番茄花园-第3章门电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第3章 门电路,3.1 概述,3.2 半导体二极管和 三极管的开关特性,3.3 分立元件门电路,3.4 TTL门电路,3.5 CMOS门电路,3.1 概述,门电路,是用以实现逻辑关系的电子电路。,门电路,分立元件门电路,集成门电路,双极型集成门（DTL、,TTL,）,MOS集成门,NMOS,PMOS,CMOS,CMOS：,Complementary Metal_Oxide_Semiconductor,金属-氧化物-半导体互补对称逻辑电路,ECL：,Emitter-Coupled Logic射极耦合逻辑门电路,BiCMOS：,Bipolar CMOS,正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0,负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0,在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。,今后除非特别说明，一律采用正逻辑。,一、正逻辑与负逻辑,V,I,控制开关S的断、通情况。,S断开，V,O,为高电平；S接通，V,O,为低电平。,二、逻辑电平,1,0,5V,0V,0.8V,2V,高电平下限,低电平上限,实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件,逻辑电平,高电平U,H,：,输入高电平U,IH,输出高电平U,OH,低电平U,L,：,输入低电平U,IL,输出低电平U,OL,逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对,电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。,一、双极型三极管结构,3.2.2 双极型三极管的开关特性,因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。,NPN型,PNP型,二、双极型三极管输入特性,双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流i,B,控制c,e间的电流i,C,实现其电路功能的。因此，以,b,e间的回路作为输入回路，c,e间的回路作为输出回路,。,输入回路实质是一个,PN结,，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。,三、双极型三极管输出特性,放大区：发射结正偏，集电结反偏；u,be,u,T,，u,bc,0；起放大作用。,截止区：发射结、集电极均反偏，u,bc,0V，u,be,0V；,一般地，,u,be,V,T,，u,bc,V,T,；深度饱和状态下，,饱和压降U,CEs,约为0.2V,。,四、双极型三极管开关特性,利用三极管的饱和与截止两种状态，合理选择电路参数，可产生类似于开关的闭合和断开的效果，用于输出高、低电平，即开关工作状态。,当u,I,=U,IL,时，三极管截止，u,O,=V,cc,=U,OH,开关断开,假定：U,IH,=V,CC,，U,IL,=0,当u,I,=U,IH,时，三极管深度饱和，u,o,=U,SEs,=U,OL,开关闭合,MOS管是金属氧化物半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）,由于只有多数载流子参与导电，故也称为,单极型三极管,。,一、MOS管结构,3.2.3 MOS管的开关特性,NMOS管电路符号,PMOS管电路符号,二、MOS管开关特性,NMOS管的基本开关电路,当u,I,=U,IL,时，MOS管截止，u,O,=V,DD,=U,OH,开关断开,当u,I,=U,IH,时，MOS管导通，u,o,=0=U,OL,开关闭合,选择合适的电路参数，则可以保证,3.3 分立元件门电路,一、二极管与门,Y=AB,二、二极管或门,Y=A+B,三、三极管非门,输入为低，输出为高；,输入为高，输出为低。,利用二极管的压降为0.7V，保证输入电压在1V以下时，开关电路可靠地截止。,3.4 TTL门电路,一、TTL系列门电路,74,：标准系列；,74H,：高速系列；,74S,：肖特基系列；,74LS,：低功耗肖特基系列；,74LS系列成为功耗延迟积较小的系列。,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。,性能比较好的门电路应该是工作,速度既快，功耗又小,的门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功耗延迟积)来评价门电路性能的优劣。功耗延迟积越小，门电路的综合性能就越好。,74AS,：先进肖特基系列；,74ALS,：先进低功耗肖特基系列。,A,R,1,4k,W,T,1,T,2,T,4,T,5,R,4,R,3,1K,W,130,W,+V,cc,R,2,1.6K,W,Y,D,1,D,2,输入级,中间级,输出级,TTL非门典型电路,二、74系列门电路,1.非门,推拉式输出级作用：,降低功耗，提高带负载能力,输入为低电平（0.2V）时,0.9V,不足以让,T,2、,T,5,导通,三个PN结,导通需2.1V,+5V,Y,R,4,R,2,R,1,k,T,2,R,5,R,3,T,4,T,1,T,5,b,1,c,1,A,1.6k,130,1k,D,2,D,1,(v,I,),v,CC,u,o,=5-u,R2,-u,D2,-u,be4,3.4V,高电平！,0.2V,P,N,N,输入高电平（3.4V）时,“1”,全导通,电位被嵌,在2.1V,1V,截止,+5V,Y,R,4,R,2,R,1,k,T,2,R,5,R,3,T,4,T,1,T,5,b,1,c,1,A,1.6k,130,1k,D,2,D,1,(v,I,),v,CC,u,Y,=0.2V,低电平,u,0,(V),u,i,(V),1,2,3,U,OH,(3.4V),U,OL,(0.2V),传输特性曲线,u,0,(V),u,i,(V),1,2,3,U,OH,“1”,U,OL,(0.2V),阈值U,T,=1.4V,理想的传输特性,输出高电平,输出低电平,电压传输特性,AB,段：V,I,0.6V,截止区,所以,V,B1,1.3V，T,2,和T,5,截止,故输出为,高电平V,OH,V,OH,=V,CC,-V,R2,-V,BE4,-V,D2,3.4V,BC,段：1.3V V,I,0.7V,线性区,T,2,工作于放大区，,T,5,截止,随着,V,I,的升高，V,C2,和V,O,线性下降,CD,段：V,I,1.4V,转折区,T,2,和T,5,同时导通，输出电位急剧下降为低电平；转折区中点对,应的输入电压称为阈值电压用,V,I H,表示.,DE,段：,饱和区,V,I,继续升高时,V,O,不再变化,表示.,+5V,R,4,R,2,R,5,T,3,T,4,R,1,T,1,+5V,前级,后级,反偏,流出前级电流I,OH,（拉电流）,0.4mA,A.高电平输出特性,电压输出特性,1,+5V,R,2,R,1,3k,T,2,R,3,T,1,T,5,b,1,c,1,R,1,T,1,+5V,前级,后级,流入前级的电流I,OL,约 1.4mA(,灌电流),B.低电平输出特性,0,TTL与非门典型电路,区别：T,1,改为,多发射极三极管,。,2.与非门,TTL或非门典型电路,区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。,0.2V,3.4V,0.9V,2.1V,0.2V,3.或非门,4.与或非门,1,1,A,B,Y,0,0,0,0,1,1,0,1,1,0,0.9V,0.2V,3.4V,0.9V,2.1V,0.9V,4.8V,3.4V,5.异或门,1,1,A,B,Y,0,0,0,0,1,1,0,1,1,0,2.1V,3.4V,3.4V,2.1V,2.1V,0.9V,0.2V,三、74S系列门电路,74S系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管，或称肖特基晶体管，是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管SBD组合而成。,SBD的正向压降约为0.3V,，使晶体管不会进入深度饱和，其,U,be,限制在0.3V左右，从而缩短存储时间，提高了开关速度。,抗饱和三极管,四、74LS系列常用芯片,与门,Y=AB=AB,或门,Y=A+B=A+B,异或门,五、TTL门电路的重要参数,1.电压传输特性,：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。,测试电路,电压传输特性,低电平输入电压U,IL，max,0.8V,高电平输入电压U,IH，min,2V,低电平输出电压U,OL，max,0.5V,高电平输出电压U,OH，min,2.7V,74LS系列门电路标准规定：,实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平,U,I,偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。,2.输入,噪声容限,高电平噪声容限,是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用U,NH,表示：,低电平噪声容限,是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用U,NL,表示：,U,NL,=U,IL,max,U,IL,U,NH,=U,IH,U,IH,min,1输出,0输出,1输入,0输入,U,OH,min,U,IH,min,U,NH,U,IL,max,U,OL,max,U,NL,1,1,u,I,u,O,输入低电平噪声容限：,U,NL,=U,IL,max,U,OL,max,输入高电平噪声容限：,U,NH,=U,OH,min,U,IH,min,74LS系列门电路前后级,联时的输入噪声容限为：,U,NL,=0.8V0.5V=0.3V,U,NH,=2.7V2.0V=0.7V,5V,2.7V,0.5V,0V,5V,2V,0.8V,0V,3.扇出系数,扇出系数N是指门电路能够驱动,同类门,的数量。,要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流,I,OH,和,I,OL,均大于或等于N个后级门的输入电流的总和。,计算：输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N,1,；,输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N,2,；,扇出系数min（N,1,，N,2,）。,低电平输入电流I,IL，max,-0.4mA,高电平输入电流I,IH，max,20A,低电平输出电流I,OL，max,8mA,高电平输出电流I,OH，max,-0.4mA,74LS系列门电路标准规定：,关于电流的技术参数,扇出系数:,门电路输出驱动同类门的个数,+5V,R,4,R,2,R,5,T,3,T,4,T,1,前级,T,1,T,1,I,iH1,I,iH3,I,iH2,I,OH,前级输出为 高电平时,后,级,+5V,R,2,R,1,3k,T,2,R,3,T,1,T,5,b,1,c,1,前级,I,OL,I,iL1,I,iL2,I,iL3,前级输出为 低电平时,后,级,输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：,输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：,与非门的扇出系数一般是10。,例：,如图，试计算74LS系列非门电路G,1,最多可驱动多少个同类门电路。,解：G,1,输出为低电平时，可以驱动N,1,个同类门；,应满足 I,OL,N,1,|I,IL,|,G,1,输出为高电平时，可以驱动N,2,个同类门；,Nmin（N,1,N,2,）20,N,1,I,OL,/,|I,IL,|8mA/0.4mA 20,应满足|I,OH,|,N,2,I,IH,N,2,|,I,OH,|,/,I,IH,0.4mA/20A 20,六、集电极开路的门电路（OC门）,Y,&,A,B,&,C,D,&,Y,&,A,B,&,C,D,“线与”,推拉式输出级并联,1.“线与”的概念,普通的TTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与。,解决这个问题的方法就是把输出级改为,集电极开路,的三极管结构。,OC门电路在工作时需外接上拉电阻和电源,。只要电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大。,2.OC门的电路结构和逻辑符号,+5V,F,R,2,R,1,3k,T,2,R,3,T,1,T,5,b,1,c,1,A,B,C,OC应用时输出端要接一上拉负载电阻R,L,R,L,U,CC,3、OC门可以实现“线与”功能,&,&,&,U,CC,F,1,F,2,F,3,F,F=F,1,F,2,F,3,R,L,输出级,U,CC,R,L,T,5,T,5,T,5,F=F,1,F,2,F,3,?,U,CC,R,L,F,1,F,2,F,3,F,任一导通,F=0,U,CC,R,L,F,1,F,2,F,3,F,全部截止,F=1,F=F,1,F,2,F,3,?,所以：F=F,1,F,2,F,3,!,OC门的输出并联,“线与”功能,当n个前级门输出均为高电平，即所有OC门同时截止时，为保证输出的高电平不低于规定的U,OH，min,值，上拉电阻不能过大，其最大值计算公式：,4.外接上拉电阻R,U,(R,L,)的计算方法,RL,当所有OC,同时截止时,，输出为高电平。为保证高电平不低于规定的V,OH,值，应满足：,即：,（,n为OC门的输出端个数，m为TTL与非门的输入端个数,）,当n个前级门中有一个输出为低电平，即所有OC门中只有一个导通时，全部负载电流都流入导通的那个 OC门，为确保流入导通OC门的电流不至于超过最大允许的I,OL，max,值，R,L,值不可太小，其最小值计算公式：,RL,当OC门中只有一个导通时。这时负载电流全部都流入导通的哪个,OC门，所以R,L,不能太小。应满足：,即：,最后选定的,R,L,介于最大值和最小值之间。,L,L,L,5.OC门的应用,实现线与。,可以简化电路，节省器件。,实现电平转换。,如图所示，可使输出高电平变为10V。,用做驱动器。,如图是用来驱动发光二极管的电路。,七、三态输出门电路（TS门）,1.三态门的电路结构和逻辑符号,功能表,EN=0,EN=1,Y高阻态,输出有三种状态：,高电平、低电平、高阻态。,控制端或使能端,高电平有效,低电平有效,两种控制模式：,E,1,E,2,E,3,公用总线,三态门主要作为TTL电路与,总线,间的,接口电路,E,1,、E,2,、E,3,分时接入高电平,2.三态门的应用,数据总线结构,只要控制各个门的EN端轮流为1，且任何时刻仅有一个为1，就可以实现各个门,分时,地向总线传输。,实现数据双向传输,EN=1，G1工作，G2高阻，A经G1反相送至总线；,EN=0，G1高阻，G2工作，总线数据经G2反相从Y端送出。,八、TTL门电路多余输入端的处理,1.与非门的处理,“1”,悬空,2.或非门、与或非门的处理,“0”,（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。,3.5 CMOS门电路,CMOS电路的特点：,常用CMOS逻辑门器件系列：,4000系列；,74HC系列高速CMOS系列。,一、MOS管的开关特性,输入低电平，NMOS管截止；,输入高电平，NMOS管导通。,输入低电平，PMOS管导通；,输入高电平，PMOS管截止。,二、CMOS非门,CMOS非门电压传输特性,CMOS非门电流传输特性,CMOS反相器的传输特性接近理想开关特性，因而其噪声容限大，抗干扰能力强。,三、CMOS与非门（P并N串）,四、CMOS或非门（P串N并）,特点：需外接上拉电阻。,应用：与OC门类似，,输出端可以并接，实现“线与”功能；,实现电平转换。,五、漏极开路的CMOS门电路（OD）,六、CMOS传输门和双向模拟开关,C,0、，T,N,和T,P,截止，相当于,开关断开,。,C,1、，T,N,和T,P,导通，相当于,开关接通,，,u,o,u,i,。,由于,T,1,、T,2,管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互易使用，因而,CMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用,。,七、CMOS三态输出门,电路的输出有,高阻态、高电平和低电平,3种状态，是一种三态门。,时，T,P2,、T,N2,均截止，,Y,与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。,时，T,P2,、T,N2,均导通，T,P1,、T,N1,构成反相器。,1.CMOS三态门之一,时，TG截止，输出端呈现高阻态。,时，TG导通，。,2.CMOS三态门之二,第3章 小结,利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、OC门、OD门和传输门。,随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。,TTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。,CMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高。,