《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》第五版閻石第03章門電路.ppt

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第3章門電路,3.1概述3.2分立元件門電路3.3TTL門電路3.4CMOS門電路,3.1概述,門電路是用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路。常用門電路：與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等,集成電路IntegratedCircuits(IC)：,集成電路就是將元、器件和連線制作在一個半導(dǎo)體基片上的完整電路。規(guī)模：小規(guī)模集成電路：10個門以內(nèi)中規(guī)模集成電路：小于100個門大規(guī)模集成電路：小于10000個門超大規(guī)模集成電路：10000個門以上根據(jù)所使用半導(dǎo)體器件不同分為：TTL電路:晶體管-晶體管邏輯電路（Transister-Transister-Logic）MOS電路:采用金屬－氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MetalOxideSemi-conductorFieldEffectTransistor,縮寫為MOSFET)制造,CMOS集成電路：廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路,4000系列,,,74HC74HCT,74VHC74VHCT,速度慢與TTL不兼容抗干擾功耗低,74LVC74VAUC,,速度加快與TTL兼容負載能力強抗干擾功耗低,速度兩倍于74HC與TTL兼容負載能力強抗干擾功耗低,低(超低)電壓速度更加快與TTL兼容負載能力強抗干擾功耗低,74系列,,,74LS系列,74AS系列,74ALS,,TTL集成電路:廣泛應(yīng)用于中大規(guī)模集成電路,獲得高、低電平的基本原理,S斷開，輸出v0=Vcc,S閉合，輸出v0=0,門電路是以高/低電平來表示邏輯值1/0,實際開關(guān)為晶體二極管、三極管以及場效應(yīng)管等電子器件,正邏輯和負邏輯,正邏輯高電平：1低電平：0,負邏輯低電平：1高電平：0,實際中高/低電平都有一個允許的范圍,本課內(nèi)無特殊說明均指正邏輯,在數(shù)字電路中，對電子元件、器件參數(shù)精度的要求及其電源的穩(wěn)定度的要求比模擬電路要低。,3.2分立元件門電路,3.2.1半導(dǎo)體二極管和半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性,數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)：相當(dāng)于開關(guān)閉合截止?fàn)顟B(tài)：相當(dāng)于開關(guān)斷開。,半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管，則是構(gòu)成這種電子開關(guān)的基本開關(guān)元件。,一、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性,正向?qū)〞rUD(ON)≈0.7VRD≈幾Ω～幾十Ω相當(dāng)于開關(guān)閉合,反向截止時反向飽和電流極小反向電阻很大（約幾百kΩ）相當(dāng)于開關(guān)斷開,一、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性,VI=VILD導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V開關(guān)閉合,VI=VIHD截止，VO=VOH=VCC開關(guān)斷開,二極管的開關(guān)電路：,二極管的動態(tài)電流波形：,外加電壓突然反向時，電流的變化情況,二、三極管的開關(guān)特性,三極管輸出特性：固定一個IB值，即得一條曲線，在VCE>0.7V以后，基本為水平直線,雙極型三極管的基本開關(guān)電路,只要參數(shù)合理：VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T導(dǎo)通，VO=VOL,三極管的開關(guān)時間,3.2.2二極管與門,Y=AB,設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時VDF=0.7V,,規(guī)定3V以上為1,0.7V以下為0,3.2.3二極管或門,,規(guī)定2.3V以上為1,0V以下為0,設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時VDF=0.7V,Y=A+B,二極管構(gòu)成的門電路的缺點:,電平有偏移帶負載能力差只用于IC內(nèi)部電路,,上次課內(nèi)容回顧,含有無關(guān)項的邏輯函數(shù)化簡門電路及分類分立元件門電路,3.3TTL門電路,TTL集成邏輯門電路的輸入和輸出結(jié)構(gòu)均采用半導(dǎo)體三極管，所以稱晶體管—晶體管邏輯門電路，簡稱TTL電路。,TTL電路的基本環(huán)節(jié)是反相器。因此首先簡單了解TTL反相器的電路及工作原理，掌握其特性曲線和主要參數(shù)。,3.3.1TTL反相器,一、電路結(jié)構(gòu),T1的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通VB1=VIL+VoN=0.9vT2、T5截止T4導(dǎo)通,①A輸入低電平時,0.2V,0.9V,②A輸入高電平時,3.4V,T1處于倒置工作狀態(tài)，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏，不考慮T2存在情況下VB1=VIL+VoN=4.1vT2、T5導(dǎo)通，使得VB1=0.7*3=2.1vT4截止,2.1V,需要說明的幾個問題,3.2.2TTL非門的外部特性及主要參數(shù)1.電壓傳輸特性和相應(yīng)參數(shù),,(1)輸出高電平VOH：AB段所對應(yīng)的輸出電平，一般大于等于3V；(2)輸出低電平VOL：DE段對應(yīng)的輸出電平，一般小于0.4V。,,,(3)開門電平UON一般要求UON≤1.8V(4)關(guān)門電平UOFF一般要求UOFF≥0.8V,在保證輸出為額定低電平的條件下，允許的最小輸入高電平的數(shù)值，稱為開門電平UON。,在保證輸出為額定高電平的條件下，允許的最大輸入低電平的數(shù)值，稱為關(guān)門電平UOFF。,(5)閾值電壓UTH電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)中點所對應(yīng)的uI值稱為閾值電壓UTH（又稱門檻電平）。,2.輸入端噪聲容限反應(yīng)抗干擾能力的物理量,①低電平噪聲容限（低電平正向干擾范圍）UNL=UOFF-UILUIL為電路輸入低電平的典型值例如：UNL=0.8-0.3=0.5(V),②高電平噪聲容限（高電平負向干擾范圍）UNH=UIH-UONUIH為電路輸入高電平的典型值例如：UNH=3-1.8=1.2(V),3.輸入特性,(1)輸入短路電流IIS（輸入低電平電流）當(dāng)uIL=0V時，由輸入端流出的電流IIS=－(VCC－UBE1)/R1=－(5－0.7)/4≈－1.1mA,(2)輸入漏電流IIH（輸入高電平電流）當(dāng)輸入為高電平時，iI=IIHIIH很小，一般小于40μA。,前級驅(qū)動門導(dǎo)通時，IIS將灌入前級，稱為灌電流負載。,前級驅(qū)動門截止時，IIH從前級流出，稱為拉電流負載。,4.輸出特性,（1）輸出為高電平的輸出特性,由圖可見，負載電流iL不可過大，否則輸出高電平會降低。iL5mA時，輸出uO變化很大；實際上由于功耗的限制，iL遠小于5mA。74系列門電路的運用條件規(guī)定iL不超過0.4mA。,（2）輸出為低電平時的輸出特性,T5飽和導(dǎo)通時c-e間飽和導(dǎo)通內(nèi)阻很小，飽和壓降很低，所以負載電流增加時輸出低電平僅稍有升高。,5.輸入端負載特性,TTL反相器的輸入端對地接上電阻RI時，uI隨RI的變化而變化的關(guān)系曲線。,在一定范圍內(nèi)，uI隨RI的增大而升高，輸出高電平。但當(dāng)輸入電壓uI達到1.4V以后，uB1=2.1V，RI增大，由于uB1不變，故uI=1.4V也不變。這時T2和T5飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。,RI不大不小時，工作在線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)。,RI較小時，輸出高電平；,RI較大時，輸出低電平；,(1)關(guān)門電阻ROFF——在保證門電路輸出為額定高電平的條件下，所允許RI的最大值稱為關(guān)門電阻。典型的TTL門電路ROFF≈0.7kΩ。,(2)開門電阻RON——在保證門電路輸出為額定低電平的條件下，所允許RI的最小值稱為開門電阻。典型的TTL門電路RON≈2kΩ。數(shù)字電路中要求輸入負載電阻RI≥RON或RI≤ROFF，否則輸入信號將不在高低電平范圍內(nèi)。,6.扇入系數(shù)NI和扇出系數(shù)NO,扇入系數(shù)NI是指合格輸入端的個數(shù)。扇出系數(shù)NO表示門電路帶負載能力的大小，即可以驅(qū)動同類門的個數(shù)。分兩種情況，一是灌電流負載NOL，二是拉電流負載NOH。,7.平均傳輸延遲時間tpd,平均傳輸延遲時間tpd表征了門電路的開關(guān)速度。,tpd=（tpLH+tpHL）/2,一般TTL：10-40ns,3.3.3其他類型的TTL門電路,一、其他邏輯功能的門電路1.與非門,2.或非門,,3.與或非門,4.異或門,A=0,B=0，T2T3導(dǎo)通，T4T5截止，T7T9導(dǎo)通，T8截止，輸出為0A=1,B=1，T6T7導(dǎo)通，T8截止輸出為0,A=0,B=1，或者A=1,B=0：T3導(dǎo)通，T6截止，T4T5必有一個導(dǎo)通，T7截止，T9截止，T8導(dǎo)通，輸出為1,TTL與非門舉例,7400是一種典型的TTL與非門器件，內(nèi)部含有4個2輸入端與非門，共有14個引腳。引腳排列圖如圖所示。,二、集電極開路的門電路,1.推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性①輸出電平不可調(diào)②負載能力不強，尤其是高電平輸出③輸出端不能并聯(lián)使用（不能構(gòu)成“線與”結(jié)構(gòu)）OC門（OpenCollector）,,1,0,,一是會抬高門2的低電平，二是會因功耗過大損壞門電路.,線與結(jié)構(gòu),yes,no,2、OC門的結(jié)構(gòu)特點,2.OC門應(yīng)用（1）OC門實現(xiàn)的線與邏輯,（2）驅(qū)動顯示器,（3）實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,上次課內(nèi)容回顧：,TTL反相器的工作原理TTL反相器的外部特性電壓傳輸特性輸入特性輸出特性輸入端負載特性幾個參數(shù)及含義輸入端噪聲容限、拉電流、灌電流、扇入系數(shù)、扇出系數(shù)、平均傳輸時延OC門及應(yīng)用,三、三態(tài)輸出門（ThreestateOutputGate,TS）,分兩種情況：,低電平有效,高電平有效,三態(tài)門的使用,三態(tài)門在計算機總線結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用。,（b）組成雙向總線，實現(xiàn)信號的分時雙向傳送。,（a）組成單向總線，實現(xiàn)信號的分時單向傳送.,一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）電路的改進(1)輸出級采用復(fù)合管T3和T4，減小門電路輸出高電平時的輸出電阻，提高對電容性負載的充電速度。(2)減少各電阻值，加速三極管開關(guān)速度。2.性能特點速度提高的同時，功耗增加，因為電流增大了。,3.3.4TTL電路的改進系列,二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）,電路改進采用抗飽和三極管（肖特基三極管），防止工作在深度飽和狀態(tài)。用有源泄放電路（提供恒流和一個大電阻）代替74H系列中的R3減小電阻值2.性能特點速度進一步提高（延遲小于10ns），電壓傳輸特性沒有線性區(qū)，功耗增大,,三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-PowerSchottkyTTL）四、74AS,74ALS（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）,為什么要用OC門？OC門的工作條件？OC門有何應(yīng)用？三態(tài)門有哪三態(tài)？三態(tài)門有何應(yīng)用？,