数字电子技术基础第2章.ppt

概述 半导体器件的开关特性 TTL集成逻辑门 CMOS集成逻辑门 集成逻辑门的应用 本章小结 第2章逻辑门电路 分立元件门电路 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 获得高低电平的方法及高电平和低电平的含义 获得高 低电平的基本原理 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 主要要求 理解二极管 三极管的开关特性 掌握二极管 三极管开关工作的条件 2 1半导体器件的开关特性 2 1 1半导体二极管的开关特性 二极管开关电路 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uBE Uth时 三极管截止 iB 0 iC 0 C E间相当于开关断开 三极管关断的条件和等效电路 负载线 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 UIL Uth为门限电压 饱和区 放大区 uI增大使iB增大 从而工作点上移 iC增大 uCE减小 截止区 三极管截止状态等效电路 S为放大和饱和的交界点 这时的iB称临界饱和基极电流 用IBS表示 相应地 ICS为临界饱和集电极电流 UCES为饱和集电极电压 对硅管 UBES 0 7V UCES 0 3V 在临界饱和点三极管仍然具有放大作用 uI增大使uBE Uth时 三极管开始导通 iB 0 三极管工作于放大导通状态 饱和区 放大区 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iB IBS时 三极管饱和 UCES 0 3V 0 C E间相当于开关合上 三极管饱和状态等效电路 开关电路及原理 开关工作的条件 例2 1P44 uI从UIL正跳到UIH时 三极管将由截止转变为饱和 iC从0逐渐增大到ICS uC从VCC逐渐减小为UCES uI从UIH负跳到时UIL 三极管不能很快由饱和转变为截止 而需要经过一段时间才能退出饱和区 二 三极管的动态开关特性 uI正跳变到iC上升到0 9ICS所需的时间ton称为三极管开通时间 通常工作频率不高时 可忽略开关时间 而工作频率高时 必须考虑开关速度是否合适 否则导致不能正常工作 uI负跳变到iC下降到0 1ICS所需的时间toff称为三极管关断时间 通常toff ton 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 图2 3 1二极管与门 返回 真值表 逻辑电平 2 2 1二极管与门 缺点 输出电平发生偏移 2 2最简单的与 或 非门电路 2 2 2二极管或门 图2 3 2二极管或门 返回 逻辑电平 真值表 缺点 输出电平发生偏移 2 2 3三极管非门 图2 3 3三极管非门 反相器 返回 真值表 R2和VEE的作用 保证输入为低电平时三极管可靠截止 输入为高电平时 保证三极管工作在深度饱和状态 使输出电平接近于零 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 2 3TTL集成逻辑门 掌握TTL基本门的逻辑功能和主要外特性 掌握集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用 2 3 1TTL与非门的电路结构和工作原理 一 电路结构 二 TTL与非门的工作原理 设输入VIH 3 6V VIL 0 3V 输入均为高电平时 输出低电平 输入至少有一个为低电平时 输出高电平 三 电压传输特性和噪声容限 1 电压传输特性 uo随ui变化而变化的特性曲线 电压传输特性 原理图 输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值 就不会影响电路的正常逻辑功能 这个允许值称为噪声容限 噪声容限越大 抗干扰能力越强 2 噪声容限 74系列UoH min 2 4VUoL max 0 4VUIH min 2 0VUIL max 0 8V 指输入高电平时 允许的最大负向噪声电压 UNH UoH min UIH min 指输入低电平时 允许的最大正向噪声电压 UNL UIL max UoL max 2 3 2静态输入特性和输出特性 返回 研究输入电流随输入电压变化的特性 一 输入特性 输入低电平时的输入电流称为低电平输入电流 当时的输入电流成为输入高电平电流 若将个输入端并联使用 则总的低电平输入电流与只有一个输入端接低电平时相同 每个输入端的低电平输入电流相等 为 而总的高电平输入电流则为高电平输入电流之和 若每个输入端的高电平输入电流为 则个输入端总的高电平输入电流等于 二 输入负载特性 当用TTL与非门组成一些较复杂的逻辑电路时 有时需要在信号与输入端或输入端与地之间接一电阻 有电流流过RI 必然产生电压降 将ui随RI的变化而变化的关系曲线叫做门电路的输入负载特性 a RI变化使VT2管未导通以前 RI增大 ui增大 使ui 0 7V时的RI称为关门电阻 记为ROFF b ui 0 7V以后 ui仍随RI的增大而增大 但趋势变缓 c ui 1 4以后 VT4管开始导通 UB1被钳位在2 1V 此后ui不再随RI的增大而增大 此时的RI称为开门电阻 记为RON 不同TTL系列 RON ROFF不同 相应输入端相当于输入低电平 也即相当于输入逻辑0 逻辑0 因此Ya输出恒为高电平UOH 相应输入端相当于输入高电平 也即相当于输入逻辑1 逻辑1 解 图 a 中 RI 300 ROFF 800 图 b 中 RI 5 1k RON 3k 实际应用 将两个TTL门电路经过一个电阻串接 这个电阻的阻值不能大于ROFF a 输出高电平时的输出特性 三 输出特性 输出电压uo随输出电流iL的变化而变化的关系曲线 高电平输出电流 表示电路的拉电流负载能力 TTL门受芯片功耗限制 一般为 拉电流负载 b 输出低电平时的输出特性 灌电流负载 低电平输出电流 表示电路的灌电流负载能力 TTL门的一般可取 TTL与非门的带负载能力 不管是灌电流负载还是拉电流负载 负载电流都不能超过其最大允许电流 否则将导致电路不能正常工作 甚至烧坏门电路 实用中常用扇出系数NO表示电路负载能力 门电路能驱动同类门电路的个数 灌电流负载 拉电流负载 例2 4已知TTL与非门CT7410的 求其扇出系数 取和中较小的作为门电路的扇出系数 扇出系数越大 带负载能力越强 通常TTL门电路有 8 在实际使用中应注意留有一定的余地 故 由于三极管存在开关时间 元 器件及连线存在一定的寄生电容 因此输入矩形脉冲时 输出脉冲将延迟一定时间 1 传输延迟时间 输入电压波形下降沿0 5UIm处到输出电压上升沿0 5Uom处间隔的时间称截止延迟时间tPLH 输入电压波形上升沿0 5UIm处到输出电压下降沿0 5Uom处间隔的时间称导通延迟时间tPHL 平均传输延迟时间tpd tPHL tPLH tpd越小 则门电路开关速度越高 工作频率越高 四 TTL门的其他特性 2 电源的动态尖峰电流 通过计算可以发现 输出电平不同时 它从电源所取的电流也不一样 Uo UoL时 VT1倒置 VT2 VT4饱和导通 VT3截止 Uo UoH时 VT1饱和 VT2 VT4截止 VT3饱和导通 动态工作情况下 特别是当输入信号由高电平转换成低电平的过程中 会出现VT3 VT4同时导通的情况 此时 危害 使电源的平均电流和平均功耗增大 信号频率越高 平均电流和平均功耗越大 措施 电源与地之间加接高频滤波电容 图2 4 17TTL门的电源动态尖峰电流 3 功耗 功耗有静态和动态之分 所谓静态功耗指的是当电路无状态转换时的功耗 即门电路静态且空载时电源总电流与电源电压的乘积 当输出为低电平时的功耗称为空载导通功耗 当输出为高电平时的功耗称为空载截止功耗 动态功耗发生在状态转换的瞬间 或者电路有电容性负载时 对于中低速TTL门电路来说 静态功耗是主要的 4 延迟 功耗积 一个逻辑门电路的DP值越小 表明它的综合性能越接近于理想情况 返回 2 3 3TTL电路的改进系列 为满足用户在提高工作速度和降低功耗的要求 继上述的74系列之后 又相继研制和生产了74H 高速 74S 肖特基 74LS 低功耗肖特基 74AS 传输延迟时间更低 74ALS等改进的TTL电路 图2 2574H系列与非门 74H00 的电路结构 改进措施 优点 工作速度高 缺点 功耗大 一 74H系列 1 输出级采用了达林顿结构 2 电阻阻值降低了将近一倍 图2 4 35抗饱和三极管 返回 二 74S系列 肖特基系列 三极管导通时工作在饱和状态是产生传输延迟时间的一个重要原因 改进措施 1 采用抗饱和三极管 2 有源泄放电路代替了R3 图2 2674S系列与非门 74S00 的电路结构 返回 优点 传输延迟时间小 缺点 1 功耗加大 2 输出低电平升高 图2 2874S系列反相器的电压传输特性 图2 2974LS系列与非门 74LS00 的电路结构 返回 优点 兼顾速度快和功耗低延迟 功耗积最小 三 74LS系列 四 74AS 74ALS系列 向高速发展 向低功耗发展 按平均传输延迟时间和平均功耗不同分 向减小功耗 延迟积发展 措施 增大电阻值 措施 1 采用SBD和抗饱和三极管 2 采用有源泄放电路 3 减小电路中的电阻值 其中 LSTTL系列综合性能优越 品种多 价格便宜 ALSTTL系列性能优于LSTTL 但品种少 价格较高 因此实用中多选用LSTTL CT74系列 即标准TTL 双列直插14引脚四2输入与非门 五 54 54H 54S 54LS系列 54系列与74系列的比较 相同之处 完全相同的电路结构和电器性能参数 不同之处 54系列的工作温度范围更宽 电源允许的工作范围更大 74工作环境温度0 70 电源工作范围5V 5 54工作环境温度 55 120 电源工作范围5V 10 返回 图2 30TTL非门电路 2 3 4其他逻辑功能的TTL门电路 1 非门 与与非门的区别 输入端改成了单发射极三极管 输出特性 非门输出电路结构与电路参数与与非门相同 所以与非门的输出特性也适用于非门 输入特性 与TTL与非门只使用一个输入端 其他输入端悬空 的情况相同 返回 图2 31TTL或非门电路 2 或非门 输出特性 与与非门相同 输入特性 由于每个或输入端是分别接到各自的输入三极管上的 所以将n个或输入端并联使用时 无论总的高电平输入电流还是总的低电平输入电流都等于单个输入端输入电流的n倍 输出特性 返回 图2 32TTL与或非门 3 TTL与或非 输入特性 同与非门 同与非门 多发射极三极管相当于与的关系 则只要将AB和CD分别代替或非门电路的A和B 即可得到 返回 1 集电极开路的门电路 OC门 推拉式输出级存在的三个问题 A 输出端不能并接使用 B 电源确定后 输出高电平确定 无法满足不同高低电平的需要 C 不能驱动大电流 高电压的负载 图2 34推拉式输出级并联的情况 2 3 5TTL集电极开路门 OC门 和三态输出门 TS门 图2 4 26集电极开路与非门的电路和图形符号 返回 1 电路结构 逻辑符号和使用方法 使用注意事项 必须外接负载电阻和电源 图2 4 27OC门输出并联的接法及逻辑图 返回 使用方法 B 由于输出的高电平VOH VCC 而VCC 的值可以不同于VCC 所以只要根据要求选择VCC 的大小 就可以得到所需的VOH值 C 有些OC门的输出管设计的尺寸较大 足以承受较大电流和较高电压 例如SN7404输出管允许的最大负载电流为40mA 截止时耐压30V 足以直接驱动小型继电器 A Y1 Y2中有一个低电平一个高电平时 可以增大RL 使管子不致烧坏 计算OC门负载电阻最大值的工作状态 返回 2 外接负载电阻的计算 每个OC门的输入端均有低电平 输出为高电平 为保证高电平不低于规定的高电平 RL不能选的太大 计算OC门负载电阻最小值的工作状态 返回 当OC门中只有一个导通时 电流的实际流向如图所示 负载电流全部流入导通的OC门 RL值不可太小 以确保流入导通的OC门的电流不致超过最大允许的负载电流ILM 图2 4 30例2 4 4的电路 返回 例试为图中电路的RL选择合适的阻值 已知G1 G2为OC门 输出管截止时的漏电流为IOH 200uA 输出管导通时的最大负载电流IOLMAX 16mA G3 G4 G5均为74系列与非门 它们的IIL 1mA IIH 40uA 给定V CC 5V 要求OC门输出的高电平VOH 3 0V 低电平VOL 0 4V 取RL 1k 相当于与门作用 因为Y1 Y2中有低电平时 Y为低电平 只有Y1 Y2均为高电平时 Y才为高电平 故Y Y1 Y2 3 应用 1 实现线与 两个或多个OC门的输出端直接相连 相当于将这些输出信号相与 称为线与 只有OC门才能实现线与 普通TTL门输出端不能并联 否则可能损坏器件 注意 2 驱动显示器和继电器等 3 实现电平转换 TTL与非门有时需要驱动其他种类门电路 而不同种类门电路的高低电平标准不一样 应用OC门就可以适应负载门对电平的要求 OC门的UOL 0 2V UOH VDD 正好符合CMOS电路UIH VDD UIL 0的要求 图2 4 31三态输出门的电路图和图形符号 返回 三 三态输出门电路 TS门 在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的 返回 应用 返回 2 构成双向总线 2 3 6TTL门电路的使用规则 2 多余输入端的处理 与门和与非门的多余输入端接逻辑1或者与有用输入端并接 接VCC 通过1 10k 电阻接VCC 与有用输入端并接 TTL电路输入端悬空时相当于输入高电平 但使用中多余输入端一般不悬空 以防止干扰 或门和或非门的多余输入端接逻辑0或者与有用输入端并接 解 OC门输出端需外接上拉电阻 RC 5 1k Y 1 Y 0 RI RON 相应输入端为高电平 510 RI ROFF 相应输入端为低电平 2 5CMOS门电路 集成MOS门电路是继TTL门电路之后 开发出的另一类广为应用的数字集成电路 分为N沟道MOS构成的NMOS集成电路 P沟道MOS构成的PMOS集成电路以及N沟道MOS和P沟道MOS共同组成的CMOS集成电路 PMOS集成电路问世较早 但因工作速度低 电源为负且电压较高 同其他集成电路配接不方便等原因 现在几乎被淘汰 NMOS集成电路工作速度快 尺寸小 加之NMOS工艺水平的不断提高 目前在许多高速大规模集成电路产品中仍采用 而CMOS集成电路功耗小 工作速度快 应用最为广泛 工作条件 N沟道增强型 可变电阻区 截止区 UGS UGS TH UGD UGS TH UGS UGS TH 饱和区 UGS UGS TH UGD UGS TH UGS TH 0 数字电路中普遍采用增强型的MOS管 P沟道增强型 UGS UGS TH UGD UGS TH UGS UGS TH 可变电阻区 截止区 输出特性 UGS TH 0 饱和区 UGS UGS TH UGD UGS TH MOS管的开关特性 图2 50NMOS管和PMOS管的开关电路 图2 51NMOS管的开关等效电路 当uGS UGS th 时 NMOS管截止 则输出高电平 当uGS UGS th uGD UGS th 时 NMOS管导通并工作在可变电阻区 输出低电平 一 电路基本结构 要求VDD UGS th N UGS th P 且UGS th N UGS th P 2 5 2CMOS反相器 该电路构成CMOS非门 又称CMOS反相器 图2 6 2CMOS反相器的电压传输特性 返回 电压传输特性 1 电压传输特性和电流传输特性 1 静态电气特性 图2 6 3CMOS反相器的电流传输特性 返回 电流传输特性 特点 无论输入低电平还是高电平 电流均接近于零 因此功耗低 图2 6 4不同VDD下CMOS反相器的噪声容限 返回 输入端噪声容限 结论 电源电压越高 抗干扰能力越强 图2 55CMOS反相器的输入保护电路 返回 2 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性 1 输入特性 因CMOS反相器用的是绝缘栅场效应管 故Ii 0 因此输入特性如下图所示 返回 2 输出特性 图2 6 9CMOS反相器的低电平输出特性 同样的IoL值下 VDD越大 VOL越小 图2 6 10vO VOH时CMOS反相器的工作状态 返回 输出高电平特性 图2 6 11CMOS反相器的高电平输出特性 同样的IOH下 VDD越大 输出高电平越高 3 输入负载特性 因绝缘栅场效应管的栅极绝缘 因此无输入负载特性 4 CMOS反相器的功耗 在目前流行的各种集成电路产品中 CMOS集成电路的功耗是最低的 整个封装的静态平均功耗小于10uW 但随着工作频率的升高 CMOS集成电路的动态功耗显著增大 3 CMOS反相器的动态特性 一 传输延迟时间 二 动态功耗 例 下图中 门电路为CMOS系列 试确定它们的输出 图2 6 18CMOS与非门 返回 2 5 4其他类型的CMOS门电路 一 其他逻辑功能的CMOS门电路 1 CMOS与非门 返回 CMOS与非门工作原理 2 CMOS或非门 图2 6 19CMOS或非门 3 带缓冲器的CMOS门 由于结构不对称上述门电路的输出特性不对称 电路的电压传输特性发生偏移 阈值电压不再是 导致噪声容限下降 当输入端数目增加时 电路结构不对称的程度会更大 实际使用的门电路均采用带缓冲级的结构 即在基本门电路的每个输入 输出端各加一级反相器 图2 60带缓冲级的CMOS与非门 输入 输出特性即为反相器的特性 这不仅改善了电路的电气特性 也给使用者带来了方便 二 CMOS传输门和双向模拟开关 COMS传输门与前面所讲的推拉式输出的门电路 OC门 三态门的区别 推拉式输出的门电路 OC门 三态门只能用来传输0 1信号 而传输门可以传输0 VDD之间的任何信号 注意 由一对参数对称一致的增强型NMOS管和PMOS管并联构成 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 0 VDD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 0 VDD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 CMOS传输门结构 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 CMOS传输门 双向模拟开关 图2 6 25CMOS双向模拟开关的电路结构和符号 三 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 图2 6 28CMOS三态门电路结构之一 返回 四 三态输出的CMOS门电路 1 反相器上增加一对P沟道和N沟道的MOS管组成 图2 6 29CMOS三态门电路结构之二 a 用或非门控制 b 用与非门控制 返回 2 在反相器的基础上增加一个控制管和一个与非门或者或非门而形成 图2 6 30CMOS三态门电路结构之三 返回 3 在反相器的输出端串进一个CMOS模拟开关 作为输出状态的控制开关 2 5 5 CMOS数字集成电路应用要点 一 CMO