10级数字电子技术---逻辑门电路

概述 第3章逻辑门电路 三极管的开关特性 TTL集成逻辑门 CMOS集成逻辑门 集成逻辑门的应用 本章小结 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 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 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 3 2三极管的开关特性 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 一 三极管的开关作用及其条件 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IB sat 表示 相应地 IC sat 为临界饱和集电极电流 UBE sat 为饱和基极电压 UCE sat 为饱和集电极电压 对硅管 UBE sat 0 7V UCE sat 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 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 三极管开通的条件和等效电路 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 由于UCE Sat 0 因此饱和后iC基本上为恒值 iC IC Sat 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 上例中三极管反相器的工作波形是理想波形 实际波形为 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 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 3 3TTL集成逻辑门 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 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 VD1 VD3为输入钳位二极管 用以抑制输入端出现的负极性干扰 正常信号输入时 VD1 VD3不工作 当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时 二极管导通 输入端负电压被钳在 0 7V上 这不但抑制了输入端的负极性干扰 对V1还有保护作用 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 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 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 输出电压随输入电压变化的特性 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 下面介绍与电压传输特性有关的主要参数 有关参数 标准高电平USH 当uO USH时 则认为输出高电平 通常取USH 3V 标准低电平USL 当uO USL时 则认为输出低电平 通常取USL 0 3V 关门电平UOFF 保证输出不小于标准高电平USH时 允许的输入低电平的最大值 开门电平UON 保证输出不高于标准低电平USL时 允许的输入高电平的最小值 阈值电压UTH 转折区中点对应的输入电压 又称门槛电平 USH 3V USL 0 3V UOFF UON UTH 近似分析时认为 uI UTH 则与非门开通 输出低电平UOL uI UTH 则与非门关闭 输出高电平UOH 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 2 输入负载特性 ROFF称关门电阻 RI ROFF时 相应输入端相当于输入低电平 对STTL系列 ROFF 700 RON称开门电阻 RI RON时 相应输入端相当于输入高电平 对STTL系列 RON 2 1k 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 因此 可画出波形如图所示 解 图 a 中 RI 300 ROFF 800 图 b 中 RI 5 1k RON 3k 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 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 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 4 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 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 即Opencollectorgate 简称OC门 常用的有集电极开路与非门 三态门 或非门 与或非门和异或门等 它们都是在与非门基础上发展出来的 TTL与非门的上述特性对这些门电路大多适用 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 即Tri StateLogic门 简称TSL门 其输出有高电平态 低电平态和高阻态三种状态 0 1 1 0 0 3V 1V 导通 截止 截止 另一方面 V1导通 uB1 0 3V 0 7V 1V V2 V5截止 这时 从输出端Y看进去 对地和对电源VCC都相当于开路 输出端呈现高阻态 相当于输出端开路 1V 导通 截止 截止 Z 这时VD导通 使uC2 0 3V 0 7V 1V 使V4截止 二 三态输出门 1 电路 逻辑符号和工作原理 工作原理 综上所述 可见 二 三态输出门 1 电路 逻辑符号和工作原理 EN即Enable 2 应用 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 是由增强型PMOS管和增强型NMOS管组成的互补对称MOS门电路 比之TTL 其突出优点为 微功耗 抗干扰能力强 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 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 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 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 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 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 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 感三种不同类型的火灾探测器 有烟感 温感和紫外光 产生报警信号 两种或三种探测器发出探测信号时 报警系统才 与非门设计 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