数字电子电路教案第三章.ppt

概述,第2章逻辑门电路,三极管的开关特性,TTL集成逻辑门,CMOS集成逻辑门,集成逻辑门的应用,本章小结,2.1概述,主要要求：,了解逻辑门电路的作用和常用类型。,理解高电平信号和低电平信号的含义。,TTL即Transistor-TransistorLogic,CMOS即ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor,一、门电路的作用和常用类型,按功能特点不同分,按逻辑功能不同分,按电路结构不同分,输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。,用互补对称MOS管构成的逻辑门电路。,二、高电平和低电平的含义,高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。,高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？,由门电路种类等决定,2.2三极管的开关特性,主要要求：,理解三极管的开关特性。,掌握三极管开关工作的条件。,三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？,当输入uI为低电平，使uBEUth时，三极管开始导通，iB0，三极管工作于放大导通状态。,饱和区,放大区,一、三极管的开关作用及其条件,截止区,三极管截止状态等效电路,uI=UIH,三极管开通的条件和等效电路,当输入uI为高电平，使iBIB(sat)时，三极管饱和。,uBE0.7VUCE(sat)0.3V，C、E间相当于开关合上。,三极管饱和状态等效电路,iB愈大于IB(Sat)，则饱和愈深。,由于UCE(Sat)0，因此饱和后iC基本上为恒值，iCIC(Sat)=,例下图电路中=50,UBE(on)=0.7V,UIH=3.6V,UIL=0.3V,为使三极管开关工作,试选择RB值,并对应输入波形画出输出波形。,解：(1)根据开关工作条件确定RB取值,uI=UIL=0.3V时,三极管满足截止条件,uI=UIH=3.6V时,为使三极管饱和,应满足iBIB(sat),所以求得RBton,二、三极管的动态开关特性,开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。,在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称SBD)。,抗饱和三极管的开关速度高,没有电荷存储效应SBD的导通电压只有0.4V而非0.7V，因此UBC=0.4V时，SBD便导通，使UBC钳在0.4V上，降低了饱和深度。,三、抗饱和三极管简介,2.3TTL集成逻辑门,主要要求：,了解TTL与非门的组成和工作原理。,了解TTL集成逻辑门的主要参数和使用常识。,掌握TTL基本门的逻辑功能和主要外特性。,了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。,一、TTL与非门的基本组成与外特性,(一)典型TTL与非门电路,除V4外，采用了抗饱和三极管，用以提高门电路工作速度。V4不会工作于饱和状态，因此用普通三极管。,输入级主要由多发射极管V1和基极电阻R1组成，用以实现输入变量A、B、C的与运算。VD1VD3为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，VD1VD3不工作，当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时，二极管导通，输入端负电压被钳在-0.7V上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对V1还有保护作用。,中间级起倒相放大作用，V2集电极C2和发射极E2同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动V3和V5。RB、RC和V6构成有源泄放电路，用以减小V5管开关时间，从而提高门电路工作速度。,输出级由V3、V4、R4、R5和V5组成。其中V3和V4构成复合管，与V5构成推拉式输出结构，提高了负载能力。,VD1VD3在正常信号输入时不工作，因此下面的分析中不予考虑。RB、RC和V6所构成的有源泄放电路的作用是提高开关速度，它们不影响与非门的逻辑功能，因此下面的工作原理分析中也不予考虑。,因为抗饱和三极管V1的集电结导通电压为0.4V，而V2、V5发射结导通电压为0.7V，因此要使V1集电结和V2、V5发射结导通，必须uB11.8V。,0.3V3.6V3.6V,输入端有一个或数个为低电平时，输出高电平。,输入低电平端对应的发射结导通，uB1=0.7V+0.3V=1V,V1管其他发射结因反偏而截止。,1V,这时V2、V5截止。,V2截止使V1集电极等效电阻很大，使IB1IB1(sat)，V1深度饱和。,V2截止使uC2VCC=5V，,5V,因此，输入有低电平时，输出为高电平。,(二)TTL与非门的工作原理,综上所述,该电路实现了与非逻辑功能,即,3.6V3.6V3.6V,因此，V1发射结反偏而集电极正偏，称处于倒置放大状态。,1.8V,这时V2、V5饱和。,uC2=UCE2(sat)+uBE5=0.3V+0.7V=1V,使V3导通，而V4截止。,1V,uY=UCE5(sat)0.3V输出为低电平,因此，输入均为高电平时，输出为低电平。,0.3V,V4截止使V5的等效集电极电阻很大，使IB5IB5(sat)，因此V5深度饱和。,倒置放大,TTL电路输入端悬空时相当于输入高电平。,输入均为高电平时，输出低电平,VCC经R1使V1集电结和V2、V5发射结导通，使uB1=1.8V。,深,注意,2.TTL与非门的工作原理,(三)TTL与非门的外特性及主要参数,1.电压传输特性和噪声容限,输出电压随输入电压变化的特性,uI较小时工作于AB段，这时V2、V5截止，V3、V4导通，输出恒为高电平，UOH3.6V，称与非门工作在截止区或处于关门状态。,uI较大时工作于BC段，这时V2、V5工作于放大区，uI的微小增大引起uO急剧下降，称与非门工作在转折区。,uI很大时工作于CD段，这时V2、V5饱和，输出恒为低电平，UOL0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。,下面介绍与电压传输特性有关的主要参数：,有关参数,标准高电平USH,当uOUSH时，则认为输出高电平，通常取USH=3V。,标准低电平USL,当uOUSL时，则认为输出低电平，通常取USL=0.3V。,关门电平UOFF,保证输出不小于标准高电平USH时,允许的输入低电平的最大值。,开门电平UON,保证输出不高于标准低电平USL时,允许的输入高电平的最小值。,阈值电压UTH,转折区中点对应的输入电压，又称门槛电平。,USH=3V,USL=0.3V,UOFF,UON,UTH,近似分析时认为：uIUTH，则与非门开通，输出低电平UOL；uIRON，相应输入端为高电平。,510,RIUGS(th)N+UGS(th)P且UGS(th)N=UGS(th)P,UGS(th)N,增强型NMOS管开启电压,增强型PMOS管开启电压,UGS(th)P,UIL=0V，UIH=VDD,(二)工作原理,可见该电路构成CMOS非门，又称CMOS反相器。,无论输入高低，VN、VP中总有一管截止，使静态漏极电流iD0。因此CMOS反相器静态功耗极微小。,uOVDD为高电平。,uO0V，为低电平。,二、其他功能的CMOS门电路,(一)CMOS与非门和或非门,1.CMOS与非门,CMOS与非门工作原理,2.CMOS或非门,(二)漏极开路的CMOS门,简称OD门,与OC门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。,需外接上拉电阻RD,由一对参数对称一致的增强型NMOS管和PMOS管并联构成。,(三)CMOS传输门,工作原理,MOS管的漏极和源极结构对称，可互换使用，因此CMOS传输门的输出端和输入端也可互换。,当C=0V，uI=0VDD时，VN、VP均截止，输出与输入之间呈现高电阻，相当于开关断开。,uI不能传输到输出端，称传输门关闭。,当C=VDD，uI=0VDD时，VN、VP中至少有一管导通，输出与输入之间呈现低电阻，相当于开关闭合。,uO=uI，称传输门开通。,传输门是一个理想的双向开关，可传输模拟信号，也可传输数字信号。,TG即TransmissionGate的缩写,(三)CMOS传输门,(四)CMOS三态输出门,工作原理,因此构成使能端低电平有效的三态门。,三、CMOS数字集成电路应用要点,(一)CMOS数字集成电路系列,提高速度措施：减小MOS管的极间电容。,由于CMOS电路UTHVDD/2，噪声容限UNLUNHVDD/2，因此抗干扰能力很强。电源电压越高，抗干扰能力越强。,民品,军品,VDD=26V,T表示与TTL兼容VDD=4.55.5V,1.注意不同系列CMOS电路允许的电源电压范围不同，一般多用+5V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。,(二)CMOS集成逻辑门使用要点,2.闲置输入端的处理,不允许悬空。,可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。,与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。,2.5集成逻辑门电路的应用,主要要求：,了解TTL和CMOS电路的主要差异。,了解集成门电路的选用和应用。,一、CMOS门电路比之TTL的主要特点,注意：CMOS电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非CMOS电路的驱动能力比TTL强。实际上CMOS4000系列驱动能力远小于TTL，HCMOS驱动能力与TTL相近。,二、集成逻辑门电路的选用,根据电路工作要求和市场因素等综合决定,若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用TTL电路。目前多用74LS系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至20MHz；如工作频率较高，可选用CT74ALS系列，其工作频率一般可至50MHz。,若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用CMOS电路。其中CMOS4000系列一般用于工作频率1MHz以下、驱动能力要求不高的场合；HCMOS常用于工作频率20MHz以下、要求较强驱动能力的场合。,三、集成逻辑门电路应用举例,例试改正下图电路的错误，使其正常工作。,VDD,可用两级电路2个与非门实现之,例试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。,解：(1)用与非门实现与门,设法将Y=AB用与非式表示,因此，用与非门实现的与门电路为,Y=AB,可用两级电路3个与非门实现,(2)用与非门实现或门,因此，用与非门实现的或门电路为,Y=A+B,设法将Y=A+B用与非式表示,可用两级电路3个或非门实现之。,(3)用或非门实现与门,设法将Y=AB用或非式表示,因此，用或非门实现的与门电路为,将或非门多余输入端与有用端并联使用构成非门,可用两级电路2个或非门实现之,(4)用或非门实现或门,设法将Y=A+B用或非式表示,因此，用或非门实现的或门电路为,Y=A+B,例有一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才产生报警信号，试用与非门设计产生报警信号的电路。,解：(1)分析设计要求，建立真值表,感三种不同类型的火灾探测器,有烟感、温感和紫外光,产生报警信号,两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才,与非门设计,报警电路的输入信号为烟感、温感和紫外光感三种探测器的输出信号，设用A、B、C表示，且规定有火灾探测信号时用1表示，否则用0表示。,报警电路的输出用Y表示，且规定需报警时Y为1，否则Y为0。,由此可列出真值表如右图所示,(2)根据真值表画函数卡诺图,1,1,1,1,(3)用卡诺图化简法求出输出逻辑函数的最简与或表达式，再变换为与非表达式。,Y=AB,+AC,+BC,(4)画逻辑图,根据Y的与非表达式画逻辑图,Y,门电路是组成数字电路的基本单元之一，最基本的逻辑门电路有与门、或门和非门。实用中通常采用集成门电路，常用的有与非门、或非门、与或非门、异或门、输出开路门、三态门和CMOS传输门等。门电路的学习重点是常用集成门的逻辑功能、外特性和应用方法。,本章小结,在数字电路中，三极管作为开关使用。硅NPN管的截止条件为UBE0.5V，可靠截止条件为UBE0V，这时iB0，iC0，集电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件为iBIB(sat)，这时，硅管的UBE(sat)0.7V，UCE(sat)0.3V，集电极和发射极之间相当于开关闭合。,三极管的开关时间限制了开关速度。开关时间主要由电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。,TTL数字集成电路主要有CT74标准系列、CT74L低功耗系列、CT74H高速系列、CT74S肖特基系列、CT74LS低功耗肖特基系列、CT74AS先进肖特基系列和CT74ALS先进低功耗肖特基系列。其中，CT74L系列功耗最小，CT74AS系列工作频率最高。,通常用功耗-延迟积来综合评价门电路性能。,CT74LS系列功耗-延迟积很小、性能优越、品种多、价格便宜，实用中多选用之。ALSTTL系列性能更优于LSTTL，但品种少、价格较高。,CMOS数字集成电路主要有CMOS4000系列和HCMOS系列。CMOS4000系列工作速度低，负载能力差，但功耗极低、抗干扰能力强，电源电压范围宽，因此，在工作频率不高的情况下应用很多。CC74HC和CC74HCT两个系列的工作频率和负载能力都已达到TTL集成电路CT74LS的水平，但功耗、抗干扰能力和对电源电压变化的适应性等比CT74LS更优越。因此，CMOS电路在数字集成电路中，特别是大规模集成电路应用更广泛，已成为数字集成电路的发展方向。,应用集成门电路时，应注意：,TTL电路只能用5V(74系列允许误差5%)；CMOS4000系列可用315V；HCMOS系列可用26V；CTMOS系列用