第2章数字电子广东文理学院.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,*,*,*,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,2,章 集成逻辑门电路,2.1,分立元件门电路,2.2 TTL,集成逻辑门电路,2.3 CMOS,集成逻辑门电路,2.4,集成逻辑门电路的应用,2.1,分立元件门电路,下一页,返回,用以实现各种基本逻辑关系的电子电路称为门电路；,门电路的主要类型：,门电路的主要类型有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等,。,1,、门电路的概念,2,、逻辑变量与两状态开关,在二值逻辑中，,逻辑变量的取值不是,0,就是,1,，是一种,二值量。,在数字电路中，与之对应的是电子开关的两种状态。,半导体二极管、三极管和,MOS,管是构成这种,电子开关的基本开关元件。,3,、分立元件门电路和集成门电路,1,）,用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路，称为分立元件门电路,。,2,）,把构成,门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。,2.1.1,二极管门,电路,1.,半导体的开关特性,1）,静态特性,断开时，其等效电阻,R,OFF,，通过其中的电流,I,OFF,0,。,闭合时，其等效电阻,R,ON,0,，其两端电压,U,AK,0,。,2）,动态特性,开通时间,t,on,0,，即开关由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。,关断时间,t,off,0,，即开关由闭合状态转换到断开状态不需要时间，可以瞬间完成。,A,K,S,理想开关,半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。,2,、,半导体二极管的开关特性,R,导通,截止,相当于,开关断开,相当于,开关闭合,S,3V,0V,S,R,R,D,3V,0V,（,一,）,静态特性,1,、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性,半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图所示。,2,、半导体二极管的开关作用,开关应用举例,下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为,u,I,其低电平,U,IL,2V,高电平为,U,IH,3V,。,u,I,U,IL,时，,半导体二极管反偏，,D,处于反向截止区，如同一个,断开了的开关，直流等效电路如图,(b),。,u,I,U,IH,时，,半导体二极管正偏，,D,工作在正向导通区，如同一个具有,0.7V,压降、闭合了的开关，直流等效电路如图,(c),。,、静态开关特性,硅半导体二极管具有下列静态开关特性：,导通条件及导通时的特点：,当外加正向电压,U,D,0.7V,时，二极管导通，,硅半导体二极管,如同一个具有,0.7V,压降、闭合了的开关。,截止条件及截止时的特点：,当外加正向电压,U,D,0.5V,时，二极管截止，硅半导体二极管,如同一个断开了的开关。,（二,）,动态特性,1,、二极管的电容效应,二极管存在结电容,C,j,和扩散电容,C,D,，,C,j,和,C,D,的存在极大地影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断，伴随着,C,j,、,C,D,的充、放电过程，都要经过一段延迟时间才能完成。,2,、二极管的开关时间,下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的,u,I,和,i,D,的波形。,开通时间,当输入电压,u,I,由,U,IL,跳变到,U,IH,时，二极管,D,要经过延迟时间,t,d,、上升时间,t,r,之后，才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管的开通时间为：,t,on,=,t,d,t,r,关断时间,当输入电压,u,I,由,U,IH,跳变到,U,IL,时，二极管,D,要经过存储时间,t,s,、下降时间（也称为渡越时间）,t,f,之后，才能由导通状态转换到截止状态。半导体二极管的关断时间为：,t,off,=,t,s,t,f,3、,二极管与门,1,）,电路组成及逻辑符号,电压关系表,u,A,=,u,B,=0,时，,D,1,、,D,2,均导通,u,Y,=,u,A,+,u,D1,=,u,B,+,u,D2,=0+0.7V=0.7V,u,A,=0,、,u,B,=3V,时，由于,u,A,、,u,B,电平不同，当,D,1,导通后，使,u,Y,=,u,A,+,u,D1,=0+0.7V=0.7V,导致,u,D2,=,u,Y,u,B,=0.7,3,2.3V,，故,D,2,截止。,D,1,导通后，,u,Y,被钳位在,0.7V,。,u,A,=3V,、,u,B,=0V,时，与类似，,D,2,导通，,D,1,截止，,D,2,导通后，,u,Y,被钳位在,0.7V,。,u,A,=3V,、,u,B,=3V,时，,D,1,、,D,2,都,导通。,u,Y,被钳位在,3.7V,。,2,）,工作原理,电压关系表,整理上述估算结果，可得,右,表所示电压关系表。,返回,真值表,设定变量、状态赋值、列真值表,设定变量：用,A,、,B,、,Y,分别表示,u,A,、,u,B,、,u,Y,。,状态赋值：用,0,表示低电平，用,1,表示高电平。,列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。,综上所述，该电路确实实现了与的逻辑功能,Y=AB,，所以是一个二极管与门。,4、,二极管或门,上一页,下一页,返回,1,）,电路组成及逻辑符号,2,）,工作原理,电压关系表,u,A,=,u,B,=0,时，,D,1,、,D,2,均,截止,u,Y,=,0V,。,u,A,=0V,、,u,B,=3V,时，,D,2,导通，,D,1,截止，,u,Y,=,3,0.7V=2.3V,。,u,A,=3V,、,u,B,=0V,时，,D,1,导通，,D,2,截止，,u,Y,=,3,0.7V=2.3V,。,u,A,=3V,、,u,B,=3V,时，,D,1,、,D,2,均导通。,u,Y,=,3,0.7V=2.3V,。,整理分析估算结果，即可得到电压关系表如右表所示。,电压关系表,返回,真值表,设定变量、状态赋值、列真值表,设定变量：用,A,、,B,、,Y,分别表示,u,A,、,u,B,、,u,Y,。,状态赋值：用,0,表示低电平，用,1,表示高电平。,列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。,综上所述，该电路确实实现了或的逻辑功能,Y=A+B,，所以是一个二极管或门。,2.1.,2,晶体,管门,电路,1、,半导体,晶体,管的开关特性,饱和,截止,3V,0V,u,O,0,相当于,开关断开,相当于,开关闭合,u,O,U,CC,+,U,CC,u,i,R,B,R,C,u,O,T,u,O,+,U,CC,R,C,E,C,u,O,+,U,CC,R,C,E,C,3V,0V,一、静态特性,1,、结构示意图、符号和输入、输出特性,半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。,半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。,输入特性指的是基极电流,i,B,和基极,-,发射极间电压,u,BE,之间的关系曲线。,输出特性指的是基极电流,i,C,和集电极,-,发射极间电压,u,CE,之间的关系曲线。在数字电路中，半导体三极管不是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。,2,、半导体三极管的静态开关特性,饱和导通条件及饱和时的特点,饱和导通条件：三极管基极电流,i,B,大于其临界饱和时的数值,I,BS,时，饱和导通。,饱和导通时的特点：对于硅三极管，饱和导通后,u,BE,0.7V,，,u,CE,U,CES,0.3V,如同闭合的开关。,截止条件及截止时的特点,截止条件：,u,BE,U,o,0.5V,式中，,U,o,是硅三极管发射结的死区电压。,截止时的特点：,i,B,0,，,i,C,0,如同断开的开关。,二、动态特性,半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都需要一定时间。,右图所示是三极管开关电路中,u,I,为矩形脉冲时，相应,i,C,和,u,O,的波形。,开通时间,当输入电压,u,I,由,U,IL,2V,跳变到,U,IH,3V,时，三极管,需,要经过延迟时间,t,d,和上升时间,t,r,之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为,t,on,=,t,d,t,r,关断时间,当输入电压,u,I,由,U,IH,3V,跳变到,U,IL,2V,时，三极管,需,要经过存储时间,t,s,、下降时间,t,f,之后，才能由饱和导通状态转换到截止状态。半导体三极管的关断时间为,t,off,=,t,s,t,f,半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工作速度。由于,t,off,t,on,，所以减少饱和,时基区存储电荷的数量尽可能地加速其,消散过程，即缩短存储时间,t,S,，是提高,半导体三极管开关速度的关键。,2、,三极管非门,上一页,下一页,返回,1.,电路组成及逻辑符号,设输人信号为,+5 V,或,0V:,(1)A=0V,时，三极管截止，,Y=5 V,。,(2)A=5 V,时，三极管工作于饱和状态，,Y=0.3 0 V,。,上一页,下一页,返回,2.,工作原理,若用,A,、,Y,分别表示,u,I,、,u,O,，,用,0,表示低电平，用,1,表示高电平。则可由左下表所示的电压关系表得到右下表所示的真值表。由右下表可知，,下,图所示电路实现了非逻辑功能,，是一个三极管组成的非门。,5,0.3,0,5,u,O,/V,u,I,/V,非门电压关系表,1,0,0,1,Y,A,非门真值表,半导体,三极管饱和导通以后也有钳位作用。如果发射极电位是不变的，那么它的集电极电位就被固定在比发射极高,0.3V,的电位上；反之，若其集电极电位是不变的，那么它的发射极电位就被固定在比集电极低,0.3V,的电位上。,1,）,高电平和低电平：高电平和低电平是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。,右图,2.4,5V,范围内的电压，都称为,高电平,，用,U,H,表示。,0,0.8V,范围内的电压，都称为,低电平,，用,U,L,表示。,2,）,正逻辑和负逻辑：,用,1,表示高电平，用,0,表示低电平，称为,正逻辑赋值简称正逻辑。,用,1,表示低电平，用,0,表示高电平，称为,负逻辑赋值，简称负逻辑。,2.1.3,高、低电平与正、负逻辑,2.2 TTL,集成逻辑门电路,下一页,返回,晶体管一晶体管逻辑,(,Transistor,-,Transistor Logic,),门电路，简称,TTL,电路,2.,2,.1,TTL,反相器,1,、电路组成,一、电路组成及其工作原理,输入级 由,T,1,、,R,1,、,D,1,组成，,D,1,是保护二极管，是为防止输入,端电压过低而设置的；,中间级 由,T,2,、,R,2,、,R,3,组成，,T,2,集电极输出驱动,T,3,，发射极输出驱动,T,4,；,输出级 由,T,3,、,T,4,、,D,和,R,4,组成。,图,(a),是,TTL,反相器的典型电路图，它有三部分组成：,中间级,(a),A,R,1,4k,T,3,T,2,T,1,Y,R,4,+5V,T,4,R,2,1.6k,R,3,130,1k,u,I,u,O,D,+,V,CC,输入级,输出级,3.6V,0V,3.6V,0V,D,1,2,、工作原理,、,当电路输入端,A,接高电平（,3.6V,）时,3.6V,3.6V,4.3V,全导通,0.7V2,1.4V,电位钳,在,2.1V,发射结反偏,U,BE1,2.1,3.6,1.5V,0,T,1,管发射结处于反向偏置，而集电结处于正向偏置，所以，,T,1,管处于发射结和集电结倒置使用的工作状态。,1V,U,C2,U,CES2,U,be4,0.3,0.71V,U,C2,1V,，该值不足以使,T,3,、,D,导通，故,T,3,、,D,截止,。,输入为,1,输出为,0,u,O,0.3V,V,CC,(+5V),Y,R,2,1.6K,R,1,4K,T,1,A,R,3,1K,R,4,130,D,1,D,T,2,T,3,T,4,、,当电路输入端接低电平,(0,V,),时,0V,截止,发射结导通,U,b1,0,0.7,0.7V,U,b1,0.7V,，作用于,T,1,管的集电结和,T,2,、,T,4,管的发射结，不足以让,T,2,、,T,4,导通。故,T,2,、,T,4截止。,u,O,V,CC,U,be3,U,D,5,0.7,0.7,3.6V,输入为,0,输出为,1,5V,4.3V,0.7V,由于,T,2,截止，,V,CC,通过,R,2,、,T,3,和,D,管使之工作在导通状态，,T,3,发射结和,D,的导通压降均为,0.7V,。,i,b3,0,V,CC,(+5V),Y,R,2,1.6K,R,1,4K,T,1,A,R,3,1K,R,4,130,D,1,D,T,2,T,3,T,4,3.6V,综上所述可知，,上,图所示电路确实实现了非运算，是非门，即反相器。,输入特性是指,输入电流与输入电压之间的关系曲线,，即,I,I,=,f(u,I,),的,函数关系。典型的输入特性如图所示。,二、静态特性,1,、,输入特性,输入端短路电流,I,IS,当,u,I,=,U,IL,=0V,时的输入电流称为,输入端短路电流,I,IS,，是,u,I,=0,即输入端对地短接时，由反相器输入端流出来的电流。数值为：,输入漏电流,I,IH,。,当,u,I,=,U,IH,=3.6V,时的输入电流称为,输入漏电流,I,IH,，即,T,1,倒置工作时的反向漏电流，其电流值很小，倒置时其电流放大系数,i,=0.01,0.02,，若取,i,=0.02,，则数值为：,输入端负载特性,反映接在反相器输入端电阻,R,i,两端的电压,u,I,和,R,i,阻值之间关系的曲线称为输入端负载特性曲线，简称输入端负载特性如图所示。,开门电阻,R,on,当,R,i,=,，即输入端悬空时，,i,B1,经,T,1,集电极流入,T,2,基极，使,T,2,饱和导通。进而使,T,4,也饱和导通并导致,T,3,、,D,截止，反相器处于导通状态，输出电压,u,O,=U,OL,0.3V,，而,u,B1,由于,bc,1,、,be,2,、,be,4,结的钳位作用，被固定在,2.1V,，因此,u,I,=,u,B1,-,u,BE1,=(2.1-0.7)V=1.4V,。,实际上，要使反相器工作在导通状态，,u,O,0.3V,，,R,i,只需大于,2.5K,就可以了，因此,把,2.5K,称为反相器电路的,开门电阻,R,on,。,关门电阻,R,off,当,R,i,=0,，,i,B1,全部,流向,T,1,发射极，,T,2,、,T,4,截止，,T,3,、,D,导通，输出电压,u,O,=U,OH,=3.6V,，反相器,处于截止状态。而,u,I,=,i,B1,R,i,=0V,。,实际上，只要,R,i,0.7K,，反相器就会截止，输出为高电平，因此又,把,0.7K,称为反相器电路的,关门电阻，用,R,off,表示,。,综上所述可知，,当,R,i,R,on,时，其逻辑状态相当于,1,，反相器,导通，输出端逻辑状态为,0,；,当,R,i,R,off,时，其逻辑状态相当于,0,，,反相器,截止，,输出端逻辑,状态,为,1,。如果,R,off,R,i,R,on,，则反相器将处于不正常状态，既不是,1,也不是,0,，这种情况是不允许的。,2,、输出特性,反映,输出电压,u,O,与输出电流,i,O,之间的关系曲线,，称为输出特性曲线，简称输出特性，,如图所示。,u,I,=U,IH,、,u,O,=U,OL,，,带,灌电流,负载时的特性,当,u,I,=U,IH,，,为高电平,时，,T,2,、,T,4,饱和导通，,T,3,、,D,截止，输出电压,u,O,低电平，带,灌电流,负载,，等效电路如图,2.4.5,所示。特性如图,2.4.4(b),右边部分所示。,R,L,是负载电阻，由于深度饱和，输出电阻很小，灌电流,i,O,增加时，输出电压上升缓慢。反相器输出为低电平时，,带灌电流负载的能力,I,OL,可达,16mA,。,图,2.4.4,R,1,4k,T,2,T,1,+5V,R,2,1.6k,R,3,1k,u,O,+,V,CC,+5V,+,V,CC,U,IH,+,+,_,_,T,4,R,L,i,O,图,2.4.5,图,2.4.4,u,I,=U,IL,、,u,O,=U,OH,，,带,拉电流,负载时的特性,当,u,I,=U,IL,，,为低电平,时，,T,2,、,T,4,截止，,T,3,、,D,导通，输出电压,u,O,为高电平，带,拉电流,负载,，等效电路如图,2.4.6,所示。特性如图,2.4.4(b),左边部分所示。,R,L,是负载电阻，,T,3,工作在射极输出器状态，输出电阻也不大。,当拉电流,i,O,5mA,时，,T,3,微饱和，因而输出高电平,U,OH,变化不大。当,i,O,5mA,时，,T,3,进入深饱和，由于,i,R4,i,O,，,U,OH,=,V,CC,U,ces2,U,D,i,O,R,4,，故,U,OH,将随着,i,O,增加而降低。,图,2.4.6,T,3,R,4,+5V,R,2,1.6k,130,u,O,D,+,V,CC,R,L,i,O,_,+,i,O,的实际方向与参考方向相反,3,、电压传输特性,反映输出电压,u,O,与输人电压,u,I,关系的曲线称为电压传输特性曲线，简称电压传输特性，如图,2.4.7,所示。,AB,段,：,u,I,0.6V,，,T,1,正向饱和导通，,u,ces1,0.1V,，,u,C1,=,0.7V,，,T,2,、,T,4,截止，,T,3,、,D,4,导通，输出电压,u,O,=U,OH,=3.6V,，为高电平。称为,截止区,，电路处于稳定的,关态,。,BC,段,：对应,u,I,0.6,1.3V,，,T1,仍,正向饱和导通，,0.7V,u,C1,1.4V,。,T,2,开始,导通，进入放大区，但,T4,仍截止。,T,2,管的集电极电压,u,C2,、输出电压,u,O,随着,u,I,的增加而线性地减小。这一段称为,线性区,。,U,I,/,V,3,2,1,0,1,2,3A,U,O,/,V,B,C,D,E,U,NH,U,NL,U,IL,U,off,U,th,U,on,图,2.4.7,电压传输特性,CD,段,：对应,u,I,1.3V,，,T,4,开始导通。当,u,I,增加时，输出电压急剧下降，,T,3,和,D,4,趋向截止，,T,4,趋向饱和，电路状态由关态转换为开态。这一段称为,转折区,。转折区中心点对应的输入电压称为反相器的阈值电压，用,U,th,表示。,U,th,1.4V,。,DE,段：,随着,u,I,增加,，,T,1,进入倒置工作状态,，,T,2,、,T,4,均饱和导通，,T,3,、,D,4,均截止，输出电压,u,O,=U,OL,=,0.3V,为低电平电路进入稳定的开态。这一段称为,饱和区,。,由于阈值电压,U,th,所对应的,是电压传输特性转折区的中心,点，所以在简化定性分析中，,常常把,U,th,当作决定反相器输出,端状态的关键值。认为,u,I,U,th,时反相器是关断的，输出端为高电平，即,u,O,=U,OH,；,u,I,U,th,时反相器是开通的，输出端为低电平，即,u,O,=U,OL,。,U,I,/,V,3,2,1,0,1,2,3,A,U,O,/,V,B,C,D,E,U,NH,U,NL,U,IL,U,off,U,th,U,on,图,2.4.7,电压传输特性,(,1),输出逻辑高电平和输出逻辑低电平,在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高电平,U,OH,，典型值是,3.6V,，,U,OHmin,2.4V,。饱和区的输出电压为输出逻辑低电平,U,OL,，典型值是,0.3V,，,U,OHmax,0.4V,。,(2),开门电平,(,U,on,),和关门电平,(,U,off,),输入低电平,U,IL,的,典型值是,0.3V,，,允许的输入低电平的最大值,U,ILmax,0.8V,，称为,关门电平,U,off,=0.8V,，它是保证反相器处于截止状态所允许的,u,I,的最大值。,输入高电平,U,IH,的,典型值是,3.6V,，,允许的输入高电平的最小值,U,IHmin,2.0V,，称为,开门电平,U,on,=2.0V从电压传输特性曲线可以反映出,TTL,反相器的几个主要特性参数。,(3),抗干扰能力,在集成电路中，经常以,输入端噪声容限,的数值来定量地说明门电路的抗干扰能力。,当输入为低电平时，为保证电路处于稳定的关态，输入低电平加上瞬态干扰信号不应超过关门电平,U,off,。因此,允许的干扰容限为,U,NL,=,U,ILmax,U,OLmax,(0.8,0.4)V,0.4V,，称为,低电平噪声容限,。,当输入为高电平时，为保证电路处于稳定的开态，输入高电平加上瞬态干扰信号不应低于开门电平,U,on,。因此允许的干扰容限为,U,NH,=,U,OHmin,U,IHmin,(2.4,2.0)V,0.4V称为,高电平噪声容限,。,另外，随着温度的升高，输出高电平和输出低电平都会升高，阈值电压却降低。电源电压的变化主要影响输出高电平，对输出低电平影响不大。,1,、,传输延迟时间,50%,50%,t,PHL,0,0,1,1,t,PLH,三、动态特性,t,PHL,：输出电压由高电平变为低电平的传输延迟时间。,t,PLH,：输出电压由低电平变为高电平的传输延迟时间。,t,pd,：平均传输延迟时间。,2,、动态尖峰电流,(1),静态电源电流,当,u,I,=,U,IL,=0V,时，,u,B1,=,0.7V,，,T,2,、,T,4,截止，在输出无负载情况下,当,u,I,=,U,IH,=3.6V,时，,uB1,=,2.1V,，,T,2,、,T,4,饱和导通，,T,3,、,D,截止,(2),动态电源尖峰电流,在,u,I,由,U,IL,跳变到,U,IH,过程,中，会略有过冲。但是，当,u,I,由,U,IH,跳变到,U,IL,时，电路在状态转换期间会出现很大的,动态电源尖峰电流,。因为在,u,I,U,IH,时，,T,2,、,T,4,饱和，尤其是,T,4,，其饱和程度很深，当,u,I,由,U,IH,跳变到,U,IL,时，,T,2,很快截止，使,T,3,、,D,导通，而,T,4,还来不及退出饱和状态，于是从,V,CC,经,R4,、,T,3,、,D,、,T,4,形成了低阻通路，显然在这种情况下，电源电流i,CC,要出现很大的,尖峰，如图所示。,3,、交流噪声容限,与,CMOS,电路相似在,TTL,电路中由于半导体三极管的开关时间和分布电容的充、放电过程，输入信号变化时，必须有足够的变化幅度和作用时间，才能使输出端状态改变。当,u,I,为窄脉冲，而且其宽度接近于门电路的传输延迟时间时则其幅度只有远大于直流情况，输出端才可能改变状态。显然,反相器对这类窄脉冲的噪声容限比直流噪声容限要大,。,TTL,反相器的平均传输延迟时间,t,pd,的典型值是,10ns,，而绝大多数的,TTL,门电路的传输延迟时间都在,50ns,以内，因此，,当输入脉冲的,宽度达到微秒数量级时，应将其当做直流信号处理,。,22.,2,TTL,与非门电路,1.TTL,与非门的基本结构,+5V,R,1,4k,A,D,2,T,1,T,2,T,3,T,4,D,R,2,1.6k,R,3,1k,R,4,130,Y,输入级,中间级,输出级,D,1,B,A,B,&,左,图电路除了,输入级,T,1,采用了多发射极三极管外，其余部分和图,2,-10,所示反相器电路没有什么区别。,D1,、,D2,为输入端保护二极管，是为抑制输入电压负向过冲而设置的,2,、工作原理,、,当电路输入端,A,、,B,、,C,全部接高电平（,3.6V,）时,V,CC,(+5V),Y,R,2,1.6K,R,1,4K,T,1,A,B,C,R,3,1K,R,4,130,D,1,D,2,D,3,D,T,2,T,3,T,4,3.6V,3.6V,4.3V,全导通,0.7V2,1.4V,电位钳,在,2.1V,发射结全反偏,U,BE1,2.1,3.6,1.5V,0,T,1,管发射结处于反向偏置，而集电结处于正向偏置，所以，,T,1,管处于发射结和集电结倒置使用的工作状态。,1V,U,C2,U,CES2,U,be4,0.3,0.71V,U,C2,1V,，该值不足以使,T,3,、,D,导通，故,T,3,、,D,截止,。,输入全,1,输出为,0,U,Y,0.3V,、,当电路输入端,A,C,中至少有一个接低电平,(0.3V),时,0.3V,3.6V,3.6V,截止,接低电平的发射结导通,U,b1,0.3,0.7,1V,U,b1,1V,，作用于,T,1,管的集电结和,T,2,、,T,4,管的发射结，不足以让,T,2,、,T,4,导通。故,T,2,、,T,4,截止。,U,Y,V,CC,U,be3,U,D,5,0.7,0.7,3.6V,输入有,0,输出为,1,3.6V,5V,4.3V,1V,由于,T,2,截止，,V,CC,通过,R,2,、,T,3,和,D,管使之工作在导通状态，,T,3,发射结和,D,4,的导通压降均为,0.7V,。,i,b3,0,V,CC,(+5V),Y,R,2,1.6K,R,1,4K,T,1,A,B,C,R,3,1K,R,4,130,D,1,D,2,D,3,D,T,2,T,3,T,4,+,V,CC,+5V,4k,A,D,2,T,1,T,2,T,3,T,4,D,1.6k,1k,130,Y,输入级,中间级,输出级,D,1,B,R,1,R,2,R,3,R,4,TTL,与非门,1,1,1,0,A,B,Y,0,0,0,1,1,0,1,1,2.,工作原理,1,、电路组成,二、,TTL,或非门,右图所示电路是,TTL,或非门的电路图。,R,1,、,T,1,、,R,1,、,T,1,构成输入级；并联着的,T,2,、,T,2,和,R,2,、,R,3,构成中间级；,R,4,、,T,3,、,D,、,T,4,构成输出级。,2,、工作原理,输入,A,、,B,中只要有一个为,1,，即高电平，例如,A=1,，那么,i,B1,就会经过,T,1,集电结流入,T,2,基极，使,T,2,、,T,4,饱和导通，输出为低电平，即,Y=0,。,只有当,A=B=0,时，,i,B1,、,i,B1,均分别流入,T,1,、,T,1,发射极，,T,2,、,T,2,均截止，,T4,也截止，,T3,、,D,导通，输出才会为高电平，即,Y=1,。,归纳上述结果可列出教材,P123,页的真值表，由表可得,Y,A+B,D,A,B,R,1,T,3,T,2,T,1,Y,R,4,+V,CC,T,4,R,2,R,3,T,2,T,1,R,1,输入级,D,1,D,1,i,B1,i,B1,+,5V输出级,中间级,TTL,与非门的电压传输特性及主要参数,上一页,下一页,返回,电压传输特性曲线：,输出电压与输入电压之间的对应关系曲线，即,u,o,=,f(u,I,),3.,电压传输特性：,A,B,0,u,O,/V,u,I,/V,1,2,3,4,1,2,3,4,AB,段：,u,I,0.5 V,，,u,B1,1.4 V,，,T,2,、,T,4,饱和,导通，,T,3,、,D,截止。,u,O,=,U,OL,0.3 V,阈值电压,TTL,集成逻辑门电路的几个重要参数,输出高电平,U,oH,U,oH,的理论值为,3.6 V,，最小值,U,oH(min,),=2.4 V,输出低电平,U,oL,。,U,oL,的理论值为,0.3 V,，最大值,U,oL(max,),=0.4 V,关门电平,U,OFF,保证输出为额定高电平时所允许输入低电平的最大值。,U,OFF,0.8V,。,开门电平电压,U,ON,保证输出为额定低电平时所允许的输人高电平的最小值。,U,ON,1.5,V,。,上一页,下一页,返回,阈值电压（门槛电压）,U,th,。,电压传输特性曲线上转折区中点所对应的输入电压值。,（输出电压发生跳变所对应的输入电压值）。,U,th,1.4 V,噪声容限。,输入信号上允许叠加的噪声电压值，称为噪声容限。,它是反映门电路抗干扰能力强弱的参数。,输入低电平噪声容限,U,NL,输入高电平噪声容限,U,NH,。,扇出系数价,N,0,。与非门正常工作时能驱动的同类门的个数。对于典型电路,N,0,8,。,上一页,下一页,返回,2.2.,3,其他功能的,TTL,门电路,1.,集电极开路与非门,(OC,门,),上一页,下一页,返回,下图,给出的,是集电极开路与非门。电路输出级三极管,T,4,的集电极是开路的，故名集电极开路门,(,Open Collector Gate,),简称,OC,门。,OC,门必须外接负载电阻,R,C,和电源,V,CC,才能正常工作。,OC,门的应用,返回,实现线与,电平转换,返回,驱动电路,2.,三态输出门,(,简称,TS,门,),上一页,下一页,返回,输出三态：高电平、低电平高阻状态,EN,为控制端,(,又称使能端,),EN=0,正常工作,EN=1,正常工作,工作原理,在图,(a),电路中，当,EN=0,，即,P=1,，,D,3,截止，电路处于工作状态，即,Y=ABP=AB,。,当,EN=1,时，即,P=0,，,T,2,、,T,4,截止，而导通的二极管,D,3,把,u,Q,钳位在小于或等于,1V,的电平上，使,T,3,、,D,不能导通，因此输出端,Y,对电源,V,CC,、对地都是断开的，呈现为高阻抗状态，并记为：,Y=Z,。,可见,图,(a),电路的输出端有三种状态：高电平、低电平、高阻抗。,图,(b),电路是高电平使能的电路，即当使能控制端为高电平时电路处于工作状态，,Y=AB,，为低电平时电路被禁止，,Y=Z,。,三态门的应用,返回,单向总线,EN,1,EN,1,EN,1,G,1,G,2,G,n,A,1,A,2,A,n,数据总线,0,1,1,1,0,1,1,1,0,注意：,任何时刻，只允许一个三态门使能，,其余为高阻态。,三态门的应用,用做多路开关,Y,A,1,1,EN,1,EN,A,2,1,G,1,G,2,使能端,1,0,禁止,使能,0,1,使能,禁止,在,右,图中两个三态输出反相器是并联起来的，,EN,是整个电路的使能端。当,EN,=O,时,G,1,使能、,G,2,禁止,Y=A,1,；当,EN,=1,时,G,1,禁止、,G,2,使能，,Y,A2,。,G,1,、,G,2,构成两个开关，可以根据需要将,A,1,或,A,2,反相后送到输出端。,用于信号双向传输,A,1,1,EN,1,EN,A,2,1,G,1,G,2,0,1,禁止,使能,1,0,使能,禁止,在图中两个三态输出反相器反并联起来构成双向开关，当,EN,=O,时,信号向右传送，,A,2,A,1,；当,EN,=1,时，,信号向左传送，,A,1,A,2,。,2.2.3 TTL,集成逻辑门电路系列,上一页,下一页,返回,1.CT54,系列和,CT74,系列,2.TTL,集成逻辑门电路的子系列及比较,CT74,标准系列 ,CT74H,高速系列。,CT74L低功耗系列,CT74S肖特基系列,CT74LS低功耗肖特基系列,CT74AS,先进肖特基,CT74ALS先进低功耗肖特基系列。,上一页,下一页,返回,2.2.4 TTL,集成逻辑门电路的使用规则,1.,电源应尽量消除干扰。,（,1,）电源电压范围为,5,V,10%,，,有的要求,5,V,5%,。,（,2,）电源入口处应接,2050,F,的滤波电容以滤除纹波电压。,（,3,）在芯片的电源引脚处接,0.010.1,F,的滤波电容过滤高频干扰。,（,4,）逻辑电路和其他强电回路应分别接地。,2.,输出端的连接,TTL,门电路的输出端不允许直接并联使用。输出端不允许直接接电源,V,CC,或直接接地。,3.,闲置,(,多余,),输入端的处理,TTL,集成门电路使用时，对于闲置,(,不用的,),输入端一般不悬空。,(1),与门、与非门的闲置输入端，可直接接电源或通过,1,10 k,的电阻接电源,V,CC,。,(2),如果前级驱动能力允许,可将闲置输入端与有用端并联使用。,(3),或门、或非门不使用的闲置输入端应接地，或通过较小电阻,(1k,以下,),接地。,(4),对与或非门中整个不用的与门，至少应有一个输入端接地。,上一页,下一页,返回,2.3 CMOS,集成逻辑门电路,MOS,集成逻辑门是采用单极型场效应三极管,(MOS,管,),作为开关元件的数字集成电路。,MOS,门电路有,PMOS,NMOS,和,CMOS,这,3种类型。,优点：是静态功耗低,抗干扰能力强,工作稳定性好,下一页,返回,2.3.1 CMOS,反相器,1.MOS,管的开关特性,(1)NMOS,管的开关特性。,开启电压用,U,GS,（,th,),表示，为正值。当栅极和源极之间的电压,U,GS,U,GS,（,th,),时，,NMOS,管导通，相当于开关接通,;,当,u,GSN,IU,GS,(th),I,时，,PMOS,管导通，相当于开关接通,;,当,Iu,GSP,I,IU,GS,(th),I,时，,PMOS,管截止，相当于开关断开。,上一页,下一页,返回,(2)PMOS,管的开关特性,(1),电路组成,(2),工作原理,输入为低电平：,u,IU,IL,=0,，,T,N,管截止、,T,P,管导通；,输出电压,u,O,=U,OH,V,DD,。,输入为高电平：,U,I,=U,IH,=V,DD,T,N,管导通，,T,P,管截止，,输出电压,u,O,=U,OL,0V,。,上一页,下一页,返回,2.CMOS,反相器,2.3.2,其他功能的,CMOS,门电路,1.CMOS,传偷门,(TG,门,),(1),电路结构,上一页,下一页,返回,控制电压,C,接高电平,V,DD,接低电平,0 V,时，,T,N,导通，,T,P,导通，输出,u,O,=,u,I,，,传输门开通,(2),工作原理,CMOS,模拟开关,返回,2.CMOS,漏极开路与非门,(OD,门,),上一页,下一页,返回,2.3.3 CMOS,数字集成电路系列及特点,1.CMOS,数字集成电路系列,(1)CMOS4000,系列。,工作电源电压范围为,318 V,具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点。缺点是工作速度较低，且工作频率低，因此,CMOS4000,系列的使用受到一定限制。,(2),高速,CMOS,电路,(HCMOS),系列。该系列电路大大提高了工作速度，平均传输延迟时间小于,10 ns,，最高工作频率可达,50 MHz,。,高速,CMOS,电路主要有,54,系列和,74,系列两大类,上一页,下一页,返回,2.CMOS4000,系列和,HCMOS,系列的比较,上一页,下一页,返回,3.CMOS,数字集成电路的特点,(1),功耗低。,(2),电源电压范围宽。,(3),噪声容限大。,(4),逻辑摆幅大,(5),输入阻抗高。,(6),扇出系数大。,上一页,下一页,返回,2.3.4 CMOS,集成逻辑门电路的使用规则,1.,电源电压,电源电压极性不可接反，不能超过极限值。,2.,输入电路的静电保护,3.,闲置输入端的处理,(1),输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，故闲置输入端不能悬空。,(2),与门和与非门，闲置输入端应接正电源或高电平,;,或门和或非门，闲置输入端应接地或低电平。,(3),闲置输入端一般不宜与使用输入端并联使用，但在工作速度要求不高的情况下，允许输入端并联使用。,上一页,下一页,返回,4.,输出端的连接,(1),输出端不允许直接与电源或地相连。,(2),为提高电路的驱动能力，可将同一集成芯片上相同门电路的输入端、输出端并联使用。,(3),当,CMOS,电路输出端接大容量的负载电容时，流过管子的电流很大，有可能使管子损坏。因此，需在输出端和电容之间串接一个限流电阻，以保证流过管子的电流不超过允许量。,上一页,返回,2.4,集成逻辑门电路的应用,2.4.1 TTL,电路与,CMOS,电路的接口,接口电路，是指位于不同类型的逻辑电路之间或逻辑电路与外部电路之间，使两者有效连接、正常工作的中间电路。,下一页,返回,1.TTL,电路驱动,C