逻辑门电路2.pptx

第2章 逻辑门电路 2.1 分列元件门电路概述分列元件门电路概述 2.1.1 二极管门电路二极管门电路 二极管与门电路二极管与门电路第1页/共35页 二极管或门电路二极管或门电路【例例2-1】电路如图电路如图2-3所示，设所示，设VD为理想二极管，为理想二极管，E3V，输入电压，输入电压UI波形如图波形如图2-4，试画出输出电压，试画出输出电压UO波形。波形。第2页/共35页解：uOuD+uIuR+E。二极管VD导通时，uD0，即uOuI。二极管VD截止时，R中无电流，uR0，即uOE。当uI E时，VD截止，uOE。如图2-4所示。二极管门电路的开关特性二极管门电路的开关特性 二极管的动态特性二极管的动态特性 若输入脉冲的周期小于若输入脉冲的周期小于2tre，则该二极管就不能则该二极管就不能起到开关作用。起到开关作用。第3页/共35页 减小二极管反向恢复时间的措施减小二极管反向恢复时间的措施 正向导通电流不要过大。正向导通电流不要过大。选用结电容较小的二极管；选用结电容较小的二极管；在要求较高的场合，应选择快恢复二极管或肖特基二极管。在要求较高的场合，应选择快恢复二极管或肖特基二极管。肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky Barrier Diode，缩写为，缩写为SBD）。）。正向压降小（正向压降小（0.3V0.4V）；）；本身无电荷存储作用，开关时间极短（小于普通二极管的十分本身无电荷存储作用，开关时间极短（小于普通二极管的十分之一）。之一）。第4页/共35页2.1.2 三极管非门电路三极管非门电路 工作原理工作原理在数字电子电路中，主要分析研究截止和饱和两种工在数字电子电路中，主要分析研究截止和饱和两种工作状态。作状态。截止状态截止状态uOVCC。饱和状态饱和状态uOUCES 0第5页/共35页 三极管非门电路的开关特性三极管非门电路的开关特性 三极管的开关特性三极管的开关特性 第6页/共35页 减小三极管开关时间的措施减小三极管开关时间的措施 选用结电容小的三极管，即选用选用结电容小的三极管，即选用fT大的高频三极管。大的高频三极管。降低三极管饱和程度。降低三极管饱和程度。基极电阻并接加速电容。基极电阻并接加速电容。采用肖特基三极管采用肖特基三极管第7页/共35页2.2 TTL集成门电路集成门电路 TTL是三极管是三极管-三极管逻辑（三极管逻辑（Transistor-Transistor Logic）集成门电路，是双极型器件组）集成门电路，是双极型器件组成的门电路。成的门电路。2.2.1 74LS与非门电路与非门电路 电路组成和工作原理电路组成和工作原理由三部分组成：输由三部分组成：输入级、中间级和输入级、中间级和输出级。出级。第8页/共35页 输入输出电平分析输入输出电平分析 输入低电平时，输出高电平，输入低电平时，输出高电平，uOH 3.4V。输入高电平时，输出低电平，输入高电平时，输出低电平，uOL 0.35V。集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）标志符号：标志符号：“”主要作用：主要作用：实现实现“线与线与”功能；功能；实现电平转换；实现电平转换；用作驱动电路。用作驱动电路。第9页/共35页 三态门（三态门（TSL门）门）输出状态除了高电平、低电平外，还有第三种状态：输出状态除了高电平、低电平外，还有第三种状态：高阻态（相当于输出端开路）。高阻态（相当于输出端开路）。标志符号：标志符号：“”控制使能端：控制使能端：EN（Enable）主要用途：用于总线分时传送电路信号。主要用途：用于总线分时传送电路信号。第10页/共35页【例例2-4】已知三态门电路和输入电压波形如图已知三态门电路和输入电压波形如图2-15所示，所示，试画出输出电压波形。试画出输出电压波形。解：解：Y=Y1+Y2=AB +CDEN 第11页/共35页2.2.2 门电路外部特性和主要参数门电路外部特性和主要参数 以以74LS系列与非门为例，分析系列与非门为例，分析TTL门电路的外部特性。门电路的外部特性。电压传输特性电压传输特性 uOf（uI）大致可分为三个区域：截大致可分为三个区域：截止区、转折区和饱和区。止区、转折区和饱和区。转折区对应于阈值电压转折区对应于阈值电压UTH=1V第12页/共35页 特性特性 输入伏安特性输入伏安特性 iIf（uI）。）。输入伏安特性可分为输入低电平和输入高电平两种情输入伏安特性可分为输入低电平和输入高电平两种情况，以阈值电压况，以阈值电压UTH为分界点。为分界点。IILmax-0.4mA。IIHmax20A。第13页/共35页 输入负载特性输入负载特性 uIf（RI）。）。RI较小时，较小时，uI相当于输入低电平，与非门处于关门状态。相当于输入低电平，与非门处于关门状态。使与非门保持关门状态的使与非门保持关门状态的RI最大值称为关门电阻最大值称为关门电阻ROFF，74LS系列门电路系列门电路ROFF 4.2k。RI较大时，较大时，uI相当于输入高电平，与非门处于开门状态。相当于输入高电平，与非门处于开门状态。使与非门保持开门状态的使与非门保持开门状态的RI最小值称为开门电阻最小值称为开门电阻RON，74LS系列门电路系列门电路RON 6.3k。第14页/共35页【例例2-5】已知已知74LS系列三输入端与非门和或非门电路如系列三输入端与非门和或非门电路如图图2-20所示，其中所示，其中2个输入端分别接输入信号个输入端分别接输入信号A、B，另一，另一个输入端为多余引脚。试写出输出表达式。个输入端为多余引脚。试写出输出表达式。解：解：Y1=；Y2=；Y3=1；Y4=；Y5=1；Y6=；Y7=Y8=0；Y9=；Y10=0；Y11=；Y12=0。第15页/共35页TTL与（与非）门电路：多余输入端可接与（与非）门电路：多余输入端可接+VCC，或与有，或与有信号输入端并联，或悬空，或接对地电阻信号输入端并联，或悬空，或接对地电阻RIRON；TTL或（或非）门电路：多余输入端可接地，或与有信号或（或非）门电路：多余输入端可接地，或与有信号输入端并联，或接对地电阻输入端并联，或接对地电阻RIUTH时，时，uOUOL；当当uI UTH时，时，uOUOH。74LS系列门电路系列门电路UTH1V。关门电平关门电平UOFF。UOFF是是TTL与非门电路输出高电平时，输入端允许输与非门电路输出高电平时，输入端允许输入的最大低电平值。入的最大低电平值。为保证为保证TTL输出高电平，应满足输出高电平，应满足uIUOFF。一般，手册中给出输入低电平最大值一般，手册中给出输入低电平最大值UILmax代替代替UOFF。74LS系列门电路系列门电路UILmax0.8V。第19页/共35页 开门电平开门电平UON。UON是是TTL与非门电路输出低电平时，输入端允许输与非门电路输出低电平时，输入端允许输入的最小高电平值。入的最小高电平值。为保证为保证TTL输出低电平，应满足输出低电平，应满足uIUON。一般，手册中给出输入高电平最小值一般，手册中给出输入高电平最小值UIHmin代替代替UON。74LS系列门电路系列门电路UIHmin2V。第20页/共35页 噪声容限。噪声容限。指输入电平受噪声干扰时，为保证电路维持原输出电平，指输入电平受噪声干扰时，为保证电路维持原输出电平，允许叠加在原输入电平上的最大噪声电平。允许叠加在原输入电平上的最大噪声电平。噪声容限可分为低电平噪声容限噪声容限可分为低电平噪声容限UNL和高电平噪声容限和高电平噪声容限UNH。高电平噪声容限高电平噪声容限UNHUOHmin-UIHmin 低电平噪声容限低电平噪声容限UNLUILmax-UOLmax 74LS系列门电路系列门电路UNH0.7V，UNL0.3V。第21页/共35页 扇入扇入系数系数NI和扇出系数和扇出系数NO。表明带动同类门电路的数量。表明带动同类门电路的数量。静态动耗静态动耗PD维持输出高电平或维持输出低电平不变时的最大功耗。维持输出高电平或维持输出低电平不变时的最大功耗。74LS系列门电路系列门电路PD2mW。需要说明的是，门电路输出高电平和输出低电平时，分别工需要说明的是，门电路输出高电平和输出低电平时，分别工作在截止区和饱和区，功耗很低。功耗较大的阶段发生在高作在截止区和饱和区，功耗很低。功耗较大的阶段发生在高低电平转换区域，因此，低电平转换区域，因此，TTL的电路功耗与信号频率有关，的电路功耗与信号频率有关，信号频率越高，功耗越大。信号频率越高，功耗越大。传输延迟时间传输延迟时间tpd tpd是电路传输延迟时间的平均值，即开启时间是电路传输延迟时间的平均值，即开启时间ton和关闭时和关闭时间间toff的平均值。的平均值。tpd（ton+toff）274LS系列门电路系列门电路tpd10ns。第22页/共35页2.2.3 不同系列的不同系列的TTL门电路门电路总体可分为总体可分为54系列和系列和74系列：系列：54系列为满足军用要求设计，工作温度范围系列为满足军用要求设计，工作温度范围-50C+125C；74系列为满足民用要求设计，工作温度范围系列为满足民用要求设计，工作温度范围0C+70C。而每一大系列中又可分为（为便于书写，以而每一大系列中又可分为（为便于书写，以74为例）几个子为例）几个子系列：系列：74系列（基本型）系列（基本型）74L系列（低功耗）系列（低功耗）74H系列（高速）系列（高速）74S系列（肖特基）系列（肖特基）第23页/共35页 74LS系列（低功耗肖特基）系列（低功耗肖特基）74AS系列（先进高速肖特基）系列（先进高速肖特基）74ALS系列（先进低功耗肖特基）系列（先进低功耗肖特基）其中其中74（基本型）子系列为早期（基本型）子系列为早期TTL产品，已基本淘汰。产品，已基本淘汰。74LS子系列以其价廉物美、综合性能较好而应用最广，目子系列以其价廉物美、综合性能较好而应用最广，目前仍为主流应用品种之一。前仍为主流应用品种之一。第24页/共35页2.3 CMOS集成门电路集成门电路 2.3.1 CMOS反相器及其特点反相器及其特点 主要特点：主要特点：输入电阻高输入电阻高 可达可达1015，基本上不，基本上不需要信号源提供电流。需要信号源提供电流。电压传输特性好电压传输特性好 线性区很窄，特性曲线性区很窄，特性曲线陡峭，且高电平趋线陡峭，且高电平趋于于VDD，低电平趋于，低电平趋于0，电压传输特性接近，电压传输特性接近于理想开关。于理想开关。第25页/共35页 静态功耗低静态功耗低 抗干扰能力强抗干扰能力强 阈值电压阈值电压UTHVDD2，噪声容限很大，也接近于，噪声容限很大，也接近于VDD2。扇出系数大扇出系数大 CMOS反相器前级门的扇出系数不是取决于后级门的反相器前级门的扇出系数不是取决于后级门的输入电阻，而是取决于后级门的输入电容。输入电阻，而是取决于后级门的输入电容。电源电压范围大电源电压范围大 318V。CMOS电路也有一些缺点：输入端易被静电击穿、工电路也有一些缺点：输入端易被静电击穿、工作速度不高、输出电流较小等。作速度不高、输出电流较小等。但随着但随着CMOS电路新工艺的发展，这些问题已逐步改电路新工艺的发展，这些问题已逐步改善善。第26页/共35页不同系列集成门电路输入不同系列集成门电路输入/输出特性参数输出特性参数第27页/共35页2.3.3 TTL门电路与门电路与CMOS门电路的连接门电路的连接 连接原则：连接原则：驱动门驱动门 负载门负载门UOHmin UIHmin (2-6a)UOLmax UILmax (2-6b)IOHmax nIIHmax (2-6c)IOLmax nIILmax (2-6d)第28页/共35页其中其中n是负载门的个数。根据上述连接原则和表是负载门的个数。根据上述连接原则和表2-1，可以得，可以得出：出：74HCT系列门电路与系列门电路与74LS系列门电路可直接相互连接。系列门电路可直接相互连接。74HC系列门电路可以驱动系列门电路可以驱动74LS系列门电路。系列门电路。CMOS 4000系列门电路可以驱动一个（不能多个）系列门电路可以驱动一个（不能多个）74LS系列负载门电路。系列负载门电路。74LS系列门电路不能直接驱动系列门电路不能直接驱动CMOS 4000系列和系列和74HC系列门电路。系列门电路。第29页/共35页2.4 常用集成门电路常用集成门电路 双列直插式引脚排列规律：双列直插式引脚排列规律：第30页/共35页集成门电路通常在一片芯片中集成多个门电路，常有以集成门电路通常在一片芯片中集成多个门电路，常有以下几种形式：下几种形式：2输入端输入端4门电路。门电路。3输入端输入端3门电路。门电路。4输入端输入端2门电路。门电路。第31页/共35页常用典型芯片介绍：常用典型芯片介绍：与门和与非门与门和与非门第32页/共35页 或门和或非门或门和或非门第33页/共35页 与或非门与或非门 异或门和同或门异或门和同或门第34页/共35页 反相器反相器第35页/共35页