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第2章集成门电路授课计划教学内容教学小结一、授课计划1、教学目标1、掌握半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性;2、掌握基本TTL与非门电路的工作原理,了解TTL数字集成电路的电路特性及其性能参数;3、熟练掌握CMOS集成门电路的工作原理及其性能参数;4、熟悉几种常用的TTL与非门电路、CMOS集成门电路及其逻辑符号的表示方法。2、重点与难点1、重点:集成门电路外部特性及应用。2、难点:TTL、CMOS集成门电路芯片的分类与选用。3、学时分配:共6学时第1、2学时:半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性第3、4学时:TTL集成门电路第5、6学时:CMOS集成门电路二、教学内容2.1.1晶体二极管的开关特性二极管(就是一个PN结)具有单向导电性,理想二极管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有一些区别的,特别是在高频电路中,必须加以注意。(一)、二极管稳态开关特性二极管的伏安特性曲线2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性(第1、2学时)(二)、瞬态开关特性上页退出下页从图中可知:反向恢复时间是影响二极管开关特性的主要因素、正向恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的原因是电荷存储效应(外加正向电压时,非平衡少子的积累)2.1.2晶体三极管开关特性在数字电路中,三极管是作为开关使用的。三极管截止相当于开关断开;三极管饱和相当于开关闭合。一、稳态开关特性理想稳态开关特性:关态:输入低电平,三极管截止,C、E极间无电流。IC等于0,输出为VCC。开态:输入高电平,三极管导通,C、E极电压为零。IC等于VCC/RC,输出为0V。实际稳态开关特性:关态:基极接负电压,集电结、发射结均反偏,IC=ICBO输出约等于VCC。C、E之间无导通电流。上页下页退出开态:希望(即输出电压)接近于0V,应工作在饱和区,C、E结电压最小。二、瞬态开关特性当晶体三极管发生由截止到饱和,或由饱和到截止的状态翻转时,其工作特性称为瞬态特性。三、晶体三极管反相器反相器的作用是将输入信号极性求反,高电平变低电平,低电平变高电平。1工作原理当输入电压VI为低电平VL时,输出VO应为高电平VH;此时三极管应可靠截止。当输入电压为高电平时,输出应为低电平,此时三极管应可靠饱和。上页下页退出2反相器的带负载能力负载能力是指当负载发生变化时,输出电路能够保证其输出指标不变的能力。灌电流:流入反相器的负载电流,叫灌电流Ioi。产生灌电流的负载叫灌流负载。拉电流:流出反相器的负载电流,叫拉电流Iop。产生拉电流的负载叫拉流负载。负载能力可用保证反相器正常工作条件下的最大灌流IOIM和最大拉流IOPM表示。上页下页退出(1)带灌流负载的能力三极管饱和时的灌流负载Ic=IRC+IOI灌电流加大,IC加大,饱和深度减小,过大则退出饱和。因此应满足:IC=IRC+IOIIB即IOIMIB—VCC/RC三极管饱和程度越深,IOI加大使IC加大后,退出饱和的可能性越小,负载能力越强。还要满足:IC=IRC+IOIMICM以免损坏三极管。ICM为集电极最大额定电流。上页下页退出(2)带拉流负载的能力三极管饱和时拉流负载IOP=IRC-IC,IRC不变,IOP越大,IC越小,有利于饱和,负载能力强,IOPMVCC/RC三极管截止时拉流负载IRC=IDC1+IOP,IRC一定,IOP越大,IDC1越小,应保证钳位二极管的正向导通电流,使其起到钳位作用。其中:VCC-VC1VCC-VC1IRC=——————即:IOPM—————RCRC上页下页退出2.2分立元器件门电路2.2.1二极管与门和或门一、二极管与门电路二、二极管或门电路二极管可实现“与门”、“或门”,但不利于串联使用。与门串联使用高低电平升高,或门串联使用高低电平降低。上页下页退出二、MOS三极管非门TL是负载管,栅极接漏极,同为VDD,该管恒导通,且处于饱和区,因为:VGS—VGS(th)〈VDS当输入VI为低电平时,因小于开启电压,T0不导通,则V0=VDD—VGS(th)高当输入VI为高电平时,T0导通,输出低电平。2.2.2三极管非门一、晶体三极管非门退出下页上页2.3TTL集成门电路(第3、4学时)2.3.1TTL与非门TTL与非门电路图及逻辑符号。它是输入级、中间级和输出级三部分组成的。如图:上页下页退出一、工作原理(1)输入全部为高电平。当输入A、B、C均为高电平,即UIH=3.6V时,T1基极电位升高,使T1的集电结和T2、T5的发射结导通,T5由T2提供足够的基极电流而处于饱和状态,输出低电平:UO=UOL=UCE5≈0.3V(2)输入至少有一个为低电平。输出为高电平:UO=UOH≈Ucc-UBE3-UBE4=5-0.7-0.7=3.6V电路的输出与输入之间满足与非逻辑关系,二、TTL与非门的外特性与参数1.电压传输特性即:退出下页上页V0随Vi变化的规律AB段:截止区Vi0.6vT1饱和,T2、T5截止,T3、T4导通。V0=VHBC段:线性区VI=0.6~1.3VT5截止,其他导通,V0随VI增加线性下降。CD段:转折区VI1.3v以后,T5开始导通,V0加速下降。DE段:饱和区VI增大,T5饱和,T4截止,输出低电平。上页下页退出(1)输出逻辑高电平VOH:截止区对应的输出电平。输出逻辑低电平VOL:饱和区对应的输出电平。(2)额定逻辑高电平VSH=3v额定逻辑低电平VSL=0.35V(3)开门电平Von:在保证输出为VSL的条件下,允许输入高电平的最小值。一般Von1.8v(4)关门电平Voff:在保证输出为VSH的90%的条件下,允许输入低电平的最大值。一般Voff0.8v(5)阈值电平Vth转折区中点对应的输入电压(6)噪音容限UNL、UNH低电平噪声容限VNL=Voff–VIL,输出高电平可以得到保障.2.主要参数退出下页上页(7)输入漏电流IIH:当UIUth时,流经输入端的电流称为输入漏电流IIH,,,约为10μA(8)扇出系数NO:是指一个输出端,在保证输出低电平VOL不大于0.35v的条件下,能驱动同类门的最多个数。通常NO82.3.2TTL集电极开路门和三态门1.集电极开路门(OC门)可直接将几个逻辑门的输出端相连,实现输出“与“功能的方式称为线与。高电平噪声容限VNH=VIH–Von,输出低电平可以得到保障上页下页退出为使TTL门能线与,直接将T5的集电极引出即集电极开路(OC),由外电路提供RC电阻。如图OC门电路可以实现线与,高电压、大电流的驱动能力很强,但失去了推拉输出速度快的优点。使用OC门时,必须经外接电阻RL接通电源才能实现线与逻辑不是所有的输出端都可以实现线与,如图输出的门电路,如果输出线与,有可能因存在低阻回路而损坏电路。退出上页下页2.三态门(TSL门)三态:逻辑门的输出有高电平、低电平和高阻状态。电路组成是在TTL与非门的输入级多了一个控制器件D,如图E为控制端或称使能端。当E=1时,二极管D截止,TSL门与TTL门功能一样;当E=0时,T1处于正向工作状态,T2、T5截止,二级管D使T3基极电位钳制在1V左右,T4、T5都截止,输出端呈现高阻状态。下页上页退出2.3.3典型TTL与非门芯片介绍部分常用中小规模TTL门电路的型号及功能如表2.1。实际应用中,可根据电路需要选用不同的型号。表2.174系列门电路的型号及功能74LSXX系列是最常用的、延迟积较小的一种TTL门电路,性能价格也比较高。退出下页上页型号逻辑功能74LS00四2输入与非门74LS10三3输入与非门74LS20双4输入与非门74LS308输入与非门2.4CMOS数字集成电路(第5、6学时)2.4.1CMOS门电路1.与非门A、B两个输入端均为高电平时,T1、T2导通,T3、T4截止,输出为低电平。A、B两个输入端中只要有一个为低电平时,T1、T2中必有一个截止,T3、T4中必有一个导通,使输出为高电平。电路的逻辑关系为上页下页退出A、B两个输入端均为低电平时,T1、T2截止,T3、T4导通,输出Y为高电平;A、B两个输入中有一个为高电平时,T1、T2中必有一个导通,T3、T4中必有一个截止,输出为低电平。电路的逻辑关系为3.CMOS传输门2.或非门退出下页上页A、B两个输入端均为低电平时,T1、T2截止,T3、T4导通,输出Y为高电平;A、B两个输入中有一个为高电平时,T1、T2中必有一个导通,T3、T4中必有一个截止,输出为低电平。电路的逻辑关系为3.CMOS传输门2.或非门退出上页下页控制信号C=1传输门相当于接通的开关C=0传输门相当于断开的开关MOS管的结构是对称的,源极和漏极可以互换使用,CMOS传输门具有双向性,又称双向开关,用TG表示。4.CMOS三态门5.CMOS漏极开路门下页上页退出使用CMOS电路的注意事项:1、包装、焊接和测试时要防静电,烙铁要接地,触摸电路前,身体要放电。多余输入端不要悬空。2、有大电流输入可能时,输入端串联限流电阻。3、防止可控硅效应,提高电源质量,加去藕电容,加钳位二极管。4、多电源系统中,CMOS电路的电源先开后关。退出下页上页2.4.2CMOS电路与TTL电路的连接1.TTL电路驱动CMOS电路2.CMOS电路驱动TTL电路上页下页退出本章小结1.半导体二极管、三极管和MOS管,是数字电路中的基本开关元件。半导体二极管是不可控的;半导体三极管是用电流控制且具有放大特性的开关元件;MOS管是用电压进行控制的,也具有放大持性。2.目前普遍使用的数字集成电路基本上有两大类:一类是双极型数字集成电路,TTL、HTL、IL、ECT都属于此类电路;另一类是金属-氧化物-半导体(MOS)数字集成电路。3.在双极型数字集成电路中,TTL与非门电路在工业控制上应用广泛,是本章介绍的重点内容之一。4.在MOS数字集成电路中,CMOS电路是重点。由于MOS管具有功耗小,输入阻抗高、集成度高等优点,在数字系统中逐渐被广泛采用。课后作业2.2试判断图题2.2所示TTL电路能否按各图要求逻辑关系正常工作?若电路的接法有错,则修改电路。2.4图题2.4均为TTL门电路。(1)写出Y1、Y2、Y3、Y4的逻辑表达式。(2)若已知A、B、C的波形,分别画出Y1~Y4的波形。
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