门电路(简)课件

1、数字电子技术贺付亮电子信息工程学院半导体二极管门电路1CMOS门电路2TTL门电路3 CMOS与TTL之间接口电路4第三章 门电路1. 门电路 是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。 门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。 门电路的两种输入，输出电平：高电平、低电平。它们分别对应逻辑电路的1,0状态。注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握；而各种门电路的外部特性和应用是要求重点。3.1 概述3. 正负逻辑 正逻辑：用高电平代表1、低点平代表0。（数字电路中采用） 负逻辑：用高电平代表0、低点平代表1。2. 高低电平 高电平：数字电路中较高电平代数值的范围。 低电

2、平：数字电路中较低电平代数值的范围。tvVHVL正逻辑10tvVHVL负逻辑10高电平低电平3.1 概述4. 集成电路 IC（Integrated Circuits）：将元、器件制作在同一硅片上，以实现电路的某些功能。 SSI（Small-Scale Integration）： 10个门电路。 MSI（Medium-Scale Integration）：10100个门电路。 LSI（Large-Scale Integration）：100010000个门电路。 VLSI（Very Large-Scale Integration）： 10000个门电路。3.1 概述1961年美国德克萨斯仪器公司

3、首先制成集成电路。英文Integrated Circuit,简称IC。集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。目前单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方毫米。1. 半导体二极管的开关特性二极管具有单向导电性： 正向导通，反向截止，相当于一个受电压控制的电子开关。门电路的实现电子开关，用来接通或断开电路的开关器件。两种工作状态：1）接通（要求其阻抗很小，相当于短路）2）断开（要求其阻抗很大，相当于开路）3.2 半导体二极管门电路2. 二极管与门3. 二极管或门ABY3.2 半导体二极管门电路由于这些电路有严重的缺点，在集成电路中并不使用，但可帮助理解集成门的工作原理

4、。 MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。 MOS管有NMOS管和PMOS管两种。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。3.3 CMOS门电路3.3 CMOS门电路MOS门电路特点：对比TTL门电路1、控制信号：TTL为电流控制器件，MOS属于电压控制器件。 2、电路极性： TTL为双极性电路， MOS属于单极性电路。 双极性电路：电源电压对地为正，只有正逻辑； 单极性电路：包括正、负两种逻辑 。3、功耗问题：TTL功耗大（15mA/门）， MOS管功耗较低。 4、驱动能力

5、： MOS管常用来电源开关，以及大电流地方开关电路。5、逻辑电平范围：MOS电路高低电平相差大，抗干扰强，逻辑电平范围在（515V）;TTL电路高低电平相差小，只能在5V下工作。CMOS反相器PMOS管NMOS管 工作特点：TP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级）。 因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。3.3 CMOS门电路AZ0110AZCMOS与非门AVDDZBQ1Q2Q3Q4ABQ1Q2Q3Q4ZLLHHLHLHoffoffononononoffoffoffonoffononoffonoffHHHLABZ0011

6、01011110ABZ3.3 CMOS门电路CMOS三态门 当EN= 0时，TG导通，F=A； 当EN= 1时，TG截止，F为高阻输出。3.3 CMOS门电路Three-state gate是一种重要的总线接口电路。三态: 指其输出既可以是一般二值逻辑电路的正常的高电平或低电平，又可以保持特有的高阻抗状态（Hi-Z）。处于高阻抗状态时，输出电阻很大，相当于开路，没有任何逻辑控制功能。高阻态的意义:实际电路中在不断开电路下实现功能性断开。CMOS系列及命名方法74 FAM nn前缀系列助记符功能数字 前缀：74商用系列；54军用系列。 助记符：以字母表示系列类型。 功能数字：以数字表示电路的逻辑

7、功能。3.3 CMOS门电路HC（ High-speed CMOS ，高速CMOS 系列）；HCT（High-speed CMOS, TTL compatible ，与TTL兼容的高速CMOS 系列）；VHC（Very High-speed CMOS，甚高速CMOS 系列）；VHCT: Very High-speed CMOS, TTL compatible，与TTL兼容的甚高速CMOS 系列）。 例：74HC04-商用高速CMOS 六反相器； 74HCT00-商用高速CMOS 四-二输入与非门。CMOS电路的使用注意事项 输入电路的静电保护 CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很

8、大方便。但是，这种保护还是有限的。应注意以下几点： （1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。 （2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。3.3 CMOS门电路 多余或暂时不用的输入端的处理（1）多余或暂时不用的输入端的不能悬空； （2）与其它输入端并联使用。3.3 CMOS门电路ABFC 多余或暂时不用的输入端的处理3.3 CMOS门电路 （3）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。 一般，接电源时需接上拉电阻；接地时需接下拉电阻。典型值1-10k。ABFC+5V1k上拉电阻保持高

9、电平下拉电阻保持低电平ABFC1k 电路设计与安装应尽量消除噪声，保证电路稳定工作。 （1）在每一块插板的电源线上，并接几十F的低频去耦电容和0.010.047F的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。 （2） 整机装置应有良好的接地系统。3.3 CMOS门电路双极性三极管的开关特性（静态）在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。3.4 TTL门电路TTL (Transistor-Transistor Logic):三极管三极管逻辑电路。TTL反相器（Transistor-Transistor Logic）电路结构3.4

10、 TTL门电路TTL与非门全1 输出0有0输出11V2.1V3.4 TTL门电路TTL三态门01截止YAB3.4 TTL门电路baseemittercollectorR2R1VINVOUTQ1VCC肖特基系列TTL门电路肖特基三极管（Schottky Transistors）3.4 TTL门电路华特肖特基博士发明，利用金属与半导体接触形成的金属半导体结原理制作的。低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短，正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。5. TTL系列 74S(Schottky TTL): 肖特基TTL系列，比普通74系列速度高，但功耗大。74LS(Low-

11、power Schottky TTL):低功耗肖特基TTL系列，比普通74系列速度高，功耗只有其1/5。74AS(Advanced Schottky TTL):改进型肖特基TTL系列，比普通肖特基系列速度高一倍，功耗相同。3.4 TTL门电路 74F(Fast TTL): 高速肖特基TTL系列，功耗、速度介于 74AS 和 74ALS 之间。 TTL集成电路多余或暂时不用的输入端的处理 （1）多余或暂时不用的输入端的一般不悬空，但可以悬空；悬空时相当于接高电平。 （2）与其它输入端并联使用。 （3）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。一般，接电源时需接上拉电阻；接地时需接下拉电阻。典型

12、值1-10k。3.4 TTL门电路 （4）严禁带电操作，要在电路切断电源的时候，插拔和焊接集成电路块，否则容易引起集成电路块的损坏。3.5 TTL电路与CMOS电路的接口电路 TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。一般要考虑两个问题：一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。3.5 TTL电路与CMOS电路的接口电路1. TTL门驱动CMOS门 （1）电平不匹配TTL门作为驱动门，它的UOH2.4V,UOL0.5V； CMOS门作为负载门，它的UIH3.5V，UIL1V。可见，TTL

13、门的UOH不符合要求。 （2）电流匹配CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。3.5 TTL电路与CMOS电路的接口电路（3）解决电平匹配问题 TTL门驱动CMOS门 外接上拉电阻RP 在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH5V。（当电源电压相同时） 3.5 TTL电路与CMOS电路的接口电路选用电平转换电路(如CC40109)若电源电压不一致时可选用电平转换电路。 CMOS电路的电源电压可选318V； 而TTL电路的电源电压只能为5V。 采用TTL的OC门实现电平转换。若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。3.5 TTL电路与CMOS电路的接口电路2

14、. CMOS门驱动TTL门（1）电平匹配 CMOS门电路作为驱动门，UOH5V，UOL0V； TTL门电路作为负载门，UIH2.0V，UIL0.8V。 电平匹配是符合要求的。（2）电流不匹配 CMOS门电路4000系列最大允许灌电流为0.4mA， TTL门电路的IIS1.4 mA， CMOS4000系列驱动电流不足。3.5 TTL电路与CMOS电路的接口电路 （3）解决电流匹配问题 CMOS电路常用的是4000系列和54HC/74HC系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。 选用CMOS缓冲器 比如，CC4009的驱动电流可达4 mA。 选用高速CMOS系列产品选用CMOS的54HC/74HC系列产品可以直接驱动TTL电路。 表1 各种系列门电路的主要参数表2 常用集成门电路(TTL系列） 型 号名 称主 要 功 能74LS00四2输入与非门74LS02四2输入或非门74LS04六反相器74LS05六反相器OC门74LS08四2输入与门74LS13双4输入与非门施密特触发74LS308输入与非门74LS32四2输入或门74LS644-2-3-2输入与或非门74LS13313输入与非门74LS136四异或门OC输出74LS365六总线驱动器同相、三态、公共控