数字电子电路教案第三章

1、概述,第 2 章逻辑门电路,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,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-Transistor Logic,CMOS 即 Complementary Metal-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、高电平和低电平的含义,高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固

2、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,2.2三极管的开关特性,主要要求,理解三极管的开关特性,掌握三极管开关工作的条件,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 uBE Uth时，三极管截止,iB 0，iC 0，C、E 间相当于开关断开,三极管关断的条件和等效电路,负载线,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=UIL,Uth为门限电压,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

3、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； UCE(sat) 为饱和集电极电压。对硅管， UBE(sat) 0.7V， UCE(sat) 0.3V。在临界饱和点三极管仍然具有放大作用,uI 增大使 uBE Uth时，三极管开始导通，iB 0，三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 iB IB(sat)时，三极管饱和

4、,uBE 0.7V UCE(sat) 0.3 V ， 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， iC IC(Sat),例下图电路中 = 50,UBE(on) = 0.7 V,UIH = 3.6 V,UIL = 0.3 V,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 = 0.3 V 时,三极管满足截止条件,uI = UIH = 3.6 V 时,为使三极管饱和,应满足 iB IB(sat,所以求得

5、RB 29 k，可取标称值 27 k,2) 对应输入波形画出输出波形,可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器,三极管截止时， iC 0，uO +5 V,三极管饱和时， uO UCE(sat) 0.3 V,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

6、,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 toff ton,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

7、有 0.4 V 而非 0.7 V， 因此 UBC = 0.4 V 时，SBD 便导通，使 UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度,三、抗饱和三极管简介,2.3TTL 集成逻辑门,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,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,一、TTL 与非门的基本组成与外特性,一)典型 TTL 与非门电路,除V4外，采用了抗饱和三极管，用以提高门电路工作速度。V4不会工作于饱和状态，因此用普通三极管,输入级主要由多发射极管 V1 和基极电阻 R1 组成，用以实现输入变量

8、A、B、C 的与运算。 VD1 VD3 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，VD1 VD3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 -0.7 V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，V2 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 V3和 V5。 RB、RC 和 V6 构成有源泄放电路，用以减小 V5管开关时间，从而提高门电路工作速度,输出级由 V3、V4、 R4、R5和V5组成。其中 V3 和 V4 构成复合管，与 V5 构成推拉式输出结构，提高了负

9、载能力,VD1 VD3 在正常信号输 入时不工作，因此下面的分 析中不予考虑。RB、RC 和 V6 所构成的有源泄放电路的 作用是提高开关速度，它们 不影响与非门的逻辑功能， 因此下面的工作原理分析中 也不予考虑,因为抗饱和三极管 V1的集电结导通电压为 0.4 V，而 V2、V5 发射结导通电压为 0.7 V，因此要使 V1 集电结和 V2、V5 发射结导通，必须 uB1 1.8 V,0.3 V 3.6 V 3.6 V,输入端有一个或数个为 低电平时，输出高电平,输入低电平端对应的发射结导通，uB1= 0.7 V + 0.3 V = 1 V,V1管其他发射结因反偏而截止,1 V,这时 V2、

10、V5 截止,V2 截止使 V1 集电极等效电阻很大，使 IB1 IB1(sat) ，V1 深度饱和,V2 截止使 uC2 VCC = 5 V,5 V,因此，输入有低电平时，输出为高电平,二)TTL 与非门的工作原理,综上所述,该电路实现了与非逻辑功能,即,3.6 V 3.6 V 3.6 V,因此，V1 发射结反偏而集电极正偏，称处于倒置放大状态,1.8 V,这时 V2、V5 饱和,uC2 = UCE2(sat) + uBE5 = 0.3 V + 0.7 V = 1 V,使 V3 导通，而 V4 截止,1 V,uY = UCE5(sat) 0.3 V 输出为低电平,因此，输入均为高电平时，输出为

11、低电平,0.3 V,V4 截止使 V5 的等效集电极电阻很大，使 IB5 IB5(sat) ，因此 V5 深度饱和,倒置放大,TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平,输入均为高电平时，输出低电平,VCC 经 R1 使 V1 集电结和 V2、V5 发射结导通，使uB1 = 1.8 V,深,注意,2. TTL与非门的工作原理,三) TTL 与非门的外特性及主要参数,1. 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 V2、V5 截止，V3、V4 导通，输出恒为高电平，UOH 3.6V，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

12、 V2、V5 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 V2、V5 饱和，输出恒为低电平，UOL 0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态,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 uO USH 时，则认为输出高电平，通常取 USH = 3 V,标准低电平 USL,当 uO USL 时，则认为输出低电平，通常取 USL = 0.3 V,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

13、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： uI UTH，则与非门开通， 输出低电平UOL； uI UTH，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 = UOFF UIL,指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。UNH = UIH UON,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. 输入负载特性,ROFF 称关门电阻。RI ROFF 时，相应输入端相 当于输入低电平。

14、对 STTL 系列，ROFF 700,RON 称开门电阻。RI RON 时，相应输入端相当于输入高电平。对 STTL 系列，RON 2.1 k,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 = 300 ROFF 800,图(b)中，RI = 5.1 k RON 3 k,3. 负载能力,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,

15、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,由于三极管存在开关时间，元、器件及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间,4. 传输延迟时间,输入电压波形下降沿 0.5 UIm 处到输出电压上升沿 0.5 Uom处间隔的时间称截止延迟时间 tPLH,输入电压波形上升沿 0.5 UIm 处到输出电压下降沿 0.5 Uom处间隔的时间称导通延迟时间 tPHL,平均传输延迟时间 tpd,

16、tPHL,tPLH,tpd 越小，则门电路开关速度越高，工作频率越高,5. 功耗-延迟积,常用功耗 P 和平均传输延迟时间 tpd 的乘积(简称 功耗 延迟积)来综合评价门电路的性能，即 M = P tpd,性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的 特点，然而这两者矛盾,M 又称品质因素，值越小，说明综合性能越好,使用时需外接 上拉电阻 RL,即 Open collector gate，简称 OC 门,常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、与或非门和异或门等。它们都是在与非门基础上发展出来的，TTL 与非门的上述特性对这些门电路大多适用,VC 可以等于 VCC也可不等于 VCC,二、其他

17、功能的 TTL 门电路,一)集电极开路与非门,1. 电路、逻辑符号和工作原理,输入都为高电平时， V2 和 V5 饱和导通，输出为低电平 UOL 0.3 V 。 输入有低电平时，V2和 V5 截止，输出为高电平 UOH VC 。 因此具有与非功能,工作原理,相当于与门作用。 因为 Y1、Y2 中有低电 平时，Y 为低电平；只有 Y1、Y2 均为高电平时，Y 才为高电平，故 Y = Y1 Y2,2. 应用,1) 实现线与,两个或多个 OC 门的输出端直接相连，相当于将这些输出信号相与，称为线与,只有 OC 门才能实现线与。普通 TTL 门输出端不能并联，否则可能损坏器件,注意,2)驱动显示器和继

18、电器等,例 下图为用 OC 门驱动发光二极管 LED 的显示电路。 已知 LED 的正向导通压降 UF = 2V，正向工作电流 IF = 10 mA，为保证电路正常工作，试确定 RC 的值,解：为保证电路正常工作，应满足,因此RC = 270,分析： 该电路只有在 A、B 均为高电平，使输出 uO 为低电平时，LED 才导通发光；否则 LED 中无电流流通，不发光。 要使 LED 发光，应满足IRc IF = 10 mA,3)实现电平转换,TTL 与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同种类门电路的高低电平标准不一样。应用 OC 门就可以适应负载门对电平的要求,OC 门的 UOL 0.3V，U

19、OH VDD，正好符合 CMOS 电路 UIH VDD，UIL 0的要求,即 Tri-State Logic 门，简称 TSL 门。其输出有高电平态、低电平态和高阻态三种状态,0,1,1,0,0.3V,1V,导通,截止,截止,另一方面，V1 导通， uB1 = 0.3V + 0.7V = 1V, V2、V5 截止,这时，从输出端 Y 看进去，对地和对电源 VCC 都相当于开路，输出端呈现高阻态，相当于输出端开路,1V,导通,截止,截止,Z,这时 VD 导通，使 uC2 = 0.3 V + 0.7 V = 1 V，使 V4 截止,二)三态输出门,1. 电路、逻辑符号和工作原理,工作原理,综上所述

20、，可见,二)三态输出门,1. 电路、逻辑符号和工作原理,EN 即 Enable,2. 应用,2)构成双向总线,TTL 集成门的类型很多,那么如何识别它们?各类型之间有何异同?如何选用合适的门,三、TTL 集成门应用要点,1. 各系列 TTL 集成门的比较与选用,用于民品,用于军品,具有完全相同的电路结构和电气性能参数，但 CT54 系列更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作,按工作温度和电源允许变化范围不同分为,向高速 发展,向低功 耗发展,按平均传输延迟时间和平均功耗不同分,向减小 功耗 - 延迟积 发展,措施：增大电阻值,措施： (1) 采用 SBD 和抗饱和三极管； (2) 采

21、用有源泄放电路； (3) 减小电路中的电阻值,其中，LSTTL 系列综合性能优越、品种多、价格便宜； ALSTTL 系列性能优于 LSTTL，但品种少、价格较高，因此实用中多选用 LSTTL,CT74 系列(即标准 TTL,集成门的选用要点,1)实际使用中的最高工作频率 fm 应不大于逻辑门最高工作 频率 fmax 的一半,实 物 图 片,双列直插 14 引脚 四 2 输入与非门,2. TTL 集成逻辑门的使用要点,1)电源电压用 + 5 V,74 系列应满足 5 V 5,2)输出端的连接,普通 TTL 门输出端不允许直接并联使用,三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有 一个门工作，其

22、他门输出处于高阻状态,集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和 电源 VCC 之间应接负载电阻 RL,输出端不允许直接接电源 VCC 或直接接地。 输出电流应小于产品手册上规定的最大值,3. 多余输入端的处理,与门和与非门的多余输入端接逻辑 1 或者与有用输入端并接,接 VCC,通过 1 10 k 电阻接 VCC,与有用输入端并接,TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平，做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰,或门和或非门的多余输入端接逻辑 0 或者与有用输入端并接,解,OC 门输出端需外接上拉电阻,RC,5.1k,Y = 1,Y = 0,RI

23、 RON ，相应输入端为高电平,510,RI ROFF ，相应输入端为低电平,是由增强型 PMOS 管和增强型 NMOS 管组成的互补对称 MOS 门电路。比之 TTL，其突出优点为：微功耗、抗干扰能力强,2.4CMOS 集成逻辑门,主要要求,掌握 CMOS 反相器的电路、工作原理 和主要外特性,了解 CMOS 数字集成电路的应用要点,了解 CMOS 与非门、或非门、开路门、 三态门和传输门的电路和逻辑功能,一、CMOS 反相器,一)电路基本结构,要求VDD UGS(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 P

24、MOS 管开启电压,UGS(th)P,UIL = 0 V，UIH = VDD,二)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 iD 0。因此 CMOS 反相器静态功耗极微小,uO VDD 为高电平,uO 0 V ，为低电平,二、其他功能的 CMOS 门电路,一)CMOS 与非门和或非门,1. CMOS 与非门,CMOS 与非门工作原理,2. CMOS 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,由一对参数对称一致的增强型 NMO

25、S 管和 PMOS 管并联构成,三)CMOS 传输门,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 = 0 VDD 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 = 0 VDD 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,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 Transmission Gate 的缩写,三)CMOS 传输门,四)

26、CMOS 三态输出门,工作原理,因此构成使能端低电平有效的三态门,三、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 UTH VDD / 2，噪声容限UNL UNH VDD / 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 = 2 6 V,T 表示与 TTL 兼容 VDD = 4.5 5.5 V,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 + 5 V。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

27、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,2.5 集成逻辑门电路的应用,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,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,

28、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 20 MHz；如工作频率较高，可选用 CT74ALS 系列，其工作频率一般可至 50 MHz,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 1 MHz 以下、驱动能力要求不高的场合；HCMOS 常用于工作频率 20 MHz 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

29、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

30、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)

31、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 UBE 0.5 V ，可靠截止条件为 UBE 0 V，这时 iB 0，iC 0，集电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件为 iB IB(sat) ，这时，硅管的 UBE(sat) 0.7 V，UCE(sat) 0.3 V，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