《逻辑门电路》PPT课件.ppt

第3章逻辑门电路 概述分立元件门电路TTL集成逻辑门电路CMOS集成逻辑门电路本章小结 3 1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 一 门电路的作用和常用类型 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 高电平和低电平的含义 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 3 2三极管的开关特性 主要要求 理解三极管的开关特性 掌握三极管开关工作的条件 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 三极管截止关断 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 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 UIH 三极管饱和开通 当输入uI为高电平 使iB IB sat 时 三极管饱和 uBE UCE sat 0 3V 0 C E间相当于开关合上 三极管饱和状态等效电路 iB愈大于IB Sat 则饱和愈深 例 下图电路中 50 UBE on 0 7V UIH 3 6V UIL 0 3V 为使三极管开关工作 试选择RB值 并对应输入波形画出输出波形 解 1 根据开关工作条件确定RB取值 uI UIL 0 3V时 三极管满足截止条件 uI UIH 3 6V时 为使三极管饱和 应满足iB IB sat 所以求得RB 29k 可取标称值27k 2 对应输入波形画出输出波形 可见 该电路在输入低电平时输出高电平 输入高电平时输出低电平 因此构成三极管非门 由于输出信号与输入信号反相 故又称三极管反相器 三极管截止时 iC 0 uO 5V 三极管饱和时 uO UCE sat 0 3V 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IC sat uC从VCC逐渐减小为UCE sat 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 9IC sat 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 1IC sat 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 在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管 简称SBD 抗饱和三极管的开关速度高 没有电荷存储效应 SBD的导通电压只有0 4V而非0 7V 因此UBC 0 4V时 SBD便导通 使UBC钳在0 4V上 降低了饱和深度 三 抗饱和三极管简介 3 3TTL集成逻辑门 主要要求 了解TTL与非门的组成和工作原理 掌握TTL基本门的逻辑功能和主要外特性 了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用 了解TTL集成逻辑门的主要参数和使用常识 一 TTL与非门的基本组成与外特性 一 典型TTL与非门电路 输入级主要由多发射极管V1和基极电阻R1组成 用以实现输入变量A B C的与运算 一 TTL与非门的基本组成与外特性 一 典型TTL与非门电路 中间级起倒相放大作用 V2集电极C2和发射极E2同时输出两个逻辑电平相反的信号 分别驱动V3和V5 RB RC和V6构成有源泄放电路 用以减小V5管开关时间 从而提高门电路工作速度 一 TTL与非门的基本组成与外特性 一 典型TTL与非门电路 除V4外 采用了抗饱和三极管 用以提高门电路工作速度 V4不会工作于饱和状态 因此用普通三极管 输出级由V3 V4 R4 R5和V5组成 其中V3和V4构成复合管 与V5构成推拉式输出结构 提高了负载能力 VD1 VD3在正常信号输入时不工作 因此下面的分析中不予考虑 RB RC和V6所构成的有源泄放电路的作用是提高开关速度 它们不影响与非门的逻辑功能 因此下面的工作原理分析中也不予考虑 二 TTL与非门的工作原理 因为抗饱和三极管V1的集电结导通电压为0 4V 而V2 V5发射结导通电压为0 7V 因此要使V1集电结和V2 V5发射结导通 必须uB1 1 8V 0 3V3 6V3 6V 输入端有一个或数个为低电平时 输出高电平 输入低电平端对应的发射结导通 uB1 0 7V 0 3V 1V V1管其他发射结因反偏而截止 1V 这时V2 V5截止 V2截止使V1集电极等效电阻很大 使IB1 IB1 sat V1深度饱和 V2截止使uC2 VCC 5V 5V 因此 输入有低电平时 输出为高电平 二 TTL与非门的工作原理 综上所述 该电路实现了与非逻辑功能 即 3 6V3 6V3 6V 因此 V1发射结反偏而集电极正偏 称处于倒置放大状态 1 8V 这时V2 V5饱和 uC2 UCE2 sat uBE5 0 3V 0 7V 1V 使V3导通 而V4截止 1V uY UCE5 sat 0 3V输出为低电平 因此 输入均为高电平时 输出为低电平 0 3V V4截止使V5的等效集电极电阻很大 使IB5 IB5 sat 因此V5深度饱和 倒置放大 TTL电路输入端悬空时相当于输入高电平 输入均为高电平时 输出低电平 VCC经R1使V1集电结和V2 V5发射结导通 使uB1 1 8V 深 注意 2 TTL与非门的工作原理 三 TTL与非门的外特性及主要参数 1 电压传输特性和噪声容限 uI较小时工作于AB段 这时V2 V5截止 V3 V4导通 输出恒为高电平 UOH 3 6V 称与非门工作在截止区或处于关门状态 uI较大时工作于BC段 这时V2 V5工作于放大区 uI的微小增大引起uO急剧下降 称与非门工作在转折区 uI很大时工作于CD段 这时V2 V5饱和 输出恒为低电平 UOL 0 3V 称与非门工作在饱和区或处于开门状态 三 TTL与非门的外特性及主要参数 1 电压传输特性和噪声容限 有关参数 输出高电平UOH 输出低电平UOL 关门电平UOFF 保证输出不小于高电平下限时 允许的输入低电平的最大值 开门电平UON 保证输出不高于低电平上限时 允许的输入高电平的最小值 UOFF UON 噪声容限越大 抗干扰能力越强 指输入低电平时 允许的最大正向噪声电压 UNL UOFF UIL 指输入高电平时 允许的最大负向噪声电压 UNH UIH UON 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 输入高电平噪声容限UNH 输入低电平噪声容限UNL 3 负载能力 负载电流流入与非门的输出端 负载电流从与非门的输出端流向外负载 输入均为高电平 输入有低电平 输出为低电平 输出为高电平 灌电流负载 拉电流负载 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 3 负载能力 负载电流流入与非门的输出端 负载电流从与非门的输出端流向外负载 输入均为高电平 输入有低电平 输出为低电平 输出为高电平 灌电流负载 拉电流负载 实用中常用扇出系数NOL表示电路负载能力 门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数 4 传输延迟时间 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 tPHL tPLH 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 平均传输延迟时间tpd tpd越小 则门电路开关速度越高 工作频率越高 5 功耗 延迟积 常用功耗P和平均传输延迟时间tpd的乘积 简称功耗 延迟积 来综合评价门电路的性能 即M Ptpd 性能优越的门电路应具有功耗低 工作速度高的特点 然而这两者矛盾 M又称品质因素 值越小 说明综合性能越好 使用时需外接上拉电阻RL VC可以等于VCC也可不等于VCC 二 其他功能的TTL门电路 一 集电极开路与非门 1 电路 逻辑符号和工作原理 输入都为高电平时V2和V5饱和导通 输出为低电平UOL 0 3V 输入有低电平时V2和V5截止 输出为高电平UOH VC 因此具有与非功能 工作原理 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 2 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 例 下图为用OC门驱动发光二极管LED的显示电路 已知LED的正向导通压降UF 2V 正向工作电流IF 10mA 为保证电路正常工作 试确定RC的值 解 为保证电路正常工作 应满足 因此RC 270 分析 该电路只有在A B均为高电平 使输出uO为低电平时 LED才导通发光 否则LED中无电流流通 不发光 要使LED发光 应满足IRc IF 10mA 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 3V UOH VDD 正好符合CMOS电路UIH VDD UIL 0的要求 EN即Enable 二 三态输出门 2 应用 2 构成双向总线 2 构成双向总线 2 构成双向总线 TTL集成门的类型很多 那么如何识别它们 各类型之间有何异同 如何选用合适的门 三 TTL集成门应用要点 1 各系列TTL集成门的比较与选用 用于民品 用于军品 具有完全相同的电路结构和电气性能参数 但CT54系列更适合在温度条件恶劣 供电电源变化大的环境中工作 按工作温度和电源允许变化范围不同分为 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 集成门的选用要点 1 实际使用中的最高工作频率fm应不大于逻辑门最高工作频率fmax的一半 实物图片 双列直插14引脚四2输入与非门 2 TTL集成逻辑门的使用要点 1 电源电压用 5V 74系列应满足5V 5 2 输出端的连接 普通TTL门输出端不允许直接并联使用 三态输出门的输出端可并联使用 但同一时刻只能有一个门工作 其他门输出处于高阻状态 集电极开路门输出端可并联使用 但公共输出端和电源VCC之间应接负载电阻RL 输出端不允许直接接电源VCC或直接接地 输出电流应小于产品手册上规定的最大值 3 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 做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空 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 主要要求 掌握CMOS反相器的电路 工作原理和主要外特性 了解CMOS数字集成电路的应用要点 了解CMOS与非门 或非门 开路门 三态门和传输门的电路和逻辑功能 3 4CMOS集成逻辑门 48 1 1N沟道增强型MOSFET 剖面图 1 结构 N沟道 符号 49 1 1N沟道增强型MOSFET 2 工作原理 uGS对沟道的控制作用 当uGS 0时 无导电沟道 d s间加电压时 也无电流产生 当0 uGS UGS th 时 产生电场 但未形成导电沟道 d s间加电压后 没有电流产生 当uGS UGS th 时 在电场作用下产生导电沟道 d s间加电压后 将有电流产生 uGS越大 导电沟道越厚 UGS th 称为开启电压 一 CMOS反相器 一 电路基本结构 要求VDD UGS th N UGS th P 且UGS th N UGS th P UGS th N 增强型NMOS管开启电压 增强型PMOS管开启电压 UGS th P 一 CMOS反相器 一 电路基本结构 要求VDD UGS th N UGS th P 且UGS th N UGS th P UGS th N 增强型NMOS管开启电压 增强型PMOS管开启电压 UGS th P UIL 0V UIH VDD 二 工作原理 uO VDD为高电平 uO 0V 为低电平 二 工作原理 可见该电路构成CMOS非门 又称CMOS反相器 无论输入高低 VN VP中总有一管截止 使静态漏极电流iD 0 因此CMOS反相器静态功耗极微小 uO VDD为高电平 uO 0V 为低电平 二 其他功能的CMOS门电路 一 CMOS与非门和或非门 1 CMOS与非门 CMOS与非门工作原理 2 CMOS或非门 二 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 由一对参数对称一致的增强型NMOS管和PMOS管并联构成 三 CMOS传输门 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 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 由一对参数对称一致的增强型NMOS管和PMOS管并联构成 三 CMOS传输门 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 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 三 CMOS传输门 四 CMOS三态输出门 工作原理 因此构成使能端低电平有效的三态门 EN 三 CMOS数字集成电路应用要点 一 CMOS数字集成电路系列 提高速度措施 减小MOS管的极间电容 由于CMOS电路UTH VDD 2 噪声容限UNL UNH VDD 2 因此抗干扰能力很强 电源电压越高 抗干扰能力越强 民品 军品 VDD 2 6V T表示与TTL兼容VDD 4 5 5 5V 1 注意不同系列CMOS电路允许的电源电压范围不同 一般多用 5V 电源电压越高 抗干扰能力也越强 二 CMOS集成逻辑门使用要点 2 闲置输入端的处理 不允许悬空 可与使用输入端并联使用 但这样会增大输入电容 使速度下降 因此工作频率高时不宜这样用 与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平 或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平 主要要求 了解TTL和CMOS电路的主要差异 了解集成门电路的选用和应用 3 5集成逻辑门电路的应用 一 CMOS门电路比之TTL的主要特点 注意 CMOS电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高 所需驱动功率极小 并非CMOS电路的驱动能力比TTL强 实际上CMOS4000系列驱动能力远小于TTL HCMOS驱动能力与TTL相近 二 集成逻辑门电路的选用 根据电路工作要求和市场因素等综合决定 若对功耗和抗干扰能力要求一般 可选用TTL电路 目前多用74LS系列 它的功耗较小 工作频率一般可用至20MHz 如工作频率较高 可选用CT74ALS系列 其工作频率一般可至50MHz 若要求功耗低 抗干扰能力强 则应选用CMOS电路 其中CMOS4000系列一般用于工作频率1MHz以下 驱动能力要求不高的场合 HCMOS常用于工作频率20MHz以下 要求较强驱动能力的场合 解 三 集成逻辑门电路应用举例 例 试改正下图电路的错误 使其正常工作 VDD 可用两级电路2个与非门实现之 例 试分别采用与非门和或非门实现与门和或门 解 1 用与非门实现与门 设法将Y AB用与非式表示 因此 用与非门实现的与门电路为 Y AB 可用两级电路3个与非门实现 2 用与非门实现或门 因此 用与非门实现的或门电路为 Y A B 设法将Y A B用与非式表示 可用两级电路3个或非门实现之 3 用或非门实现与门 设法将Y AB用或非式表示 因此 用或非门实现的与门电路为 将或非门多余输入端与有用端并联使用构成非门 Y AB 可用两级电路2个或非门实现之 4 用或非门实现或门 设法将Y A B用或非式表示 因此 用或非门实现的或门电路为 Y A B 例 有一个火灾报警系统 设有烟感 温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器 为了防止误报警 只有当其中两种或三种探测器发出探测信号时 报警系统才产生报警信号 试用与非门设计产生报警信号的电路 解 1 分析设计要求 建立真值表 报警电路的输入信号为烟感 温感和紫外光感三种探测器的输出信号 设用A B C表示 且规定有火灾探测信号时用1表示 否则用0表示 报警电路的输出用Y表示 且规定需报警时Y为1 否则Y为0 由此可列出真值表如右图所示 2 根据真值表画函数卡诺图 1 1 1 1 3 用卡诺图化简法求出输出逻辑函数的最简与或表达式 再变换为与非表达式 Y AB AC BC 4 画逻辑图 根据Y的与非表达式画逻辑图 Y 门电路是组成数字电路的基本单元之一 最基本的逻辑门电路有与门 或门和非门 实用中通常采用集成门电路 常用的有与非门 或非门 与或非门 异或门 输出开路门 三态门和CMOS传输门等 门电路的学习重点是常用集成门的逻辑功能 外特性和应用方法 本章小结 在数字电路中 三极管作为开关使用 硅NPN管的截止条件为UBE 0 5V 可靠截止条件为UBE 0V 这时iB 0 iC 0 集电极和发射极之间相当于开关断开 饱和条件为iB IB sat 这时 硅管的UBE sat 0 7V UCE sat 0 3V 集电极和发射极之间相当于开关闭合 三极管的开关时间限制了开关速度 开关时间主要由电荷存储效应引起 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 TTL数字集成电路主要有CT74标准系列 CT74L低功耗系列 CT74H高速系列 CT74S肖特基系列 CT74LS低功耗肖特基系列 CT74AS先进肖特基系列和CT74ALS先进低功耗肖特基系列 其中 CT74L系列功耗最小 CT74AS系列工作频率最高 通常用功耗 延迟积来综合评价门电路性能 CT74LS系列功耗 延迟积很小 性能优越 品种多 价格便宜 实用中多选用之 ALSTTL系列性能更优于LSTTL 但品种少 价格较高 CMOS数字集成电路主要有CMOS4