数字电路基础_第2章_门电路

第2章门电路2.1概述2.2半导体二极管和三极管的开关特性2.3分立元件门电路2.4TTL门电路2.5CMOS门电路2.1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NMOSPMOSCMOS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。2.1概述一、正逻辑与负逻辑VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。VISVccVo2.1概述二、逻辑电平105V0V0.8V2V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UH：输入高电平UIH输出高电平UOH低电平UL：输入低电平UIL输出低电平UOL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。2.1概述一、二极管伏安特性2.2半导体二极管和三极管的开关特性0.50.7iD(mA)uD(V)硅PN结伏安特性UBR0门坎电压Uth反向击穿电压二极管的单向导电性：①外加正向电压（Uth），二极管导通，导通压降约为0.7V；②外加反向电压，二极管截止。uD(V)iD(mA)0.7V2.2.1半导体二极管的开关特性利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL－－－开关闭合uI二极管开关电路VccuoDR二、二极管开关特性2.2半导体二极管和三极管的开关特性假定：UIH=VCC，UIL=0当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH－－－开关断开2.2半导体二极管和三极管的开关特性一、双极型三极管结构2.2.2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2.2半导体二极管和三极管的开关特性二、双极型三极管输入特性00.50.7uBE(V)输入特性曲线iB(μA)biC硅料NPN型三极管ceiB双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流iB控制c,e间的电流iC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。2.2半导体二极管和三极管的开关特性三、双极型三极管输出特性biC硅料NPN型三极管ceiB截止区iB=0mAA放大区ic(mA)饱和区uce(V)uces0放大区：发射结正偏，集电结反偏；ubeuT，ubc0；起放大作用。截止区：发射结、集电极均反偏，ubc0V，ube0V；一般地，ube0.7V时，ib0V，ic0V；即认为三极管截止。饱和区：发射结、集电极均正偏；ubeVT，ubcVT；深度饱和状态下，饱和压降UCEs约为0.2V。2.2半导体二极管和三极管的开关特性四、双极型三极管开关特性uiiBeRbb+VCCiCuo三极管开关电路Rcc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uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH－开关断开假定：UIH=VCC，UIL=0当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=USEs=UOL－开关闭合MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。2.2半导体二极管和三极管的开关特性一、MOS管结构2.2.3MOS管的开关特性NMOS管电路符号PMOS管电路符号bNPN型三极管ce2.2半导体二极管和三极管的开关特性二、MOS管开关特性NMOS管的基本开关电路GSiDDRD+VDDuiuo当uI=UIL时，MOS管截止，uO=VDD=UOH－开关断开当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL－开关闭合选择合适的电路参数，则可以保证2.3分立元件门电路一、二极管与门+VCC(+5V)RYVD1AVD2BABY&uAuBuYVD1VD20V0V0V5V5V0V5V5V0.7V0.7V0.7V5V导通导通导通截止截止导通截止截止ABY000110110001Y=AB2.3分立元件门电路二、二极管或门AVD1BVD2YRABY≥1uAuBuYVD1VD20V0V0V5V5V0V5V5V0V4.3V4.3V4.3V截止截止截止导通导通截止导通导通ABY000110110111Y=A+B2.3分立元件门电路三、三极管非门uiiBeRbb+VCCiCuo三极管开关电路RccA(V)Y(V)0.8250.2输入为低，输出为高；输入为高，输出为低。AY0110AY1AY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。AR14kWT1T2T4T5R4R31KW130W+VccR21.6KWYD1D2输入级中间级输出级2.4TTL门电路TTL非门典型电路一、74系列门电路bT1等效电路ceA(V)Y(V)0.23.43.60.2AY0110AY推拉式输出级作用：降低功耗，提高带负载能力2.4TTL门电路b多发射极等效电路ce2e1TTL与非门典型电路区别：T1改为多发射极三极管。uA(V)uB(V)uY(V)0.20.20.23.43.40.23.43.43.63.63.60.2ABY000110111110ABY2.4TTL门电路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。uA(V)uB(V)uY(V)0.20.20.23.43.40.23.43.43.60.20.20.2ABY000110111000BAY2.4TTL门电路二、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Ube限制在0.3V左右，从而缩短存储时间，提高了开关速度。iDibiSBD(a)(b)抗饱和三极管2.4TTL门电路三、TTL系列门电路①74：标准系列；②74H：高速系列；③74S：肖特基系列；④74LS：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。⑤74AS：先进肖特基系列；④74ALS：先进低功耗肖特基系列。2.4TTL门电路14131211109874LS0012345674与非门74LS00的引脚排列图VCC3A3B3Y4A4B4Y1A1B1Y2A2B2YGND14131211109874LS0412345676反相器74LS04的引脚排列图VCC4A4Y5A5Y6A6Y1A1Y2A2Y3A3YGND14131211109874LS0212345674或非门74LS04的引脚排列图VCC3Y3B3A4Y4B4A1Y1B1A2Y2B2AGND74LS系列常用芯片与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B≥11或门AB≥1YY=A+B=A+B异或门YAB&≥1≥1BABABABABABABABABAY))(()(AB=1Y2.4TTL门电路2.4TTL门电路四、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UIL，max＝0.8V高电平输入电压UIH，min＝2V低电平输出电压UOL，max＝0.5V高电平输出电压UOH，min＝2.7V74LS系列门电路标准规定：2.4TTL门电路实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI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UNH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UNL表示：UNL=UIL,max－UILUNH=UIH－UIH,min1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO2.4TTL门电路输入低电平噪声容限：UNL=UIL,max－UOL,max输入高电平噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：UNL=0.8V－0.5V=0.3VUNH=2.7V－2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V2.4TTL门电路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IOH和IOL均大于或等于N个后级门的输入电流的总和。计算：①输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N1；②输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N2；③扇出系数＝min（N1，N2）。低电平输入电流IIL，max＝-0.4mA高电平输入电流IIH，max＝20µA低电平输出电流IOL，max＝8mA高电平输出电流IOH，max＝-0.4mA74LS系列门电路标准规定：2.4TTL门电路例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类门电路。解：①G1输出为低电平时，可以驱动N1个同类门；应满足IOL≥N1·|IIL|②G1输出为高电平时，可以驱动N2个同类门；③N＝min（N1,N2）＝20N1≤IOL/|IIL|＝8mA/0.4mA＝20应满足|IOH|≥N2·IIHN2≤|IOH|/IIH＝0.4mA/20µA＝202.4TTL门电路五、集电极开路的门电路（OC门）Y&AB&CD&CDABYY&AB&CD“线与”推拉式输出级并联1.“线与”的概念2.4TTL门电路普通的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极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2.4TTL门电路3.OC门的“线与”功能CDABYYY212.4TTL门电路①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UOH，min值，上拉电阻不能过大，其最大值计算公式：HIOHminOHCCUmInIUVR，(max)4.外接上拉电阻RU的计算方法2.4TTL门电路②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IOL，max值，RU值不可太小，其最小值计算公式：ILmaxOLmaxOLCCUImIUVR，，(min))((min)maxUUURRR2.4TTL门电路5.OC门的应用①实现线与。可以简化电路，节省器件。②实现电平转换。如图所示，可使输出高电平变为10V。③用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。+10V&OV+5V&270Ω2.4TTL门电路六、三态输出门电路（TS门）国标符号T4AR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCC(+5V)T5R2750ΩR3360ΩR53kΩAEN1ENYEND三态输出非门（高电平有效）电路结构