PCB 技术资料 第四章 门电路

1、第四章 门电路内容提要【熟悉】ttl与非门工作原理【掌握】可以线与(或)的oc(集电极开路)门和三态门【熟悉】门电路的主要特性参数及计算【了解】coms门电路与ttl门电路的差异及多余输入端的处理一 一网上导学二 二典型例题三 三本章小结四 四习题答案网上导学1. 1. ttl与非门（1） （1） 电路组成 二极管与门(p99 图4.2.1)三极管非门(p100 图4.2.2)分立元件与非门(p101 图4.2.3)与非门电路(p101图4.2.4)ttl与非门(p102 图4.2.6,见下图) 图中的与非门电路由三部分组成：第一部分由多发射极晶体管t1和电阻r1组成电路的输入级，该级实现与功

2、能；第二部分由t2和电阻r2、r3组成中间级，从t2的集电极和发射级同时输出两个相位相反的信号(实现倒相)，并分别送到t3t4管的基极；第三部分由t3，d,t4和r4组成输出级(实现推拉式输出,具有较强的驱动能力和稳态时功耗极小)。第二部分和第三部分共同实现了非功能。（2） （2） 工作原理当输出为高电位时t3、d导通，t4截止；输出为低电位时，t3和d截止t4饱和导通,即工作情况如下表：输入状态输出电位t1t2t3dt4全部为高电位uih低电位uol反向放大饱和截止截止饱和一个或多个为低电位uil高电位uoh饱和截止导通导通截止输入全部为高电位(uih=3.6v)时,按理说t1的基极应为3.

3、6+0.7v,但由于t1管的集电结和t2、t4发射结正向偏置而导通，假设每一个pn结导通压降均为0.7v,则t1管基极电位ub1为：ub1=ubc1+ube2+ube4=o.7+0.7+0.7=2.1v,可以计算出此时t2、t4饱和导通,而t3和d截止,输出低电平uol；输入一个或多个为低电位uil时,则t1管基极电位ub1为：ub1=uil+ube1+0.2(0.3)+0.7=0.9v, ub2则为0.3v,故t2、t4截止,而t3和d导通,输出高电平uoh； (3)主要参数 空载功耗：指ttl门静态未带负载时单位时间所消耗的能量我们把输出为低电位时的功耗pcl定为空载功耗。当ttl门输出为

4、低电位时电源提供的总电流为： iel=ir1+ir2=0.73+2.5=3.23ma低电位的功耗pcl为 pcl=rel*ucc=3.23*5=16mw当输出为高电位时，电源提供总电流ieh为：ieh=ir1=1ma高电位的功耗为 pch= ieh*ucc=1*5=5mw通常把pcl定为空载功耗(取功耗大的)。传输特性:指ttl与非门的电压传输特性它描述了输入电压从0v电位逐渐上升到高电位时，输出电压u0的变化情况从图中可以看出：输出高电位的下限uoh(min),输出低电位的上限uol(max)；输入高电位的下限uih(min)输入低电位的上限uil(max).噪声容限：unh= uoh(mi

5、n)- uih(min) unl= uil(max)- uol(max)通常将传输特性曲线中输出电压随输入电压改变而急剧变换的部分叫转折区，转折区中点对应的输入电压为阈值电压uth,图中的阈值电压为1.4v.传输延时tpd和速度功耗积传输延时tpd：是指与非门输出波形相对于输入波形的延时。它主要受晶体管开关时间的影响输出波形的下降沿的50%相对输入波形上升沿的50%之间的时间间隔叫导通延时时间tphl，输出波形的上升沿的50%相对输入波形下降沿的50%之间的时间间隔叫关闭延时时间tplh。tpd=(tphl+tplh)/2速度功耗积：指门的传输延时tpd和空载功耗p的乘积,它是衡量器件性能的一

6、个指标，速度功耗积越小越好。ttl门的速度功耗积为几十皮焦耳扇出系数n0：指一个门能够驱动同类门的个数。ttl门输出为高电位时，可带动的门的个数为：输出为高电位时的输出电流ioh与输入为高电位时的流入电流iih之比,即noh=ioh/iih; ttl们输出为低电位是，可带动的门的个数为集：输出为低电位灌入电流iil与输入为低电位时的流出电流iol之比,即nol=iol/iil2. 2. 集电极开路门：又称oc门，电路及符号如图：（1） （1） 与非门: 与普通ttl门的区别在于没有t3和d管，（2） （2） 工作情况输入状况输出电位t1t2t4全部为高电位低电位反相放大饱和饱和一个或多个为低电

7、位高电位饱和截止截止（3） （3） 特点及用途常用于驱动高电压大电流的负载。输出不是图腾柱式，则输出静态功耗高，驱动能力弱, rl的阻值在几百欧到几千欧范围内3. 3. 三态ttl门普通逻辑门只有两种状态：逻辑0和逻辑1这两种状态都是低阻输出。而三态门除了上述两种状态外还有第三种状态高阻状态。（1） （1） 组成：其中a为输入端，f为输出端,g为阻塞信号输入端（该信号的反相en称为“使能信号”,低电平有效）（2） （2） 工作原理当g为逻辑0时，t6t7管截止，三态门和普通的ttl三态门一样，f=a,并为图腾柱式输出，有很强的驱能力，当g为逻辑1时t6t7管饱和，t7集电极为低电位。这个低电位

8、经t1管的作用，使t2管的基极为低电位，t2和t4管截止。同时，t7管集电极的低电位经电平偏移二极管后使t3管基极也为低电位，t3管截止。因此，当g为1时，不论输入a为何值,输出端皆处于输出高阻的第三态，如表：输入输出fga10高阻态100110（3） （3） 三态门特点及用途：除了上述逻辑0和逻辑1这两种状态外还有第三种状态高阻状态,多用于数据总线结构和完成数据的双向传输 4. 4. cmos逻辑门（静态coms门电路）（1） （1） 非门电路 (2)与非门电路工作情况：仅当ab输入均为高电位时t1和t2管导通，t3和t4截止输出f为低电位。当ab输入之中有一个为低电位时，t1和t2管中必有

9、一个截止，t3和t4管之中必有一个导通，使输出为高电位。（2） （2） 或非门电路工作情况：仅当ab皆为低电位时，t1、t2才都截止，t3、t4管导通，输出f为高电位。只要ab输入中有一个为高电位，则t1t2管中必有一个导通，t3t4管必有一个截止，使输出f为低电位因此，图为一个或非门。（3） （3） 与或非门电路工作情况：(p117 与或非门)（4） （4） coms三态门电路电路(a)是利用coms传输门构成的三态门。当g=1时传输门导通，f=a.当g=0时，传输门断开，输出f为高阻的第三态。电路（b）当g=1时，t1管导通f=a；当g=1时t1和t3管截止，输出f为第三态。电路（c）g=

10、0时，t3导通，f=a;g=1,t1和t3截止，输出f为第三态。电路（d）g=0时， f=a;g=1,t1和t2截止，输出f为第三态。（5） （5） coms门的主要特点噪声容限大，可达电源电压的45%，抗干扰能力强。负载电容充放电是影响传延时间的主要因素。coms门的传输延时约为几十纳秒。扇出系数通常小于50(即抗干扰强,功耗小, 传输延时较大,工作速度及带负载能力略差)二、重难点分析难点：门电路内电路的分析,但只作一般了解；重点：掌握可以线或(与)的oc门和三态门的国标符号，特点，和用途，门电路的主要参数噪声容限、扇出系数和阈值电压等。典型例题什么是传输延时？什么是噪声容限？什么是扇出系数

11、？三态门的第三态是 态。门电路多余输入端的处理。ttl门与coms门相比，各有什么优缺点？ 习题、答案？思考题1. 1. 小规模集成、中规模集成、大规模集成和超大规模集成电路中包括的门数大约是多少？答:小规模集成中包括1020个等效门 中规模集成中包括20100个等效门 超大规模集成中包括1001000个等效门.2. 2. 在数字电路中，正逻辑约定是如何定义的在逻辑电路中逻辑0对应低电位;逻辑1对应高电位,这中约定为正逻辑.3. 3. ttl门电路中各晶体管的作用？二极管和三极管在ttl门电路中作开关使用。4. 4. 什么是传输特性？开启电压、关闭电压、阈值电压和噪声容限是如何定义的？以ttl

12、门为例子予以说明。传输特性:它描述了输入电压从0电位上升到高电位时输出电压的变化情况.开启电压:当电路输入端接额定负载时,使电路输出端处于低电位上限所允许的最低输入电位.关闭电压:使电路输出端处于高电位下限所允许的最高输入电位.阈值电压:通常将传输特性曲线中输出电压随输入电压改变而急剧变化转折区的终点对应的输入电压称为阈值电压.噪声容限:在前一极输出为最坏的情况下,为保证后一极正常工作.所允许的最大噪声幅度.5. 5. 什么是传输延时？影响ttl门和cmos门传输延时的主要因素是什么？传输延时:指与非门输出波形相对于输入波形的延时.影响ttl门的传输延时的主要因素是晶体管的开关特性,电路结构和

13、电路中各电阻的阻值.6. 6. 什么是速度功耗积？速度功耗积:指门的传输延时和空载功耗的乘积.7. 7. 什么是扇出系数？ttl门和cmos门的扇出系数是如何求得的？扇出系数:是一个门能够驱动同类型门的个数.计算方法:ttl们输出为高电位时，可带动的门的个数为：输出为高电位时的输出电流ioh与输入为高电位时的流入电流iih之比,即noh=ioh/iih; ttl们输出为低电位是，可带动的门的个数为：输出为低电位灌入电流iil与输入为低电位时的流出电流iol之比,即nol=iol/iil8. 8. 什么是线或逻辑？什么是三态门？线或逻辑:指ttl门的输出端用连线直接并联在一起,构成的或逻辑.三态

14、门:逻辑门中除了逻辑0逻辑1两种逻辑状态外,还有第三种状态高阻状态的门电路.9. 9. cmos传输门的工作原理？(见p115 cmos传输门)10. 10. ttl门与cmos门相比，各有什么优缺点？(抗干扰,功耗,工作速度和带负载能力, p114-115)11. 11. ttl门和cmos门各主要参数的数量级约为多少？使用器件时应注意哪些问题？(p115)不通逻辑系列配合使用时，应注意哪些问题？(p118-119)课后练习题1. 1. 双极型三极管有（共集）（共基）和（共射）三种接法。2. 2. 按正逻辑约定，高电位对应（1）电位：低电位对应逻辑(0)电位3. 3. ttl门的主要电气参数

15、是涉及电路（工作速度）（功耗）（抗干扰能力）(驱动能力)的参数4. 4. ttl门电路的高电位为（3.6）伏，低电位为（0.4）伏：阈值电压为（1.4）伏：噪声容限约为（0.4-0.8）伏影响ttl门电路的传输延时的主要因素是（晶体管的开关特性,电路结构和电路中各电阻的阻值）5. 5. ttl门扇入扇出系数是根据一个门输出为高电位时能够给出的电流,以及在输出低电位时,允许灌入的电流以及输入高低电位时的输入电流进行计算的。6. 6. cmos门电路的高电位为（5）伏，低电位为（0）伏：阈值电压为（2.5）伏；噪声容限约为电源的百分之三十以上（1.5v,见p114）7. 7. 影响cmos门工作速

16、度的主要因素是（负载电容）8. 8. cmos门扇出系数是根据（p107）计算的9. 9. cmos门功耗由（静态）功耗和（动态）功耗两部分组成。uidm10. 10. 三态门的第三态是（高阻）状态。练习题1. 1. 低功耗ttl非门的输入输出特性如下：当流进输出端的电流是0到3.6ma时，输出低电压为0.4v以下：当从输出端流出0到0.2ma电流时，输出高电压为2.4v以上。当输入电压是2.4v时，流进电路的最大输入电流是10a:在输入电压是0.4v时，最大输入电流小于0.18ma（负号表示从输入端流出）。ttl型7404集成电路由六个非门构成。每个分门在输出电压为2.4v时，流进输入端的最

17、大电流为40ua；当输入为0.4v时，最大输入电流为1.6ma。当输出灌入16ma时，输出低电压为0.4v以下；当输出端流出0.4ma时，输出高电压为2.4v以上。试求一个7404型非门最多能带几个低功耗ttl门。解：noh=|i0h/iih|=|400/10|=40, nol=|i0l/iil|=|16/0.18|=89 一个7404型非门最多能带40个低功耗ttl门2. 2. (类似4-1)根据第一题数据，求一个低功耗ttl门最多带几个低功耗ttl门。 解：noh=|i0h/iih|=|200/10|=20, nol=|i0l/iil|=|3.6/0.18|=20 一个低功耗ttl门最多带

18、20个低功耗ttl门3. 3. 已知cmos门电路的电源电压udd为10v，静态电源电流id2ua，输入信号为100khz的方波（上升时间和下降时间可以忽略不计），负载电容cl为200pf，试计算计算它的静态功耗、动态功耗、和总功耗。(注：请参考p115,仅作了解)4.(4-2)请写出图p4.4（a）（b）（c）的f1,f2与f3的逻辑表达式。(a)(b)(c) 解：(a) f1=, (b) f2=, (c) f3=5.请写图p4.5逻辑图中f的逻辑表达式. 解：(a) f=ab+cd6.(6-3)请画出实现如下函数的逻辑图.假设输入变量的原码和反码均可得到,并注意利用每个函数f的随意条件(a) (a) 用两个或非门实现解： cd ab 00 01 11 10 0