逻辑门电路应用.pptx

,2,或门电路,二、三极管非门电路,二极管与门和或门电路的缺点：,（,1,）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。,（,2,）负载能力差,解决办法：,将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。,三、,DTL,与非门电路,工作原理：,（,1,）当,A,、,B,、,C,全接为高电平,5V,时，二极管,D,1,D,3,都截止，而,D,4,、,D,5,和,T,导通，且,T,为,饱和,导通,，,V,L,=0.3V,，即输出低电平。,（,2,）,A,、,B,、,C,中只要有一个为低电平,0.3V,时，则,V,P,1V,，从而使,D,4,、,D,5,和,T,都截止，,V,L,=,V,CC,=5V,，即输出高电平。,所以该电路满足与非逻辑关系，即：,2.2,TTL,逻辑门电路,一、,TTL,与非门的基本结构及工作原理,1,TTL,与非门的基本结构,2,TTL,与非门的逻辑关系,（,1,）输入全为高电平,3.6,V,时。,T,2,、,T,3,导通，,V,B,1,=0.73=2.1,（,V,），,由于,T,3,饱和导通，输出电压为：,V,O,=,V,CES3,0.3,V,这时,T,2,也饱和导通，,故有,V,C2,=,V,E2,+,V,CE2,=1,V,。,使,T,4,和二极管,D,都截止。,实现了与非门的逻辑功能之一：,输入全为高电平时，,输出为低电平,。,该发射结导通，,V,B,1,=1,V,。所以,T,2,、,T,3,都截止。由于,T,2,截止，流过,R,C,2,的电流较小，可以忽略，所以,V,B4,V,CC,=5,V,，使,T,4,和,D,导通，则有：,V,O,V,C,C,-,V,BE4,-,V,D,=5-0.7-0.7=3.6,（,V,）,实现了与非门的逻辑功能的另一方面：,输入有低电平时，输出为高电平,。,综合上述两种情况，,该电路满足与非的,逻辑功能，即：,（,2,）输入有低电平,0.3,V,时。,二、,TTL,与非门的开关速度,1,TTL,与非门提高工作速度的原理,（,1,）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。,（,2,）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。,2,TTL,与非门传输延迟时间,t,pd,导通延迟时间,t,PHL,从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。,截止延迟时间,t,PLH,从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。,与非门的传输延迟时间,t,pd,是,t,PHL,和,t,PLH,的平均值。即,一般,TTL,与非门传输延迟时间,t,pd,的值为几纳秒十几个纳秒。,三、,TTL,与非门的电压传输特性及抗干扰能力,1,电压传输特性曲线：,V,o,=,f,（,V,i,）,（,1,）,输出高电平电压,V,OH,在正逻辑体制中代表逻辑,“,1,”,的输出电压。,V,OH,的理论值为,3.6,V,，产品规定输出高电压的最小值,V,OH,（,min,）,=2.4,V,。,（,2,）,输出低电平电压,V,OL,在正逻辑体制中代表逻辑,“,0,”,的输出电压。,V,OL,的理论值为,0.3,V,，产品规定输出低电压的最大值,V,OL,（,max,）,=0.4,V,。,（,3,）,关门电平电压,V,OFF,是指输出电压下降到,V,OH,（,min,）,时对应的输入电压。,即,输入低电压的最大值。在产品手册中常称为,输入低电平电压,，用,V,IL,（,max,）,表示。产品规定,V,IL,（,max,）,=0.8,V,。,（,4,）,开门电平电压,V,ON,是指输出电压下降到,V,OL,（,max,）,时对应的输入电压。,即,输入高电压的最小值。在产品手册中常称为,输入高电平电压,，,用,V,IH,（,min,）,表示。产品规定,V,IH,（,min,）,=2,V,。,（,5,）,阈值电压,V,th,电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。,近似地：,V,th,V,OFF,V,ON,即,V,i,V,th,，与非门关门，输出高电平；,V,i,V,th,，与非门开门，输出低电平。,V,th,又常被形象化地称为,门槛电压,。,V,th,的值为,1.3,V,1.,V,。,2,几个重要参数,低电平噪声容限,V,NL,V,OFF,-,V,OL,（,max,）,0.8,V,-0.4,V,0.4,V,高电平噪声容限,V,NH,V,OH,（,min,）,-,V,ON,2.4,V,-2.0,V,0.4,V,TTL,门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为,噪声容限,。,3,抗干扰能力,四、,TTL,与非门的带负载能力,1,输入低电平电流,I,IL,与输入高电平电流,I,IH,（,1,）,输入低电平电流,I,IL,是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。,可以算出：,产品规定,I,IL,1.6,mA,。,（,2,）,输入高电平电流,I,IH,是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况。,寄生三极管效应：如图（,a,）所示。这时,I,IH,=,P,I,B1,，,P,为寄生三极管的电流放大系数。,由于,p,和,i,的值都远小于,1,，,所以,I,IH,的数值比较小，产品规定：,I,IH,40,uA,。,倒置的放大状态：如图（,b,）所示。这时,I,IH,=,i,I,B1,，,i,为倒置放大的电流放大系数。,（,1,）灌电流负载,2,带负载能力,当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。,当负载门的个数增加，灌电流增大，会使,T,3,脱离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为,输出低电平电流,I,OL,，,产品规定,I,OL,=16,mA,。由此可得出,:,N,OL,称为输出低电平时的扇出系数。,（,2,）拉电流负载。,N,OH,称为,输出高电平时的扇出系数,。,产品规定,I,OH,=0.4,mA,。由此可得出：,当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。,拉电流增大时，,R,C4,上的压降增大，会使输出高电平降低。因此，把允许拉出输出端的电流定义为,输出高电平电流,I,OH,。,一般,N,OL,N,OH,，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用,N,O,表示。,五、,TTL,与非门举例,7400,7400,是一种典型的,TTL,与非门器件，内部含有,4,个,2,输入端与非门，共有,14,个引脚。引脚排列图如图所示。,六、,TTL,门电路的其他类型,1,非门,2,或非门,3,与或非门,在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为,线与,。,普通的,TTL,门电路不能进行线与,。,为此，,专门生产了一种可以进行线与的门电路,集电极开路门。,4,集电极开路门（,OC,门）,（,1,）实现线与。,电路如右图所示，逻辑关系为,:,OC,门主要有以下几方面的应用：,（,2,）实现电平转换。,如图示，可使输出高电平变为,10,V,。,（,3,）用做驱动器。,如图是用来驱动发光二极管的电路。,（,1,）,当输出高电平时，,R,P,不能太大。,R,P,为最大值时要保证输出电压为,V,OH,（,min,）,，由,OC,门进行线与时，外接上拉电阻,R,P,的选择：,得：,得：,（,2,）,当输出低电平时，,R,P,不能太小。,R,P,为最小值时要保证输出电压为,V,OL,（,max,）,，,由,所以：,R,P,（,min,）,R,P,R,P,（,max,）,（,1,）三态输出门的结构及工作原理。,当,EN,=0,时，,G,输出为,1,，,D,1,截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。,当,EN,=1,时，,G,输出为,0,，,T,4,、,T,3,都截止。这时从输出端,L,看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。,5,三态输出门,三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。,（,a,）组成单向总线，,实现信号的分时单向传送,.,（,b,）组成双向总线，,实现信号的分时双向传送。,（,2,）三态门的应用,5,74,LS,系列,为低功耗肖特基系列。,6,74,AS,系列,为先进肖特基系列，,它是,74,S,系列的后继产品。,7,74,ALS,系列,为先进低,功耗肖特基系列，,是,74LS,系列的后继产品。,七、,TTL,集成逻辑门电路系列简介,1,74,系列,为,TTL,集成电路的早期产品，属中速,TTL,器件。,2,74,L,系列,为低功耗,TTL,系列，又称,LTTL,系列。,3,74,H,系列,为高速,TTL,系列。,4,74,S,系列,为肖特基,TTL,系列，进一步提高了速度。如图示。,所以输出为低电平。,一、,NMOS,门电路,1,NMOS,非门,2.3,MOS,逻辑门电路,逻辑关系：（设两管的开启电压为,V,T1,=,V,T2,=4,V,，且,g,m,1,g,m,2,）,（,1,）当输入,V,i,为高电平,8,V,时，,T,1,导通，,T,2,也导通。因为,g,m,1,g,m,2,，所以两管的导通电阻,R,DS1,R,DS2,，输出电压为：,（,2,）当输入,V,i,为低电平,0,V,时，,T,1,截止，,T,2,导通。所以输出电压为,V,OH,=,V,DD,-,V,T,=8,V,，即输出为高电平。,所以电路实现了非逻辑。,2,NMOS,门电路,（,1,）与非门,（,2,）或非门,1,逻辑关系：,（设,V,DD,（,V,TN,+|,V,TP,|,），且,V,TN,=|,V,TP,|,）,（,1,）当,V,i,=0,V,时，,T,N,截止，,T,P,导通。输出,V,O,V,DD,。,（,2,）当,V,i,=,V,DD,时，,T,N,导通，,T,P,截止，输出,V,O,0,V,。,二、,CMOS,非门,CMOS,逻辑门电路是由,N,沟道,MOSFET,和,P,沟道,MOSFET,互补而成。,（,1,）当,V,i,2,V,，,T,N,截止，,T,P,导通，输出,V,o,V,DD,=10,V,。,（,2,）当,2,V,V,i,5,V,，,T,N,工作在饱和区，,T,P,工作在可,变电阻区。,（,3,）当,V,i,=5,V,，两管都工作在饱和区，,V,o,=,（,V,DD,/2,）,=5,V,。,（,4,）当,5,V,V,i,8,V,，,T,P,工作在饱和区，,T,N,工作在可变电阻区。,（,5,）当,V,i,8,V,，,T,P,截止，,T,N,导通，输出,V,o,=0,V,。,可见：,CMOS,门电路的阈值电压,V,th,=,V,DD,/2,2,电压传输特性,：（设,:,V,DD,=10V,，,V,TN,=|,V,TP,|=2V,）,3,工作速度,由于,CMOS,非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。,CMOS,非门的平均传输延迟时间约为,10,ns,。,（,2,）或非门,三、其他的,CMOS,门电路,1,CMOS,与非门和或非门电路,（,1,）与非门,（,3,）带缓冲级的门电路,为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。,L,=,后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：,2,CMOS,异或门电路,由两级组成，前级为或非门，输出为,当,EN,=1,时，,T,P,2,和,T,N,2,同时截止，输出为,高阻状态,。,所以，这是一个低电平有效的三态门。,3,CMOS,三态门,工作原理：,当,EN,=0,时，,T,P,2,和,T,N,2,同时导通，,为,正常的非门，输出,4,CMOS,传输门,工作原理：（设两管的开启电压,V,TN,=|,V,TP,|,）,（,1,）,当,C,接高电平,V,DD,，接低电平,0,V,时，若,V,i,在,0,V,V,DD,的范围变化，至少有一管导通，,相当于一闭合开关,，将输入传到输出，即,V,o,=,V,i,。,（,2,）,当,C,接低电平,0,V,，接高电平,V,DD,，,V,i,在,0,V,V,DD,的范围变化时，,T,N,和,T,P,都截止，输出呈高阻状态，,相当于开关断开,。,1,CMOS,逻辑门电路的系列,（,1,）基本的,CMOS,4000,系列。,（,2,）高速的,CMOS,HC,系列。,（,3,）与,TTL,兼容的高速,CMOS,HCT,系列。,2,CMOS,逻辑门电路主要参数的特点,（,1,）,V,OH,（,min,）,=0.9,V,DD,；,V,OL,（,max,）,=0.01,V,DD,。,所以,CMOS,门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。,（,2,）阈值电压,V,th,约为,V,DD,/2,。,（,3,）,CMOS,非门的关门电平,V,OFF,为,0.45,V,DD,，开门电平,V,ON,为,0.55,V,DD,。因此，其高、低电平噪声容限均达,0.45,V,DD,。,（,4,）,CMOS,电路的功耗很小，一般小于,1 mW/,门；,（,5,）因,CMOS,电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达,50,。,四、,CMOS,逻辑门电路的系列及主要参数,一、,TTL,与,CMOS,器件之间的接口问题,两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：,驱动门的,V,OH,（,min,）,负载门的,V,IH,（,min,）,驱动门的,V,OL,（,max,）,负载门的,V,IL,（,max,）,驱动门的,I,OH,（,max,）,负载门的,I,IH,（总）,驱动门的,I,OL,（,max,）,负载门的,I,IL,（总）,2.4,集成逻辑门电路的应用,（,b,）用,TTL,门电路驱动,5,V,低电流继电器，其中二极管,D,作保护，用以防止过电压。,二、,TTL,和,CMOS,电路带负载时的接口问题,1,对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。,（,a,）用,TTL,门电路驱动发光二极管,LED,，这时只要在电路中串接一个约几百,W,的限流电阻即可。,2,带大电流负载,（,a,）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（,a,）所示。,（,b,）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（,b,）所示。,（,2,）对于或非门及或门，多余输入端应接,低电平,，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。,三、多余输入端的处理,（,1,）对于与非门及与门，多余输入端应接,高电平,，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（,1,3,k,W,）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。,3,一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。,2,任一条线一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。,2.5,混合逻辑中逻辑符号的变换,1,逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。,本章小结,1,最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集成逻辑门电路的基础。,2,目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由,NPN,型三极管组成，简称,TTL,集成电路；另一类由,MOSFET,构成，简称,MOS,集成电路。,3,TTL,集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。在,TTL,系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外，还有集电极开路门和三态门。,4,MOS,集成电路常用的是两种结构。一种是,NMOS,门电路，另一类是,CMOS,门电路。与,TTL,门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与,TTL,接近，已成为数字集成电路的发展方向。,5,为了更好地使用数字集成芯片，应熟悉,TTL,和,CMOS,各个系列产品的外部电气特性及主要参数，还应能正确处理多余输入端，能正确解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。,