第2章 逻辑门电路

第2章机械工业出版社同名教材配套电子教案 数字电子技术基础 第2章逻辑门电路 2 1分列元件门电路概述 2 1 1二极管门电路 二极管与门电路 二极管或门电路 例2 1 电路如图2 3所示 设VD为理想二极管 E 3V 输入电压UI波形如图2 4 试画出输出电压UO波形 解 uO uD uI uR E 二极管VD导通时 uD 0 即uO uI 二极管VD截止时 R中无电流 uR 0 即uO E 当uIE时 VD截止 uO E 如图2 4所示 二极管门电路的开关特性 二极管的动态特性 若输入脉冲的周期小于2tre 则该二极管就不能起到开关作用 减小二极管反向恢复时间的措施 正向导通电流不要过大 选用结电容较小的二极管 在要求较高的场合 应选择快恢复二极管或肖特基二极管 肖特基二极管 SchottkyBarrierDiode 缩写为SBD 正向压降小 0 3V 0 4V 本身无电荷存储作用 开关时间极短 小于普通二极管的十分之一 2 1 2三极管非门电路 工作原理 在数字电子电路中 主要分析研究截止和饱和两种工作状态 截止状态 uO VCC 饱和状态 uO UCES 0 三极管非门电路的开关特性 三极管的开关特性 减小三极管开关时间的措施 选用结电容小的三极管 即选用fT大的高频三极管 降低三极管饱和程度 基极电阻并接加速电容 采用肖特基三极管 2 2TTL集成门电路 TTL是三极管 三极管逻辑 Transistor TransistorLogic 集成门电路 是双极型器件组成的门电路 2 2 174LS与非门电路 电路组成和工作原理 由三部分组成 输入级 中间级和输出级 输入输出电平分析 输入低电平时 输出高电平 uOH 3 4V 输入高电平时 输出低电平 uOL 0 35V 集电极开路门 OC门 标志符号 主要作用 实现 线与 功能 实现电平转换 用作驱动电路 三态门 TSL门 输出状态除了高电平 低电平外 还有第三种状态 高阻态 相当于输出端开路 标志符号 控制使能端 EN Enable 主要用途 用于总线分时传送电路信号 例2 4 已知三态门电路和输入电压波形如图2 15所示 试画出输出电压波形 解 Y Y1 Y2 AB CD EN 2 2 2门电路外部特性和主要参数 以74LS系列与非门为例 分析TTL门电路的外部特性 电压传输特性 uO f uI 大致可分为三个区域 截止区 转折区和饱和区 转折区对应于阈值电压UTH 1V 特性 输入伏安特性 iI f uI 输入伏安特性可分为输入低电平和输入高电平两种情况 以阈值电压UTH为分界点 IILmax 0 4mA IIHmax 20 A 输入负载特性 uI f RI RI较小时 uI相当于输入低电平 与非门处于关门状态 使与非门保持关门状态的RI最大值称为关门电阻ROFF 74LS系列门电路ROFF 4 2k RI较大时 uI相当于输入高电平 与非门处于开门状态 使与非门保持开门状态的RI最小值称为开门电阻RON 74LS系列门电路RON 6 3k 例2 5 已知74LS系列三输入端与非门和或非门电路如图2 20所示 其中2个输入端分别接输入信号A B 另一个输入端为多余引脚 试写出输出表达式 解 Y1 Y2 Y3 1 Y4 Y5 1 Y6 Y7 Y8 0 Y9 Y10 0 Y11 Y12 0 TTL与 与非 门电路 多余输入端可接 VCC 或与有信号输入端并联 或悬空 或接对地电阻RI RON TTL或 或非 门电路 多余输入端可接地 或与有信号输入端并联 或接对地电阻RI ROFF 但不能悬空 输出特性 uO f iO 拉电流负载输出特性 拉电流过大时 将降低输出高电平电压值 灌电流负载输出特性 灌电流过大时 输出三极管脱离饱和状态 输出低电平随灌电流增大而上升 门电路的主要参数 输出高电平UOH 74LS系列门电路UOH 3 4V 一般手册中给出UOH的最小值UOHmin 74LS系列门电路UOHmin 2 7V 输出低电平UOL 74LS系列门电路UOL 0 35V 一般手册中给出UOL的最大值UOLmax 74LS系列门电路UOLmax 0 5V 阈值电压UTH 阈值电压也称为门限电压或门槛电压 是输出电压由高电平变为低电平或由低电平变为高电平的分界线 对与非门电路 当uI UTH时 uO UOL 当uI UTH时 uO UOH 74LS系列门电路UTH 1V 关门电平UOFF UOFF是TTL与非门电路输出高电平时 输入端允许输入的最大低电平值 为保证TTL输出高电平 应满足uI UOFF 一般 手册中给出输入低电平最大值UILmax代替UOFF 74LS系列门电路UILmax 0 8V 开门电平UON UON是TTL与非门电路输出低电平时 输入端允许输入的最小高电平值 为保证TTL输出低电平 应满足uI UON 一般 手册中给出输入高电平最小值UIHmin代替UON 74LS系列门电路UIHmin 2V 噪声容限 指输入电平受噪声干扰时 为保证电路维持原输出电平 允许叠加在原输入电平上的最大噪声电平 噪声容限可分为低电平噪声容限UNL和高电平噪声容限UNH 高电平噪声容限UNH UOHmin UIHmin 低电平噪声容限UNL UILmax UOLmax 74LS系列门电路UNH 0 7V UNL 0 3V 扇入系数NI和扇出系数NO 表明带动同类门电路的数量 静态动耗PD 维持输出高电平或维持输出低电平不变时的最大功耗 74LS系列门电路PD 2mW 需要说明的是 门电路输出高电平和输出低电平时 分别工作在截止区和饱和区 功耗很低 功耗较大的阶段发生在高低电平转换区域 因此 TTL的电路功耗与信号频率有关 信号频率越高 功耗越大 传输延迟时间tpd tpd是电路传输延迟时间的平均值 即开启时间ton和关闭时间toff的平均值 tpd ton toff 2 74LS系列门电路tpd 10ns 2 2 3不同系列的TTL门电路 总体可分为54系列和74系列 54系列为满足军用要求设计 工作温度范围 50 C 125 C 74系列为满足民用要求设计 工作温度范围0 C 70 C 而每一大系列中又可分为 为便于书写 以74为例 几个子系列 74系列 基本型 74L系列 低功耗 74H系列 高速 74S系列 肖特基 74LS系列 低功耗肖特基 74AS系列 先进高速肖特基 74ALS系列 先进低功耗肖特基 其中74 基本型 子系列为早期TTL产品 已基本淘汰 74LS子系列以其价廉物美 综合性能较好而应用最广 目前仍为主流应用品种之一 2 3CMOS集成门电路 2 3 1CMOS反相器及其特点 主要特点 输入电阻高 可达1015 基本上不需要信号源提供电流 电压传输特性好 线性区很窄 特性曲线陡峭 且高电平趋于VDD 低电平趋于0 电压传输特性接近于理想开关 静态功耗低 抗干扰能力强 阈值电压UTH VDD 2 噪声容限很大 也接近于VDD 2 扇出系数大 CMOS反相器前级门的扇出系数不是取决于后级门的输入电阻 而是取决于后级门的输入电容 电源电压范围大 3 18V CMOS电路也有一些缺点 输入端易被静电击穿 工作速度不高 输出电流较小等 但随着CMOS电路新工艺的发展 这些问题已逐步改善 不同系列集成门电路输入 输出特性参数 2 3 3TTL门电路与CMOS门电路的连接 连接原则 驱动门负载门UOHmin UIHmin 2 6a UOLmax UILmax 2 6b IOHmax nIIHmax 2 6c IOLmax nIILmax 2 6d 其中n是负载门的个数 根据上述连接原则和表2 1 可以得出 74HCT系列门电路与74LS系列门电路可直接相互连接 74HC系列门电路可以驱动74LS系列门电路 CMOS4000系列门电路可以驱动一个 不