数字电子技术3章课件.ppt

第三章 门电路 3. 1 3. 1 概述概述 3.2 3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 3.3 cmos3.3 cmos门电路门电路 3.6 ttl3.6 ttl电路与电路与cmoscmos电路的接口电路的接口 退出退出返回主目录返回主目录 3.5 ttl3.5 ttl门电路门电路 3.4* 3.4* 其它类型的其它类型的mosmos集成电路集成电路 获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件 的导通、截止（即开、关）两种工作状态。 门电路：用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的 单元电路通称为门电路。 常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非 门、或非门、与或非门和异或门等。 3.1 概述 (a)功耗大 (b)功耗小 本 书 中 采 用 正 逻 辑 系 统 逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。 表示方法： 正逻辑：以高电平表示逻辑1，以低电平表示逻辑0。 负逻辑：以高电平表示逻辑0，以低电平表示逻辑1。 集成门电路按开关元件分类 集 n沟道mos门 (nmos) 成 单极型(mos型) p 沟道mos门 (pmos) 逻 互补mos门 (cmos) 辑 二极管-晶体三极管逻辑门（dtl） 门 晶体三极管-晶体三极管逻辑门 （ttl） 电 双极型 射极耦合逻辑门 （ecl） 路 集成注入逻辑门电路 （ ） 集成：把晶体管、电阻、和导线等封装在一个芯片上。 3.2半导体二极管门电路 一、二极管的开关特性 二极管符号：正极负极 + vd vi0.7v时，二极 管导通。 二极管单向导电性。 vi0v时，二极管截止， 如同开关断开，vo0v。 vi5v时，二极管导通，如同 0.7v的电压源，vo4.3v。 二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。 动态特性 d正偏时，pn结电阻较小。加上 反压后，pn结内尚有一定的存储电荷 ，形成较大的瞬态反向电流i2；尔后 ，随着存储电荷的消散，反向电流逐 渐减小，直至漏电流is。 反向恢复过程: 反向恢复时间 tre 说明: 转换时间：截止导通 较小 导通截止较大，故d的开关时间以 tre来衡量。 vi的最高频率以10 tre来取值。 d r + 1、二极管与门 y=ab 二、二极管门电路 2、二极管或门 y=a+b 3.3 cmos门电路 3.3.1 3.3.1 mos管的开关特性 3.3.2 3.3.2 cmos反相器的工作原理 3.3.3 3.3.3 cmos反相器的静态输入、输出特性 3.3.4 3.3.4 cmos反相器的动态特性 3.3.5 3.3.5 其他类型的cmos门电路 3.3.6 3.3.6 cmos集成电路 退出返回本章主目录 mos管分类 pmos管:结构简单，工作速度低，负电源 工作。 nmos管:工艺复杂，正电源工作。 cmos管:pmos管和nmos管组成互补电路。 工作区 ttl: 截止 放大 饱和 cmos: 截止 饱和 可变电阻 相当开关电路: 断开 接通 3.3.1 mos管的开关特性 符号及导通条件 vgsvgs(th)n 时导通 一般: vgs(th)n 在2v左右 vgsvgs(th)p 时导通 一般: vgs(th)p 在2v左右 即:|vgs | |vgs(th)p |= 2v时 导通 4.场效应管的基本开关电路 截止状态 vivgs(th) vo0 转移特性曲线输出特性曲线 5. mos管的开关等效电路 由于mos管截止时漏极和源极之间的内阻roff非常 大，所以截止状态下的等效电路可以用断开的开关代 替。mos管导通状态下的内阻ron约为1k以内(有的 可vdd+vdf以后，ii 迅速增大。 当vi rlron，则tn截止时vo=voh=vdd2，tn导通时 vo=vol0。因为为vdd1可不等于vdd2，所以很容易将输输 入的高低电电平vdd1/0 vdd2 /0，实现电平转换。 od门应用一：电平转换 od门应用二：线与 输出端直接相连实现线与逻辑。y1与y2中任何一个为 低电平时y都为低电平；只有y1和y2都为高电平时，y才 为高电平，故： 两个od与非门接成了与或非电路。线与符号是画在 线与连接处的与门轮廓。 od门外接电阻阻值计算方法 当所有od门同时截 止输出为高电平时，为 使高电平不低于规定的 voh值，显然rl不能选 得过大。故rl应满足： 有： 其中：vdd是外接电源电压，voh是输出高电平，ioh是 每个od门输出管截止时的漏电流，iih是负载门每个输入 端的高电平输入电流。n是并联od门的数目，m是负载门 电路高电平输入电流的数目。 当输出为低电平且并联 的od门中只有一个门的输 出mos管导通时，为保证 流入该od门的负载电流不 超过输出mos管允许的最 大值，显然rl不能选得过小 。故rl应满足： 其中iol(max)是od门允许的最大负载电流，vol是输出 低电平，iil是负载门每个输入端的低电平输入电流。m 是负载门电路高电平输入电流的数目。在负载门为 cmos门电路的情况下，m和m相等。 因此，要保证线与连接后电路能够正常工作，应取 例：在下图电路中，已知g1、g2、g3为od输出的与非门74hc 03，输出高电平时的漏电流最大值为ioh(max)=5a，输输出低电电平 为为vol(max)=0.33v时时允许许的最大负载电负载电 流为为iol(max)=5.2ma，负负 载门载门 g4g6为为74hc00，它的高电电平输输入电电流最大值值iih(max)和低 电电平输输入电电流最大值值iil(max)均为为1a。若vdd=5v，要求 voh4.4v、vol0.33v，试试求rl取值值的允许许范围围。 解：依题意得 故rl的取值范围为： 三、cmos传输门 因为tp和tn的源极和漏极在结构上是完全对称的， 所以栅极的引出端画在栅极的中间。tp和tn的源极和漏 极分别相连作为传输门的输入端和输出端。c和c是一 对互补的控制信号。 c0、c=1，即c端为低电平(0v)、c端为高电平( vdd)时， tn和tp同时截止，输入和输出之间呈高阻状态 ，相当于开关断开一样。c1、c=0，即c端为高电 平(vdd)、c端为低电平(0v) ，则当0109。 四、cmos双向模拟开关 例：写出下面cmos双向模拟开关实现的输出y与输入 a、b的逻辑关系，要求给出简单的分析过程。 rl 为负 载电阻， ron为mos导通电阻，且rlron 。 解：对a图，当a、b有一个为高电平时，电路就导通 ，输出为高电平，当a、b全为低电平时，y才为低电平 。故y=a+b。 对b图，a、b全为高电平时，传输门才全导通， 输出y为低电平；a、b只要不全为高电平，则y为高电 平。故y=(ab)。 对c图，a为高电平时，sw导通，y为低电平；a 为低电平时，sw截止，y为高电平。故y=a。 en=1时，不管a状态如何，t1、t2均截止，输出呈 现高阻态。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电 平3种状态，是一种三态门。 五、三态输出的cmos 门电路(ts门、输出缓冲器) en=0时，若a=1则t1截止、t2导通，y=0；若a=0则 t1导通、t2截止，y=1；因此y=a。 ts门的应用： 构成数据总线：让各门 的控制端轮流处于低电平 ，即任何时刻只让一个 ts门处于工作状态，而 其余ts门均处于高阻状 态，这样总线就会轮流接 受各ts门的输出。 作多路开关 ：en=0时，门 g1使能，g2禁 止，y=a； en=1时，门g2 使能，g1禁止 ，y=b。 信号双向传 输：en=0时 信号向右传送 ，b=a； en=1时信号 向左传送， a=b。 作业(四)：p129 题：2.17(b) 作业(五)：p152 题：3.7 (b) + (五)题：3.7(d)、3.10 3.3.6 cmos集成电路(ic) 一、集成电路(integrated circuit，ic) 集成电路是一种完全在由半导体材料(通常是硅)构 成的微小芯片上制作的电子电路。硅片封装在塑料或 陶瓷外壳的内部， 其上有输入/输出 引脚，用于连接外 部电路。所有逻辑 电路都集成在封装 内部的芯片上，芯 片通过细导线与外 部引脚连接。 二、ic封装种类 数字集成电路的封装是多种多样的。dip(dual in-line package，双列直插式封装)用于直插式pcb ( printed circuit board，印制电路板)，其引脚垂直向下以便插入 电路板的通孔，与电路板的上下表面连接。内部电路复 杂性的不同决定了dip引脚数的不同。 另一种ic封装是smt(surface-mount technology，表 贴式)封装。smt封装有许多种，soic(small-outline ic ，小型ic封装)是其中的一种。smt封装的芯片焊接在 电路板表面，其密度更高(即给定区域内可以放置更多 的ic)。 ic引脚数： 对于ic，左上方第一引脚标号为1，可以在封装上使 用小圆点、凹口或斜切角来指示引脚1的位置。从引脚 1开始，沿左边从上到下，再沿右边从下到上，引脚标 号依次增加。标号最大的引脚总是位于右上角的引脚 。 引脚数相同时，dip比soic大，soic的尺寸约是dip 的一半。 （1）cmos电路的工作速度比ttl电路的低。 （2）cmos带负载的能力比ttl电路强。 （3）cmos电路的电源电压允许范围较大，约在3 18v，抗干扰能力比ttl电路强。 （4）cmos电路的功耗比ttl电路小得多。门电路的 功耗只有几个w，中规模集成电路的功耗也不会超过 100w。 三、cmos数字电路的特点 （5）cmos集成电路的集成度比ttl电路高。 （6）cmos电路适合于特殊环境下工作。 （7）cmos电路容易受静电感应而击穿，在使用和 存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好 ，尤其是cmos电路多余不用的输入端不能悬空， 应根据需要接地或接高电平。 四、cmos电路的正确使用(自学) p101 五、cmos数字集成电路的各种系列 4000系列：最早的集成系列，工作电压范围宽 (318v)，传输延迟时间长，可达100ns，带负载能力较 弱，最大负载电流只有0.5ma左右，已基本被hc/hct 系列取代。 hc/hct系列：高速系列，采用了一系列改进措施， 传输延迟时间缩短到10ns左右，带负载能力提高到4ma 左右。 hc/hct系列区别在工作电压范围和对输入信号电平的要 求有所不同。hc系列工作电压在26v，要获得较高的速 度可选择较高的电压，要获得较低的功耗可选择较低的电 压。且hc系列要求的输入电平与ttl系列的输出电平不 匹配，因此不能与ttl电路混合使用，只适合于全部由 hc系列电路组成的系统。 hct系列工作在单一的5v电压下，它的输入、输出 电平与ttl电路的输入输出电平完全兼容，因此可用于 hct与ttl混合的系统。 ahc/ahct系列：改进的高速cmos系列，工作速度 比hc/hct系列提高了一倍，带负载能力也提高了近一 倍。同时ahc/ahct系列又能与hc/hct系列兼容。因 此， ahc/ahct系列是目前比较受欢迎、应用最广的 cmos器件。 ahc/ahct系列的区别和hc/hct系列的 区别一样，也主要表现在工作电压范围和对输入电平的 不同要求上。 vhc/vhct系列：与ti公司的ahc/ahct系列功能 相近。由别的公司生产，因此在某些具体的性能参数上 两者不完全相同。 lvc系列：低压cmos系列，工作电压范围非常低 1.653.3v，且传输延迟时间缩短到3.8ns，同时又能提 供更大的负载电流，在电源电压为3v时，最大负载电 流可达24ma。此外，lvc系列的输入可接受高达5v的 高电平信号，能很容易地将5v电平信号转换成3.3v以 下的电平信号，而lvc系列提供的总线驱动电路又能将 3.3v以下的电平信号转换为5v的输出信号，这就为3.3v 系统与5v系统之间的连接提供了便捷的解决方案。 alvc系列：改进的低压cmos系列，在lvc的基础上 进一步提高了工作速度，并提供了性能更加优越的总线 驱动器件。lvc/alvc是目前cmos电路中性能最好的 两个系列，可以满足高性能数字系统设计的需要。尤其 在移动式的便携电子设备(如笔记本电脑、移动电话、 数码照相机等)中， lvc/alvc 系列的优势更加明显。 54/74cmos系列： 54系列与74系列具有完全相同的 逻辑功能，但电器性能参数大不一样，54系列比74系列 的工作温度范围更宽。54系列的允许的工作环境温度规 定为-55+125；而74系列允许的工作环境温度规定为 -40+85。 例：器件名称54/74hc04。 “54/74”是ti公司产品的标志，“hc”是不同系列的名称 ，后面的数码“04”表示器件具体的逻辑功能，在这里 表示这个器件是“六反相器”(即其中有六个同样的反相 器)，只要器件名称中最后的数码相同，它们的逻辑功 能就是一样的。 3.5 ttl门电路 3.5.1 3.5.1 双极型三极管的开关特性 3.5.2 3.5.2 ttl反相器的电路结构和工作原理 3.5.3 3.5.3 ttl反相器的静态输入/输出特性 3.5.4 3.5.4 ttl反相器的动态特性 3.3.5 3.3.5 其它类型的ttl门电路 返回本章主目录返回本章主目录退出退出 3.5.1 双极型三极管的开关特性 一、双极型三极管的结构 一个独立的双极型三极管由管芯、三个引出电极和外 壳组成。三个电极分别成为基极、集电极和发射极。管 芯由三层p型和n型半导体结合在一起而构成，有npn型 和pnp型两种。因为在工作时由电子和空穴两种载流子 参与导电过程，故称这类三极管为双极型三极管。 截止状态 饱和状态 vi=vilibs，三极管工作在 饱和状态。输出电压： vovces0.2v vi0v时，三极管截止，ib0，ic0， 输出电压vyvcc5v vi5v时，三极管导通。基极电流为： ibibs，三极管工作 在饱和状态。输出电 压vyvces0.2v。 三极管临界饱和时 的基极电流为： 二、三极管非门 如何判断出来的？ 假设三极管截止，则基 极电位为： 故三极管导通。 3.5.2 ttl反相器的电路结构和工作原理 输入级由晶体管t1和基极 电阻r1组成，它实现了输 入变量a的传递。 b r d1 vcc（5v ） d2 a 发射极 输入级 中间 倒相级 推挽 输出级 输出级：由t4、t5和r4组成， 其中t4与t5组成推拉式输出结 构，具有较强的负载能力。 中间级是放大 级，由t2、r2 和r3组成，t2 的集电极c2和 发射极e2可以 分别提供两个 相位相反的电 压信号 c2 e2 一、电路结构 0.9v vb1=0.2+0.7=0.9v 三个pn结 导通需2.1v 工作原理 t1深饱和 t2截止 t5截止 1. 输入低电平（0.2v）时 不足以让 t2、t5导通 0.9v vo vo=5-vr2-vd2-vbe43.4v高电平！ t1深饱和 t2截止 t5截止 t4导通 结论1:输入低时,输出为高 t1:倒置 全饱和导通 vb1=2.1v vc1=1.4v 反偏 0.9v 截止 2. 输入为高电平（3.4v）时 2.1v 1.4v t1管:ve1=3.4v vb1=2.1v vc1=1.4v t1管在倒置工作状态 3.4v t2,t5管饱和导通, vce2=0.2v 所以:vc2=0.9vt4:放大 vd2=0.2v d2:截止 t2:饱和 t5:饱和 t4:截止 +5v f r2 r1 3k t2 r3 t1 t5 b1 c1 a 饱和 vf=0.2v 2. 输入全为高电平（3.4v）时(续) 饱和 3.4v t1:倒置 t2:饱和 t5:饱和 t4:截止 结论2:输入高时,输出为低 t5饱和, vce5=0.2v 工作原理小结: 1. 输入低电平（0.2v）时 2. vf=3.4v 2. 输入高电平（3.4v）时 vf=0.2v t1:倒置 t2:饱和 t4:截止 t5:饱和 t1深饱和 t2截止 t4导通 t5截止 3. 逻辑功能 二、电压传输特性 输出电压vo随输入电压vi变化的关系曲线,即vo= f(vi) vo(v) vi(v)123 3.4v b c d e 0.6v 1.4v 0 a bc段：线性区，当0.7vvi1.3v， 0.7vvb21.4v时，t2开始导通， t5仍截止，vc2随vb2升高而下降，经 t4射极根随器使vo下降。 ab段：截止区,当vi1.4v t2、t5导通，vol0.2v 传输特性曲线 三、输入端噪声容限 低电平噪声容限 vnl vil(max) vol(max) 0.80.4v0.4v 因此同cmos反相器类似， 同样也存在一个允许的噪声容 限。定义方法也同cmos反相 器一样。 从电压传输特性上可以看到，当输入信号偏离正常 的低电平而升高时，输出的高电平并不立刻改变。同 样，当输入信号偏离正常的高电平而降低时，输出的 低电平也不会马上改变。因此允许输入的高低电平各 有一个波动范围。 所以：高电平噪声容限 vnh voh(min) vih(min) 2.420.4v 输入伏安特性：输入电压与输入电流之间的关系曲 线，即ii = f（vi） 3.5.3 ttl反相器的静态输入/输出特性 在ttl反相器电路中 ，如果仅仅考虑输入信号 是高电平和低电平而不是 某一个中间值的情况，则 可忽略t2和t5的b-c结反 向电流以及r3对t5基极回 路的影响，得到下面的等 效电路。 一、输入特性： vi为低电平时 等效电路 vi为高电平时 输入特性曲线 由等效电路 图可画出输入 特性曲线。 输入电压介于高、低电平 之间的情况要复杂一些，且 这种情况通常发生在输入信 号电平转换的短暂过程中， 这里就不分析了。 二、输出特性： (1) 高电平输出特性 当vo=voh时，t4和d2导通，t5截止，输出端等效 电路为下图所示。 t4工作在射极输出状态，输出电阻ro很小。在负载电 流较小的范围内，负载电流的变化对voh的影响较小。 |il|ir4vr4vce4vo基本不变。(|il|5ma) t5饱和，t4截止。由于t5饱和导通时c-e间的内阻很 小(10),所以负载电流il增加时输出的低电平vol仅稍 有升高。 可以看出，vol与il的关系在较大范围里基本呈线性。 (2) 低电平输出特性 例：试计算门g1 最多可以驱动多少个同样的门电路负 载。门电路的输入输出特性分别由特性曲线图给出。要 求g1输出的高低电平满足voh3.2v，vol0.2v。 解：首先计算保证vol0.2v时可 以驱动的门电路数目n1。 由低电平 输出特性 表上查到 vol=0.2v 时的负载 电流il=16ma。这时g1的负载电流是所有负载门的输入 电流之和。 由右图的输入特性上又 可查到，当vi=0.2v时每个门 的输入电流为ii=-1ma，于 是得到电流绝对值间的关系 : n1即可以驱动的负载个数 再计算保证voh 3.2v时能驱动的负载门数目n2。由高 电平输出特性上查到，voh=3.2v时 对应的il为-7.5ma。但手册上同时又 规定ioh0.4ma，故应取il0.4ma计 算。由输入特性可知，每个输入端的 高电平输入电流iih=40ma，故可得 综上，在给定的输入输出特性曲线下，74系列 的反相器可以驱动同类型反相器的最大数目是 n=10。这个数值也叫做门电路的扇出系数。 从本例可以看出，由于门电路无论在输出高电 平还是输出低电平时均有一定的输出电阻，所以 输出的高、低电平都要随负载电流的改变而发生 变化。这种变化越小，说明门电路带负载的能力 越强。有时也用输出电平的变化不超过某一规定 值时允许的最大负载电流来定量表示门电路带负 载能力的大小。 即输入端通过电阻r接地时的特性。 三、输入负载特性： 在具体使用门电路时，有时需要在输入端与地之间 或者输入端与信号的低电平之间接入电阻rp。 由图可知，输入电流流过rp，这就必然会在rp上产 生压降而形成输入电位vi，且rp越大vi也越高。 vi1.4v时，t2、t5导通 ，vb12.1v,使vi钳在 1.4v。 rp较小时，使vi1.4v，相当输入低电平，所以输出为 高电平。 rp增大时，rpvi=1.4v时，t2、t5全导通，输入 变高，输出变低电平。此时vi1.4v。 2.0 1.4v rp/k 0 1.03.0 vi随rp变化的规律，即 输入负载特性。 由等效图可知： 该式表明，在rpr1的条件下，vi几乎与rp成正比。 但当vi上升到1.4v以后，vb1钳在了2.1v左右所以vi不会 随rp的增大而升高了。这时vi与rp的关系也就不再遵守 上式的关系，特性曲线趋近于vi=1.4v的一条水平线。 例:ttl门电路图中，为保证门g1输出的高、低电平能正确 地传送到门g2的输入端,要求vo1=voh时vi2vih(min),vo1=vol 时 vi2vil(max),试计算rp的最大允许值是多少。已知g1和g2 均为74系列反相器，vcc=5v，voh=3.4v，vol=0.2v， vih(min)=2.0v，vil(max)=0.8v。g1和g2的输入特性和输出特 性如前面所述。 解：首先计算vo1=voh时 vi2vih(min)时rp的允许值： 由右图得voh - iihrp vih(min) 由输入特性曲线上查得: vi=vih=2.0v时iih=0.04ma 于是可得： 其次再计算vo1=vol时vi2vil(max)时rp的允许值： 由右图当rp的接地端改接至 vol时，应满足： vo1+iilrpvil(max) 综上，应取rp0.69k。也就是说，g1和g2之间串 联的电阻不应大于690，否则vo1=vol时vi2可能超过 vil(max)值。 rp0.69k 代入参数 例：试指出各74系列ttl门电路的输出状态(高电平、低 电平或高阻态)。 解:(a) 一端接高电 平，一端接vcc，也 相当于接高电平，还 有一端悬空，由输入 负载特性知，此时相 当于rp= ，故输入 端相当于接高电平 。所以y1为低电平。 (c)为ts非门，控制端接高电平，ts门导通，输入为高电平，故 输出y3为低电平。 (d)为异或门，一端接低电平，另一端是vcc经电阻接入，因电阻 值不是很大(35k)，故输入端仍为高电平，因此y4为高电平。 入输入端，使之经过大电阻后成为高电平，故y2为高电平。 (b)一端接地，一端 是低电平连大电阻接 若此图中，将电 阻5.1k换成 51k，输出状态 变化吗?为什么？ (e) 一端接高电 平，另一端经电阻 接地，因阻值很小 (690)，故输入 端仍为低电平，因 此y5为高电平。 (f)为ts与非门，控制端低电平有效，但接了vcc，相当 于接高电平，ts门截止，故输出y6为高阻态。 思考题：将图中这些门电路都 换成74系列cmos门电路。输 出状态又将如何？ 一.传输延迟时间 在ttl电路中，由于二极管和三极管状态转换需要 一定的时间，且二极管、三极管以及电阻、连接线等 的寄生电容的存在，当将理想矩形波接入ttl反相器 的输入端后，输出电压的波形要比输入信号滞后，而 且波形的上升沿和下降沿也将变坏。 像cmos门电路一样，我们把输出电压波形滞后于 输入电压波形的时间叫做传输延迟时间。通常将输出 电压由低电平跳变到高电平时的传输延迟时间记作 tplh，把输出电压由高电平跳变到低电平时的传输延 迟时间记作tphl。 3.5.4 ttl反相器的动态特性(了解、自学 ) 在74系列门电路中，由 于输出级的t5管导通时工作 在深度饱和状态，所以它从 导通转换为截止时(对应于 输出由低电平跳变为高电平 时)的开关时间较长，致使 tplh略大于tphl。 因为传输延迟时间和电路的许多分布参数有关， 不易准确计算，所以tplh和tphl的数值最后都是通过实 验方法测定的。这些参数可以从产品手册上查出。 定义方法： 二.交流噪声容限 输入信号为接近门电路传输延迟时间的窄脉冲 时，使输出状态改变所需要的脉冲幅度将远大于 信号为直流时所需要的信号变化幅度。 由于ttl电路中存在三极管的开关时间和分布 电容的充放电过程，因而输入信号状态变化时 必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出 状态改变。 门电路对这类窄脉冲的噪声容限交流噪 声容限高于直流噪声容限。 绝大多数的ttl门电路传输延迟时间都在50ns 以内，所以当输入脉冲的宽度达到微妙的数量 级时，在信号作用时间内电路已达到稳态，应 将输入信号按直流信号处理。 三.电源的动态尖峰电流 电源尖峰电流的影响：电源平均电流增加；多个 门电路同时转换工作状态时尖峰电流的数值很大，形 成一个系统内部的噪声源。 在稳定状态下，输出电平不同时它从电源所取的电 流也不一样。 当输出电压由低电平突然变成高电平的过渡过程 中，由于t5原来工作在深度饱和状态，所以t4的导通 必然先于t5的截止，这样就出现了短时间内t4和t5同 时导通的状态，有很大的瞬时电流流经t4和t5，使电 源电流出现尖峰脉冲。 当输出电压由高电平突然变成低电平的过程中， 也有一个不大的电源尖峰电流出现。可忽略。 ttl反相器的电源动态尖峰电流 作业(四)：p125 题：2.1(b)、2.4 作业(五)：p154 题：3.12、3.16 1、ttl与非门 3.5.5 其它类型的ttl门电路 多发射极三极管结构 一、其它逻辑功能的门电路 输入信号不全为1：如va=0.2v， vb=3.4v 3.4v 0.2v 则vb1=0.2+0.7=0.9v，t2、t5截止，t4导通 输出端的电位为： 输出y为高电平。 vy=5-vr2-vd3-vbe43.4v 0.9v vb1 3.4v 3.4v 输入信号全为1：如va=vb=3.4v，则vb1=2.1v， t2、t5导通，t4截止，输出端的电位为： vy=vces0.2v输出y为低电平。 2.1v vb1 功能表 真值表 逻辑表达式 输入有低，输出为高；输入有低，输出为高； 输入全高，输出为低。输入全高，输出为低。 74ls00内含4个2输入与非门， 74ls20内含2个4输入与非门。 说明： 在计算与非门每个输入端的输入电流时，应根据输入 端的不同工作状态区别对待。在把两个输入端并联使用 时，低电平输入电流仍可按下式计算： 与反相器相同。而输入端接高电 平时，e1和e2分别为两个倒置三 极管的等效集电极，所以总的输 入电流为单个输入端的高电平输 入电流的两倍。如果输入端一个 接高电平一个接低电平，则低电 平输入电流与反相器基本相同， 而高电平输入电流比反相器的略 大一些。 a、b中只要有一个为1，即高电平，如a1，则ib1就 会经过t1集电结流入t2基极，使t2、t5饱和导通，输出为 低电平，即y0。 ab0时，ib1、ib1均分别流入t1、t1发射极，使t2、 t2、t5均截止，t4导通，输出为高电平，即y1。 2、ttl或非门 说明： 由于或非门的输入端和输出端电路结构与反相器相 同，所以输入特性和输出特性也和反相器一样。在将 两个或输入端并联时，无论高电平输入电流还是低电 平输入电流，都是单个输入端输入电流的两倍。 a和b都为高电平（t2导通）、或c和d都为高电平（ t2导通）时，t5饱和导通、t4截止，输出y=0。 a和b不全为高电平、并且c和d也不全为高电平（t2 和t2同时截止）时，t5截止、t4饱和导通，输出y=1。 3、ttl与或非门 4、ttl异或门 异或门 异或的关系可以通过与门和或非门的组合电路来实现。 若a、b同时为 高，则t6、t9导 通t8截止，输出 为低。反之， 若a、b同时为 低，则t4、t5截 止，t7、t9导通 t8截止，输出为 低。 电路图： 当a、b一高一低时，t1饱和t6截止。t4、t5中一个 导通，t7截止。t6、t7同时截止后，t8导通t9截止，输 出为高。 因此，y和a、b间为异或关系，即 虚线以右部分和或非 门的倒相级、输出级相 同，只要t6、t7其一为 高，都使t8截止、t9导 通，输出为低。 与门 或 门 与门、或门电路是在与非门、或非门电路的 基础上于电路内部增加一级反相级所构成的。 因此，与门、或门的输入电路及输出电路和与 非门、或非门的相同。 推挽输出结构优点：输出电阻小。缺点：输出端不能并 联使用。若输出一高一低，则输出端并 联后必然有很大的负载电流同时流过这 两个门的输出级。这个电流值将远远超 过正常工作电流，可能使门电路损坏。 推挽式输出级的门电路中，电源确定 输出高电平就确定。无法满足对不同输 出高低电平的需要。此外，推挽式电路 结构也不能满足驱动较大电流，较高电 压负载的要求。 克服上述局限性的方法就是把输出级 改为集电极开路的三极管结构，做成集 电极开路的门电路(open collector gate), 简称oc门。 二、集电极开路输出的门电路 (oc门) 门电路在工作时需外接负载电阻和电源。只 要电阻值和电源电压值选择得当，就能使输出的 高低电平符合要求，输出端三极管的负载电流又 不过大。 a、b不全为1时，vb1=0.9v，t2、t5截止，y1=1。 接入外接电阻rl后： a、b全为1时，vb1=2.1v，t2、t5饱和导通，y1=0。 oc 门 并 联 输 出 实 例 同理故： 若将y1、y2两条输出线接成线与结构，则y1、y2有一 个是低电平，y就是低电平。只有y1、y2同时为高电平 时y才是高电平。即：y=y1y2。 因此将两个oc结构的与非门线与连接即可得到与或 非门。 由于t5和t5同时截止时输出的高电平为 voh=vcc2，而vcc2的电压数值可以不同于门电 路本身的电源vcc1，所以只要根据要求选择 vcc2的大小，就可以得到所需的voh值。 说明： 另外，有些oc门的输出管设计的尺寸较大 ，足以承受较大电流和较高电压。如sn7407输 出管允许的最大负载电流为40ma，截止时耐压 30v，足以直接驱动小型继电器。 oc门外接负载电阻的计算方法 oc门与od门外接负载电阻的计算方法基本相同。唯 一不同的一点是在多个负载门输入端并联的情况下，低 电平输入电流的数目不一定与输入端的数目相等。 当所有oc门同时截止 时，输出为高电平。为 使高电平不低于规定的 voh值，显然rl不能选得 过大。因此rl应满足： vcc是外接电源电压，ioh是每个oc门输出三极管截止时 的漏电流，iih是负载门每个输入端的高电平输入电流。 当负载门的输入端为高电平时，无论负载是m个与输 入端并联还是m个或输入端并联，总的高电平输入电流 都等于单个输入端高电平输入电流的m倍。所以rl(max)表 达式中的m都等于并联的输入端数目。 当oc门中只有一个导 通时，电流流向如图。因 为此时负载电流全部都流 入导通的那个oc门，所 以rl值不可太小，以确保 流入导通oc门的电流不 至超过最大允许的负载电 流ilm。由此rl应满足： 其中vol是规定的输出低电平，iil是每个负载门的低电 平输入电流的绝对值。 m的值要视负载门为那种形式的门电路而定。 由与非门的电路结构 图可知，将输入端并联 后总的低电平输入电流 和每个输入端单独接低 电平时的输入电流是一 样的。因此计算rl(min) 时，m等于负载门的个 数。 若负载门是或非门， 将输入端并联后，总的 低电平输入电流等于每个输入端单独接低电平时的输入电 流乘以并联输入端的数目，而不是乘以门的数目，因此m 等于输入端的个数。 外接电阻rl的 取值范围为： 例：试为右图中的外接负载电阻rl 选定合适的阻值。已知g1、g2为oc 门，输出管截止时的漏电流为ioh= 200a，输出管导通时允许的最大 负载电 流为ilm=16ma。g3、g4 和g5 均为74系列与非门门，它们的低电平 输入电流，为iil=1ma，高电平输入 电流为iih=40a。给定vcc=5v，要 求oc门输出的高电平voh3.0v，低 电平vol0.4v。 解：由题意可得： 选定的rl值应满足0.35krl2.63k，故可取rl=1k。 三、 三态输出门电路(ts门) en0时，p=0， t1基极vb1=0.9v， t2、t5均截止；二 极管d导通，t4基极vb4=0.9v，使t4、d3截止 ，输出端开 路，电路处于高阻状态。 en1时，p=1，流进e1的电流很小，忽略掉，则因d 和d1反向，无电流流过d和d1支路。ts门的工作状态与 与非门没有区别，y=(ab)，根据输入的不同状态可为高 电平或低电平。 结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。 说明： en=1时为正常的与