第2章_门电路

第二章门电路 2 1概述2 2分立元件门电路2 3TTL集成门电路2 4CMOS门电路 主讲 陈清华 2 1概述 一 门电路的功能 实现基本逻辑运算或者复合逻辑运算 基本逻辑运算 与 或 非 复合逻辑运算 与非 或非 与或非 异或 同或 二 正逻辑与负逻辑采用正逻辑时 1 代表高电平 0 代表低电平 采用负逻辑时 1 代表低电平 0 代表高电平 逻辑电平 高电平UH 输入高电平UIH输出高电平UOH低电平UL 输入低电平UIL输出低电平UOL逻辑 0 和逻辑 1 对应的电压范围较宽 因此在数字电路中 对电子元件 器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低 VI控制开关S的断 通情况 S断开 VO为高电平 S接通 VO为低电平 逻辑电平 5V 0V 0 8V 2V 实际开关为晶体二极管 三极管以及场效应管等电子器件 一 二极管伏安特性 半导体二极管和三极管的开关特性 门坎电压Uth 反向击穿电压 二极管的单向导电性 外加正向电压 二极管导通 导通压降约为0 7V 外加反向电压 二极管截止 利用二极管的单向导电性 相当于一个受外加电压极性控制的开关 当uI UIL时 D导通 uO 0 7 UOL 开关闭合 二 二极管开关特性 假定 UIH VCC UIL 0 当uI UIH时 D截止 uo VCC UOH 开关断开 一 双极型三极管结构 双极型三极管的开关特性 因有电子和空穴两种载流子参与导电过程 故称为双极型三极管 二 双极型三极管输入特性 双极型三极管的应用中 通常是通过b e间的电流iB控制c e间的电流iC实现其电路功能的 因此 以b e间的回路作为输入回路 c e间的回路作为输出回路 输入回路实质是一个PN结 其输入特性基本等同于二极管的伏安特性 三 双极型三极管输出特性 放大区 发射结正偏 集电结反偏 ube uT ubcVT ubc VT 深度饱和状态下 饱和压降UCEs约为0 2V 四 双极型三极管开关特性 利用三极管的饱和与截止两种状态 合理选择电路参数 可产生类似于开关的闭合和断开的效果 用于输出高 低电平 即开关工作状态 当uI UIL时 三极管截止 uO Vcc UOH 开关断开 假定 UIH VCC UIL 0 当uI UIH时 三极管深度饱和 uo USEs UOL 开关闭合 MOS管是金属 氧化物 半导体场效应管的简称 Metal Oxide SemiconductorField EffectTransistor 由于只有多数载流子参与导电 故也称为单极型三极管 一 MOS管结构 MOS管的开关特性 NMOS管电路符号 PMOS管电路符号 二 MOS管开关特性 NMOS管的基本开关电路 当uI UIL时 MOS管截止 uO VDD UOH 开关断开 当uI UIH时 MOS管导通 uo 0 UOL 开关闭合 选择合适的电路参数 则可以保证 三 门电路的分类 集成电路优点 体积小 耗电少 重量轻 可靠性高等 2 2分立元件门电路 一 二极管与门电路 D1On D2On D1On D2Off D1Off D2On D1On D2On 0 0 7V 0 0 7V 0 0 7V 1 3 7V 二 二极管 或 门电路 D1OnD2On D1OffD2On D1OnD2Off D1OnD2On 0 0 7V 1 2 3V 1 2 3V 1 2 3V 三 三极管非门电路 VT饱和 VT截止 1 BJT反相器 非门电路 三极管具有饱和 放大和截止三种工作状态 在数字电路中 静态主要工作于饱和和截止状态 Y VT饱和 VT截止 1 BJT反相器 非门电路 Y T饱和 T截止 2 场效应管非门电路 Y 例2 1 计算图 a b 所示电路 当输入端A分别接0V 5V和悬空时输出电压U0的数值 并指出三极管的工作状态 设极管的电流放大倍数为 100 解 对于图 a 所示的电路 当Vi 0和悬空时 因三极管基极与 8V电源相连 所以 三极管基极的电位将小于0V 三极管处在截止的状态 输出电压VO 8V 当Vi 5V时 假设三极管正常放大 设流过4 3k 和20k 电阻的电流分别为I1和I2 根据节点电位法可得 5V 说明假设不成立 三极管处于饱和工作状态 输出电压Vo 0 2V 解 对于图 b 所示的电路 当Vi 0时 因三极管基极与 5V电源相连 所以 三极管基极的电位将小于0V 三极管处在截止的状态 输出电压VO 5V 当Vi悬空时 假设三极管正常放大 设流过4 3k 和20k 电阻的电流分别为I1和I2 根据节点电位法可得 悬空 说明假设不成立 三极管截止 输出电压Vo 5V 当Vi 5V时 设三极管处在正常放大的状态 基极电位为0 7V 5V 说明假设不成立 三极管处于饱和工作状态 输出电压Vo 0 2V 三极管非门 与非门 分立器件的复合门电路 二极管与门 三极管非门 与非门 二极管或门 三极管非门 或非门 分立器件的复合门电路 2 3TTL集成门电路 2 3 1TTL非门电路2 3 2TTL门电路的输入 输出特性2 3 3TTL与非门电路2 3 4TTL或非门电路2 3 5集电极开路的门电路 OC门 2 3 6三态门电路 TS门 2 3TTL集成门电路 1 电路结构图 输入级 倒相级 输出级 2 工作原理 设Vcc 5V UIH 3 4V UIL 0 2V PN结的导通电压为0 7V 2 1V UA T1发射结 UB1 T2 T3 T4 UY 0 2V 导通 0 9V 截止 导通 截止 3 6V 3 4V 导通 4 1V 导通 截止 导通 0 2V T1集电结 截止 导通 T1 T2 T3 T4 Y VCC A UB1 2 3 1TTL非门 VD1 VD2 因为 T2 T4导通后 把UB1钳制在2 1V 此时 T1处于倒置工作状态 IIH都很小 74系列门电路的每个输入端的IIH 40 A IIH 3 4V 2 1V 1 4V 3 电压传输特性 TTL非门的电压传输特性如图 当VI 0 7V T1导通 T2截止 T4截止 T3导通 Vo 3 4VAB段截止区 当0 7V VI 1 3V T1导通 T2导通 T4截止 T3导通 VI Vo BC段线性区 当1 3V VI 1 5V T2 T4导通 T3截止 Vo CD段转折区转折区中点对应的输入电压叫阈值电压 记为UTH UTH 1 4V 当VI 1 5V T2 T4导通 T3截止 Vo 0 2VDE段饱和区 VO V VI V E 实际应用中 由于外界干扰 电源波动等原因 可能使输入电平UI偏离规定值 为了保证电路可靠工作 应对干扰的幅度有一定限制 称为噪声容限 输入噪声容限 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下 允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压 负向干扰 用UNH表示 低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下 允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压 正向干扰 用UNL表示 UNL UIL max UIL UNH UIH UIH min UOH min UIH min UNH UIL max UOL max UNL 输入低电平噪声容限 UNL UIL max UOL max输入高电平噪声容限 UNH UOH min UIH min 74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为 UNL 0 8V 0 5V 0 3VUNH 2 7V 2 0V 0 7V 5V 2 7V 0 5V 0V 5V 2V 0 8V 0V 2 输入为高电平时 T1管倒置工作 0 02 高电平输入电流IIH很小 为 A级 低电平输入电流IIL较大 IIL 1mA 一 输入特性 1 输入低电平时 近似分析时 常用IIS来代替 IIS是输入短路 UIL 0 时的电流 2 3 2TTL非门的输入特性和输出特性 输入短路电流IIS 1 43mA IIS称为输入短路电流 IIH称为高电平输入电流 输入特性曲线 二 输出特性 1 输出为低电平时 输出电流为灌电流 随着N1增大 IOL增大 T4管的饱和深度降低 VOL增大 为了保证VOL VOLmax 要限制负载门的数目N1 可见 负载的灌电流太大 输出就可能脱离低电平 出现逻辑错误 2 输出端为高电平时 输出电流为拉电流 随着负载门个数N2的增大 VOH下降 可见 为了保证VOH VOHmin 要限制负载门的数目N2 可见 负载的拉电流太大 输出就可能脱离高电平 出现逻辑错误 对于74LS系列的TTL门允许最大的拉电流为IOH 0 4mA最大的灌电流为IOL 18mA TTL系列门电路 74 标准系列 74H 高速系列 74S 肖特基系列 74LS 低功耗肖特基系列 74LS系列成为功耗延迟积较小的系列 74LS系列产品具有最佳的综合性能 是TTL集成电路的主流 是应用最广的系列 性能比较好的门电路应该是工作速度既快 功耗又小的门电路 因此 通常用功耗和传输延迟时间的乘积 简称功耗 延迟积 来评价门电路性能的优劣 功耗 延迟积越小 门电路的综合性能就越好 74AS 先进肖特基系列 74ALS 先进低功耗肖特基系列 三 门电路的扇出系数 1 扇出系数N是门电路可以驱动同类门电路的最大数目 N应该确定为上述N1和N2的较小值 2 从输入特性中已经知道IIS 输入短路电流 1 43mA IIH 高电平输入电流 19 3 A 灌电流 拉电流 四 输入端的负载特性 TTL门电路的输入电压uI与输入端接地电阻RI之间的函数关系 uI f RI 称为输入端的负载特性 这是TTL门电路特有的一种特性 可见 uI小的时候VT1处于导通状态 uI随RI的增加而增加 当增加到1 4V VT1的基极为2 1V 可见 uI小的时候VT1处于导通状态 uI是随RI的增加而增加 当增加到1 4V VT1的基极为2 1V VT2 VT4发射结导通 VT1基极被嵌在2 1V uI也就被嵌在1 4V 不会再增加 当A 1 时 Y1 0 Y 1 当A 1 时 Y1 0 Y 0 五 TTL门电路的传输延迟时间 tPHL uO从高电平跳到低电平的延迟时间 导通延迟 tPLH uO从低电平跳到高电平的延迟时间 截止延迟 电路组成 VT1采用多发射极三极管 工作原理 2 3 3TTL与非门电路 饱和 截止 00 截止 饱和 1 电路组成 VT1采用多发射极三极管 工作原理 2 3 3TTL与非门电路 饱和 截止 1 饱和 截止 饱和 截止 01 截止 饱和 1 电路组成 VT1采用多发射极三极管 工作原理 2 3 3TTL与非门电路 饱和 截止 1 饱和 截止 饱和 截止 截止 饱和 1 饱和 截止 10 截止 饱和 1 电路组成 VT1采用多发射极三极管 工作原理 2 3 3TTL与非门电路 饱和 截止 1 饱和 截止 饱和 截止 截止 饱和 1 饱和 截止 11 截止 饱和 1 倒置 倒置 饱和 饱和 截止 0 是与非门 电路组成 工作原理 2 3 4TTL或非门电路 饱和 饱和 截止 截止 饱和 截止 1 00 电路组成 工作原理 2 3 4TTL或非门电路 饱和 饱和 截止 截止 饱和 截止 1 饱和 倒置 截止 饱和 截止 饱和 0 01 倒置 电路组成 工作原理 2 3 4TTL或非门电路 饱和 饱和 截止 截止 饱和 截止 1 饱和 倒置 截止 饱和 截止 饱和 0 10 倒置 饱和 截止 倒置 饱和 饱和 截止 0 电路组成 工作原理 2 3 4TTL或非门电路 饱和 饱和 截止 截止 饱和 截止 1 饱和 倒置 截止 饱和 截止 饱和 0 11 倒置 饱和 截止 倒置 饱和 饱和 截止 0 倒置 倒置 饱和 倒置 饱和 饱和 截止 0 这是什么门电路 饱和 饱和 截止 截止 饱和 截止 饱和 00 饱和 截止 0 这是什么门电路 饱和 饱和 截止 截止 饱和 截止 饱和 01 饱和 截止 0 倒置 饱和 截止 倒置 饱和 饱和 截止 截止 截止 饱和 1 这是什么门电路 饱和 饱和 截止 截止 饱和 截止 饱和 10 饱和 截止 0 倒置 饱和 截止 饱和 饱和 截止 截止 截止 饱和 1 饱和 截止 饱和 截止 倒置 倒置 饱和 截止 截止 饱和 1 这是什么门电路 饱和 饱和 截止 截止 饱和 截止 饱和 11 饱和 截止 0 倒置 饱和 截止 饱和 饱和 截止 截止 截止 饱和 1 饱和 截止 饱和 截止 倒置 饱和 截止 截止 饱和 1 倒置 倒置 饱和 饱和 截止 倒置 倒置 饱和 截止 倒置 倒置 饱和 0 是异或门 习题2 5 a Y AB c Y A B 关于图腾柱结构的TTL门电路的 线与 问题 1 什么是图腾柱结构 输出级的VT3 VT4当一个导通 另一个必定截止 以这种推挽的形式连接的电路结构称为图腾柱结构 2 什么是 线与 将两个或者两个以上门电路的输出端相连 形成 与 的逻辑关系称为 线与 2 3 5集电极开路的门电路 OC门 线与 当YA YB比如YA 1 YB 0 A门的VT3导通 VT4截止B门的VT3截止 VT4导通 就会形成环路电流 由于R4很小环路电流将很大 而损坏导通管 可见 图腾柱结构的TTL门电路不能够 线与 因此产生了集电极开路结构 即省去R4 VT3 VD2 并且把VT4的集电极 开路 出来 3 图腾柱结构的TTL门电路的 线与 出现的问题 OC门 OC与非门的图形符号 OC门可以 线与 但是必须通过上拉电阻R接到电源VCC 1 当AB 0 CD 0时两个VT1都导通 00 00 两个VT4都截止 Y1 Y2 1 Y 1 1 当AB 0 CD 0时两个VT1都导通 两个VT4都截止 Y1 Y2 1 Y 1 2 当AB 1 CD 1时两个VT1都倒置 11 倒置 两个VT4都导通 Y1 Y2 0 Y 0 倒置 11 1 当AB 0 CD 0时两个VT1都导通 两个VT4都截止 Y1 Y2 1 Y 1 2 当AB 1 CD 1时两个VT1都倒置 两个VT4都导通 Y1 Y2 0 Y 0 3 当AB 0 CD 1或者AB 1 CD 0 00 11 倒置 VT4一个导通 另一个截止 Y1 Y2 Y 0 可见是 与 的关系 并且没有环路电流 即 Y Y1 Y2 4 上拉电阻R取值范围的计算 当n个前级门输出均为高电平VOH 即所有OC门同时截止时 为保证输出的高电平不低于规定的VOHmin值 上拉电阻不能过大 其最大值计算公式 IIH IOH VOH 上拉电阻R取值范围的计算 当n个前级门中有一个输出为低电平VOL 且所有OC门中只有一个导通时 全部负载电流都流入导通的那个OC门 为确保流入导通OC门的电流不至于超过最大允许的IOLmax值 R值不可太小 其最小值计算公式 VOL IOLM IIS 例如 0 676k R 5 33k 已知 例如 0 767k R 3 4783k 已知 2 3 6三态门 TS门 1 关于 三态 门电路输出高电平 1 称为截止态 输出低电平 0 称为饱和态输出不是高电平 1 也不是低电平 0 称为禁止态 或高阻态 这时 输入信号无法传输到输出 即禁止信号输出 2 电路组成 以三态与非门为例 控制端低电平有效的三态与非门图形符号 3 工作原理 以低电平有效为例 实现与门的功能 0 1 同时VT1饱和 VT2 VT4截止 所以 输出端Y对VCC和地都断开呈现高电阻状态Y Z 即高阻态或称禁止态 1 0 控制端高电平有效的三态与非门图形符号 4 应用举例 两路开关 1 0 1 0 1 0 1 单向数据总线 双向数据总线 0 1 2 4CMOS门电路 一 N沟道增强型MOS场效应管 N沟道增强型MOS图形符号 uds 0 ugs ugs th uds 0 Id O ugs th 称为开启电压 转移特性 P沟道增强型MOS图形符号 与N沟道增强型MOS的区别仅仅是电压极性相反 其他特性都相同 二 NMOS非门电路 当输入端A 1 并且A的电位大与ugs th d s之间导通 导通电阻Rds Rd d s之间的分压很小 所以Y 0 当输入端A 0 A的电位小与ugs th d s之间截止 截止电阻Rds Rd d s之间的分压很大 所以Y 1 可见 这个电路实现非门的功能 这个电路的缺点是d s之间导通时 要求Rd越大越好 d s之间截止时又要求Rd越小越好 矛盾不容易调解 三 PMOS非门电路 与NMOS非门电路不同的是 PMOS非门电路ugs th 0 采用负电源 A 1 ugs ugs th 0 d s之间导通uds 0 Y 0 A 0 ugs ugs th d s之间截止uds 0 Y 1 四 CMOS非门电路 由成对的N管 VT1 与P管 VT2 复合而成的 VT1管作为驱动管 VT2作为负载管 采用一个正电源 1 A 1 时 N管 VT1 ug1s1 ugs1 th 导通 Y 0 P管 VT2 ug2s2 ugs2 th 截止 2 A 0 时 N管 VT1 ug1s1 ugs1 th 截止P管 VT2 ug2s2 ugs2 th 导通 Y 1 可见 可以实现非门的功能 VT2作为负载管代替NMOS非门电路的Rd 导通时电阻很小 截止时 电阻很大 解决了NMOS非门电路的矛盾 ugs1 th 0ugs2 th 0 五 CMOS与非门电路 VT1和VT3是一对VT2和VT4是一对 00 截止截止导通导通 1 五 CMOS与非门电路 VT1和VT3是一对VT2和VT4是一对 01 导通截止截止导通 1 五 CMOS与非门电路 VT1和VT3是一对VT2和VT4是一对 10 截止导通导通截止 1 五 CMOS与非门电路 VT1和VT3是一对VT2和VT4是一对 11 导通导通截止截止 0 六 CMOS或非门电路 VT1和VT4是一对VT2和VT3是一对 00 截止截止导通导通 1 六 CMOS或非门电路 VT1和VT4是一对VT2和VT3是一对 01 截止导通截止导通 0 六 CMOS或非门电路 VT1和VT4是一对VT2和VT3是一对 10 导通截止导通截止 0 六 CMOS或非门电路 VT1和VT4是一对VT2和VT3是一对 11 导通导通截止截止 0 1 当A B 1 时 VT1 VT2导通 VT3 VT4截止 设MOS管的导通电组为Ron 则Ro Ron 11 该电路的输出阻抗Ro随输入信号的变化而变化 1 当A B 1 时 VT1 VT2导通 VT3 VT4截止 设MOS管的导通电组为Ron 则Ro Ron 00 该电路的输出阻抗Ro随输入信号的变化而变化 2 当A B 0 时 VT1 VT2截止 VT3 VT4导通 则Ro 2Ron 1 当A B 1 时 VT1 VT2导通 VT3 VT4截止 设MOS管的导通电组为Ron 则Ro Ron 10 该电路的输出阻抗Ro随输入信号的变化而变化 2 当A B 0 时 VT1 VT2截止 VT3 VT4导通 则Ro 2Ron 3 当A 1 B 0 时 VT1 VT3导通 VT4 VT2截止 则Ro Ron 4 当A 0 B 1 时 VT1 VT3截止 VT4 VT2导通 则Ro Ron CMOS门电路的输出阻抗Ro随输入信号的变化而变化的现象对电路的稳定工作有影响 为消除这种影响 通常在其输出和输入端加缓冲级 七 CMOS传输门 N管 VT1 与P管 VT2 并联组成 N管 VT1 的衬底接地 P管 VT2 的衬底接正电源VDD 图形符号 可以控制信号传输方向的CMOS单向传输门 2 5数字集成电路使用知识 一 型号命名 1 TTL数字集成电路 54 74系列 标准型 54 74L系列 低功耗型 54 7