数电 门电路

第三章门电路 重点 门电路外部特性 输入与输出逻辑关系外部电气特性 电压传输特性输入特性输出特性 第三章门电路 3 1概述 一 门电路实现基本运算 复合运算的单元电路如与门 与非门 或门 条件开关 输入信号满足一定条件时 门开启 允许信号通过 开门状态 关门状态 输入信号条件不满足 门关闭 信号通不过 门 与门 或门 非门 与非门 或非门 与或非门 异或门等 输出和输入之间存在着一定的逻辑关系 不同的门电路 输出与输入之间的逻辑关系也不同 如 门电路中以高 低电平表示逻辑状态的1 0 二 电平信号 1 电压范围输入 VIH VIL输出 VOH VOL 常用TTL器件 若MOS器件 高低电平界限不同 2 获得高 低电平信号的方法 开关S 理想开关S 合 开 S开关可用VI信号控制 门电路中器件 二极管和三极管可作开关 负逻辑 高电平表示0 低电平表示1 高 低电平都允许有一定的变化范围 正逻辑 高电平表示1 低电平表示0 三正 负逻辑 二极管的伏安特性 正向导通区 反向截止区 反向击穿区 3 2半导体二极管门电路 3 2 1二极管的开关特性 高电平 VIH VCC低电平 VIL 0 VI VIHD截止 VO VOH VCCVI VILD导通 VO VOL 0 7V 二极管特性 加正向向电压导通加反向电压截止 可作开关 二极管作开关缺点 有0 7V压降 硅管 有延迟 3 2 2二极管与门 设VCC 5V加到A B的VIH 3VVIL 0V二极管导通时VDF 0 7V 3 7V 3V 3V 0 7V 0V 3V 0 7V 3V 0V 0 7V 0V 0V Y B A 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 Y B A 规定3V以上为1 0 7V以下为0 与逻辑电平关系 与逻辑真值表 缺点 当VIL 0 3V时 Vo 1V 无法确定高低电平 应避免输入与输出差0 7v 若多级会电平偏移 3 2 3二极管或门 设VCC 5V加到A B的VIH 3VVIL 0V二极管导通时VDF 0 7V 2 3V 3V 3V 2 3V 0V 3V 2 3V 3V 0V 0V 0V 0V Y B A 规定2 3V以上为1 0V以下为0 二极管构成的门电路的缺点 电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路 双极型三极管的开关特性 BJT BipolarJunctionTransistor 3 5TTL门电路3 5 1半导体三极管的开关特性 二 三极管的输入特性和输出特性三极管的输入特性曲线 NPN VON 开启电压近似认为 VBE VONiB 0VBE VONiB的大小由外电路电压 电阻决定 三极管的输出特性 特性曲线分三个部分放大区 条件VCE 0 7V iB 0 iC随iB成正比变化 iC iB 饱和区 条件VCE0 VCE很低 iC随 iB增加变缓 趋于 饱和 截止区 条件VBE 0V iB 0 iC 0 c e间 断开 一 双极型三极管的基本开关电路 只要参数合理 VI VIL时 T截止 VO VOHVI VIH时 T导通 VO VOL 工作状态分析 工作状态分析 二 三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态 三 三极管反相器 三极管的基本开关电路就是非门实际应用中 为保证VI VIL时T可靠截止 常在输入接入负压 参数合理 VI VIL时 T截止 VO VOHVI VIH时 T截止 VO VOL 数字集成电路 数字集成电路分为双极型 单极型和混合型 简称IC 数字集成电路从集成度上分小规模集成电路 SSI 中规模集成电路 MSI 大规模集成电路 LSI 超大规模集成电路 VLSI TTL型与CMOS型 TTL即Transistor TransistorLogic CMOS即ComplementaryMetal Oxide Semiconductor 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 TTL电路的致命缺点是 功耗大 只能制造SSI MSI 而无法制作LSI和VLSI CMOS突出优点是 功耗极低 非常适合制作VLSI 随着其工艺不断进步 无论在工作速度还是驱动能力上 都已不比TTL逊色 CMOS已经取代TTL 成为IC的主导技术 不过现有的旧设备中 有的仍在用TTL 因此了解TTL的某些知识仍有必要 3 5 2TTL反相器的电路结构和工作原理一 电路结构设 推拉式电路 输入级 倒相级 输出级 推拉式电路 1 输入为低电平 0 2V 时 0 9V 不足以让T2 T5导通 T2 T5截止 1 输入为低电平 0 2V 时 vo 5 vR2 vbe4 vD2 3 4V输出高电平 N P 2 输入为高电平 3 4V 时 电位被嵌在2 1V vB1 VIH VON 4 1V 发射结反偏 1V T2 T5饱和导通 2 输入为高电平 3 4V 时 vo VCE5 0 2V输出低电平 无论输入如何 T4和T5总是一管导通而另一管截止 这种推拉式工作方式 静态功耗低 带载能力强 一般用T5的状态表示门的工作状态T5截止 称门电路处于关态 关断状态 T5导通 称门电路处于开态 开通状态 二 电压传输特性 电压传输特性可以反映TTL非门的几个主要电参数 输出高 低电平 VOH VOL 输出高电平VOH输出低电平VOL 关门电平 Voff 和开门电平 Von Voff VILmax Von VIHmin 在保证输出高于VOHmin允许的输入低电平的最大值 称为关门电平Voff VILmax 在保证输出低于VOLmax允许的输入高电平的最小值 称为开门电平Von VIHmin 0 8V 2V 3 4V 0 3V 输出高 低电平的最小值 输出高电平最小值VOHmin输出低电平最大值VOLmax 阈值电压 Vth 转折区中点对应的输入电压称阈值电压Vth 2 4V 0 4V VOH VOL 4噪声容限 VNH VOHmin VIHmin VNL VILmax VOLmax VNH 2 4 2 0 4V VNL 0 8 0 4 0 4V 一 输入特性 3 5 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 输入端的等效电路如图所示 输入低电平电流 输入高电平电流 一 输入特性 3 5 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 输入电流随输入电压变化的曲线 输入特性曲线如图所示 1 输入伏安特性 输入短路电流IIS IIL 高电平输入电流IIH 注 以流入门的电流为正 2 输入负载特性 123 1 4 1 相当于接0 相当于接1 3 输入端悬空 相当于接1 数字电路中要求输入负载电阻RP RON或RP ROFF 否则输入信号将不在高低电平范围内 为了防止干扰 一般将悬空的输入端人为接高电平 二 输出特性 非门输出为高电平时 输出电流的方向为流出 拉电流 实际工作中 受到功耗的限制 输出电流不能超过0 4mA IOHmax 0 4mA 由于非门输出电阻的存在 输出电压随输出电流的增大而下降 拉电流 IOH 反映输出电压vO与输出电流iL的关系 规定灌入电流为正方向 拉出电流为负方向 非门输出为低电平时 灌电流 IOL 输出电流的方向为流入 灌电流 输出电压随输出电流的增大而增大 IOLmax 16mA IOL max 3 5 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 例 扇出系数 Fan out 试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载 扇出系数N IO 驱动门 II 负载门 解 G1的负载电流是所有负载门输入电流之和 对于低电平 由输入特性可知 当VI 0 2V时每个门的输入电流iI 1mA 对于高电平 由输入特性可知 每个门的输入电流为40微安 取N 10 当RP RON时 相当于输入端接高电平 输入端悬空 相当于接高电平 当RP ROFF时 相当于输入端接低电平 适用所有的TTL门电路 例题 写出图中门电路的逻辑式 TTL门电路的动态特性 一 传输延迟时间tpd tpd表征门电路的开关速度 tpHL tpLH 导通传输时间 截止传输时间 平均传输延迟时间 Propagationdelay tpd 5 15ns 上升沿 下降沿 问 哪个长 为什么 tpHL tpLH 平均传输延迟时间 Propagationdelay 8ns 12ns T5管导通时工作在深度饱和状态 其从导通转换为截止 对应输出从低电平跳变为高电平 的开关时间较长 因此tpHL tpLH 3 5 5其他类型的TTL门电路 一 其他逻辑功能的门电路1 与非门 二 集电极开路的门电路 1 推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强 尤其是高电平输出 输出端不能并联使用OC门 2 OC门的结构特点 注 此时T5管存在截止的漏电流 约0 5ma OC门实现的线与 3 外接负载电阻RL的计算 3 外接负载电阻RL的计算 3 外接负载电阻RL的计算 三 三态输出门 ThreestateOutputGate TS 三态门的用途 1 总线结构 2 双向数据传输 输入特性 直流电流为0 看进去有一个输入电容CI 对动态有影响 输出特性 iD f VDS 对应不同的VGS下得一族曲线 3 3CMOS门电路MOS管的开关特性 一输入特性和输出特性 漏极特性曲线 分三个区域 截止区恒流区可变电阻区 截止区 恒流区 可变电阻区 三 MOS管的基本开关电路 四 等效电路 OFF 截止状态ON 导通状态 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 一 电路结构 T1管 P沟道增强型MOS管T2管 N沟道增强型MOS管 N P 二 电压 电流传输特性 N P 无论VI高低电平 T1和T2管总是一个导通一个截止的互补状态 该电路称为互补对称式金属氧化物 半导体电路 CMOS电路 优点 静态电流极小 功耗极小 3 3 3CMOS反相器的静态输入和输出特性 一 输入特性 二 输出特性 二 输出特性 3 3 5其他类型的CMOS门电路 一 其他逻辑功能的门电路 1 与非门2 或非门 二 漏极开路的门电路 OD门 OD门输出端截止 输出高电平时 为保证输出高电平不低于规定的数值 RL不能取值太大 OD门输出低电平时 为保证负载电流不超过MOS管允许的最大电流 RL不能取值太小 三 CMOS传输门 1 传输门 2 双向模拟开关 四 三态输出门 3 3 6COMS电路的正确使用 一 输入电路的静电防护 1 储存 运输COMS器件时 不使用易产生静电的材料包装 2 组装 调试时 使用的工具要很好的接地 3 不用的输入端不应悬空 3 3 6COMS电路的正确使用 二 输入电路的过流保护 1 输入端接低内阻信号源时 应在输入端与信号源之间传入保护电阻 2 输入端接有大电阻时 也应在输入端与信号源之间接入保护电阻 3 输入端接长线时 也应在输入端接入保护电阻 3 3 7CMOS数字集成电路的各种系列 标准化 系列化的产品有4000系列 HC HCT系列 AHC AHCT系列 VHC VHCT LVC系列 ALVC系列等 最早的COMS集成电路是有4000系列 电压范围较宽 传输延迟时间较长 带负载能力较弱 HC HCT是高速COMS逻辑系列的简称 它的传输延迟时间缩短 带负载能力提高 HC系列电压范围在2 6V之间 HCT系列工作电压为单一的5V 可与TTL电路匹配 AHC AHCT是改进的高速COMS逻辑系列的简称 工作速度提高一倍 带负载能力提高近一倍 AHC AHCT又能与HC HCT系列产品兼容 为系统更新带来方便 两者的区别在工作范围电压和对输入电平的要求不同上 与TI公司的AHC AHCT系列性能相近的有VHC VHCT系列 是其他公司产品 LVC是TI公司近年推出的低压COMS逻辑系列的简称 工作在1 65 3 3V的低压范围 传输时间也缩短至3 8ns 负载能力增强 ALVC是改进的低压COMS逻辑系列的简称 在移动式便携电子设备上 LVC和ALVC优势明显 一 高速系列74H 54H High SpeedTTL 电路的改进 1 输出级采用复合管 减小输出电阻Ro 2 减少各电阻值2 性能特点速度提高的同时功耗也增加 3 5 6TTL电路的改进系列 二 肖特基系列74S 54S Schottky