第二章 集成逻辑门电路.doc

第二章 集成逻辑门电路第二章 集成逻辑门电路12.2.1集成TTL门电路的主要特性和参数12.2.2集成CMOS门电路的主要特性和参数82.2.3各类门电路应用时的注意事项112.2.4可编程逻辑器件(PLD)122.2.1集成TTL门电路的主要特性和参数一、典型集成TTL逻辑门电路1. 电路结构典型电路如右图所示，由四只晶体三极管组成。其中多发射管T1为输入级，T2为中间级，T4、T5为输出级。2. 工作原理(1)当输入为低电平 “0”(VIL=0 . 3V)时，T1深饱和，T2、T5截止，T4、D导电，输出高电平VO=VOH3 . 6左右，TTL关门。(2)当输入为高电平时“1”(VIH=3 .6V)T1倒置、T2、T5饱和，T4、D截止状态，输出为低电平VO=VOL0.3V，TTL开门。二、TTL门电路的主要特性1 .电压传输特性 1)当输入电压0 . 6V，在段，T1在深饱和，T2、T5截止，T4、D导电，输出高电平，电路关门状态。2)输入电压在0.7-1.3V，在曲线段，T1为二只二极管导电，T2放大，T5截止，T4、D导电，输出线性下降。3)输入电压在1.4V左右，在曲线段，T1趋向倒置，T4、D趋向截止， T2、T5导电，输出降至低电平约0.3V，趋向开门状态。4)输入电压大于1.4V，在曲线段，T1倒置，T2、T5饱和导电，T4、D截止，输出低电平稳定在0.3V左右，门处于稳定开门状态。2. TTL门的输出特性讨论TTL门接负载时的情况，即输出电压和负载电流之间的关系。下面分二种情况加以讨论。 (1)低电平输出特性灌电流负载，连接电路如图所示： 此时驱动门输出低电平，T5饱和导电，T4、D截止，负载门输入低电平，负载电流流向驱动门(灌入)。如果负载门数增加，IOL灌入的电流便增加，这促使VOL电压升高，T5将由饱和趋向放大，最终破坏逻辑关系。因此，对负载应有一个限定值，VOL的上升有一个低电平上限值VOLmax规定，使用时不能超过。所以，驱动门数(扇出系数)由确定，而输出特性如右图所示：(2)高电平输出特性 拉电流负载此时，驱动门T5截止，T4、D导电，输出高电平VOH，负载门输入高电平。负载电流从驱动门流出(拉出)。如果负载门数增加，IOH拉出的电流便增加，这使得输出高电平电压VOH会下降，T4管会趋向饱和，最终破坏逻辑关系。所以，高电平输出时也规定了一个高电平下限值VOHmin，其负载门数为：。高电平时的输出特性如图，画在第二象限。三、集成TTL门电路的主要参数这些参数可从电压传输特性上得出：1. 输入电平、输出电平：输入低电平VIL(输入低电平上限VILmax关门电平VOff，输入高电平VIH(输入高电平下限VIHmin开门电平Von)。2. 输入信号噪声容限它表征门电路的抗干扰能力强弱。在TTL驱动TTL集成门电路的情况下，串入两级门电路之间噪声电压大小分低电平输入噪声容限和高电平输入噪声容限两种情况进行讨论。低电平输入噪声容限VNL：高电平输入噪声容限VNH：。3. 扇出门数(门电路的带负载能力)一种门能驱动同一类型门的个数称扇出数，由于IOLIOH ，虽然IILIIH，所以nLnH，所以扇出数以nL为准。4. 平均传输延迟时间 四、TTL门电路中的其它技术措施(1)肖特基三极管抗饱和，提高电路的开关速度。(2)有源泄放电路加快T2、T5由饱和到截止的转换时间，目的还是提高开关速度。(3)T4用二只三极管复合提高电路的带负载能力(增大输出电流)。(4)输入增加了保护二极管(提高可靠性)。五、TTL其它逻辑门电路 或非门、集电极开路与非门(OC)、 三态输出门(TS)等。1. TTL或非门这是一个典型的TTL反相器(非门)电路，再加上两只晶体管后就成一个或非门电路了。基本原理可用两只三极管并联连接理解。2 . TTL集电极开路与非门(OC门)3 . TTL三态输出门=0三态门使能，即D1、D2截止，A和L实现了反相输出， L=；=1，在A=0或1这两种情况下，D1始终导电，而T4、T5都截止，输出为高阻态(禁止态)。注意：三态输出门的电路符号有多种：三态门的应用：2.2.2集成CMOS门电路的主要特性和参数一、典型集成CMOS门电路二、集成CMOS门电路的主要特性1. CMOS反相器的电压传输特性特性如上图所示，实际上是非常接近理想开关的特性。从图可知，它的开门电平和关门电平近似为。CMOS反相器电压传输特性的简单说明：特性曲线段，TN截止，TP导电，输出高电平。特性曲线段，TN开始导电，但很微弱，TP仍工作在可变电阻区，所以，输出高电平开始下降。特性曲线段，TN和TP都导，且都工作在恒流区，但只要输入稍有增加，TP导电趋向截止区，TN趋向可变电阻区，所以，输出电压快速下降为低电平。特性曲线段，TN工作在可变电阻区， TP仍导电，但接近截止区，所以，输出电压降为低电平。特性曲线段，TN工作在可变电阻区， TP完全工作在截止区，所以，输出电压稳定在低电平VOL上。三、CMOS门电路的主要参数以5V电源电压时，CMOS和TTL参数之比较：四、CMOS传输门它由NMOS 和PMOS管并联而成：C和为互补控制端，令C和分别为VDD和0V，输入电压从0VDD。当C=0，TN和TP都截止，输入/输出为高阻态，输出电压为0；当时，TN导电；当时，TP导电；所以在时两管同时导电，此时两管的导电沟道电阻并联，输入/输出间表现为低阻，输入信号传递到输出。TG门的两种应用：2.2.3各类门电路应用时的注意事项一、多余输入端的处理(1)对于与非门电路：把多余输入端接正电源或者与有用端并联使用；(2)对于或非门电路：把多余输入端接地或与有用端并联使用，通过电阻接地时，对TTL这只串联电阻阻值只能在500欧姆以下；特别注意：不能把多余输入端悬空。对TTL电路，悬空虽相当于高电平，但易引入干扰；对CMOS电路，悬空无电位，使相应管子截止，破坏逻关系，也会引入干扰。二、电源的去耦滤波滤除在脉冲工作时，产生的尖峰电流在电源内阻上产生的压降。在集成电路电源的引脚端加接一只0.01uF0.1uF的电容器。三、加接口电路在连接两种不同种类的逻辑门电路，且当两种逻辑门电路的逻辑电平，驱动能力不一致时，它们之间应加接口电路。2.2.4可编程逻辑器件(PLD)一、二极管构成的熔丝型可编程门阵列一个逻辑问题可以用简化的“与或”表达式描述，因此，只要设想用一个能产生各种“与”项的“与阵列”和一个能将各“与”项实现相“或”的“或阵列”组合起来，就能设计各种逻辑电路了。下图是用二极管和熔丝实现编程的“与”阵和“或”阵电路。在未编程前，熔丝相当于短路(熔丝用低熔点的材料制成)。与阵列输出：；或阵列输出：。如何实现编程：对与阵，只需将和二极管正极端连的熔丝接地，然后加上编程电压(电源5V时，编程电压为25V)，此时，相应熔丝将流过比正常电流大得多的电流而被熔断，其它保留。对或阵，将和二极管负极端连的熔丝接正电源，将熔丝熔断。如将与阵中的1#，4#，5#熔丝熔断，则与阵输出。由于电路有6根熔丝，所以一共有26=64种编程状态，可生成64个与项(乘积项)。在或阵中，如将2#熔丝熔断，则编程后的输出Z为：。说明它有8种编程状态，产生8种或项。通常，可编程与门的输入变量可多达几十个，或门阵列的输入变量有八个以上。为了方便，这时的逻辑表示方法用下面的PLD表示法。在门的输入线与输入项的交叉处，有“”时表示硬连接；有“”时表示编程连接；没有符号表示无连接。另外，在PLD中通常大量使用具有互补输出的缓冲器，以增加输入的驱动能力。将多个PLD与、或门组合起来就成了PLD的与阵列和或阵列。用来产生各种各样的“与或”函数式，然后实现各种逻辑电路。例如，要实现两个逻辑函数时，可编程与、或阵列如图所示：二、用可编程与或阵列实现逻辑函数例：用与或阵列实现三个一位二进制数相加的加法运算电路。令输入为：，结果为：，。化简后表达式为：，。由逻辑式得可编程与或阵列电路图如下： 附：其它种类的集成逻辑门电路一、IIL(I2L：Integrated Injaction Logic)，集成