数字电子技术基础 第二章

2 1基本逻辑门电路 2 2TTL逻辑门电路 2 3MOS门电路 2逻辑门电路 教学基本要求 1 了解半导体器件的开关特性 掌握基本逻辑门 与 或 与非 或非 异或门 的逻辑功能 3 掌握TTL和MOS逻辑门电路的功能 特性参数和使用方法 4 掌握OC门和三态门的电路结构特点 并能够进行应用 5 掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题 1逻辑门电路 2逻辑门电路的分类 二极管门电路 三极管门电路 TTL门电路 MOS门电路 PMOS门 CMOS门 逻辑门电路 分立 集成 NMOS门 构成数字逻辑电路的基本元件 概述 1 加正向电压VF时 二极管导通 管压降VD可忽略 二极管相当于一个闭合的开关 1 二极管的静态特性 回忆 2 1 1二极管的开关特性 2 1基本逻辑门电路 静态特性及开关等效电路 正向导通时UD ON 0 7V 硅 0 3V 锗 RD 几 几十 相当于开关闭合 2 加反向电压VR时 二极管截止 反向电流IS可忽略 二极管相当于一个断开的开关 反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大 约几百k 相当于开关断开 可见 二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关 当外加电压vi为一脉冲信号时 二极管将随着脉冲电压的变化在 开 态与 关 态之间转换 动态特性定义 二极管作为开关使用时 由开通 关断由关断 开通 之间的转换特性 当脉冲信号的频率很高时 开关状态的变化速度很快 每秒可达百万次 这就要求器件的开关转换速度要在微秒甚至纳秒内完成 2 二极管的动态特性 二极管从正向导通到反向截止的过程 通常将二极管从导通转为截止所需的时间称为反向恢复时间 tre ts tt 存储时间 渡越时间 在t1时 突然 I VR时 电路中电流i 二极管从正向导通到反向截止的过程 3 产生反向恢复过程的原因 正向 饱和 电流愈大 电荷的浓度分布梯度愈大 存储的电荷愈多 电荷消散所需的时间也愈长 0 t1期间 PN结承受正向电压 有利于多子的扩散 使得耗尽层变窄 形成电流 同时在P区和N区形成了一定的电荷存储 Vi由VF VR 由于存储电荷电荷的存在 存储电荷不会马上消失 它减小的两种途径 1 在反向电场的作用下 P区的电子被拉回到N区 N区的空穴被拉回P区 形成反向漂移电流 2 与多数载流子复合 反向恢复时间一般在纳秒数量级 产生反向恢复的过程的原因 存储电荷消散需要时间 二极管从反向截止到正向导通的过程 结论 二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小 可以忽略不计 二极管的动态特性主要考虑反向恢复时间 二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间 原因是 PN结加正偏电压时 其正向压降很小 比VF小得多 故电路中的正向电流IF VF RL 主要由外电路参数决定 IBS VCC RcICS VCC Rc CE VCES 0 2V VB1 VB1 2 1 2BJT的开关特性 1 BJT的三种工作状态 iC ICS NPN型BJT截止 放大 饱和三种工作状态的特点 三极管的开关时间 开启时间ton 上升时间tr 延迟时间td 关闭时间toff 下降时间tf 存储时ts 2 BJT开关的动态特性 1 开启时间ton三极管从截止到饱和所需的时间 ton td trtd 延迟时间tr 上升时间 2 关闭时间toff三极管从饱和到截止所需的时间 toff ts tfts 存储时间 几个参数中最长的 饱和越深越长 tf 下降时间 toff ton 开关时间一般在纳秒数量级 高频应用时需考虑 开关时间随管子类型的不同而不同 一般为几十 几百纳秒 开关时间越短 开关速度越高 一般可用改进管子内部构造和外电路的方法来提高三极管的开关速度 二极管与门电路 与逻辑符号 2 1 3基本逻辑门电路 1 二极管与门电路 0v 若输入端中有任意一个为0V 另两个为 5V 输入与输出电压关系 1二极管与门电路 5v A B C三个都输入高电平 5V 真值表 二极管或门电路 输入端A B C都为0V 0V 或逻辑真值表 2二极管或门电路 输入端中有任意一个为 5V 5V 或逻辑真值表 2 二极管或门电路 二极管二输入或门电路 二极管或门 a 电路 b 逻辑符号 c 工作波形 三极管反相电路 反相器传输特性 3 三极管非门电路 2 2 5TTL与非门的其他类型 2 2 3TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力 2 2 1TTL与非门的基本结构与工作原理 2 2 2TTL与非门的开关速度 2 2 4TTL与非门的带负载能力 2 2 6TTL集成逻辑门电路系列简介 2 2TTL逻辑门电路 多发射极BJT 1 TTL与非门的基本结构 2 2 1TTL与非门的基本结构与工作原理 TTL与非门的基本电路 输入级 中间级 输出级 2 TTL与非门的工作原理 输入级 中间级 输出级 输入级 中间级 输出级 1 当输入为低电平 有低电平 A 0 3V 1 0V O VCC VBE4 VD 5 0 7 0 7 3 6V 输入级 中间级 输出级 2 1V 当输入全为高电平 3 6V 4 3V 1 采用输入级以提高工作速度 1 当TTL反相器 A由3 6V变0 2V的瞬间 1 4V T1管的变化先于T2 T5管的变化 T1管Je正偏 Jc反偏 T1工作在放大状态 T1管射极电流 1iB1很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷 从而加速了状态转换 0 9V 1 4V 2 2 2TTL与非门的开关速度 输出为高电平时 T5截止 T34组成的电压跟随器的输出电阻很小 所以输出高电平稳定 带负载能力也较强 而当输出电压由高变低后 CL很快放电 输出波形的上升沿和下降沿都很好 输出端接有负载电容CL时 在输出由低到高跳变的瞬间 CL充电 其时间常数很小 使输出波形上升沿陡直 2 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力 当输出为低电平时 T5处于深度饱和状态 T34截止 T5的集电极电流可以全部用来驱动负载 电路在输入脉冲波形的作用下 其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间 输入 反相 输出 50 t PLH 90 50 10 t f 50 t PLH 90 50 10 t r V OL V O H OL 0V V CC 平均传输延迟时间tPd tPLH为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间 tPHL为由高电平转换到低电平所经历的时间 tPLH tPHL 2 表征门电路开关速度的参数 3 TTL与非门传输延迟时间tpd v O V 5 4 3 2 1 0 3 6 V 2 48 V 0 2 V 1 2 E D C B A 0 6 V 1 3V 1 4 V v I V VOH VO A 3 6V VOL VCES 0 3V 1 TTL与非门传输特性 输出的高 低电压 2 2 3TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力 2 几个重要参数 阈值电压VT 电压传输特性转折区所对应的电压 即T5管截止与导通的分界线 又是输出高低电平的分界线 因此称为阈值电压或门槛电压 VT定义为转折点中点对应的值 VT 1 4V VI VT时 与非门饱和 V0 VL VI VT时 与非门截至 V0 VH 开门电平和关门电平 VOFF 保证输出为额定高电平的90 的条件下 允许的最大输入电压的输入值 VOFF 0 8V VON 保证输出为额定低电平时 允许的最大输入电压的输入值 VON 2V 3 TTL与非门的抗干扰能力 噪声容限 高电平噪声容限为VNH VOH VIH 低电平噪声容限为VNL VIL VOL 当电路受到干扰时 在保证输出高 低电平基本不变的条件下 输入电平的允许波动范围 1 输入负载特性 2 2 4TTL与非门的带负载能力 开门电阻和关门电阻 Ri上的电压会随电阻值的变化而变化 当Ri较小时 T5截止 输出高电平 当Ri较大时 T5饱和 输出低电平 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下 所允许RI的最大值称为关门电阻 典型的TTL门电路ROFF 0 8k 开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下 所允许RI的最小值称为开门电阻 典型的TTL门电路RON 2k 扇入数 取决于门的输入端的个数 扇出数 带同类门的个数 有带灌电流负载和拉电流负载两种情况 负载门 驱动门 0 当负载门的个数增加时 总的灌电流IIL将增加 引起输出低电压VOL的升高 带灌电流负载 输出低电平时 IIL IOL 2 带负载能力 带灌电流负载 扇入数 取决于门的输入端的个数 扇出数 带同类门的个数 有带灌电流负载和拉电流负载两种情况 负载门 驱动门 1 0 1 带拉电流负载 门输出高电平时 当负载门的个数增多时 必将引起输出高电压的降低 IIH IOH 带拉电流负载 例查得基本的TTL与非门7410的参数如下 IOL 16mA IIL 1 6mA IOH 0 4mA IIH 0 04mA 试计算其带同类门时的扇出数 解 1 低电平输出时的扇出数 2 高电平输出时的扇出数 若NOL NOH 则取较小的作为电路的扇出数 2 2 5TTL与非门的其他类型 1 集电极开路门 vOH vOL X OC门的提出 输出短接 产生低阻通路 大电流有可能导致器件的损毁 线与 将几个门的输出端并联使用 以实现与逻辑 称为线与 普通的TTL门电路是不能进行线与 OC门的结构与逻辑符号 逻辑符号 c 可以实现线与功能 b 与非逻辑不变 a 工作时必须外接电源和电阻 OC门的结构与逻辑符号 集电极开路门上拉电阻Rp的计算 最不利的情况 只有一个OC门导通 为保证低电平输出OC门的输出电流不能超过允许的最大值IOL max 且VO VOL max RP不能太小 当VO VOL IIL total 当VO VOH 为使得高电平不低于规定的VIH的最小值 则Rp的选择不能过大 Rp的最大值Rp max 2 或非门 TTL或非门的逻辑电路 若二输入端为低电平 0 9v 0 2v 0 2v 0 9v 3 6V 若A B两输入端都为高电平 2 1v 3 6v 3 6v 2 1v 0 3V 问题 若A B两输入端中有一个为高电平 输出L 3 三态输出门 TSL门的输出有三个状态 因此大量地应用在计算机的总线结构或数字信号的通道中 0状态低电平状态 1状态高电平状态 高阻态断开状态 工作原理 以使能端为低电平有效的TSL门为例进行分析 当时 P点为1 D3截止 该支路断开 电路成为基本TTL与非门电路 当时 无论A B输入何值 只要P点为0 D3就导通 Q点的电位接近于为0 迫使T2 T4 T3和D4截止 造成Y端向上与VCC不通 向下与地不通 Y点与内部电路完全隔断 呈现高阻状态 记为 3 输入端二极管的作用 1 正常输入信号时 D1D2截止 不影响电路的逻辑功能 2 不正常输入了负脉冲信号时 如果没有二极管 若输入一个很大的负脉冲信号 UB1点的电位就会下降得很低 使得iB1非常大 可能造成T1管的发射结损坏 有了二极管后 若输入一个很大的负脉冲信号 二极管就会导通 使得UB1点的电位被箝制在0V 起到了保护三极管T1的作用 三态与非门的应用 单向总线传输 电路1 2只能有一个处于正常态 若要求D1向BUS传送 则应有 若要求D2向BUS传送 则应有 三态门的应用 三态与非门的应用 双向传输 当CS 0时 门1工作 门2禁止 数据从A送到B 当CS 1时 门1禁止 门2工作 数据从B送到A 1 74系列 标准TTL系列 属中速TTL器件 其平均传输延迟时间约为10ns 平均功耗约为10mW 每门 2 2 6TTL集成逻辑门电路系列简介 2 74L系列 为低功耗TTL系列 又称LTTL系列 用增加电阻阻值的方法将电路的平均功耗降低为1mW 每门 但平均传输延迟时间较长 约为33ns 3 74H系列 为高速TTL系列 又称HTTL系列 与74标准系列相比 电路结构上主要作了两点改进 一是输出级采用了达林顿结构 二是大幅度地降低了电路中的电阻的阻值 从而提高了工作速度和负载能力 但电路的平均功耗增加了 该系列的平均传输延迟时间为6ns 平均功耗约为22mW 每门 4 74S系列 为肖特基TTL系列 又称STTL系列 图2 3774S00与非门的电路 1 输出级采用了达林顿结构 T4 T5组成复合管电路 降低了输出高电平时的输出电阻 有利于提高速度 也提高了负载能力 2 采用了抗饱和三极管 3 用T6 Rb6 RC6组成的 有源泄放电路 代替了原来的Re2 5 74LS系列 为低功耗肖特基系列 又称LSTTL系列 电路中采用了抗饱和三极管和专门的肖特基二极管来提高工作速度 6 74AS系列 7 74ALS系列 a 电路结构 b 符号抗饱和三极管 2 3 1NMOS门电路 2 3 2CMOS非门 2 3 3其他CMOS逻辑门电路 2 3 4CMOS逻辑门电路的系列及技术参数 2 3 5集成逻辑门电路的应用 2 3MOS逻辑门电路 大规模集成芯片集成度高 所以要求体积小 而TTL系列不可能做得很小 但MOS管的结构和制造工艺对高密度制作较之TTL相对容易 下面我们介绍MOS器件 与双极性电路比较 MOS管的优点是功耗低 可达0 01mw 缺点是开关速度稍低 在大规模的集成电路中 主要采用的CMOS电路 1 NMOS反相器 饱和型负载管反相器 Vi VDD 即 Vi为高电平时 Vo为低电平Vi为低电平时 Vo为高电平 当输入电压为高电平时 T1导通 当输入电压为低电平时 T1截止T2还是导通 所以 是反相器 T1为工作管 T2为负载管 1V Vo VDD VT 3 10K 100 200K 低电平 2 NMOS与非门 当A B中有一个或两个均为低电平时 T1 T2有一个或两个都截止 输出为高电平 只有A B全为高电平时 T1 T2均导通 输出为低电平 T1 T2为工作管 T3为负载管 3 NMOS或非门 当A B中有一个为高电平时 T1 T2有一个导通 输出0 A B都为低电平时 T1 T2均截止 输出为1 即L A B T1 T2为工作管 T3为负载管 因为T1 T2是并联的 要想增加输入端的个数时不会引起输出低电平的变化 这给制造多输入端的或非门带来方便 2 3 2CMOS非门 电路 当vI 0V时 VDD 1 CMOS反相器的工作原理 VGSN 0 VTN TN管截止 VGSP VDD VTP 电路中电流近似为零 忽略TN的截止漏电流 VDD主要降落在TN上 输出为高电平VOH TP管导通 VDD 当vI VOH VDD时 VGSN VDD VTN TN管导通 VGSP 0 VTP TP管截止 此时 VDD主要降在TP管上 输出为高电平VOL 在电容负载情况下 它的开通时间与关闭时间是相等的 这是因为电路具有互补对称的性质 平均延迟时间 10ns 小 小 2 CMOS反相器的工作速度 1 与非门 二输入 与非 门电路结构如图 当A和B为高电平时 当A和B有一个或一个以上为低电平时 电路输出高电平 输出低电平 电路实现 与非 逻辑功能 2 3 3其他CMOS逻辑门电路 1 当A B全为低电平时 输出为高电平时 2 或非门 当输入端A B都为高电平时 当A B全为低电平时 2 6 2CMOS门电路 当A B中有一个为高电平时 0 1 1 输出为高电平时 输出为低电平时 输出必为低电平时 或非门工作原理 由或非门和与或非门组成 3 异或门电路 CMOS传输门电路 TG 是一种传输信号的可控开关 截止电阻 107 导通电阻 几百 所以是一个理想的开关 结构对称 其漏极和源极可互换 它们的开启电压 VT 2V 它广泛地用于采样 保持电路 斩波电路 模数和数模转换电路等 4 CMOS传输门 T P v O v I v I v O T N C 5V 5V 5V 设TP和TN的开启电压 VT 2V 且输入模拟信号的变化范围为 5V到 5V T P v O v I v I v O 5V 5V T N C 当c端接低电压 5V时 5V 5V 5V 5V 开关断开 当c端接低电压 5V 5V 一管导通程度愈深 另一管导通愈浅 导通电阻近似为一常数 CMOS传输的工作原理 设TP和TN的开启电压 VT 2V 且输入模拟信号的变化范围为 5V到 5V T P v O v I v I v O 5V 5V T N C 5V 5V 开关闭合 当c端接高电压 5V I 3V I 3V 3V 3V 一管导通程度愈深 另一管导通愈浅 导通电阻近似为一常数 T P v O v I v I v O T N C 5V 5V 当c端接高电压 5V 2 3 4CMOS门电路的系列及主要参数 1 CMOS逻辑门电路的系列 1 基本的CMOS 4000系列 这是早期的CMOS集成逻辑门产品 工作电源电压范围为3 18V 由于具有功耗低 噪声容限大 扇出系数大等优点 已得到普遍使用 缺点是工作速度较低 平均传输延迟时间为几十ns 最高工作频率小于5MHz 2 高速的CMOS HC HCT 系列 3 先进的CMOS AC ACT 系列 2 CMOS逻辑门电路的主要参数 1 输入和输出的高 低电平 输出高电平的下限值VOH min 输入低电平的上限值VIL max 输入高电平的下限值VIH min 输出低电平的上限值VOL max 输入噪声容限 输入高电平的噪声容限为VNH VOH min VIH min 输入低电平的噪声容限为VNL VIL max VOL max 当电路受到干扰时 在保证输出高 低电平基本不变的条件下 输入电平的允许波动范围 2 噪声容限 3 传输延迟时间 门电路在输入脉冲波形的作用下 其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间 CMOS电路传输延迟时间 功耗分为 静态功耗 动态功耗 对于TTL门电路来说 静态功耗是主要的 延时 功耗积 DP tpdPD 指的是当电路没有状态转换时的功耗 是在门的状态转换的瞬间的功耗 是一综合性的指标 用DP表示 其单位为焦耳 DP的值愈小 表明它的特性愈接于理想情况 4 功耗与延时 功耗积 扇入数 取决于逻辑门的输入端的个数 5 扇入与扇出数 扇出数 是指其在正常工作情况下 所能带同类门电路的最大数目 2 3 5集成逻辑门电路的应用 1 电压兼容性驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围 包括高 低电压值 不同类型器件连接时 要满足驱动器件和负载器件以下两个条件 2 扇出数驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流 1各种门电路之间的接口问题 负载器件所要求的输入电压 VOH min VIH min VOL max VIL max 灌电流 IIL IOL 拉电流 IIH IOH 对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流 驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流 驱动电路负载电路 1 VOH min VIH min 2 VOL max VIL max 驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高 低电平 1 CMOS门驱动TTL门 VOH min 4 9VVOL max 0 1V TTL门 74系列 VIH min 2VVIL max 0 8V IOH max 0 51mA IIH max 20 A VOH min VIH min VOL max VIL max 带拉电流负载 输出 输入电压 带灌电流负载 CMOS门 4000系列 IOL max 0 51mA IIL max 0 4mA 2 TTL门驱动CMOS门 如74HC 式2 3 4 都能满足 但式1VOH min VIH min 不满足 1 用门电路直接驱动显示器件 2门电路带负载时的接口电路 门电路的输入为低电平 输出为高电平时 LED发光 当输入信号为高电平 输出为低电平时