第二模块：门电路资料.doc

1、第二模块:逻辑门电路一本模块学习目标1掌握CMOSTTL集成门电路的外部特性与主要参数,了解它们的逻辑电路结构2熟练掌握几种常用CMOSLSTTL和普通TTL集成芯片的逻辑功能及其应用二本模块重点内容1半导体二极管和三极管的开关特性1)半导体二极管的单向导电特性和开关等效电路2)双极性三极管的基本工作原理工作在截止区放大区饱和区的条件和特性开关等效电路3)N沟道增强型和P沟道增强型MOS管的基本工作原理导通截止的条件开关等效电路2TTL门电路1)门电路的电压传输特性及主要参数2)三态门和OC门的用法,OC门外接上拉电阻的计算3CMOS门电路1)CMOS反向器的电路结构和工作原理2)CMOS反向

2、器的静态输入特性和输出特性三本模块问题释疑1从工作条件偏置情况集电极电流管压降等几方面来说明晶体管饱和放大截止三种工作状态的特点答:(1)放大状态:静态工作点设置在线性放大区,工作在小信号条件下发射结为正向偏置(对NPN管VBE0),集电结为反向偏置(对NPN管VBC0)集电极电流IC与基极电流IB成正比(IC=IB)管压降VCE(sat)VCEVDC(2)饱和状态:静态工作点处于饱和区,工作在大脉冲信号条件下发射结和集电结均处于自向偏置管压降VCC(sat)0(对NPN硅管VBE=0.7V,VCE(sat)0.3V)(3)截止状态:静态工作点处于截止区,对NPN硅管VBE0V发射结和集电结均

3、处于反向偏置IB0,ICICEO0VCEUCC影响二极管开关速度的主要因素是什么?解:影响二极管开关速度的主要因素是由荷存储效应,反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间2a.数字电路中的BJT工作在何种工作状态?它与放大电路中的BJT有何不同答:在数字电路中,BJT大多数工作在开关状态,即工作在截止区和饱和区,相当于开关的“开通”和“关断”在放大电路中BJT多数工作在放大区b.影响BJT开关速度的有哪些因素?答:BJT的开关时间即开通时间和关闭的时间限制了BJT开关速度开通时间就是建立基区电荷的时间关闭时间就是存储电荷消散的时间3.集成门按内部有源器件可分为几类?答:分为两类,一类为双极型晶

4、体管集成电路,另一类为单极型MOS集成电路4.门电路按集成度可分为几类?答:门电路按集成度可分为小规模集成电路中规模集成电路大规模集成电路和超大规模集成电路5.什么是“线与”?答:在实际使用中,可直接将几个逻辑门的输出端相连,这种输出直接相连,实现输出与功能的方式称为“线与”6.什么是三态门?答:所谓三态门,是指逻辑门的输出除有高低电平两种状态外,还有第三种状态高阻状态的门电路7.TTL集成门电路使用注意事项?答:TTL集成门电路使用注意事项如下:(1)电源电压应满足在标准值5V+10%的范围内;(2)TTL电路的输出端所接负载,不能超过规定的扇出系数;(3)注意TTL门多余输入端的处理方法8

5、.与非门多余端的处理方法?答:与非门多余端的处理的原则是以不破坏其逻辑关系为基础其处理方法有三种:(1)多余端接电源;(2)通过R接电源;(3)与使用输入端并联9CMOS集成电路使用注意事项?答:CMOS集成电路使用注意事项如下:a) 避免静电损失有放CMOS电路要用金属将管脚短接起来或用金属盒屏蔽;b) 多余输入端的处理方法CMOS电路的输入阻抗高,易受外界干扰,所以多余输入端不允许是空,应根据逻辑要求接电源接地或与其它输入端连接10TTL与非门可否实现线与?如何解决?答:TTL与非门有一条共同的禁忌,即不得将两个或多个与非门的输出端并联使用,否则将会使器件损坏为了实现线与,提出了两种新的器

6、件即集电极开路门及漏极开路门电路11当TTL门电路驱动CMOS门电路时,是否需要加接口电路?答:一般情况下,TTL门路驱动CMOS门由于电压不兼容,需加接口电路但当TTL驱动CMOSHCT时,由于电压参数兼容,不需另加接口电路12为什么说电压电流参数为门电路之间主要接口参数?答:因为采用接口电路,要满足:驱动器件对负载器件提供灌电流最大值以及足够大的拉电流驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围13使用集成电路应注意什么?答:注意事项如下:a)对于各种集成电路,使用时一定要在推荐的工作条件范围内,否则将导致性能下降或损坏器件b)数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可

7、以并联起来使用,也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平;但CMOS电路,多余的输入端不允许悬空,否则电路将不能正常工作TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接,而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接,使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求,并不得对器件造成损害14CMOS逻辑门电路与TTL电路相比有哪些优点?为什么说,从发展的观点来看,CMOS器件有取代TTL电路的趋势答:与TTL电路相比,CMOS逻辑门静态功耗小;允许电源电压范围宽;扇出系数大;抗噪容限大;带负载能力强;集成度等从发展趋势来看,由于制造工艺的改进和

8、上述优点,CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主要地位的逻辑器件四本模块例题详解【例1】某TTL与非门电压传输特性如图2-1 (a)所示,输入级电路如图2-1(b)所示;输出高电平时允许的最低高电平;输出低电平时允许的最高低电平图2-1(a) TTL与非门电压传输特性图2-1(b) TTL与非门输入级电路(1)求该门的关门电平和开门电平各为多少?(2)当该TTL与非门驱动同类负载门时,求输入高电平抗干扰容限和输入低电平抗干扰容限;(3)当该TTL与非门有一个输入端接电阻R,其余输入端悬空时,求该门的开门电阻和关门电阻解:(1)根据关门电平的定义可知,是使与非门保持关门状态的最大输入电压,

9、从图2-1(a)所示电压传输特性可看出,当时所对应的输入电压为1.3V,所以根据开门电平的定义可知,是使与非门保持开门状态的最小输入电压,从图2-1(a)所示特性图可看出,当时所对应的输入电压为1.5V,所以(2)根据抗干扰容限的定义:与非门输入高电平抗干扰容限与非门输入低电平抗干扰容限(3)观察图2-1(b)所示,图中与对电源构成分压器,上的降压就成为该门的输入电压为若,则与非门输出低电平即处于开门状态,这时所对应的R临界阻值就是开门电阻所以,求得(若需该与非门输出低电平,则应使)若,则与非门输出高电平即处于关门状态,这时所对应的R的临界阻值就是关门电阻所以,求得(若需该非门输出高电平,则应

10、使)注意:在上述两种情况下代入公式的值是不同的讨论与非门的开门状态时为2.1V;讨论与非门的关门状态时为0.7V【例2】TTL与非门电路如图2-2(a)所示,TTL与非门内部输入级电路如图2-2(b)所示,试问:(1)若使与非门输出,R阻值应为多少?(2)若使与非门输出,R阻值应为多少?解: (1)与非门内部输入级电流几乎全部流过外接电阻R,设电阻上的压降为,因为要求,即要求与非门处于关门状态,所以(设关门电平)应有下式成立:即求得(2)设电路刚接上电源时,流过的电流仍然全部流过外接电阻R,因为要求,即要求与非门处于开门状态,所以(设开门电平)应有下式成立:即求得【例3】电路如图2-3(a)(

11、b)(c)(d)所示,试找出电路中的错误,并说明为什么图2-3 电路图解:图(a):电路中多余输入端接“1”是错误的,或门有一个输入为1,输出即为1图(b):电路中多余输入端接“0”电平是错误的,与门输入有一个为0,输出即为0图(c):电路中两个与门输出端并接是错误的,会烧坏器件因为当两个与非门的输出电平不相等时,两个门的输出级形成了低阻通道,使得电流过大,从而烧坏器件图(d):电路中两OC门输出端虽能并接,但它们没有外接电阻至电源,电路不会有任何输出电压,所以是错误的【例4】在图2-4中有两个接为线与的OC门它们的输出驱动三个基本TTL门,接入的输入端分别为223个设OC门输出低电平时允许灌

12、入的最大电流为14mA,输出高电平时输出管截止的反向漏电流为0.25mA;TTL与非门的输入短路电流为1.6mA,每个输入端的反向漏电流为0.05mA试求外接负载电阻的取值范围(要求)解:解题时要分OC门输出是高电平和低电平两种情况(1)OC门输出为高电平此时流过电路中各种电流的方向如图2-4(a)中箭头所示负载电阻上的电流为(a)OC门输出为高电平 (b)OC门输出为低电平图2-4 两个OC门驱动三个与非门因为的增大会使输出高电平下降,所以应为注意:在计算时,对接入电路的每一个输入端的反向漏电流都要计算在内(2)OC门输出为低电平此时流过电路中各种电流的方向如图2-4(b)中箭头所示负载电阻

13、上的电流为由于的减小会使输出低电平抬高,所以应为故注意:在计算时,只考虑一个OC的输出为低电平,因为这是输出低电平时还负载的最不利的情况同时各个门的输入短电流的大小与接入电路的输入端个数无关【例5】用增强型NMOS管构成的电路如图2-5(a)所示试写出F的逻辑式;并用NMOS管画出更加简化而逻辑功能不变的电路解:解题时首先要分清哪些管子是负载管,哪些管子是开关管,只有在一个负载管的源极与开关管的漏极连接节点上才能输出倒相的逻辑函数该题电路图中只有是负载管,其余的都是开关管在开关管中再看哪些是串接的,哪些是并接的对于相互串接的开关管,它们栅极上所加的变量互为与逻辑;对于相互并接的开关管,它们栅极

14、上所加的变量互为或逻辑根据以上分析原则,可得函数所得简化电路如图2-5(b)所示(a)增强型NMOS管构成的电路图 (b)简化后的NMOS管构成的电路图图2-5 电路图【例6】指出图2.1所示电路的输出逻辑电平是高电平低电平还是高阻态已知图(a)中的门电路都是74系列的TTL门电路,图(b)中的门电路为CC4000系列的CMOS门电路图2.1 解: TTL门电路的输入端悬空时,相当于高电平输入,输入端接有电阻时,其电阻阻值大于1.4K时,该端也相当于高电平,电阻值小于0.8K时,该端才是低电平而CMOS逻辑门电路,输入端不管是接大电阻还是接小电阻,该端都相当于低电平(即地电位)所以有如下结论:(a) 为低电平状态;是低电平状态;是高电平状态;输出为高阻状态;(b) 输出为高电平;输出是低电平状态;输出是低电平状态;【例7】试画出图2.2三态门和TG门的输出电压波形其中AB电压波形如图题2.2所示图2.2解:【例8】图题2.3所示电路为CMOS门电路,试分析各电路输出逻辑功能,并写出各电路的输出逻辑函数式设二极管正向导电时的压降为0.7V图2.3解:(a)是一个六输入的与非逻辑关系;(b)是一个六输入的或非逻辑关系(c)五输入与非逻辑关系;(d)【例9】试画出图2.4所示电路输出端的电压波形其中输入AB 的波形