第四讲 逻辑门电路(6课时)

数字集成电路应用技术TTL和CMOS门电路,第四讲6课时,P1M1逻辑门电路功能的测试,一、加法计算器的设计与调试,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点2、TTL和CMOS门电路的性能特点3、TTL和CMOS门电路使用注意事项4、TTL特殊门电路三态门和OC门结构特点和正确使用,P1M1门电路逻辑功能的测试,分立元件,集成电路,二极管三极管电阻、电容,模拟电路,数字电路,混合电路,运算放大器集成功率放大器音频功率放大器,单极性,双极性,CMOSPMOSNMOS,(MOS，Metal-oxidesemiconductor),TTLDTLHTLECLI2L,锁相环、555定时器等,TTL7404STTL74S04LSTTL74LS04ALSTTL74ALS04,74HC00,CD4011,一、加法计算器的设计与调试,读一读TTL门电路,TTL与非门电路构成,1.输入级：R1、T1,T1为多发射极晶体管,输入极,中间极,输出极,一、加法计算器的设计与调试,三极管特性,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点,输入极,中间极,输出极,产生两个相反的信号，用以驱动输出级。,2.中间级：R2、T2、R3,一、加法计算器的设计与调试,读一读TTL门电路,TTL与非门电路构成,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点,输入极,中间极,输出极,3.输出级:R4、T3、T4、D,输出级特点：静态功耗低开关速度快,这种电路结构称为推拉式电路,读一读TTL门电路,TTL与非门电路构成,一、加法计算器的设计与调试,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点,TTL与非门电路工作原理,设输入信号高低电平分别为UiH=3.6V;UiL=0.3V,PN结正向导通电压为0.7V;,1.输入中有低电平,T1管发射结导通，T1管饱和,由于T2基极电压仅为（0.30.3）V,故T2、T4均截止,T3、D导通，输出约为3.6V（5-0.7-0.7=3.6）。输出高电平1。,读一读TTL门电路,一、加法计算器的设计与调试,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点,设输入信号高低电平分别为UiH=3.6V;UiL=0.3V,PN结正向导通电压为0.7V;,2.输入均为高电平,T1管处于倒置工作状态（be结反偏，bc结正偏）；,T2管处于饱和工作状态；,T3管处于截止工作状态;,T4管处于饱和工作状态;,一、加法计算器的设计与调试,TTL与非门电路工作原理,读一读TTL门电路,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点,设输入信号高低电平分别为UiH=3.4V;UiL=0.2V,PN结正向导通电压为0.7V;,2.输入均为高电平,F输出为“0”。,综合上面两种情况,该电路实现与非功能。,一、加法计算器的设计与调试,TTL与非门电路工作原理,读一读TTL门电路,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点,读一读CMOS门电路,MOS逻辑门电路是继TTL之后发展起来的另一种应用广泛的数字集成电路。由于它功耗低，抗干扰能力强，工艺简单，几乎所有的大规模、超大规模数字集成器件都采用MOS工艺。就其发展趋势看，MOS电路特别是CMOS电路有可能超越TTL成为占统治地位的逻辑器件。MOS集成门电路分为PMOS、NMOS、CMOS三种类型但使用最多的是CMOS(互补对称型MOS电路),一、加法计算器的设计与调试,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点,CMOS非门电路原理,CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成，通常称为互补型MOS逻辑电路，简称CMOS逻辑电路。,要求电源VDD大于两管开启电压绝对值之和，即VDD（VTN+|VTP|），且VTN=|VTP|。,CMOS非门电路(a)电路图(b)简化电路,（1）当输入为低电平，即Vi=0V时，TN截止，TP导通，TN的截止电阻约为500M，TP的导通电阻约为750，所以输出VOVDD，即Vo为高电平。,一、加法计算器的设计与调试,读一读CMOS门电路,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点,要求电源VDD大于两管开启电压绝对值之和，即VDD（VTN+|VTP|），且VTN=|VTP|。,CMOS非门电路(a)电路图(b)简化电路,（2）当输入为高电平，即Vi=VDD时，TN导通，TP截止，TN的导通电阻约为750，TP的截止电阻约为500M，所以输出Vo0V，即Vo为低电平。所以该电路实现了非逻辑。,通过以上分析可以看出，在CMOS非门电路中，无论电路处于何种状态，TN、TP中总有一个截止，所以它的静态功耗极低，有微功耗电路之称。,一、加法计算器的设计与调试,CMOS非门电路原理,读一读CMOS门电路,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点,CMOS与非门和CMOS或非门,CMOS与非门电路CMOS或非门电路,一、加法计算器的设计与调试,读一读CMOS门电路,1、TTL和CMOS逻辑门电路的结构特点,1.电源电压：2.电压传输特性：3.输入噪声容限：4.输入负载特性5.输出特性、扇出系数，灌电流，拉电流：6.传输延时与功耗：,读一读TTL与CMOS门电路,TTL与CMOS器件性能指标：,一、加法计算器的设计与调试,2、TTL和CMOS门电路的性能特点,TTL与非门的电压传输特性,读一读TTL与CMOS门电路,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL电压传输特性),一、加法计算器的设计与调试,2、TTL和CMOS门电路的性能特点,TTL（74LS00）、CMOS电路电压传输特性比较,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性CMOS电压传输特性),一、加法计算器的设计与调试,2、TTL和CMOS门电路的性能特点,由图示的电压传输特性可知，在输入电压vI偏离正常低电平或高电平时，输出电压vo并不随之马上改变，允许输入电压有一定的变化范围。,输入端噪声容限：是指在保证输出高、低电平基本不变（不超过规定范围）时，允许输入信号高、低电平的波动范围,1）定义：,TTL与CMOS器件性能指标(输入噪声容限),2、TTL和CMOS门电路的性能特点,2）计算方法,输入噪声容限分为输入高电平噪声容限VNH和输入低电平噪声容限VNL。,输入噪声容限示意图,由图中可知，如果是多个门电路相连时，前一级门电路的输出即为后一级门电路的输入,2、TTL和CMOS门电路的性能特点,输入低电平噪声容限,输入高电平噪声容限,读一读TTL与CMOS门电路,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL噪声容限),一、加法计算器的设计与调试,1.TTL标称高电平：3.6V2.TTL标称低电平：0.3V3.UILmax输入低电平最大值（0.8V）4.UIHmin输入高电平最小值（2.0V）5.UOLmax输出低电平最大值（0.4V）6.UOHmin输入高电平最小值（2.4V）7.阈值电平（1.4V）：,2、TTL和CMOS门电路的性能特点,TTL与非门的输入负载特性,读一读TTL与CMOS门电路,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL输入负载特性),一、加法计算器的设计与调试,2、TTL和CMOS门电路的性能特点,TTL带拉电流负载时的输出特性,读一读TTL与CMOS门电路,一、加法计算器的设计与调试,TTL与CMOS器件性能指标(输出特性),2、TTL和CMOS门电路的性能特点,TTL带灌电流负载时的输出特性,读一读TTL与CMOS门电路,一、加法计算器的设计与调试,TTL与CMOS器件性能指标(输出特性),2、TTL和CMOS门电路的性能特点,TTL与非门带负载能力,带灌电流负载的扇出系数：,带拉电流负载的扇出系数：,标准TTL：,标准TTL：,读一读TTL与CMOS门电路,一、加法计算器的设计与调试,2、TTL和CMOS门电路的性能特点,一、加法计算器的设计与调试,读一读TTL与CMOS门电路,2、TTL和CMOS门电路的性能特点,TTL集成逻辑门各子系列重要参数比较,一、加法计算器的设计与调试,2、TTL和CMOS门电路的性能特点,1、接插集成块时，要认清定位标记，不得插反。2、电源电压使用范围为+4.5V+5.5V之间，实验中要求使用VCC=+5V。电源极性绝对不允许接错。3、闲置输入端处理方法(1)输入悬空，相当于正逻辑“l”，对于一般小规模集成电路的数据输入端，实验时允许悬空处理。但输入端悬空易受外界干扰，导致电路的逻辑功能不正常。因此，对于接有长线的输入端，中规模以上的集成电路和使用集成电路较多的复杂电路，所有控制输入端必须按逻辑要求接入电路，不允许悬空。(2)直接接电源电压VCC(也可以串入一只110k的固定电阻)或接至某一固定电压(+2.4V+4.5V)的电源上。(3)若前级驱动能力允许，可以与使用的输入端并联。4、输入端通过电阻接地，电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。当R680时，输入端相当于逻辑“0”；当R4.7k时，输入端相当于逻辑“1”。对于不同系列的器件，要求的阻值不同。5、输出端不允许并联使用(集电极开路门(OC)和三态输出门电路(TS)除外。否则不仅会使电路逻辑功能混乱，并会导致器件损坏。6、输出端不允许直接接地或直接接+5V电源，否则将损坏器件，有时为了使后级电路获得较高的输出电平，允许输出端通过电阻R接至VCC，一般取R=35.1k。,TTL集成电路使用注意事项：,一、加法计算器的设计与调试,3、TTL和CMOS门电路使用注意事项,TTL与CMOS器件性能指标：,CMOS集成电路的性能特点：微功耗CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦（nw）数量级。高噪声容限CMOS电路的噪声容限一般在40%电源电压以上。宽工作电压范围CMOS电路的电源电压一般为318伏。高逻辑摆幅CMOS电路输出高、低电平的幅度达到全电为VDD，逻辑“0”为VSS。高输入阻抗CMOS电路的输入阻抗大于108,一般可达1010。高扇出能力CMOS电路的扇出能力大于50。低输入电容CMOS电路的输入电容一般不大于5PF。宽工作温度范围陶瓷封装的CMOS电路工作温度范围为-550C1250C；塑封的CMOS电路为400C850C。,CMOS电路的特点和使用注意事项：http:/www.go-,读一读TTL与CMOS门电路,3、TTL和CMOS门电路使用注意事项,任务：74HC00、74LS00相关特性的测试（SZC1-11）任务要求：按测试程序要求完成所有测试内容，并撰写测试报告（格式要求见附录A）。测试设备及元器件：数字电路综合测试系统（1套），数字万用表（1块），74HC00（1只），74LS00（1只），电阻100（1只），电阻10K（1只）。,做一做,一、加法计算器的设计与调试,3、TTL和CMOS门电路使用注意事项,做一做,项目：OC门有关特性的测试,测试电路：如图所示。,一、加法计算器的设计与调试,4、TTL特殊门电路三态门和OC门结构特点和正确使用,做一做,项目：OC门有关特性的测试,测试电路：如图所示。,测试程序：,将74LS06正确插入综合测试系统中的管脚插座。,根据图（a），接好电路。,改变A的逻辑电平状态，观测F的逻辑电平状态，并记录于下表中。,结论：74LS06的逻辑功能为。,4、TTL特殊门电路三态门和OC门结构特点和正确使用,做一做,项目：OC门有关特性的测试,测试电路：如图所示。,测试程序：,保持步骤，将图（a）中的电阻270断开，再次按照上表测量F的逻辑电平。,结论：无论A状态如何，F始终为（高/低）电平。可见，此时OC门74LS06（正常/不正常）工作。,一、加法计算器的设计与调试,4、TTL特殊门电路三态门和OC门结构特点和正确使用,做一做,项目：OC门有关特性的测试,测试电路：如图所示。,测试程序：,按图（b）所示接好电路。接通电源，同时置A为高电平，并记录：,此时，发光二极管（发光/不发光），电流表读数为mA，可见OC门74LS06（具有/不具有）驱动发光二极管的能力。,按图（c）所示接好电路。接通电源，改变A、B的逻辑电平状态，测量F的电平状态，并记录于下表中。,一、加法计算器的设计与调试,4、TTL特殊门电路三态门和OC门结构特点和正确使用,做一做,项目：OC门有关特性的测试,测试电路：如图所示。,测试程序：,按图（b）所示接好电路。接通电源，同时置A为高电平，并记录：,此时，发光二极管（发光/不发光），电流表读数为mA，可见OC门74LS06（具有/不具有）驱动发光二极管的能力。,按图（c）所示接好电路。接通电源，改变A、B的逻辑电平状态，测量F的电平状态，并记录于下表中。,结论：F与A、B之间的逻辑关系为，其逻辑函数表达式为。,一、加法计算器的设计与调试,4、TTL特殊门电路三态门和OC门结构特点和正确使用,P1M1门电路逻辑功能的测试,TTL其它门电路：,1.OC门（集电极开路门）,OC门电路的应用：可以线与使用实现电平转换作为驱动器,一、加法计算器的设计与调试,4、TTL特殊门电路三态门和OC门结构特点和正确使用,2.三态门,一、加法计算器的设计与调试,4、TTL特殊门电路三态门和OC门结构特点和正确使用,一、加法计算器的设计与调试,4、TTL特殊门电路三态门和OC门结构特点和正确使用,3.模拟开关：,CMOS传输门及模拟开关,CMOS其它门电路：,1.CMOSOD门；2.CMOS三态输出门：,一、加法计算器的设计与调试,CMOS特殊门电路三态门和OD门结构特点和正确使用,思考：,TTL集电极开路门(OC门)有关特性测试三态门相关特性的测试CMOS门电路、TTL门电路外部应用特性的测试分别会得出怎样的结论，可利用Multisin9.0仿真测试。4.试查阅附录，计算74LS00的抗干扰容限、扇出系数。5.试查阅7406、7407相关资料，其输出电流？,74LS00主要参数：,TheEnd,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；UC