《数字电子技术基础》第五版阎石第03章门电路

第3章门电路,3.1概述3.2分立元件门电路3.3TTL门电路3.4CMOS门电路,3.1概述,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。常用门电路：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等,集成电路IntegratedCircuits(IC)：,集成电路就是将元、器件和连线制作在一个半导体基片上的完整电路。规模：小规模集成电路：10个门以内中规模集成电路：小于100个门大规模集成电路：小于10000个门超大规模集成电路：10000个门以上根据所使用半导体器件不同分为：TTL电路:晶体管-晶体管逻辑电路（Transister-Transister-Logic）MOS电路:采用金属氧化物半导体场效应管(MetalOxideSemi-conductorFieldEffectTransistor,缩写为MOSFET)制造,CMOS集成电路：广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路,4000系列,74HC74HCT,74VHC74VHCT,速度慢与TTL不兼容抗干扰功耗低,74LVC74VAUC,速度加快与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低,速度两倍于74HC与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低,低(超低)电压速度更加快与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低,74系列,74LS系列,74AS系列,74ALS,TTL集成电路:广泛应用于中大规模集成电路,获得高、低电平的基本原理,S断开，输出v0=Vcc,S闭合，输出v0=0,门电路是以高/低电平来表示逻辑值1/0,实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件,正逻辑和负逻辑,正逻辑高电平：1低电平：0,负逻辑低电平：1高电平：0,实际中高/低电平都有一个允许的范围,本课内无特殊说明均指正逻辑,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。,3.2分立元件门电路,3.2.1半导体二极管和半导体三极管的开关特性,数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。,半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。,一、半导体二极管的开关特性,正向导通时UD(ON)0.7VRD几几十相当于开关闭合,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,一、半导体二极管的开关特性,VI=VILD导通，VO=VOL=0.7V开关闭合,VI=VIHD截止，VO=VOH=VCC开关断开,二极管的开关电路：,二极管的动态电流波形：,外加电压突然反向时，电流的变化情况,二、三极管的开关特性,三极管输出特性：固定一个IB值，即得一条曲线，在VCE0.7V以后，基本为水平直线,双极型三极管的基本开关电路,只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL,三极管的开关时间,3.2.2二极管与门,Y=AB,设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7V,规定3V以上为1,0.7V以下为0,3.2.3二极管或门,规定2.3V以上为1,0V以下为0,设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7V,Y=A+B,二极管构成的门电路的缺点:,电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路,上次课内容回顾,含有无关项的逻辑函数化简门电路及分类分立元件门电路,3.3TTL门电路,TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。,TTL电路的基本环节是反相器。因此首先简单了解TTL反相器的电路及工作原理，掌握其特性曲线和主要参数。,3.3.1TTL反相器,一、电路结构,T1的发射结导通VB1=VIL+VoN=0.9vT2、T5截止T4导通,A输入低电平时,0.2V,0.9V,A输入高电平时,3.4V,T1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，不考虑T2存在情况下VB1=VIL+VoN=4.1vT2、T5导通，使得VB1=0.7*3=2.1vT4截止,2.1V,需要说明的几个问题,3.2.2TTL非门的外部特性及主要参数1.电压传输特性和相应参数,(1)输出高电平VOH：AB段所对应的输出电平，一般大于等于3V；(2)输出低电平VOL：DE段对应的输出电平，一般小于0.4V。,(3)开门电平UON一般要求UON1.8V(4)关门电平UOFF一般要求UOFF0.8V,在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。,在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。,(5)阈值电压UTH电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。,2.输入端噪声容限反应抗干扰能力的物理量,低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）UNL=UOFF-UILUIL为电路输入低电平的典型值例如：UNL=0.8-0.3=0.5(V),高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）UNH=UIH-UONUIH为电路输入高电平的典型值例如：UNH=3-1.8=1.2(V),3.输入特性,(1)输入短路电流IIS（输入低电平电流）当uIL=0V时，由输入端流出的电流IIS=(VCCUBE1)/R1=(50.7)/41.1mA,(2)输入漏电流IIH（输入高电平电流）当输入为高电平时，iI=IIHIIH很小，一般小于40A。,前级驱动门导通时，IIS将灌入前级，称为灌电流负载。,前级驱动门截止时，IIH从前级流出，称为拉电流负载。,4.输出特性,（1）输出为高电平的输出特性,由图可见，负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。iL5mA时，输出uO变化很大；实际上由于功耗的限制，iL远小于5mA。74系列门电路的运用条件规定iL不超过0.4mA。,（2）输出为低电平时的输出特性,T5饱和导通时c-e间饱和导通内阻很小，饱和压降很低，所以负载电流增加时输出低电平仅稍有升高。,5.输入端负载特性,TTL反相器的输入端对地接上电阻RI时，uI随RI的变化而变化的关系曲线。,在一定范围内，uI随RI的增大而升高，输出高电平。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1=2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI=1.4V也不变。这时T2和T5饱和导通，输出为低电平。,RI不大不小时，工作在线性区或转折区。,RI较小时，输出高电平；,RI较大时，输出低电平；,(1)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ROFF0.7k。,(2)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RON2k。数字电路中要求输入负载电阻RIRON或RIROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。,6.扇入系数NI和扇出系数NO,扇入系数NI是指合格输入端的个数。扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，即可以驱动同类门的个数。分两种情况，一是灌电流负载NOL，二是拉电流负载NOH。,7.平均传输延迟时间tpd,平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。,tpd=（tpLH+tpHL）/2,一般TTL：10-40ns,3.3.3其他类型的TTL门电路,一、其他逻辑功能的门电路1.与非门,2.或非门,3.与或非门,4.异或门,A=0,B=0，T2T3导通，T4T5截止，T7T9导通，T8截止，输出为0A=1,B=1，T6T7导通，T8截止输出为0,A=0,B=1，或者A=1,B=0：T3导通，T6截止，T4T5必有一个导通，T7截止，T9截止，T8导通，输出为1,TTL与非门举例,7400是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。引脚排列图如图所示。,二、集电极开路的门电路,1.推拉式输出电路结构的局限性输出电平不可调负载能力不强，尤其是高电平输出输出端不能并联使用（不能构成“线与”结构）OC门（OpenCollector）,1,0,一是会抬高门2的低电平，二是会因功耗过大损坏门电路.,线与结构,yes,no,2、OC门的结构特点,2.OC门应用（1）OC门实现的线与逻辑,（2）驱动显示器,（3）实现电平转换,上次课内容回顾：,TTL反相器的工作原理TTL反相器的外部特性电压传输特性输入特性输出特性输入端负载特性几个参数及含义输入端噪声容限、拉电流、灌电流、扇入系数、扇出系数、平均传输时延OC门及应用,三、三态输出门（ThreestateOutputGate,TS）,分两种情况：,低电平有效,高电平有效,三态门的使用,三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。,（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。,（a）组成单向总线，实现信号的分时单向传送.,一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）电路的改进(1)输出级采用复合管T3和T4，减小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对电容性负载的充电速度。(2)减少各电阻值，加速三极管开关速度。2.性能特点速度提高的同时，功耗增加，因为电流增大了。,3.3.4TTL电路的改进系列,二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）,电路改进采用抗饱和三极管（肖特基三极管），防止工作在深度饱和状态。