第2章(逻辑门电路上课)资料.ppt

第2章逻辑门电路,学习要点：基本逻辑门电路的逻辑功能典型与非门电路结构与非门电路的外特性与级连集电极开路（OC）与非门三态门,获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。导通时阻抗很小，相当于短路；截止时阻抗很大，相当于开路。,逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。,2.1、二极管的开关特性,逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。,基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。,二极管符号：,正极,负极,uD,单向导电性：正向导通P、N间很小的压降，相当于开关闭合。反向截止P、N间等效很大电阻，相当于开关断开。二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。,正极,负极,uD,uo,uo,ui0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。,ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。,二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。,Ui0.5V时，二极管导通。,Ui,i,t,t,反向恢复时间由电荷存储效应引起的,2.2、三极管的开关特性,ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：,ui=1V时，三极管导通，基极电流：,因为0iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：,uoUCES0.3V,截止状态,饱和状态,iBIBS,ui=UIL0.5V,uo=+VCC,ui=UIH,uo=0.3V,饱和区,截止区,放,大,区,iB0,输入低电平,输入高电平,数字电路中，三极管作为一个由基极电流控制的无触点开关：饱和导通：Vce0，C、E间相当于开关闭合。截止：VceVcc，C、E间相当于开关断开。,2.3基本逻辑门电路,1、二极管与门,Y=AB,2、二极管或门,Y=A+B,二极管门电路的电平偏移问题：由于二极管的正向压降，经过一级门后，输出电平与输入电平有约0.7V（硅管）的偏移，许多级门电路互相串接时，将使高、低电平偏离标准数值越来越远，以至造成错误结果。,3、三极管非门,uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5V,uA5V时，三极管导通。基极电流为：,iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。,三极管临界饱和时的基极电流为：,三极管反相器的带负载问题：三极管反相器开关速度不高，带负载能力不强。输出高电平时（T截止），负载使输出高电平下降。输出低电平时（T饱和），负载可能使T退出饱和，使输出低电平上升。三极管T饱和程度越深，退出饱和所需时间越长（开关速度下降），但带负载能力越强。,2.4TTL逻辑门电路,1、TTL与非门电路,电路构成：输入级：多发射极三极管T1、Rb1中间放大级：T2、Rc2、Re2推拉式输出级：T3和T4、D、Rc4作用：提高开关速度和提高带负载能力。,输入高电平3.6V低电平0.3VPN结的压降0.7V,（2）逻辑功能,输入全为高电平3.6V时。T2、T3导通，VB1=0.73=2.1（V），由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES30.3V这时T2也饱和导通，故有VC2=VE2+VCE2=1V。使T4和二极管D都截止。实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。,该发射结导通，VB1=1V。所以T2、T3都截止。由于T2截止，流过RC2的电流较小，可以忽略，所以VB4VCC=5V，使T4和D导通，则有：VOVCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V）实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：,输入有低电平0.3V时。,TTL与非门提高工作速度的原理,性能改善：,输入由“1”跳至“0”时，因T1射极突跳至“0”，IB1流入T1射极，而此时T2，T3尚未脱离饱和，VC1仍为1.4V，T1发射结正偏，集电结反偏处于放大状态，于是有很大的电流从T2基极流向T1，使T2基区存储电荷迅速消散，加快T2退出饱和，因而加快与非门输出由“0”向“1”的转换,采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。,74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。,实际的与非门器件,74LS002输入4与非门,74LS308输入与非门,2.TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力,(1)电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）,AB段：VI很低，T1饱和，T2、T3截止，T4、D导通，VO=3.6VBC段：VI到0.6V，VB2=VI+VCES1=0.7V，T2开始导通，T3仍然截止VOCD段：VI使VE2=0.7，T2、T3导通，VODE段：VI，T2、T3饱和导通，VO=0.3V,（1）输出高电平电压VOH在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。（2）输出低电平电压VOL在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。（3）关门电平电压VOFF是指输出电压达到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。（4）开门电平电压VON是指输出电压达到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。（5）阈值电压Vth电压传输特性的转折区中点对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。即ViVth，与非门关门，输出高电平；ViVth，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V1.V。,(2)几个重要参数,TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。,（3）抗干扰能力,高电平噪声容限VNH=VOH(min)-VIH(min)=2.4V-2.0V=0.4V低电平噪声容限VNL=VIL(max)VOL(max)=0.8V-0.4V=0.4V,3.TTL与非门的带负载能力,输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。,可以算出：,产品规定IIL1.6mA。,（1）输入特性输入端电压和电流之间的关系,输入高电平电流IIH是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。,由于i的值远小于1，所以IIH的数值比较小，产品规定：IIH40uA。,倒置的放大状态：如图（b）所示。这时IIH=iIB1，i为倒置放大的电流放大系数。,TTL与非门输入特性,低电平传输特性,当输出为低电平时，T3导通，T4截止，输出的等效电路如下，由于T3饱和导通时，c-e间的内阻很小，在10欧姆以内，所以负载电流iL的增加时，VOL稍有升高。,（2）输出特性,3,输出低电平灌电流负载,当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3脱离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL，产品规定IOL=16mA。由此可得出:,NOL称为输出低电平时的扇出系数。,高电平传输特性,当vo=VOH时，T4和D导通，T3截止，输出的等效电路如下，由于T4工作在射随状态，电路的输出阻抗很低，当负载电流较小的情况下，负载电流变化时，VOH的变化很小。随着负载电流的增加，R4上的压降增加，最终使T4的b-c结正偏，T4进入饱和状态，此时，T4失去了射随的功能，因此，VOH随iL的增加而迅速下降。,输出高电平拉电流负载,NOH称为输出高电平时的扇出系数。,产品规定IOH=0.4mA。由此可得出：,当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。拉电流增大时，RC4上的压降增大，会使输出高电平降低。因此，把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH。,一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。,高电平输出电流IOH：输出为高电平时，提供给外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出高电平下降。IOH表示电路的拉电流负载能力。低电平输出电流IOL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出低电平上升。IOL表示电路的灌电流负载能力。高电平输入电流IIH：输入为高电平时的输入电流，也即当前级输出为高电平时，本级输入电路造成的前级拉电流。低电平输入电流IIL：输入为低电平时的输入电流，也即当前级输出为低电平时，本级输入电路造成的前级灌电流。,灌电流：IOLNOLIIL拉电流：IOHNOHIIHNO=min（NOL，NOH）,（3）输入端负载特性,在门电路的输入端与地之间或者输入端与信号的低电平之间接入电阻，由于输入电流流过RP必然产生压降，而形成输入端电位vI，,从上式中可以看出，RPR1时，vI几乎与RP成正比，但是当vI上升到1.4V以后，由于T2和T3的发射结导通，vb1被钳位在2.1V，所以即使RP增加，vI也不再升高。这时，vI与RP的关系不再满足上式。,vI随RP变化的规律，即输入端负载特性为,（4）扇出数扇出系数NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一般TTL门电路NO8。,门电路级联：前一个器件的输出就是后一个器件的输入，后一个是前一个的负载，两者要相互影响。,负载能力的计算,N1IIHiLN1=iL/IIH=400/40=10,例计算TTL反相器的扇出数，要求G1输出的高、低电平满足VOH大于等于3.2V，VOL小于等于0.2V。,保证输出高电平大于等于3.2V时，可以驱动门电路的个数为N1,查高电平输出特性曲线，VOH=3.2V时，iL=-7.5mA，但考虑到功耗的限制，iL0.4mA,由输入特性可知，高电平输入电流为40微安,N2IILiLN2=iL/IIL=16/1=16,保证输出低电平小于等于0.2V时，可以驱动门电路的个数为N2,查低电平输出特性曲线，VOH=0.2V时，iL=16mA，,由输入特性可知，低电平输入电流为-1mA,所以，门电路的扇出系数为10,（5）平均传输时间tpd：传输延迟时间：输出波形相对于输入波形的滞后时间。信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频率较高的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影响电路的逻辑功能。,描述开关特性的参数：tPLH，tPHL，tPd(PropagationDelay)tPd=(tPLHtPHL)/2（约35ns）,A=0时，T2、T3截止，T4、D导通，Y=1。,A=1时，T2、T3导通，T4、D截止，Y=0。,TTL非门,4.TTL门电路的其他类型,或非门,与或非门,与门,或门,异或门,在工程实践中，有时需要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门电路不能进行线与。为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开路门。,集电极开路门（OC门）,A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T5截止，Y=1。,接入外接电阻R后：,A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T5饱和导通，Y=0。,实现线与。电路如图所示，逻辑关系为:,OC门主要的应用：,（1）当输出高电平时，RP不能太大，RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min），得,OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：,IOH,+V,&,&,R,CC,P,V,OH,I,IH,I,IH,I,IH,n,&,&,（2）当输出低电平时，RP不能太小，RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max），得,外接电阻R的取值范围为：,+V,&,&,R,P,CC,OL,V,I,IL,IL,I,n,&,&,I,OL,（1）三态输出门的结构及工作原理。当EN=0时，G输出为1，D1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。当EN=1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。,三态输出门,TSL门的应用：,构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余TSL门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TSL门的输出。,5、TTL系列集成电路,TTL系列集成电路,74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗P10mW。,74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。,74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。,74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd9ns，平均功耗P2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。,2.5CMOS传输门(常用来作模拟开关),1.当,2.当,等效于开关断开,等效于开关闭合,CMOS数字电路的特点,（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。,2.6正负逻辑问题,正负逻辑的规定在逻辑电路中，常把电平的高、低和逻辑0、1联系起来，若H=1,L=0,称正逻辑；若H=0,L=1,称负逻辑。同一电路可以采用正逻辑，也可采用负逻辑，使同一电路具有不同的逻辑功能。一般无特殊说明均采用正逻辑。,与非门功能表,正真值表,负真值表,正负逻辑的转换,一、TTL与CMOS器件之间的接口问题两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：驱动门的VOH（min）负载门的VIH（min）驱动门的VOL（max）负载门的VIL（max）驱动门的IOH（max）负载门的IIH（总）驱动门的IOL（max）负载门的IIL（总）,2.7集成逻辑门电路的应用,（b）用TTL门电路驱动5V低电流继电器。,二、TTL和CMOS电路带负载时的接口问题,1对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。（a）用TTL门电路驱动发光二极管LED，这时只要在电路中串接一个约几百W的限流电阻即可。,2带大电流负载,（a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（a）所示。,（b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（b）所示。,（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。,三、多余输入端的处理,