是落后于的变化，从 而的变化也落后于的变化 开启 时间关断 时间 2.1.4 三极管反相器的负载能力 三极管反相器的负载能力：指反相器输出端接其他电路时输出电流的能 力。负载分为灌电流负载和拉电流负载 灌电流负载 vI为高电平， vO输出低电平时，三极管饱 和导通，从负载流入三极管的电流。 拉电流负载 vI为低电平， vO输出高电平时，三极 管截止，从三极管流入负载的电流。 三极管饱和 程度下降 输出高电平 的最小值 推拉式输出 为了提高带负载能力，即 矛盾 推拉式输出 改进 T2是射极输输 出器，输输出 电电阻很低 2.2 TTL集成反相器 2.2.1 TTL反相器的工作原理 1.电路结构 组成：输入级、倒相级、输出级及输 入保护电路 输入级T1和R1 倒相级T2和R2、 R3 输出级 T3、 T4、T5及R5、 R3 构成推拉式输出 输入保 护电路 D1 2.工作原理 设电源电压VCC=5V，输入信号的高、低电平分别为VOH=3.4V 、 VOL=0.2V ，PN结的特性用折线等效模型代替，开启电压和工作电压 VON=0.7V，三极管的饱和压降为VCES=0.2V。 （1）当输输入为为低电电平A0（ VIL=0.2V ) 0.2V 0.9V 0.2V T2、 T5截止 T1深度饱和，VCES10 T3、 T4导通 5V 3.4V Y1 （2）当输输入为为高电电平A1（ VIH=3.4V ) 3.4V 2.1V 1.4V 0.7V T1倒置状态（发射结反偏，集电 结正偏） T2、 T5饱和导通 T3导通， T4截止 0.9V 0.2V Y0 则 2.2.2 TTL反相器的外特性及主要电气参数 1.电压传输特性 电压传输特性 电压传输特性是指输出电压随输入电压变化的关系曲线。 TTL反相器电路 （1）AB段（截止区）： 输入电压vI1.4V, vB1=2.1V, T2、 T5 饱和， T3、T4截止，输出vO为低电平 0.2V 对于典型的TTL反相 器，阀值电压VTH一般 约为1.4V。可以粗略地 认为，当vI VTH 时， 反相器导通，输出低电 平；当vI VDD+VDF时，D2导通，输入电压被箝制 在VDD+VDF ；当vI VDD - VGS(th)P TN导通，内阻很小；TP截止，电阻很 大。输出电压为低电平，vO=VOL=0，iD=0 ，功耗极小。 总结：CMOS反相器在高电平、 低电平的稳定状态时，漏极电流为 零，故静态功耗也为零；只有在高 、低电平的动态转换期间，漏极电 流较大，动态功耗不为零。相比于 TTL反相器，功耗大为减小 2.输入噪声容限 相比于TTL门电路， CMOS门电路的阀值电压较 高，近似为电源电压的一半 。其输入低电平和输入高电 平的噪声容限几乎相等。从 工程上，考虑到一定的余量 ，一般取为电源电压的。所 以，相比于TTL电路，其抗 干扰能力较强 3.输入特性 输入电流iI随输入电压vI变化的关系曲线 输入电压在正常工作范围0VDD之间变化时，保护二极管 均为反向偏置，输入电流近似为零；当时vI VDD+VDF时，D2 导通，iI 急剧增加；当vI VSS-VDF时，D1经RS导通， iI的绝对 值随输入电压的绝对值的增大而增大，近似为线性关系 输入特性 4.输出特性 （1）低电平输出特性 低电平输出特性 当输出vO为低电平时，输入电压vO与输出电流iO的关系曲线 当输入为高电平vI=VIH=VDD、输出为低电平vO=VOL=0 时， TN导通，TP截止，负载电流从负载电路注入TN，输 出电平VOL=IOLRON，随IOL的增加而升高 （2）高电平输出特性 当输出vO为高电平时，输入电压vO与输出电流iO的关系曲线 高电平输出特性 当输入为低电平vI=VIL=0、输出为高电平vO=VOH=VDD 时， TP导通，TN截止，负载电流从电源VDD通过TP注入负 载， VOH=VDD IOHRON，随IOH的增加而略有下降。在同 样的负载电流情况下，电源电压VDD越大，TP管的栅源电 压越负，导通内阻越小，VOH下降越小 5.传输延时时间 MOS管是单极性三极管，开关过程中没有电荷的积累和消散现象。但 由于管子的导通电阻较大，集成电路中管子的极间电容及负载电容的影响， 使输出电压的变化滞后于输入电压的变化，相比于TTL门电路，其延时时间 更大，约为十几个纳秒，故其开关速度较低 6.CMOS集成电路的特点 （1）静态功耗低。在电源电压VDD5V时，中规模集成电路的静态功耗 小于100mW。有利于提高集成度和封装密度，比较适合于大规模集成； （2）电源电压范围较宽。CC4000系列的CMOS电路的电源电压范围从 318V，选择电源的余地大，电源设计要求低； （3）输入阻抗高。正常工作的CMOS集成电路，其输入端的保 护二极管处于反偏状态，直流输入阻抗大于100M； （4）扇出能力强。在低频工作时，一个输出端可驱动50个 以上CMOS集成电路的输入端，这主要是由于CMOS集成电 路输入阻抗高、输入端取用电流小的原因 （5）抗干扰能力强。CMOS集成电路的电压噪声容限可达电源电压的 45%，而且高、低电平的噪声容限基本相等 ； （6）逻辑摆幅大。空载时输出高电平VOH=（VDD-0.05）VDD，输出低电平 （VSS+0.05）VSS （7）温度稳定性好，且有较强的抗辐射能力 CMOS集成器件的国外产品主要有4000、74C、 74HC等系列，后两种是高速CMOS电路，其传输 延时时间已接近标准的TTL器件，其引脚排列和逻 辑功能也和同型号的74系列TTL电路一致。74HCT 系列更是在电平上和74系列的TTL电路相容，从而 使两者互换使用更为方便。在4000系列基础上发展 起来的有4000B系列、4500系列和5000系列等。国 产的CMOS器件以4000系列为主 2.3.3 其它类型的CMOS集成门电路 1.其它逻辑功能的CMOS门电路 （1）与非门 电路 当A、B全为高电平时，TN1、TN2都导 通，而TP1、TP2都截止，输出低电平 TN1、TN2 串联 TP1、TP2 并联 工作原理： 只要A、B中有一个是低电平，则TN1、 TN2中必有一个管子是截止的，而TP1、 TP2中必有一个是导通的，输出高电平； TP1、TP2 串联 （2）或非门 TN1、TN2 并联 电路 工作原理： 当A、B全为低电平时，TN1、TN2都截 止的，而TP1、TP2都导通，输出高电平 只要A、B中有一个是高电平，则TN1、 TN2中必有一个管子是导通的，而TP1、 TP2中必有一个是截止的，输出低电平； 2.带缓冲级的CMOS门电路 普通门的缺点：它的输出电阻RO受输入端逻辑状态的影响 当AB1时，两个串联的NMOS管都导 通，输出低电平，RO2RON MOS管的 导通电阻 当AB0时，两个并联的PMOS管都导 通，输出高电平，RO（1/2）RON 当A、B中一个为1、一个为0时，两个串联的 NMOS管都截止，两个并联的PMOS管只有一个 导通，输出高电平，RORON 总结：输出状态的不同使输出电阻相差四 倍之多；输出端的高、低电平大小受输入端 数目的影响；输入端工作状态不同对电压传 输特性也有影响。 带缓冲级的门电路 或非门电路 逻辑电路 逻辑表达式 3. CMOS传输门和双向模拟开关 （1）CMOS传输门 电路 逻辑符号 控制端高、 低电平分别 为VDD和0V 输入输出可以互换 ，信号可双向传输 工作原理： 当C0， 时，只要输入信号的变化范围不超过 VDD和0V ，则TN管和TP管同时截止，输出与输入之间是 高阻态（电阻大于109），传输门截止 ； 当C1， 时，若0vIVDD-VGS（th）N，TN管导通， TP管截止，导通电阻很小，vOvI；若VGS（th）PvI， TP管导通，TN管截止， vOvI。 输出电压 （2）CMOS双向模拟开关 利用非门将CMOS传输门的两个控制端连接在一起，作为控制端， 就构成了CMOS双向模拟开关 电路 逻辑符号 C=0时，开关不通，输出高阻态 ； C=1时，开关接通，vO=vI； 利用CMOS传输门和CMOS反相器的各种组合可以构成多种复杂的逻 辑电路，如数据选择器、触发器、计数器等 【例1】试判断下面由CMOS传输门构成电路的输出和输入逻辑关系。 解： 0001 则输出逻辑式为 则实现与逻辑关系 避免传输门关闭时 出现高阻态，在输 出端通过大电阻接 地，也可以输出端 通过电阻接电源。 4.三态输出的CMOS门 从逻辑功能上看，三态输出的CMOS门与TTL的三态门没有区别，但在 电路结构上，CMOS的三态门要简单得多 三态非门电路 逻辑符号 所有NMOS管和PMOS管均截止 ，输出Y为高阻状态 A0时，所有NMOS管截止而所 有PMOS管导通，输出Y1；A1时 ，所有NMOS管导通而PMOS管截止 ，输出Y0，输出逻辑式为 【例2】电路如图所示，试分析其逻辑功能 解： 传输门截止，输出为YZ（高阻态） 传输门开启，CMOS反相器的输出通 过传输门到达输出，使得 此电路逻辑功能为三 态输出非门，使能控 制端低电平有效 2.4 TTL和CMOS集成电路的使用及接口 2.4.1 两类数字集成门电路的使用 1.输入端的扩展 外接一个扩展器 与扩展器74H61逻辑符号 利用二极管与门和或门实现输入端的扩展 与非扩展 或非扩展 适合CMOS门 2.多余输入端的处理 对于与门和与非门，多余的输入端应接高电平或和已经使用的端相连 ；对于或门和或非门，多余的输入端应接低电平或和已经使用的端相连。 接高电平，可以直接通过电阻和电源相连或者接到高电平处；接低电平可 直接接地，但也有其它的连接方式 注意： TTL门：根据门输入级的特性，悬空、通过一个大电阻（大于）接地 相当于在输入端加了一个高电平；通过一个小电阻（小于）接地相当于 在输入端加了一个低电平； CMOS门：为防止干扰破坏逻辑关系和损坏器件，CMOS门 输入端不能悬空。另外，由于CMOS门输入端不取用电流，所 以输入端不管是通过大电阻还是通过小电阻接地，都相当于在 输入端加了一个低电平 3.提高TTL门的带负载能力 当门电路所能提供的拉电流满足不了负载的需要时，可以改变电路连 接，将拉电流负载变成灌电流负载。 如： 一般的TTL在输出高电平的时候，最大 输出电流约为0.4mA，而发光二极管正 常工作时的电流约十多个毫安 拉电流iO 灌电流iO TTL与非门输出低电平时 ，发光二极管发光，发光 二极管的工作电流由电源 VCC提供，且TTL门电路 的低电平最大输出电流约 为16mA左右，完全可以 满足正常工作要求。 使门电路只承担灌电流负载，而让变换电路承担所需的拉电流负载 如： 对TTL与非门而言，是一个拉电流负 载，明显负载过大，不能正常工作 100mA =25 4mA 当TTL与非门输出高电 平时，D1截止，VCC经R1 、D2向三极管基极提供 拉电流，TTL与非门提 供的拉电流几乎为零 4. TTL电路使用中的注意事项 （1）TTL电路的电源电压不能高于+5.5V，使用时不能将电源与“地”引线 端颠倒错接，否则将因电流过大而将器件损坏 ; （2）电路的各输入端不能直接与高于+5.5V、低于-0.5V的低内阻电源连接 ，因为低内阻电源能提供较大电流而使器件过热烧坏 ; （3）除了三态门和OC门外，不能将门电路的输出端并联使用，OC门线与 时要合理选择好上拉电阻; （4）输出端不能与电源或“地”短路，否则会造成器件损坏，但可以通过电 阻和电源相连，以提高输出高电平。 5. CMOS电路使用中的注意事项 （1）存放时要屏蔽，一般放在金属容器中，也可将引脚用 金属箔短路。 （2）焊接时电烙铁功率不能大于20W，烙铁要有良好的接 地线，最好利用烙铁断电后的余热快速焊接。禁止在通电 的情况下焊接 （3）测试时，如果信号源和电路板用两组电源，则应先接通电路板电源，断 电时应先断开信号源电源。即禁止在CMOS电路本身没有接通电源的情况下 输入信号 （4）多余输入端绝对不能悬空，否则会因干扰破坏逻辑关系 （5）输入端连接长线时，由于分布电容和分布电感的影响，容易构成LC振 荡，使输入保护二极管损坏。为此，必须在输入端串接一个1020K的电阻 RS 分布电感 和电容 （6）CMOS电路安装在印刷电路板上时，各输 入端要接保护电阻，这样可以避免线路板从机 器中拨出时器件输入端悬空。在装接线路板时 ，应先将其它元件安装好后再插入CMOS器件 ，也是为防止CMOS器件输入端悬空 （7）为防止脉冲信号串入电源引起的低频 和高频干扰，可在印刷电路板的电源和地之 间并接10F和0.1F的两个电容 2.4.2 两类数字集成门电路的接口 由于CMOS电路具有功耗低、单电源工作、电源电压范围 宽、噪声容限高等特点，作为逻辑集成电路使用可以说是最合 适的。但是在大电流和超高速领域中，只使用CMOS电路是不 行的，还要使用分立元件、晶体管电路及TTL电路等。所以在 设计一个电路时，需要考虑不同器件之间的连接。 1.不同门之间的连接 按逻辑要求，无论是TTL门驱动CMOS门，还是CMOS门驱动TTL门， 驱动门和负载门的电压和电流关系应满足 驱动门 负载 门 n 负载输入低电平电流IILmax的个数 m负载输入高电平电流IIHmax的个数 2.用TTL电路驱动CMOS电路 （1）用TTL电路驱动4000系列和74HC系列的CMOS电路 表2-3 几种TTL门门和CMOS门门的常用参数 VOHmin (V) VOLmax (V) IOHmax (mA) IOLmax (mA) VIHmin (V) VILmax (V) IIHmax (uA) IILmax (mA) tpd (ns) P(mW/ 门门) TTL 74系列 2.40.4-0.41620.840-1.61010 TTL 74H系列 2.40.4-0.52020.850-2.0622.5 TTL 74LS系列 2.70.5-0.4820.820-0.4102 CMOS CC4000系列 4.60.05-0.510.513.51.50.1-0.0001450.005 高速CMOS 74HC系列 4.40.1-443.51.350.1-0.0001180.0025 高速CMOS 74HCT系列 4.40.1-4420.80.1-0.0001180.0025 解决方法 当VCC= VDD时，采用接上拉电阻的方法 上拉电阻 当TTL输出高电平时，输出级的推动管 T5截止，由于上拉电路VDD和RU的作用。输 出级的负载管T4也截止，故输出高电平为 当VCC VDD时，CMOS的输入高电平远大于3.5V ,为了防止TTL输出级过载，可以将TTL电路改为OC 门或者增加一级OC门接口。 四低-高压电平转 换器（三态输出） 当VCC VDD时，可以采用带有电平转换作用的 CMOS接口门(CC40109)，或采用TTL接口门（ 74LS06等） 。 六反相缓冲器， 15V高压输出 （2）用TTL驱动74HCT系列的CMOS电路 表2-3 几种TTL门门和CMOS门门的常用参数 VOHmin (V) VOLmax (V) IOHmax (mA) IOLmax (mA) VIHmin (V) VILmax (V) IIHmax (uA) IILmax (mA) tpd (ns) P(mW/ 门门) TTL 74系列 2.40.4-0.41620.840-1.61010 TTL 74H系列 2.40.4-0.52020.850-2.0622.5 TTL 74LS系列 2.70.5-0.4820.820-0.4102 CMOS CC4000系列 4.60.05-0.510.513.51.50.1-0.0001450.005 高速CMOS 74HC系列 4.40.1-443.51.350.1-0.0001180.0025 高速CMOS 74HCT系列 4.40.1-4420.80.1-0.0001180.0025 全部满足要求，无需外 加接口，可直接连接使用 3.用CMOS电路驱动TTL电路 （1）用4000系列CMOS电路驱动74系列和74H系列TTL电路 表2-3 几种TTL门门和CMOS门门的常用参数 VOHmin (V) VOLmax (V) IOHmax (mA) IOLmax (mA) VIHmin (V) VILmax (V) IIHmax (uA) IILmax (mA) tpd (ns) P(mW/ 门门) TTL 74系列 2.40.4-0.41620.840-1.61010 TTL 74H系列 2.40.4-0.52020.850-2.0622.5 TTL 74LS系列 2.70.5-0.4820.820-0.4102 CMOS CC4000系列 4.60.05-0.510.513.51.50.1-0.0001450.005 高速CMOS 74HC系列 4.40.1-443.51.350.1-0.0001180.0025 高速CMOS 74HCT系列 4.40.1-4420.80.1-0.0001180.0025 输出低电平电流不满足，需要外接扩展电路 解决方法 将同一封装内的CMOS门电路并联使用；虽然同一封装内的门电路参数比 较一致，但不可能完全相同，所以并联后的最大负载电流略低于每个门最大 负载电流之和 ； 在输出端增加一级CMOS驱动器，如CC4010、CC40107 等 。同相输出的驱动器CC4010在电源电压5V时，负载电流 IOL3.2mA，可以同时驱动两个74系列的TTL门；OD门 CC40107在电源电压5V时，负载电流IOL16mA，能同时驱 动十个74系列TTL门电路 CMOS门电路并联使用 增加CMOS驱动器 在找不到合适的驱动器时，可采用分立元件的三极管电流放大器 . 参数的选择要满足在CMOS输出高电 平时，三极管饱和导通（输出低电平） ，此时要求 其中：VOH、IOH为CMOS门输出高电平和 输出高电平时的输出漏电流 ；IIL为TTL输入 低电平电流 （2）用4000系列COS门驱动74LS系列TTL电路 表2-3 几种TTL门门和CMOS门门的常用参数 VOHmin (V) VOLmax (V) IOHmax (mA) IOLmax (mA) VIHmin (V) VILmax (V) IIHmax (uA) IILmax (mA) tpd (ns) P(mW/ 门门) TTL 74系列 2.40.4-0.41620.840-1.61010 TTL 74H系列 2.40.4-0.52020.850-2.0622.5 TTL 74LS系列 2.70.5-0.4820.820-0.4102 CMOS CC4000系列 4.60.05-0.510.513.51.50.1-0.0001450.005 高速CMOS 74HC系列 4.40.1-443.51.350.1-0.0001180.0025 高速CMOS 74HCT系列 4.40.1-4420.80.1-0.0001180.0025 满足所有条件，可将400