[工学]第2章 门电路.ppt

数字电子技术（第二版）,李中发 制作 中国水利水电出版社,第2章 门电路,学习要点 掌握各种TTL门电路和CMOS门电路的逻辑功能。 理解TTL门电路的主要参数及TTL电路与CMOS电路的主要差异。 了解二极管、双极型晶体管和MOS管的开关特性， 了解门电路的使用常识，集电极开路门、三态门、传输门等电路及功能。,第2章 门电路,2.1 半导体元件的开关特性,2.2 分立元件门电路,2.3 TTL集成门电路,2.4 CMOS集成门电路,2.5 集成门电路的使用,退出,2.1 半导体元件的开关特性,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。,逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。,2.1.1 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 ,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，二极管截止，iD=0。,Ui0.5V时，二极管导通。,2.1.2 晶体管的开关特性,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,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，三极管工作在放大状态。iC=iB=500.03=1.5mA，输出电压：,三极管临界饱和时的基极电流：,uo=uCE=UCC-iCRc=5-1.51=3.5V,uo=VCC=5V,ui3V时，三极管导通，基极电流：,而,因为iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：,uoUCES0.3V,工作原理电路,转移特性曲线,输出特性曲线,截止状态,uiUT,uo=+VDD,导通状态,uiUT,uo0,2.1.3 场效应管的开关特性,2.2 分立元件门电路,2.2.1 二极管与门,Y=AB,Y=A+B,2.2.2 二极管或门,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：,2.2.3 晶体管非门,当uA0V时，由于uGSuA0V，小于开启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uYVDD10V。,当uA10V时，由于uGSuA10V，大于开启电压UT，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uY0V。,2.3 TTL集成门电路,2.3.1 TTL与非门,输入信号不全为1：如uA=0.3V， uB=3.6V,1V,则uB1=0.3+0.7=1V，T2、T5截止，T3、T4导通,忽略iB3，输出端的电位为：,输出Y为高电平。,uY50.70.73.6V,输入信号全为1：如uA=uB=3.6V,2.1V,则uB1=2.1V，T2、T5导通，T3、T4截止,输出端的电位为：,uY=UCES0.3V,输出Y为低电平。,功能表,真值表,逻辑表达式,输入有低，输出为高；输入全高，输出为低。,74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。,A=0时，T2、T5截止，T3、T4导通，Y=1。,A=1时，T2、T5导通，T3、T4截止，Y=0。,TTL非门,2.3.2 其他功能的TTL门电路,A、B中只要有一个为1，即高电平，如A1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y0。,AB0时，iB1、iB1均分别流入T1、T1发射极，使T2、T2、T5均截止，T3、T4导通，输出为高电平，即Y1。,TTL或非门,A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T2导通）时，T5饱和导通、T4截止，输出Y=0。,A和B不全为高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T2同时截止）时，T5截止、T4饱和导通，输出Y=1。,TTL与或非门,与门,或门,异或门,问题的提出：,为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。,A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。,接入外接电阻R后：,A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。,外接电阻R的取值范围为：,OC门,2.3.3 TTL集电极开路门和三态门,TSL门,E0时，二极管D导通，T1基极和T2基极均被钳制在低电平，因而T2T5均截止，输出端开路，电路处于高阻状态。,结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。,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。,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。,2.3.4 TTL集成电路的主要参数,TTL与非门主要参数,（1）输出高电平UOH：TTL与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平。产品规范值UOH2.4V，标准高电平USH2.4V。 （2）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。 （3）输出低电平UOL：TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规范值UOL0.4V，标准低电平USL0.4V。 （4）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。 （5）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，功率驱动门的NO可达25。 （6）最大工作频率fmax：超过此频率电路就不能正常工作。,（7）输入开门电平UON：是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平USL的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般TTL门电路的UON1.8V。 （8）输入关门电平UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平USH的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般TTL门电路的UOFF0.8V。 （9）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。 （10）低电平输入电流IIL：输入为低电平时的输出电流，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。 （11）平均传输时间tpd：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。 （12）空载功耗：与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积。,2.4 CMOS集成门电路,2.4.1 CMOS非门,（1）uA0V时，TN截止，TP导通。输出电压uYVDD10V。 （2）uA10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY0V。,A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。,只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。,2.4.2 其他功能的CMOS门电路,CMOS与非门,CMOS或非门,只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。,只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。,与门,或门,CMOS与或非门,CMOS异或门,2.4.3 CMOS漏极开路门、三态门和传输门,CMOS OD门,CMOS TSL门,CMOS 传输门,C0、 ，即C端为低电平（0V）、 端为高电平（VDD）时， TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。 C1、 ，即C端为高电平（VDD）、 端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uoui。,（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电路适合于特殊环境下工作。 （7）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，焊接时电烙铁应接地良好，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。,2.4.4 CMOS集成电路的特点,2.5 集成门电路的使用,2.5.1 集成电路使用时的注意事项,（1）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。,（2）数字集成电路中多余的