门电路和集成逻辑门.ppt

第2单元门电路和集成逻辑门,2.1半导体二极管和三极管的开关特性,2.2分立元件的基本逻辑门,2.3复合逻辑门,2.4TTL集成逻辑门,2.5CMOS集成逻辑门,2.6集成逻辑门使用中的几个实际问题,2.1半导体二极管和三极管的开关特性,2.1.1半导体二极管的开关特性,二极管具有“正向导通、反向阻断”的单向导电性，在数字电路中，若二极管正向偏置，因其对正向电流呈现的阻抗近似为零，所以可视为一个闭合的开关；当二极管反向偏置时，因对反向电流呈现的电阻趋近无穷大，又可视为一个断开的开关。即二极管在数字电路中所起的作用是开关作用。二极管在数字电路的这种开关作用，不同于机械开关，因此被称为电子开关。电子开关只有通、断两种状态。若把“通”态用数字“1”表示，把“断”态用数字“0”表示，则二极管在数字电路中也仅有“0”和“1”两种取值，显然，二极管在数字电路中也属于二值的逻辑变量。,1、静态特性,静态特性，就是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。,（1）正向特性,如果电路的输入电压为低电平，且VCC与ui的差值大于门槛电压UT时，二极管VD正向导通。导通时二极管电阻很小，因此正向电流急剧增长，此时的二极管相当于一个闭合的模拟电子开关。,二极管开关电路,（2）反向特性,当图示二极管开关电路的输入电压为高电平，即VCC与ui的差值小于门槛电压UT时，二极管VD反向截止。截止状态下二极管呈现很大的电阻，使得电阻R上基本无电流通过。因此，输出电压uO+VCC，为高电平“1”。,为防止电流过大而导致二极管烧坏，工程实际中均要在二极管开关电路中串接一只限流电阻R。,2、动态特性,动态特性，指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性。,（1）开通时间,二极管导通时，PN结在正向电压作用下空间电荷区迅速变窄，正向电阻很小。因此，在导通过程中及导通以后，二极管的正向压降都很小，电路中的正向电流几乎是立即达到了最大值。,加在二极管两端的电压,（2）反向恢复时间,当二极管突然由正向偏置变为反向偏置时，PN结两边存储的载流子形成反向漂移电流，开始时空间电荷区依然很窄，二极管电阻很小，所以反向电流很大，经过一定的时间tS后，PN结两侧存储的载流子显著减少，空间电荷区逐渐变宽，反向电流慢慢减小至反向饱和电流时，二极管截止。,开通时间极短！,动态波形,（3）开关时间,开通时间和反向恢复时间二者之和称为二极管的开关时间。因反向恢复时间远大于正向导通所需要的时间，故在开关二极管的使用参数上往往只给出反向恢复时间来作为二极管的开关时间。,二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。但是在实际应用中，开关二极管的开关速度是相当快的，硅开关二极管的反向恢复时间只有几纳秒，即使是锗开关二极管，也不过几百纳秒。,2.1.2三极管的开关特性,由三极管输出特性曲线可看出，三极管主要有放大、截止和饱和三种工作状态。模拟电子技术中，三极管工作在放大区；在数字电路中，三极管作为开关元件，工作在截止区和饱和区。,放大区,三极管在数字电路中，工作在饱和区时，相当于一个闭合的电子开关；工作在截止区时，相当于一个断开的电子开关。,饱和区,截止区,1、双极型三极管的开关特性,双极型三极管作为开关使用时，电路的构成是共发射极组态。当三极管处于饱和状态时，相当于一个闭合的开关，输入信号可通过三极管，由于共射组态电路的输出、输入反相关系，当输入为高电平时，输出为低电平；,双极型三极管开关电路,当三极管处截止状态时，相当一个断开的开关，输入信号无法通过，三极管输入为0，而开关电路的输出由于反相原因而呈高电平。,双极型三极管开关特性,2.5V,0.7V,t1,t2,tON,接通时间,tOFF,关断时间,三极管无论是从低电平到高电平，还是从高电平到低电平，状态变化都不能发生跃变，均需要一定的时间。接通时间和关断时间合称为三极管的开关时间。开关时间的长短决定了三极管的开关速度，开关时间不仅取决于三极管的结构工艺，还与外加输入电压的大小和极性有关。因此，提高三极管的开关特性一是制造开关时间较小的管子，二是设计合理的外电路，以减少开关时间。,2、MOS管的开关特性,利用MOS管的上述特性，在数字电路中常把它作为电子开关使用，即MOS管截止时相当一个断开的开关；变阻状态时相当一个闭合的开关。由于工艺的不同，MOS管相比于晶体管，其开关速度慢一些。,当栅源uGSUT时，MOS管处变阻状态，其等效电路如右图所示：,MOS管随着UGS的增大，漏极和源极之间的电阻RDS由大变小，漏极电流逐渐增加，输出电压不断下降，MOS管的工作状态从截止区经过恒流区最后进入可变电阻区。在可变电阻区，RDS的大小受输入电压UGS的控制。即MOS管导通时，其内阻RDS至少也要有1k左右，通常此阻值是不能忽略的。,注意,在动态工作状态下，电路输入信号发生高、低电平跳变时，MOS管的漏极电流变化和输出电压的变化都将滞后于输入电压的变化。因此，由MOS管构成的反相器，处理信号的速度要比双极型三极管反相器慢。,由于MOS管栅极输入电阻较大，易感应电荷使绝缘层击穿。因此，在实用中常采用如右图所示的过压保护电路。,当输入电压ui为高电平时，uiUT，MOS管导通，输出为低电平。,当输入电压ui为低电平时，则uiUT，MOS管截止，输出电压uO=VDD，为高电平。,利用二极管的开关特性，用两个二极管和一个电阻构成一个两输入的“与”逻辑电路。,思考与问题,三极管构成的反相器，必须是何种组态的电路？,2.2分立元件的基本逻辑门,由二极管或三极管开关元件构成的逻辑电路，工作时的状态像门一样按照一定的条件和规律打开或关闭，所以又被称为门电路。门开信号通过；门关信号阻断。门电路是构成组合逻辑电路的基本单元，应用十分广泛。,D1,A,D2,B,UCC,R,F,“与”门电路,0V,3V,0V,反偏截止！,3V,3V,3V,输入中只要有一个为低电平0时，该低电平二极管就会迅速导通，输出F将被钳位到低电平0；其余高电平输入端，其端子上串接的二极管呈截止态。,输入全部为高电平3V时，输入端上串接的二极管同时导通，输出F被钳位在高电平“1”。,“与”门逻辑图符号,F,A,B,D1,A,D2,B,UCC,R,F,“或”门电路,一个“或”门的输入端也是至少为两个，其输出端只有一个。,输入中只要有一个为高电平3V时，串接其上的二极管则迅速导通，输出F将被钳位到高电平1；其余为低电平的输入端，其端子上串接的二极管呈截止态。,输入全部为低电平0时，输入端上串接的二极管同时导通，输出F被钳位在低电平“0”。,3V,0V,3V,反偏截止！,0V,0V,0V,注意：分析过程中门电路中串接的二极管，都是按理想二极管处理的，实际硅管导通时管压降0.7V，锗管导通时0.3V。,“或”门逻辑图符号,F,A,B,A,F,“非”门电路,输入变量A为高电平3V时，三极管饱和导通，ICRC+UCC，因此输出F为低电平0V；,当输入变量A为低电平0V时，三极管截止，输出F+UCC，显然为高电平。,3V,0V,饱和导通,0V,+UCC,截止不通,由图可看出，一个“非”门的输入端只有一个，输出端也只有一个。,“非”门逻辑图符号,F,A,试默画出三种基本逻辑门的图符号。,思考与问题,基本逻辑门有哪些？,2.3复合逻辑门,逻辑功能：有0出1；全1出0,与门和非门可构成“与非”门,与门,非门,与非门图符号,“与非”门是“与”门的非，因此：,有1出0；全0出1,或门和非门可构成“或非”门,或门,非门,或非门图符号,或非逻辑功能：,逻辑功能：与门中只要有1个输出为1，F即为0；两个与门输出均为0时，F才为1。,“与”门、“或”门和“非”门可构成“与或非”门,与门,非门,与或非门图符号,与门,或门,异或门图符号,异或门是一个只有两输入、一输出的逻辑门电路。,异或门逻辑功能可描述为：相同出0，相异出1。,同或门图符号,显然，同或门是异或门的非。其逻辑功能：相同出1，相异出0。,同或门和异或门的功能是什么？二者有联系吗？,你能说出常用复合门的种类吗？,思考与问题,默画出各种复合逻辑门的图符？,2.4TTL集成逻辑门,把电路中的半导体器件、电阻、电容及导线制作在一块半导体基片上，并封装在一个壳体内所构成的完整电路称为集成电路，简称IC。常见的数字集成电路通常为右图所示双列直插式集成组件。,集成芯片就象确定了输入和输出的“黑盒子”，其核心可能是非常复杂的电路。对使用者而言，只要掌握查阅器件资料的方法，了解其逻辑功能并正确使用即可。集成逻辑门是最基本的数字集成电路，是组成数字逻辑的基础，学好它，对于掌握数字电子技术极为重要。需要注意的是：几乎所有IC的电源和“地”端通常不标在原理图中，但连线时，电源和地是驱动，必不可少。,逻辑电路的输入端和输出端都采用了半导体晶体管，称之为Transistor-Transistor-Logic(晶体管-晶体管-逻辑电路)，简称为TTL，TTL集成逻辑门是目前应用最广泛的集成电路。,3.6V,0.3V,1)TTL与非门,输入级,中间级,输出级,TTL与非门内部电路组成结构图,输入级由多发射极晶体管T1和电阻R1组成。所谓多发射极晶体管，可看作由多个晶体管的集电极和基,极分别并接在一起，而发射极作为逻辑门的输入端。多个发射极的发射结可看作是多个钳位二极管，其作用是限制输入端可能出现的负极性干扰脉冲。Tl的引入，不但加快了晶体管T2储存电荷的消散，提高了TTL与非门的工作速度，而且实现“与”逻辑作用。,中间级由电阻R2，R3和三极管T2组成。中间级又称为倒相极，其作用是从T2的集电极和发射极,同时输出两个相位相反的信号，作为输出极里的三极管T3和T5的驱动信号，同时控制输出级的T4、T5管工作在截然相反的两个状态，以满足输出级互补工作的要求。三极管T2还可将前级电流放大以供给T5足够的基极电流。,输出级由晶体管T3、T4和T5，电阻R4和R5组成推拉式的互补输出电路。,T5导通时T4截止，T5截止时T4导通。由于采用了推挽输出(又称图腾输出)，该电路不仅增强了带负载能力，还提高了工作速度。,工作原理,输入端至少有一个为低电平时的工作情况：,0.3V,3.6V,3.6V,3.6V,0.3V,低电平对应的PN结导通，T1的基极电位被固定在0.3+0.7=1V上。,1V,1.4V,5V,显然T1的集电结反偏，导致T2、T5截止。T2截止时的集电极电位：V2CUCC=5V,深度饱和,T2管集电极+5V的电位足以使T3、T4导通并处于深度饱和状态。因R2和IB3都很小，均可忽略不计，所以与非门输出端F点的电位：,VFUCCIB3R2UBE3UBE4500.70.73.6V,3.6V,实现了有0出1的与非功能,输入端全部为高电平时的工作情况：,3.6V,3.6V,3.6V,3.6V,0.3V,由“地”经T2、T5管的发射结电位升至1.4V，经T1集电结升为2.1V。,2.1V,1.4V,显然T1处于倒置工作状态，此时集电结做为发射结使用。倒置情况下，T1可向T2基极提供较大电流。,深度饱和,T2管深度饱和后，其发射极电流在电阻R3上产生的压降又为T5管提供足够的基极电流使T5管饱和导通，从而使与非门输出F点的电位等于T5管的饱和输出典型值：F=0.3V,0.3V,实现了全1出0的与非功能,深度饱和,UOL是被测与非门一输入端接1.8伏、其余输入端开路、负载接380欧的等效电阻时，输出端的电压值。典型值0.3V,TTL与非门的外特性和主要参数,U0H,UIL,U0L,UIH,A,B,C,D,E,TTL与非门参数的测试要在一定条件下进行，一般要遵守的原则有：不用的输入端应悬空(悬空端子为高电平“1”)；输出高电平时不带负载；输出低电平时输出端应接规定的灌电流负载。,TTL与非门外特性,TTL与非门主要参数,输出高电平,U0H是被测TTL与非门一个输入端接地、其余输入端开路时的输出端电压值。典型值3.6V,关门电平UOFF：输出为0.9UOH时，所对应的输入电压称为关门电平UOFF。典型值为1V,开门电平UON：输出为0.35V时，所对应的输入电压称为开门电平UON。典型值为1.4V。其余参数看课本。,UON,输出低电平,UOFF,关门电平,开门电平,2.4.2集电极开路的TTL与非门(OC门),去掉普通TTL与非门中的T3、T4管，让T5管的集电极开路，即构成集电极开路的“与非”门。,OC门在使用时要外接一个电源UC和一个电阻RC,OC门的特点是输出门T5的集电极开路。,当OC门输入全为高时，T2和T5导通饱和，输出F为低电平0.3V,0.3V,OC门输入有一个为低时，T2、T5截止，输出F为高电平UC,UC,OC门同样可实现与非功能,OC门的逻辑电路图符号,OC门可实现“线与”逻辑,“线与”逻辑功能,还能实现“与或非”逻辑运算,左图所示即利用OC门使输出转换为12V的电路,上述分析可知，OC门具有“线与”功能，并且在线与的过程中实现了输出对输入的与或非逻辑运算。OC门还可用于数字系统接口部分的电平转换。,OC门还可以用来驱动指示灯、继电器等，如左图所示电路。,三态门与普通TTL与非门相比，只是多出了一个电阻和两个二极管。,三态门控制端EN=1时，二极管D2截止，相当于控制端放弃控制权，此时三态门相当于一个普通与非门，输出由输入端A、B决定。,三态门电路分析,三态门控制端EN=0(有效态)时，控制端行使控制权，此时,T1饱和，其基极电位约为1V，使T2、T5截止，同时D2导通使T3、T4也截止。这时从外往输入端看进去，电路呈现高阻态。,由于电路在EN=1时输出有高、低电平两种状态；在EN=0时输出为高阻态，共呈三种状态，因此称为三态门。,三态门真值表,B,A,F,0,1,1,1,0,1,0,1,1,1,1,0,EN,1,1,1,0,高阻态,0,三态门逻辑图符号,利用三态门可以实现总线结构图示为三态门总线结构图。用一根总线轮流传送几个不同的数据或控制信号时，让连接在总线上的所有三态门控制端轮流处于高电平，任何时间只能有一个三态门处工作状态，其余三态门均为高阻状态。这样，总线将轮流接受来自各个三态门的输出信号。这种利用总线来传送数据或信号的方法广泛应用于计算机技术中。,两种常用的TTL与非门集成电路芯片管脚排列图,(a)74LS00与非门芯片管脚排列图,(b)74LS20与非门芯片管脚排列图,型号中74是指标准型系列TTL芯片；L指低功耗；S表示肖特基。其中74LS00中包含四个2输入的与非门；74LS20包括两个4输入的与非门。芯片中的电源线和“地”线均为公用。,4、具有图腾结构的几个TTL与非门输出端不能并联；,输出高电平UOH(3.6V)、输出低电平UOL(0.3V)，关门电平UOFF(1V)，开门电电平UON(1.4V)，输入高电平噪声容限UNL=UOFFUIL，输入低电平电流IIL(1.4mA)，扇出系数NO(NO越大带负载能力越强)等。,2.4.5TTL与非门使用时的注意事项,1、不用的管脚可以悬空，不可以接地；,2、不用的管脚可以接高电平，不可以接低电平；,5、输出端接容性负载时，应接大电阻(2.7K)限流；,3、几个输入端引脚可以并联连接；,6、TTL集成电路的电源电压应满足5V要求，输入信号电平应在05V之间。,注意,7、用45W以下电铬铁焊接，最好用中性焊剂，设备应良好接地。,试述图腾结构的TTL与非门和OC门的主要区别是什么？,三态门和普通TTL与非门有什么不同？主要应用在什么场合？,思考与问题,何谓“线与”？哪一种逻辑门能实现“线与”逻辑？,试通过实验记录。用内阻为20K/V的万用表测量74LS00集成芯片中的一个门，在下列各种情况下：（1）其它输入端悬空；（2）其它输入端接5V电源；（3）其它输入端有一个接地；（4）其它输入端有一个接0.3V。测量门上一个悬空输入端的电压，测量值各为多少V？,2.5CMOS集成逻辑门,2.5.1CMOS反相器,工作原理如果要使电路中的绝缘栅型场效应管形成导电沟道，T1的栅源电压必须大于开启电压的值，T2的栅源电压必须低于开启电压的值，所以，电源电压UDD必须大于两管开启电压的绝对值之和。,ui0V时，T1截止，T2导通。输出电压u0UDD，高电平；uiUDD时，T1导通，T2截止。输出电压u00V，低电平。,载管为P沟道增强型MOS管，两管的漏极接在一起作为电路的输出端，两管的栅极接在一起作为电路的输入端，T1、T2源极与其衬底相连，一个接地，一个接电源。,T1工作管为N沟道增强型MOS管，T2负,实现了见0出1、见1出0的非门功能！,2.5.2CMOS传输门,工作原理设高电平为10V，低电平为0V，电源电压为10V。开启电压为3V。在CP“1”时，若输入电压为0V7V，则TN管的栅源电压不低于3V，因此TN管导通；若输入电压为3V10V，则TP管导通。即在输入电压为0V10V的范围内，至少有一个管子是导通的，即u0=ui。此时传输门相当于接通的模拟开关。,当CP=“0”时，无论输入电压ui在010V之间如何变化，栅极和源极之间的电压都无法满足管子导通沟道产生的条件，因此两管都截止，输入信号不能传输到输出端，称传输门关断。此时相当于模拟开关断开。传输门在数字电路中起开关作用，所以也称作模拟开关。,CMOS集成电路的特点及使用注意事项,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。,CMOS电路的工作速度比TTL电路低；,CMOS电路的带负载能力没有TTL电路强；,CMOS电路的抗干扰能力强；,CMOS电路的集成度比TTL电路的集成度高；,注意,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。,CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V；,CMOS电路适合于特殊环境下工作；,CMOS集成电路虽然出现较晚，但发展很快，更便于向大规模集成电路发展。其主要缺点是工作速度较低。,F=ABC是三输入的与门；G是非门(略)。,TTL门的逻辑高电平约为3.6V；低电平约为0.3V。CMOS门的逻辑高电平约为510V,低电平约为00.4V.使用时特别要注意CMOS门芯片不用的输入端不能悬空！其他注意事项可参看课本。,普通与非门只有高电平和低电平两种状态，三态门除了这两种状态还有高阻态。三态门主要应用于总线传送，它可进行单向数据传送，也可以进行双向数据传送。,不能直接相连！因为当输出端连在一起时，若各门的输出电平不同，则会有一个很大的电流由输出为高电平的门流向输出为低电平的门，从而将门电路烧毁。,思考与问题,CMOS传输门的主要用途是什么？,为什么CMOS门电路闲置的输入端不允许悬空处理？,检验学习结果,如将CMOS与非门、或非门和异或门作反相器使用，输入端应如何连接？,CMOS门,TTL门,CC74HC50,专用CMOSTTL电平转换器,UDD,UCC,1、CMOS4000驱动TTL电路,通过CMOS驱动器驱动TTL电路,通过电流放大器驱动TTL电路,2.6集成逻辑门使用中的几个实际问题,2.6.1各种逻辑门之间的接口问题,两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低