数字电子技术第二章逻辑门电路

概述,第2章逻辑门电路,二极管、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,最简单的与、或、非门电路,2.1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。,2.1概述,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。,基本门电路:与门、或门、非门,正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。,2.1概述,一、正逻辑与负逻辑,二、获得高低电平的方法及高电平和低电平的含义,获得高、低电平的基本原理,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,一些约定:,TTL门电路:VILmax=0.7V,VIHmin=1.4VVOLmax=0.3V,VOHmin=3.6V,CMOS门电路:VILmax=VIHmax=VDD/2VOL=0V,VOH=VDD,对低电平而言,电压越低越好,对高电平而言,电压越高越好.但前提是不能超过电源电压的范围.,主要要求：,理解二极管、三极管的开关特性。,掌握二极管、三极管开关工作的条件。,2.2二极管和三极管的开关特性,利用二极管的单向导电性，此电路相当于一个受外加电压极性控制的开关。,当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL开关闭合,2.2.1二极管开关特性,假定：UIH=VCC，UIL=0,当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH开关断开,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uBEUth时，三极管开始导通，iB0，三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iBIB(sat)时，三极管饱和。,uBEUCE(sat)0.3V0，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，iCIC(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iBIB(sat),所以求得RB100即可,例,这里的参数在以后的讲课中会用到.,当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH开关断开,假定：UIH=VCC，UIL=0,当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=UCES=UOL开关闭合,三级管非门电路,以后在数字电路中遇到这样的电路,都可以认为这是一个非门.,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toffton,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,图2.3.1二极管与门,返回,真值表,逻辑电平,2.3.1二极管与门,2.3最简单的与、或、非门电路,缺点：输出电平发生偏移,2.3.2二极管或门,图2.3.2二极管或门,返回,逻辑电平,真值表,缺点：输出电平发生偏移,2.3.3三极管非门,图2.3.3三极管非门（反相器）,返回,真值表,R2和VEE的作用：保证输入为低电平时三极管可靠截止；输入为高电平时，保证三极管工作在深度饱和状态，使输出电平接近于零。,缺点:输出电阻大,带负载能力差.,2.3.4DTL(二级管-三极管)门电路,或非门:二级管或门+三极管非门,与非门:二级管与门+三极管非门,缺点：1、输出电平发生偏移,级数越多,偏移越大.,与或非门:二级管与门+二级管或门+三极管非门,2、带负载能力差,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。,2.4TTL集成逻辑门,掌握TTL基本门电路的逻辑功能和主要外特性。,掌握集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。,2.4.1TTL反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,输入级主要由三极管T1、基极电阻R1和钳位二极管D1组成。D1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，D1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，T2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T3和T5。,输出级由T3、D2、R4和V5组成。其中V3，与V5构成推拉式输出结构，提高了负载能力。,输入端为低电平时，输出高电平。,二、TTL反相器的工作原理（设输入VIH=3.6V，VIL=0.3V）,输入电流方向:IIL流出输入端,输入电流大小：1mA,输入为高电平时，输出低电平,输入电流方向:IIH流入输入端,输入电流大小：小于40uA,三、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T2、T5截止，T4、D2导通，输出恒为高电平，UOH3.6V，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T2、T5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T2、T5饱和，输出恒为低电平，UOL0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。,1、电压传输特性,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uOUSH时，则认为输出高电平，通常取USH=3V。,标准低电平USL,当uOUSL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：uIUTH，则与非门开通，输出低电平UOL；uIUTH，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=UOFFUIL,指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。UNH=UIHUON,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、噪声容限,2.4.2TTL反相器的静态输入特性和输出特性,返回,图2.4.4TTL反相器的输入端等效电路,b）-0.6V0.7V以后，vi仍随RI的增大而增大。,c）vi1.4以后，T5管开始导通，UB1被钳位在2.1V,此后vi不再随RI的增大而增大。此时的RI称为开门电阻,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=300RON3k,实际应用,a）若将两个TTL门电路经过一个电阻串接，这个电阻的阻值不能大于RON。,三.输出特性,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。,输出电压uo随输出电流IL的变化而变化的关系曲线。,a）输出低电平时的输出特性,UoL=iLrce5,iL=nIIL,n为负载门的个数.,TTL反相器低电平输出特性,由低电平输出特性可以查出输出某一低电平时的最大负载电流。,TTL反相器输出低电平时的输出特性如下所示。,每个门的输出低电平特性都可以测出。,根据iL=nIILUGS(TH),UGS(TH)0UGSUGS(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,2.6.1CMOS反相器的工作原理,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iD0。因此CMOS反相器静态功耗极微小。,uOVDD为高电平。,uO0V，为低电平。,图2.6.2CMOS反相器的电压传输特性,返回,电压传输特性,二、电压传输特性和电流传输特性,图2.6.3CMOS反相器的电流传输特性,返回,电流传输特性,特点：无论输入低电平还是高电平，电流均接近于零，因此功耗低。,前面我们已经分别计算过TTL门电路在输入低电平和高电平两种情况下的电源电流，从而可以得知TTL门电路的功耗。,图2.6.4不同VDD下CMOS反相器的噪声容限,返回,三、输入端噪声容限,结论：电源电压越高，抗干扰能力越强。,图2.6.6CMOS反相器的输入保护电路（a）CC4000系列的输入保护电路（b）74HC系列的输入保护电路,返回,2.6.2CMOS反相器的静态输入特性和输出特性,1、输入特性,图2.6.7CMOS反相器的输入特性（a）图2.6.6(a)电路的输入特性（b）图2.6.6(b)电路的输入特性,返回,因CMOS反相器用的是绝缘栅场效应管，故Ii0，因此输入特性如下图所示。,图2.6.8vO=VOL时CMOS反相器的工作状态,返回,2、输出特性,输出低电平特性,图2.6.9CMOS反相器的低电平输出特性,返回,同样的IoL值下，VDD越高，VOL也越低,图2.6.10vO=VOH时CMOS反相器的工作状态,返回,输出高电平特性,图2.6.11CMOS反相器的高电平输出特性,返回,同样的IOH下，VDD越大，输出高电平越高。,3、输入负载特性,因绝缘栅场效应管的栅极绝缘，因此无输入负载特性。,4、CMOS反相器的功耗,集成电路的功耗是指馈电电源提供给集成电路的功耗，它是衡量电路性能的重要技术指标。各种集成电路的功耗水平，由该电路的线路结构、制造工艺、集成度和外部使用条件决定。在目前流行的各种集成电路产品中，CMOS集成电路的功耗是最低的，整个封装的静态平均功耗小于10uW，但随着工作频率的升高，CMOS集成电路的动态功耗显著增大。,例下图中，门电路为CMOS系列，试确定它们的输出。,图2.6.18CMOS与非门,返回,2.6.3其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,1.CMOS与非门,返回,CMOS与非门工作原理,2.CMOS或非门,图2.6.19CMOS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,功能：1、可以实现线与；2、可以实现电平转换；3、可以带大电流的负载。,三、CMOS传输门和双向模拟开关,COMS传输门与前面所讲的推拉式输出的门电路、OC门、三态门的区别：,推拉式输出的门电路、OC门、三态门只能用来传输0、1信号，而传输门可以传输0VDD之间的任何信号。,注意,由一对参数对称一致的增强型NMOS管和PMOS管并联构成。,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=0VDD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=0VDD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。,CMOS传输门结构,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,CMOS传输门,双向模拟开关,图2.6.25CMOS双向模拟开关的电路结构和符号,图2.6.28CMOS三态门电路结构之一,返回,四、三态输出的CMOS门电路,反相器上增加一对P沟道和N沟道的MOS管组成。,图2.6.29CMOS三态门电路结构之二（a）用或非门控制（b）用与非门控制,返回,在反相器的基础上增加一个控制管和一个与非门或者或非门而形成。,图2.6.30CMOS三态门电路结构之三,返回,在反相器的输出端串进一个CMOS模拟开关，作为输出状态的控制开关。,2.6.5、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UTHVDD/2，噪声容限UNLUNHVDD/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=26V,T表示与TTL兼容VDD=4.55.5V,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UBE0.5V，可靠截止条件为UBE0V，这时iB0，iC0，集电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件为iBIB(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、性能优越、品种多、价格便宜，实用中多选用之。ALSTTL系列性能更优于LSTTL，但品种少、价格较高。,CMOS数字集成电路主要有CMOS4000系列和HCMOS系列。CMOS4000系列工作速度低，负载能力差，但功耗极低、抗干扰能力强，电源电压范围宽，因此，在工作频率不高的情况下应用很多。CC74HC和CC74HCT两个系列的工作频率和负载能力都已达到TTL集成电路CT74LS的水平，但功耗、抗干扰能力和对电源电压变化的适应性等比CT74LS更优越。因此，CMOS电路在数字集成电路中，特别是大规模集成电路应用更广泛，已成为数字集成电路的发展方向。,应用集成门电路时，应注意：,TTL电路只能用5V(74系列允许误差5%)；CMOS4000系列可用315V；HCMOS系列可用26V；CTMOS系列用4.55.5V。一般情况下，CMOS门多用5V，以便与TTL电路兼容。,(1)电源电压的正确使用,(2)输出端的连接,开路门的输出端可并联使用实现线与，还可用来驱动需要一定功率的负载。,三态输出门的输出端也可并联，用来实现总线结构，但三态输出门必须分时使能。使用三态门时，需注意使能端的有效电平。,普通门(具有推拉式输出结构)的输出端不允许直接并联实现线与。,(3)闲置输入端的处理,(4)信号的正确使用,TTL电路输入端悬空时相当于输入高电平，CMOS电路多余输入端不允许悬空。,CMOS电路多余输入端与有用输入端的并接仅适用于工作频率很低的场合。,数字电路中的信号有高电平和低电平两种取值，高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。门电路种类不同，高电平和低电平的允许范围也不同。,或门和或非门,与门和与非门,多余输入端接地或与有用输入端并接,多余输入端接正电源或与有用输入端并接,UILUOFFUIHUON,UILUSLUIHUSH,通常,以保证有较大的噪声容限,噪声容限越大，则电路抗干扰能力越强。,UILUOL0VUIHUOHVDD,UNLUNHVDD/2，噪声容限很大，因此电路抗干扰能力很强。,CMOS传输门既可传输数字信号，也可传输模拟信号。,当输入端外接电阻RI时,RIROFF相当于输入逻辑0RIRON相当于输入逻辑1,TTL电路,CMOS电路,CMOS门电路由于输入电流为零，因此不存在开门电阻和关门电阻。,概述,第2章逻辑门电路,二极管、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,最简单的与、或、非门电路,2.1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、获得高低电平的方法及高电平和低电平的含义,获得高、低电平的基本原理,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：,理解二极管、三极管的开关特性。,掌握二极管、三极管开关工作的条件。,2.2二极管和三极管的开关特性,2.2.1半导体二极管的开关特性,二极管开关电路,真值表,逻辑电平,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uBEUth时，三极管开始导通，iB0，三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iBIB(sat)时，三极管饱和。,uBEUCE(sat)0.3V0，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，iCIC(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iBIB(sat),所以求得RBton,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,图2.3.1二极管与门,返回,真值表,逻辑电平,2.3.1二极管与门,2.3最简单的与、或、非门电路,缺点：输出电平发生偏移,2.3.2二极管或门,图2.3.2二极管或门,返回,逻辑电平,真值表,缺点：输出电平发生偏移,2.3.3三极管非门,图2.3.3三极管非门（反相器）,返回,真值表,R2和VEE的作用：保证输入为低电平时三极管可靠截止；输入为高电平时，保证三极管工作在深度饱和状态，使输出电平接近于零。,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。,2.4TTL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。,2.4.1TTL反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,输入级主要由三极管T1、基极电阻R1和钳位二极管D1组成。D1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，D1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，T2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T3和T5。,输出级由T3、D2、R4和V5组成。其中V3，与V5构成推拉式输出结构，提高了负载能力。,输入端为低电平时，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,这时T2、T5截止。T2截止使T1集电极等效电阻很大，使,V2截止使uC2VCC=5V，则T4饱和、D2导通,因此，输入有低电平时，输出为高电平。,二、TTL反相器的工作原理（设输入VIH=3.6V，VIL=0.3V）,IB1IB1(sat)，T1深度饱和。,电流方向:流出输入端,因此，T1发射结反偏而集电极正偏，称处于倒置放大状态。,输入为高电平时，输出低电平,VCC经R1使T1集电结和T2、T5发射结导通，使uB1=2.1V。,对于T2，,T2饱和。uC2=UCE2(sat)+uBE5=0.3V+0.7V=1V,使T4导通，而D2截止，IB4=0则,因此，输入均为高电平时，输出为低电平。,对于T5，D2截止使T5的等效集电极电阻很大，使IB5IB5(sat)，因此V5深度饱和。,TTL电路输入端悬空时相当于输入高电平。,注意,综上所述,该电路实现了与非逻辑功能,即,T5饱和，uo=UCE5(sat)0.3V输出为低电平,电流方向:流入输入端,当有两个输入端A、B时,不难分析出:,三、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T2、T5截止，T4、D2导通，输出恒为高电平，UOH3.6V，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T2、T5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T2、T5饱和，输出恒为低电平，UOL0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。,1、电压传输特性,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uOUSH时，则认为输出高电平，通常取USH=3V。,标准低电平USL,当uOUSL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：uIUTH，则与非门开通，输出低电平UOL；uIUTH，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=UOFFUIL,指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。UNH=UIHUON,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、噪声容限,2.4.2TTL反相器的静态输入特性和输出特性,返回,图2.4.4TTL反相器的输入端等效电路,b）-0.6V0.7V以后，vi仍随RI的增大而增大。,c）vi1.4以后，T5管开始导通，UB1被钳位在2.1V,此后vi不再随RI的增大而增大。此时的RI称为开门电阻,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=300RON3k,实际应用,a）若将两个TTL门电路经过一个电阻串接，这个电阻的阻值不能大于ROFF。,三.输出特性,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。,输出电压uo随输出电流iL的变化而变化的关系曲线。,a）输出低电平时的输出特性,输入高电平时，输出低电平。此时T1倒置使用，T2、T5饱和，T4、D2至少有一个截止。UoL=iLrce5，UoL随着iL的增加而增大，iL增大到使UoL超过UoLmax时，驱动门的逻辑关系就出错了。iL与负载门的多少有关。iL=nIIL。因此，输出高电平时带负载能力是有限的。,TTL反相器低电平输出特性,由低电平输出特性可以查出输出某一低电平时的最大负载电流。,TTL反相器输出低电平时的输出特性如下所示。,每个门的输出低电平特性都可以测出。,根据iL=nIILUGS(TH),UGS(TH)0UGSUGS(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,2.6.1CMOS反相器的工作原理,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iD0。因此CMOS反相器静态功耗极微小。,uOVDD为高电平。,uO0V，为低电平。,图2.6.2CMOS反相器的电压传输特性,返回,电压传输特性,二、电压传输特性和电流传输特性,图2.6.3CMOS反相器的电流传输特性,返回,电流传输特性,特点：无论输入低电平还是高电平，电流均接近于零，因此功耗低。,前面我们已经分别计算过TTL门电路在输入低电平和高电平两种情况下的电源电流，从而可以得知TTL门电路的功耗。,图2.6.4不同VDD下CMOS反相器的噪声容限,返回,三、输入端噪声容限,结论：电源电压越高，抗干扰能力越强。,图2.6.5CMOS反相器输入端噪声容限与VDD的关系,返回,图2.6.6CMOS反相器的输入保护电路（a）CC4000系列的输入保护电路（b）74HC系列的输入保护电路,返回,2.6.2CMOS反相器的静态输入特性和输出特性,1、输入特性,图2.6.7CMOS反相器的输入特性（a）图2.6.6(a)电路的输入特性（b）图2.6.6(b)电路的输入特性,返回,因CMOS反相器用的是绝缘栅场效应管，故Ii0，因此输入特性如下图所示。,图2.6.8vO=VOL时CMOS反相器的工作状态,返回,2、输出特性,输出低电平特性,图2.6.9CMOS反相器的低电平输出特性,返回,同样的IoL值下，VDD越高，VOL也越低,图2.6.10vO=VOH时CMOS反相器的工作状态,返回,输出高电平特性,图2.6.11CMOS反相器的高电平输出特性,返回,同样的IOH下，VDD越大，输出高电平越高。,3、输入负载特性,因绝缘栅场效应管的栅极绝缘，因此无输入负载特性。,4、CMOS反相器的功耗,集成电路的功耗是指馈电电源提供给集成电路的功耗，它是衡量电路性能的重要技术指标。各种集成电路的功耗水平，由该电路的线路结构、制造工艺、集成度和外部使用条件决定。在目前流行的各种集成电路产品中，CMOS集成电路的功耗是最低的，整个封装的静态平均功耗小于10uW，但随着工作频率的升高，CMOS集成电路的动态功耗显著增大。,例下图中，门电路为CMOS系列，试确定它们的输出。,2.6.3CMOS反相器的动态特性,一、传输延迟时间,二、交流噪声容限,三、动态功耗,图2.6.18CMOS与非门,返回,2.6.4其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,1.CMOS与非门,返回,CMOS与非门工作原理,2.CMOS或非门,图2.6.19CMOS或非门,二、带缓冲级的CMOS门电路,与非门存在的问题：,1、它的输出电阻Ro受输入端状态的影响；,假定每个MOS管的导通内阻为Ron，截止内阻Roff为无穷大。,A=1，B=1时，则Ron=Ron（NA）+Ron（NB）,A=0，B=0时，则Ron=Ron（NA）/Ron（NB）=Ron/2,A=1，B=0时，Ron=Ron（PB）,A=1，B=0时，Ron=Ron（PA）,2、输出的高低电平受输入端数目的影响,输入端数目越多，串联的驱动管数目也越多，输出的低电平越高；当输入全部为低电平时，输入端越多，负载管并联的数目越多，输出高电平也会更高些。,为了克服这些缺点，在目前生产的CC4000系列和74HC系列CMOS电路中均采用带缓冲级的结构，就是在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器。加进的这些具有标准参数的反相器称为缓冲器。,3、输入端工作状态不同时对电压传输特性也有一定影响。,图2.6.20带缓冲级的CMOS与非门电路,返回,图2.6.21带缓冲级的CMOS或非门电路,返回,返回,注意,加入缓冲器以后，电路的逻辑功能发生了变化。,带缓冲级的门电路的输出电阻、输出的高、低电平以及电压传输特性将不受输入状态的影响。,三、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,功能：1、可以实现线与；2、可以实现电平转换；3、可以带大电流的负载。,四、CMOS传输门和双向模拟开关,COMS传输门与前面所讲的推拉式输出的门电路、OC门、三态门的区别：,推拉式输出的门电路、OC门、三态门只能用来传输0、1信号，而传输门可以传输0VDD之间的任何信号。,注意,由一对参数对称一致的增强型NMOS管和PMOS管并联构成。,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=0VDD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=0VDD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。,CMOS传输门结构,返回,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,CMOS传输门,双向模拟开关,图2.6.25CMOS双向模拟开关的电路结构和符号,图2.6.28CMOS三态门电路结构之一,返回,五、三态输出的CMOS门电路,反相器上增加一对P沟道和N沟道的MOS管组成。,图2.6.29CMOS三态门电路结构之二（a）用或非门控制（b）用与非门控制,返回,在反相器的基础上增加一个控制管和一个与非门或者或非门而形成。,图2.6.30CMOS三态门电路结构之三,返回,在反相器的输出端串进一个CMOS模拟开关，作为输出状态的控制开关。,2.6.5、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UTHVDD/2，噪声容限UNLUNHVDD/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=26V,T表示与TTL兼容VDD=4.55.5V,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