《数字电子技术基础》第五版阎石第03章门电路.pptVIP

第3章 门电路 3.1 概述 3.2 分立元件门电路 3.3 TTL门电路 3.4 CMOS门电路 3.1 概述 l门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。 l常用门电路：与门、或门、非门、与非门、或非门 、与或非门、异或门等 二极管门电路 三极管门电路 TTL门电路 MOS门电路PMOS门 CMOS门 逻辑门电路 分立门电路 集成门电路 NMOS门 集成电路Integrated Circuits(IC) ： l集成电路就是将元、器件和连线制作在一个半导体基片上 的完整电路。 l规模： l小规模集成电路：10个门以内 l中规模集成电路：小于100个门 l大规模集成电路：小于10000个门 l超大规模集成电路：10000个门以上 l根据所使用半导体器件不同分为： lTTL电路:晶体管-晶体管逻辑电路（Transister- Transister-Logic ） lMOS电路:采用金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,缩 写为MOSFET)制造 CMOS集成电路： 广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT 速度慢 与TTL不兼容 抗干扰 功耗低 74LVC 74VAUC 速度加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低 速度两倍于74HC 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低 低(超低)电压 速度更加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰功耗低 74系列74LS系列74AS系列 74ALS TTL TTL 集成电路集成电路: : 广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路 获得高、低电平的基本原理 S断开，输出v0=Vcc S闭合，输出v0=0 门电路是以高/低电平来表示逻辑值1/0 实际开关为晶体二极 管、三极管以及场效 应管等电子器件 正逻辑和负逻辑 正逻辑 高电平：1 低电平：0 负逻辑 低电平：1 高电平：0 实际中高实际中高/ /低电平都有一个允许的范围低电平都有一个允许的范围 本课内无特 殊说明均指 正逻辑 在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要 求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。 3.2 分立元件门电路 3.2.1 半导体二极管和半导体三极管的开关特性 数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态 。 导通状态：相当于开关闭合 截止状态：相当于开关断开。 逻辑变量两状态开关： 在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1； 电子开关有两种状态：闭合、断开。 半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开 关的基本开关元件。 一、半导体二极管的开关特性 正向导通时 UD(ON)0.7V RD几 几十 相当于开关闭合 二极管的伏安特性曲线 反向截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大（约几百k） 相当于开关断开 二极管的伏安特性曲线 一、半导体二极管的开关特性 V V I I =V=VIL IL D D导通，导通，V VO O=V =VOL OL=0.7V =0.7V 开关闭合开关闭合 V V I I =V=VIH IH D D截止，截止，V VO O=V =VOH OH=V =VCC CC 开关断开开关断开 二极管的开关电路： 二极管的动态电流波形： 外加电压突然反向时，电流的变化情况 二、三极管的开关特性 三极管输出特性： 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE 0.7V以 后，基本为水平直线 双极型三极管的基本开关电路 只要参数合理：只要参数合理： V V I I =V=VIL IL时， 时，T T截止，截止，V VO O=V =VOH OH V V I I =V=VIH IH时， 时，T T导通，导通，V VO O=V =VOL OL 开启时间ton 上升时间tr 延迟时间td 关闭时间toff 下降时间tf 存储时间ts 三极管的开关时间 3.2.2 二极管与门 Y=AB 设VCC = 5V 加到A,B的VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V ABY 0V0V 0.7 V 0V3V 0.7 V 3V0V 0.7 V 3V3V 3.7 V ABY 000 010 100 111 规定3V以上为1 0.7V以下为0 3.2.3 二极管或门 ABY 0V0V 0V 0V3V 2.3 V 3V0V 2.3 V 3V3V 2.3 V ABY 000 011 101 111 规定2.3V以上为1 0V以下为0 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时VDF=0.7V Y=A+B 二极管构成的门电路的缺点: l电平有偏移 l带负载能力差 l只用于IC内部电路 上次课内容回顾 l含有无关项的逻辑函数化简 l门电路及分类 l分立元件门电路 3.3 TTL门电路 TTLTTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用 半导体三极管，所以称晶体管半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路晶体管逻辑门电路 ，简称，简称TTLTTL电路。电路。 TTLTTL电路的基本环节是反相器。因此首先简单电路的基本环节是反相器。因此首先简单 了解了解TTLTTL反相器的电路及工作原理，掌握其特性曲反相器的电路及工作原理，掌握其特性曲 线和主要参数。线和主要参数。 3.3.1 TTL 反相器 一、电路结构 T1的发射结导通 VB1=VIL+VoN=0.9v T2 、T5截止 T4导通 A A输入低电平时输入低电平时 0.2V 0.9V A A输入高电平时输入高电平时 3.4V T1处于倒置工作状态， 集电结正偏，发射结反偏， 不考虑T2存在情况下 VB1=VIL+VoN=4.1v T2 、T5导通，使得 VB1=0.7*3=2.1v T4截止 2.1V 需要说明的几个问题 3.2.2 TTL非门的外部特性及主要参数 1. 电压传输特性和相应参数 (1) 输出高电平VOH：AB段所对应的输出电平， 一般大于等于3V； (2) 输出低电平VOL：DE段对应的输出电平，一 般小于0.4V。 (3) 开门电平UON 一般要求UON1.8V (4) 关门电平UOFF 一般要求UOFF0.8V 在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最 小输入高电平的数值，称为开门电平UON。 在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大 输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。 (5) 阈值电压UTH 电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称 为阈值电压UTH（又称门槛电平）。 2. 输入端噪声容限 l反应抗干扰能力的物理量 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围） UNL=UOFF-UIL UIL为电路输入低电平的典型值 例如： UNL=0.8-0.3=0.5 (V) 高电平噪声容限（高电平负向干扰范围） UNH = UIH - UON UIH为电路输入高电平的典型值 例如： UNH = 3-1.8 =1.2 (V) 3. 输入特性 (1) (1) 输入短路电流输入短路电流I IIS IS（输入低电平电流） （输入低电平电流） 当当u uIL IL = 0V = 0V时，由输入端流出的电流时，由输入端流出的电流 I IIS IS = = (V(VCC CC U UBE1 BE1)/R )/R 1 1 = =(5(50.7)/4 0.7)/4 1.1mA1.1mA (2) (2) 输入漏电流输入漏电流I IIH IH （输入高电平 （输入高电平 电流）电流） 当输入为高电平时，当输入为高电平时， i iI I = I = IIH IH I IIH IH很小，一般小于 很小，一般小于4040A A。 前级驱动门导通时，IIS IS将灌入前级，称为灌电流负载。 前级驱动门截止时， IIH IH从前级流出，称为拉电流负载。 4. 输出特性 （1）输出为高电平的输出特性 由图可见，负载电流iL不可过大，否则输出高电 平会降低。iL5mA时， 输出uO变化很大；实际上由于功耗的限制， iL远小于 5mA。74系列门电路的运用条件规定 iL不超过0.4mA。 （2）输出为低电平时的输出特性 T5饱和导通时c-e间饱和导通内阻很小，饱和压降很 低，所以负载电流增加时输出低电平仅稍有升高。 5.输入端负载特性 TTLTTL反相器的输入端对地接上电阻反相器的输入端对地接上电阻R RI I 时， 时， u uI I 随随R R I I 的变化而变化的关系曲线。的变化而变化的关系曲线。 在一定范围内，uI随RI的增大而升高，输出 高电平。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1 = 2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI = 1.4V也不 变。这时T2和T5饱和导通，输出为低电平。 RI 不大不小时，工作在线性区或转折区 。 RI 较小时，输出高电平； RI 较大时，输出低电平； ROFF RON (1) (1) 关门电阻关门电阻R ROFF OFF 在保证门电路输出为在保证门电路输出为 额定高电平的条件下，所允许额定高电平的条件下，所允许R R I I 的最大值称为关的最大值称为关 门电阻。典型的门电阻。典型的TTLTTL门电路门电路R ROFF OFF 0.7k 0.7k。 (2) (2) 开门电阻开门电阻R RON ON 在保证门电路输出为在保证门电路输出为 额定低电平的条件下，所允许额定低电平的条件下，所允许R R I I 的最小值称为开的最小值称为开 门电阻。典型的门电阻。典型的TTLTTL门电路门电路R RON ON 2k 2k。 数字电路中要求输入负载电阻数字电路中要求输入负载电阻R R I I R RON ON或 或R R I I R ROFF OFF ， ，否则输入信号将不在高低电平范围内。否则输入信号将不在高低电平范围内。 6.扇入系数NI和扇出系数NO l扇入系数NI是指合格输入端的个数。 l扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，即可以 驱动同类门的个数。分两种情况，一是灌电流负载 NOL，二是拉电流负载NOH 。 7. 7. 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 t t pdpd 平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。 tpd = （tpLH +tpHL）/2 一般TTL：10-40ns 3.3.3 其他类型的TTL门电路 一、其他逻辑功能的门电路 1. 与非门 2. 或非门 3.3.与或非门与或非门 4.异或门 lA=0,B=0，T2 T3导通， T4 T5截止，T7 T9导通 ，T8截止，输出为0 lA=1,B=1，T6 T7导通， T8截止输出为0 lA=0,B=1，或者A=1,B=0 ：T3导通，T6截止，T4 T5必有一个导通，T7 截 止，T9截止，T8导通，输 出为1 TTL与非门举例 7400是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端 与非门，共有14个引脚。引脚排列图如图所示。 二、集电极开路的门电路 1.推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用 （不能构成“线与”结构） OC门（Open Collector） 1 0 一是会抬高 门2的低电平 ，二是会因 功耗过大损 坏门电路. 线与结构 yesno 2、OC门的结构特点 2.OC门应用 （1）OC门实现的线与逻辑 （2 2）驱动显示器）驱动显示器 （3 3）实现电平转换）实现电平转换 上次课内容回顾： lTTL反相器的工作原理 lTTL反相器的外部特性 l电压传输特性 l输入特性 l输出特性 l输入端负载特性 l几个参数及含义 l输入端噪声容限、拉电流、灌电流、扇入系数 、扇出系数、平均传输时延 lOC门及应用 三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS） 分两种情况： l低电平有效 l高电平有效 三态门的使用 l三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用 。 （b b）组成双向总线，组成双向总线， 实现信号的分时双向传送。实现信号的分时双向传送。 （a a）组成单向总线，）组成单向总线， 实现信号的分时单向传送实现信号的分时单向传送. . 一、高速系列74H/54H （ High-Speed TTL） 电路的改进 (1)输出级采用复合管T3和 T4，减小门电路输出高电 平时的输出电阻，提高对 电容性负载的充电速度。 (2)减少各电阻值，加速三 极管开关速度。 2. 性能特点 l速度提高的同时，功耗增 加，因为电流增大了。 3.3.4 TTL电路的改进系列 二、肖特基系列74S/54S（