《数字电子技术基础》——集成逻辑门电路.ppt

第2章集成逻辑门电路 2 2TTL集成逻辑门电路 2 3CMOS集成逻辑门电路 2 4集成门电路的应用注意事项 2 1分立元件门电路 学习要点 分立元件门电路的构成TTL集成逻辑门电路功能及特点CMOS集成逻辑门电路功能及特点逻辑电路使用过程中的注意问题 逻辑门电路 由具体器件构成能够实现基本和常用逻辑关系的电子线路 简称门电路 是实现逻辑功能的基本单元 数字集成电路 一种是由三极管组成的双极型集成电路 例如晶体管 晶体管逻辑电路 简称TTL电路 和射极耦合逻辑电路 简称ECL电路 一种是由MOS管组成的单极型集成电路 例如N MOS逻辑电路和互补MOS 简称COMS 逻辑电路 2 1分立元件门电路 2 1 1晶体管开关特性 2 1 2基本晶体管门电路 理想开关 开关闭合时 开关两端电压为0 开关断开时 其流过的电流为0 其两端间呈现的电阻为无穷大 且开关的转换在瞬间完成 半导体二极管 三极管和MOS管 是构成这种电子开关的基本开关元件 可用逻辑变量的 1 0 来表示 导通时 相当于开关闭合 截止时 相当于开关断开 2 1 1晶体管开关特性 二极管的开关特性 1 静态特性 二极管当作开关来使用正是利用了二极管的单向导电性 当外加正向电压大于死区电压时 二极管呈现很小的电阻处于导通状态 相当于开关闭合 一般硅管的正向导通压降UD约为0 6 0 7V 锗管约为0 2 0 3V 当二极管两端加上反向电压时 在开始很大范围内 二极管相当于非常大的电阻 反向电流极小 二极管处于截止状态 此时相当于开关断开 开关等效电路 伏安特性曲线 普通二极管反向击穿后 将失去单向导电性 注意 2 动态特性 通常情况下 二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间 不能象理想开关那样瞬间完成 而且从导通变为截止所需的时间更长一些 一般把二极管从导通到截止所需的时间称为反向恢复时间tre 若输入信号频率过高 负半周宽度小于tre时 二极管会双向导通 失去单向导电作用 因此高频应用时需要考虑此参数的影响 2 三极管的开关特性 1 静态特性 其中为三极管的导通电压 如硅管 此时 均近似为0 三极管的集电极和发射极之间相当于开关断开 在开关状态下 三极管主要工作在饱和区 开关闭合 和截止区 开关断开 放大区只是极短暂的过渡状态 A 截止区 B 饱和区 其中 为临界饱和电流 三极管的发射结正偏 集电结正偏 集电极和发射极间电压为反向饱和电压UCES 0 2 0 3V左右 饱和越深 UCE越小 三极管的集电极和发射极间相当于短路状态 三极管相当于一个由基极电流控制的开关 开关等效电路 三极管的工作状态处于哪个区域 对应的输出电压为多少 例1 若三极管导通电压为0 5V 饱和时UBE 0 7V UCES 0 3V 求当输入分别为0 3V和10V时 解 分析三极管电路 关键是要抓住三极管三种工作状态的条件和特点 当时 假设三极管已截止 等效电路 因为UBE 0 5V 三极管截止的假设成立 根据截止时三极管 可求出 当时 假设三极管已饱和 则UBE 0 7V 等效电路 又知 三极管饱和的假设成立 可求出 2 动态特性 延迟时间td 上升时间tr存储时间ts 下降时间tf 从截止到饱和所需的时间 从饱和到截止所需的时间 开通时间ton td tr 关闭时间toff ts tf 开关时间越短 开关速度越高 在高频应用时需要特别注意考虑这个问题 2 1 2基本晶体管门电路 电位 指绝对电压的大小 电平 指一定的电压范围 门电路的输入和输出信号都是用电平 或电位 的高低来表示的 高电平和低电平又可用逻辑 1 和逻辑 0 表示 这样可以得到逻辑电路的真值表 便于进行逻辑分析 与门 逻辑状态表 与门电路波形图 2 或门 电路图和符号 或门逻辑状态表 电路波形图 3 非门 逻辑状态表 电路波形图 数字电路逻辑符号中 若在输入端加小圆圈 表示输入低电平信号有效 若在输出端加小圆圈 表示输出信号取反 与非门电路 逻辑状态表 与非门电路波形图 这种分立元件的门电路虽然电路结构简单 但由于二极管正向压降的影响会产生电平偏离 并且速度较低 带负载能力差 现在一般都被集成逻辑门电路所取代 2 2TTL集成逻辑门电路 2 2 1TTL与非门电路 2 2 2TTL集电极开路门和三态门电路 2 2 3TTL集成电路的系列产品 2 2 1TTL与非门电路 输入级和输出级均采用晶体三极管 称为晶体三极管 晶体三极管逻辑电路 简称TTL电路 电路结构 1 输入级 对输入变量实现 与 运算 输入级相当于一个与门 2 中间级 实现放大和倒相功能 向后级提供两个相位相反的信号 分别驱动T3 T4管 3 输出级 减小电路的输出电阻 提高输出带负载能力和抗干扰能力 T3和T4管总处于一管导通而另一管截止的工作状态 2 工作原理 当输入全为高电平 UA UB 3 6V T1的两个发射结都反偏 集电结正偏 T2和T4饱和导通 T3和D3都截止 输出低电平 当输入中至少有一个为低电平时 T1的两个发射结必然有一个导通 T2和T4均截止 而此时T3和D3导通 输出高电平 即输入输出之间实现了 与非 的逻辑关系 电压传输特性是指输出电压随输入电压变化的关系曲线 即 3 TTL与非门传输特性 AB 截止区 线性区 转折区 饱和区 BC CD DE 4 主要参数 1 输入和输出的高 低电平 输入低电平的上限值UIL max 输入高电平的下限值UIH min 输出低电平的上限值UOL max 输出高电平的下限值UOH min 2 开门电平UON和关门电平UOFF 保证输出电压为额定低电平时 所允许的最小输入高电平 即只有当时 输出才是低电平 保证输出电压为额定高电平时 所允许的最大输入低电平 即只有当时 输出才是低电平 3 阈值电压UTH 电压传输特性曲线转折区的中点所对应的输入电压值 使输出发生高低电平转换的输入电压值 也称门槛电压 TTL与非门的阈值电压UTH 1 4V左右 4 噪声容限 保证电路正常输出的前提下 输入电平允许波动的最大范围 输入高电平噪声容限UNH 输入高电平时 保证TTL电路仍可正常输出的最大允许负向干扰电压 UNH UOH min UIH min 显然 输入低电平噪声容限UNL 输入低电平时 保证TTL电路仍可正常输出的最大允许正向干扰电压 UNL UIL max UOL max 噪声容限越大 集成门电路的抗干扰能力越强 输入噪声容限示意图 5 传输延迟时间tpd 电路在动态脉冲信号作用下 输出脉冲相对于输入脉冲延迟了多长时间 tPHL 输出电压由高变低 输出脉冲的延迟时间 tPLH 输出电压由低变高 输出脉冲的延迟时间 这两个延迟时间的平均值称为平均传输延迟时间tpd TTL门电路的平均传输延迟时间tpd一般在20nS左右 6 扇入扇出数 扇入数 门电路输入端的个数 用NI表示 对于一个2输入的 或非 门 其扇入数NI 2 扇出数 门电路在正常工作时 所能带同类门电路的最大数目 它表示带负载能力 拉电流负载 存在高电平下限值 灌电流负载 低电平存在上限值 通常逻辑器件扇出数须通过计算或实验的方法求得 若NOL NOH 一般取两者中的最小值 为了能够保证数字电路或系统能正常工作 在设计时还需要注意要留有一定的余地 5 常用TTL与非门集成芯片 74LS00 4 2输入与非门74LS04 6反相器74U20 2 4输入与非门74LS08 4 2输入与门74LS02 4 2输人或非门74LS86 异或门 74LS00引脚图和逻辑符号 例如图所示电路 已知74LS00门电路参数为 IOH IOL 1 0mA 20mA IIH IIL 50 A 1 43mA求门GP的扇出数是多少 解 门GP输出低电平时 设可带门数为NL 门GP输出高电平时 设可带门数为NH 取最小值 扇出系数 14 2 2 2TTL集电极开路门和三态门电路 TTL集电极开路门电路 OC门 线与 将两个以上门电路的输出端直接并联以实现 与 逻辑的功能 如图 低阻通路产生很大电流 可能烧坏器件 且无法确定输出是高电平还是低电平 OC门的输出级三极管T4集电极悬空 即输出管T4集电极开路 故称为集电极开路门 使用时需要外接负载电阻RL 或称上拉电阻 及电源 逻辑符号 OC门主要应用于实现线与 电平转换以及用做驱动显示 将若干个OC门输出端连接在一起再接一个上拉电阻和电源 即可构成各输出变量间的 与 逻辑 线与 OC门实现电平转换 OC门驱动发光二极管 2 三态门输出 当使能输入端EN 1时 门电路相当于二输入的与非门 当使能输入端EN为低电平时 从输出端看进去 对地和电源都相当于开路 呈现高阻抗 Z状态 高阻态并无逻辑值 仅表示电路与其他电路无关联 所以三态电路仍是二值逻辑电路 低电平有效三态与非门 由于该电路有高电平 低电平和高阻态三种状态 所以称之为三态门 高电平有效的三态与非门电路真值表 门电路的三态输出主要应用于多个门输出共享数据或控制信号总线传输 这样可以减少输出连线 为避免多个门输出同时占用数据总线 这些门的使能信号 EN 中只允许有一个为有效电平 如高电平 只要保证任何时刻只有一个三态门的使能端有效 即可实现多路数据通过一条总线进行传送的功能 另外 利用三态门还可以实现数据的双向传输 2 2 3TTL集成电路的系列产品 74系列 中速系列 TTL集成电路早期产品 平均传输延迟时间约为10ns 但平均功耗每门约10mW 现已基本淘汰 74L系列 为低功耗TTL系列 又称LTTL系列 74H系列 高速系列 采用抗饱和三极管 在工作速度方面得到改善 平均传输延迟时间约为普通型的二分之一 约为6ns 但是平均功耗增加了 每门约为22mW 74S 又称STTL 系列 为肖特基系列 工作速度和功耗均得到了明显改善 速度和功耗上较前系列进一步提高 其速度和功耗介于74AS和74ALS系列之间 广泛应用于速度要求较高的TTL逻辑电路 74F系列 74AS和74ALS系列 2 3CMOS集成逻辑门电路 2 3 1MOS开关及其等效电路 2 3 2常用CMOS逻辑门电路 2 3 3CMOS逻辑门系列 由金属氧化物绝缘栅型场效应 MOS 管构成的单极型集成电路 主要有三种类型 NMOS门电路 PMOS门电路和CMOS门电路 CMOS电路较之TTL电路具有以下优点 功耗低 静态电流小 约为纳安数量级 抗干扰能力强 电源电压范围宽 输入阻抗高 负载能力强等 应用广泛 MOS电路 2 3 1MOS开关及其等效电路 MOS管开关等效电路 输出特性曲线 电路 MOS管截止 此时的MOS管相当于受控制的可变电阻 且越大 输出特性曲线越陡峭 RON 导通电阻 越小 当输入电压较小时 有 当增加 使 MOS管工作在可变电阻区 即MOS管分别工作在截止区和可变电阻区时 相当于受控制的一个无触点开关 2 MOS管开关特性 由于MOS管本身存在电容效应及导通电阻 在输入端加入一个理想脉冲信号时 导通闭合两种状态之间转换会受到电容充放电的影响 使输出波形边沿变得缓慢 输出电压的变化也会滞后于输入电压的变化 为减小开关时间 可以用P沟道MOS管来代替电阻RD 就构成所谓的CMOS开关 2 3 2常用CMOS逻辑门电路 CMOS反相器 1 工作原理 TN管为工作管 N沟道MOS增强型场效应管 开启电压UTN TP管为负载管 作漏极负载Rd P沟道MOS增强型场效应管 开启电压UTP 栅极g接在一起 作为输入端 漏极d接在一起 作为输出端 电源UDD须大于两只MOS管的开启电压的绝对值之和即UDD UTN UTP 当输入电压为低电平 0 时 工作管TN因其UGS小于开启电压UTN而截止 负载管TP因其UGS小于开启电压UTP而导通 工作管TN截止 漏极电流近似为零 输出电压为高电平 1 当输入电压为高电平 1 时 工作管TN因其UGS大于开启电压UTN而导通 负载管TP因其UGS大于开启电压UTP而截止 输出电压为低电平 0 即电路实现反相器功能 工作管TN和负载管TP总是工作在互补的开关工作状态 即TN和TP的工作状态互补 所以CMOS电路称为互补型MOS电路 2 CMOS反相器电压传输特性和电流传输特性 2 漏极开路门 OD门 3 三态 TSL 输出门电路 4 CMOS传输门 又称模拟开关 既可以传输数字信号 也可以传输模拟信号 RON小于1k 典型值为80 漏极和源极之间相当于短路 输出等于输入 即C 1时 传输门打开 C 0时 传输门关闭 输入和输出之间呈现出高阻抗状态 不能进行信号传输 C 1时 在整个输入电压范围 5V 5V内 至少有一个场效应管导通 场效应管导通 漏源间的沟道导通电阻 2 3 3CMOS逻辑门系列 4000系列 早期基本的CMOS集成逻辑门系列 后来发展为4000B 应用十分广泛 其工作电压宽 3 18V 功耗低 抗干扰能力强 但工作速度较慢 平均传输延迟时间为几十纳秒 最高工作频率小于5MHz 且与TTL不兼容 74HC和74HCT系列 74HC系列的其工作电压为2 6V 与4000B系列相比 其工作速度快 且带负载能力强 74HCT系列工作电压为4 5V 5 5V 并可与TTL兼容 74LVC和74AUC系列 这种系列是近年来随着便携设备的发展 要求使用体积小 功耗低 电池耗电小的半导体器件 因此先后推出了低电压CMOS器件74LVC系列 及超低压CMOS器件74AUC系列 并且半导体制造工艺可以使它们的成本更低 速度更快 同时大多数低电压器件的输入输出电平可以与5V的CMOS或TTL电平兼容 74VHC和74VHCT系列 保持74HC和74HCT系列的功耗低等优点 并且在工作速度达到74HC和74HCT系列的两倍 2 4集成门电路的应用注意事项 2 4 1TTL门电路使用注意事项 2 4 2CMOS门电路的使用注意事项 2 4 3门电路之间的接口问题 2 4 4需要注意的其他事项 2 4 1TTL门电路使用注意事项 电源电压范围 TTL集成电路的电源电压允许变化范围较窄 54系列电源一般为5V 0 5V 74系列电源为5V 0 25V 因此必须使用 5V稳压电源 2 对多余输入端的处理 对于TTL电路 多余的输入端是允许悬空 悬空时 该端的逻辑输入状态一般都作为 1 高电平对待 但最好不要悬空 这样易受干扰 对多余输入端的处理以不改变逻辑关系及稳定可靠性为前提 要根据实际需要作适当处理 一种方法是将多余输入端并联使用 但速度会降低 工作速度要求不高时可以采用这种方法 另一种方法可根据逻辑关系的要求接地或接高电平 与门 与非门 的多余输入端可以通过1 3K 电阻或直接接到电源正端 或门 或非门 的多余输入端可以接地 3 输出端的处理 普通TTL门电路输出端不允许直接并联或接电源 接地使用 否则将会使电路的逻辑功能混乱并损坏器件 TSL门电路输出端可以并联使用 OC门输出端也可以并联使用 但公共端与电源间要接有负载RL CMOS电路要求输入信号的幅度满足USS UDD 2 4 2CMOS门电路的使用注意事项 电源电压范围 4000系列电源3 15V 最大不超过18V HC系列电源2 6V HCT系列4 5 5 5V 最大不超过7V 此外 CMOS电路接电源时极性不能接反 在实验或调试时 开始先接电源后再通信号源 结束时先关信号源后断电源 2 对多余输入端的处理 对于CMOS电路 多余的输入端绝对不能悬空 对多余输入端的处理可采用输入端并联的方法 此法适应于工作速度要求不高 功耗不太大时 另一种方法也是根据逻辑关系的要求接地或接高电平 3 输出端的处理 普通CMOS门电路输出端不允许直接并联或接电源 接地使用 只有TSL门和OD门的输出端可以并联使用 同样的 公共端与电源间要接有负载RL 2 4 3门电路之间的接口问题 1 逻辑电平匹配问题 指驱动器件的输出电压要符合负载器件所要求的高电平或低电平输入电压的范围 2 电流匹配问题 驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流 3 噪声容限 输入输出电容 开关速度等参数需要是否满足某些设计要求的问题 CMOS门驱动TTL门电路连接方法 CMOS门电路作为驱动门 UOH 5V UOL 0V TTL门电路作为负载门 UIH 2 0V UIL 0 8V 电平匹配符合要求 如CMOS门电路4000系列最大允许灌电流为0 4mA TTL门电路为1 4mA CMOS4000系列驱动电流不足 电流不匹配 一是选用CMOS缓冲器 如CC4009的驱动电流可达4mA 二是选用高速CMOS系列产品 如CMOS的54HC 74HC系列产品可以直接驱动TTL电路 电平 电流 解决方法 但要注意根据电流大小计算扇出数 负载门个数不能超过扇出数 2 TTL门驱动CMOS门的电路连接方法 接上