《L门电路》PPT课件.ppt

1 第三节 TTL门电路 TTL反相器的电路结构和工作原理 TTL反相器的静态输入、输出特性 TTL反相器的动态特性 其他类型的 TTL门电路 TTL门电路的改进系列 半导体三极管的开关特性 下页 总目录 推出 2 下页 返回 上页 vBE VON 时三极管导通 vBE VON 时三极管截止 1. 三极管的输入特性 vBE + - iB O U BE/V iB/A 实际特性 理想特性 VON 一、半导体三极管的开关特性 3 下页 返回 上页 饱和区： UCE很小 深度饱和时在 0.3V 以下 iC/mA O u CE/V iB=80A 60 40 20 0 2. 三极管的输出特性 放大区 截止区： iC几乎为零 ICEO通常在 1A以下 放大区： iC随 iB成正比地变化 几乎不受 vCE变化的影响 vce + - ic vBE + - iB 4 下页 返回 上页 若参数选择合理 三极管截止时相当于开关断开，输出高电平； 三极管导通时相当于开关闭合，输出低电平。 3. 三极管的基本开关电路 vO + - iC RC RB vI + - VCC 5 下页 返回 上页 4. 三极管的开关等效电路 e b c 截止状态 e b c 饱和状态 CE 0V C 0I 相当于开关断开。 相当于开关闭和。 6 下页 返回 上页 YA I IHVV I ILVV T深度饱和 O OLVV T截止 O OHVV 逻辑符号 为保证在输入低电平时 , 三极管可靠截止， 接入了电阻 R2和负电源 VEE。 5. 三极管反相器 三极管非门（反相器） -VEE Vcc RC R1 Y （ vo） T R2 A （ vI） A Y 仿真 7 下页 返回 上页 例 3.3.1 : 下图所示反相器中， VCC= 5V， VEE = -8V， RC =1k， R1 =3.3k， R2 =10k， 三极管的 =20， 饱和压降 UCES =0.1V， VIH =5V， VIL =0V， （ 1）计算输入高、低电平时对应的输出电平； （ 2）说明电路参数的设计是否合理。 -VEE Vcc RC R1 Y （ vo） T R2 A （ vI） 8 下页 返回 上页 解： I E E I B I 1 I 12 8 3 . 3 1 3 . 3 v V v VV v R v RR 12B 12 3 .3 1 0 k 2 .5 k 3 .3 1 0 RRR RR 三极管非门电路的化简 vI R1 R2 b e VEE + - RB + - VB b e 9 下页 返回 上页 B 8( 0 3. 3 ) V 2. 0 V 13 .3V I I L 0VvV 当 时 加在发射结上的是反向电压，三极管截止。 C O CC 0 5V i vV I BI 8V 3 .3 1 3 .3 vVv RB + - VB b e 10 返回 上页 B 58( 5 3 .3 ) V 1 .8 V 1 3 .3V B BSiI 三极管处于深度饱和状态。 B B E B 3 B 1 .8 0 .7 A 0 .4 4 m A 2 .5 1 0 VVi R I I H 5VvV当 时 O C E( S a t) 0vV IBI 8V 3 .3 1 3 .3 vVv C C C E ( Sa t) BS 3 C 5 0 . 1 A 0 . 2 5 m A 2 0 1 1 0 VVI R 可知电路参数设计合理 11 设： 电源电压 VCC = 5V 输入高电平 VIH = 3.4V 输入低电平 VIL = 0.2V 开启电压 VON = 0.7V 1.电路结构 起保护 作用 反相器是 TTL电路中电路结构最简单的一种。 因电路输入端和输出端均为三极管结构，所以称为三极管 -三极管逻辑电路，简称 TTL电路。 下页 上页 返回 TTL反相器的典型电路 CCV 1R 2R Y A 4T 5T 2T1T 2D 1D 4R 3R I()v O()v 4k 1.6k 1k 130 B1v 2Cv 2Ev 输入级 倒相级 输出级 二、 TTL反相吕的电路结构和工作原理 12 下页 返回 上页 vI = VIL = 0.2V时 vB1 = VIL + VON = 0.9V T2、 T5截止 , T4、 D2导通 , 输出为 高电平 。 工作原理 T1工作在深度饱和状态， TTL反相器的典型电路 CCV 1R 2R Y A 4T 5T 2T1T 2D 1D 4R 3R I()v O()v 4k 1.6k 1k 130 B1v 2Cv 2Ev 输入级 倒相级 输出级 13 下页 返回 上页 vI = VIH = 3.4V时 vB1 = VIH + VON = 4.1V T2、 T5导通， vB1被钳位在 2.1V， T4、 D2截止， T5饱和，输出为 低电平。 输入输出之间是反相关系，即 YA TTL反相器的典型电路 CCV 1R 2R Y A 4T 5T 2T1T 2D 1D 4R 3R I()v O()v 4k 1.6k 1k 130 B1v 2Cv 2Ev 输入级 倒相级 输出级 14 AB段 : 截止区， T2、 T5截止， T4导通。 BC段：线性区， T2导通、 T5截止。 CD段：转折区， T2、 T5同时导通。 DE段 : 饱和区 , vi 继续升高时 vo 不再变化。 VTH称为 阈值电压 或 门槛电压 ，约 1.4V。 2. 电压传输特性 下页 上页 返回 THV 0 A B C D E 3.0 2.0 1.0 0.5 1.0 1.5 vO/V vI/V 15 下页 上页 3.输入躁声容限 定义： 在保证输出高、低电平基本不变 （或者说变化的大小不超过允许限度）的条件下， 输入电平的允许波动范围， 称为 输入噪声容限 。 返回 16 下页 上页 输入为高电平时的噪声容限为： 输入为低电平时的噪声容限为： ( m i n ) ( m i n )N H O H I HV V V ( m a x ) ( m a x )N L I L O LV V V VNH VIH（ min） VIL（ max） VNL vo vi 返回 VOH（ min） VOL（ max） 0输出 1输出 0输入 1输入 vo vi 17 下页 上页 74系列门电路的标准参数为 O H ( m in ) O L ( m a x )2 .4 V , 0 .4 VVV 可得 N H N L0 .4 V , 0 .4 VVV 返回 I H ( m in ) I L ( m a x )2 . 0 V , 0 . 8 VVV 18 下页 上页 输入低电平电流为： 1 1C C BE 1 I LIL mAV v VI R 三、 TTL反相器的静态输入、输出特性 当 5 , 0 . 2C C I I LVVV v V 时 当 IH 3 . 4I VvV 时 T1处于倒置状态 40IH AI 1.输入特性 返回 CCV 1R 4k 1T 1D Iv Ii 2be 5be TTL反相器的输入 端等效电路 19 TTL反相器的输入特性曲线 -1.0 -0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 vI/V iI/mA 40 A TTL反相器的输入特性 下页 上页 返回 CCV 1R 4k 1T 1D Iv Ii 2be 5be TTL反相器的输入 端等效电路 20 拉电流 负载 受功耗的限制， 74系列规定 iL不能超过 0.4mA。 2. 输出特性 (1)高电平输出特性 -15 -10 -5 0 3.0 2.0 1.0 vOH/V iL/mA TTL反相器高电平输出特性 下页 上页 返回 R4 T4 D2 VCC R 2 RL vO iL 1.6k 130 TTL反相器高电平输出等效电路 21 下页 上页 （ 2）低电平输出特性 带灌电流负载能力 IOL可达 16mA。 灌电流 负载 返回 TTL反相器低电平输出 等效电路 CCV 3R LR 5T Ov Li TTL反相器低电平输出特性 L /mAi 10 5 1.0 2.0 0 15 vOH/V 22 下页 上页 例 3.3.2 计算门 G1最多可驱动多少个同样的门电路负载。 1 ILN i i 2 I H LN I i G1最多可驱动 10个同样的门电路负载， 这个数值叫做门电路的 扇出系数。 解： 1 16 16 1 L I iN i 0 .4 10 0 .0 4 L 2 IH iN I 返回 N 3G 1G 2G 4G Ov 23 若 RP较小，相当于输入一个低电平信号。 若 RP较大，相当于输入一个高电平信号。 3. 输入端负载特性 TTL反相器输入端负载特性 I/Vv P/kR 2.0 1.0 1.0 2.0 0 3.0 下页 上页 返回 VCC R1 be2 be5 vI T 1 4k RP TTL反相器输入端经电 阻接地时的等效电路 24 下页 上页 例 3.3.3 为保证门 G1输出的高、低电平能正确地传 送到门 G2的输入端，要求 vo1=VOH时 vI2VIH(min), vO1=VOL时 vI2 VIL(max)，试计算 Rp的最大允许值是多 少。已知 G1 、 G2均为 74系列反相器。 OH I H P I H ( min )V I R V 解： vo1=VOH ， vI2VIH(min)时 3 3 .4 2 .0 35 0 .0 4 1 0P kR O H I H ( m in ) P IH VV R I 返回 例 3.3.3的电路 1G 2G 1Ov 2Iv Rp 25 下页 上页 0 .8 0 .2 4 0 .6 9 5 0 .7 0 .8 P kkR 1 IL( m ax ) OLP C C B E 1 IL( m ax ) VVR R V v V vO1=VOL ， Vi2 VIL(max)时 0 . 6 9P kR 应取 1 IL( m ax ) OL P C C B E 1 IL( m ax ) VV RR V v V 返回 ILv VOL VCC R1 be2 be5 T1 4k RP 26 下页 上页 四、 TTL反相器的动态特性 返回 1. 传输延迟时间 在 TTL 电路中，由于二极管和三极管从导通变为截止或从截 止变为导通都需要一定的时间， 且有二极管、三极管以及电阻、连接线等的寄生电容存在， 所以把理想的矩形电压信号加到 TTL反相器的输入端时， 输出电压的波形不仅要比输入信号滞后， 而且波形的上升沿和下降沿也将变坏。 把输出电压波形滞后于输入电压波形的时间， 叫做 传输延迟时间。 通过实验方法测定传输延迟时间的数值。 27 下页 上页 2.交流噪声容限 将输出高电平降至 2.0V时输入正脉冲的幅度， 定义为 正脉冲噪声容限。 将输出低电平上升至 0.8V时输入负脉冲的幅度， 定义为 负脉冲噪声容限。 当输入脉冲的宽度达到微秒数量级时， 应将输入信号按直流信号处理。 返回 28 下页 上页 3. 电源的动态尖峰电流 输出由低电平突然转变为高电平的过渡过程中， 出现短时间内 T4和 T5同时导通的状态， 有很大的瞬时电流流经 T4和 T5 ， 使电源电流出现 尖峰脉冲。 返回 29 下页 上页 1. 增加了电源的平均电流。 计算系统电源容量时需注意。 2. 系统中有许多门电路同时转换工作状态时， 形成一个系统内部的噪声源。 系统设计时应将噪声抑制在允许的限度内。 尖峰电流带来的影响： 返回 30 下页 上页 五、其他类型的 TTL门电路 （ 1）与非门 ()Y A B 1. 其他逻辑功能的门电路 返回 多发射极三极管可看作两个 发射极独立而基极和集电极 分别并联在一起的三极管。 把两个输入端并联使用时，低电平输入电流和反相器相同。 输入接高电平时，输入端分别为两倒置三极管的等效集电极， 总的输入电流为单个输入端的高电平输入电流的两倍。 Y CCV A B 1T 2T 4T 5T 1D 2D 3D 1R 2R 3R 4R 4k 1.6k 130 1k TTL与非门电路 仿真 31 下页 上页 （ 2）或非门 ()Y A B 返回 Y CCV A B 1T 2T 4T 5T 1R 3R 4R2 R 1R 1T 2T TTL或非门电路 仿真 32 下页 上页 （ 3）与 -或非门 ()Y A B C D 返回 TTL与 -或非门 Y CCV A B 1T 2T 4T 5T 1R 3R 4R2 R 1R 1T 2TC D 33 下页 上页 （ 4）异或门 Y A B A B 返回 CCV 8T 9T Y 7T6T 5T4T 1T 2T 3T A B TTL异或门 34 推拉式输出电路结构使用时有一定的局限性： a) 不能把它们的输出端并联使用。 b) 在采用推拉式输出级的门电路中， 电源一经确定，输出的高电平也就固定了， 因而无法满足对不同输出高低电平的需要。 c) 推拉式电路结构也不能满足驱动较大电流、 较高电压的负载的要求。 2. 集电极开路的门电路（ OC门） 下页 上页 返回 35 下页 上页 为克服上述局限性， 输出级改为集电极开路的三极管结构。 工作时需外接负 载电阻和电源 返回 CCV LR 集电极开路与非门 1R 2T 2R 3R YB A CCV 5T 1T YB A 图形符号 36 下页 上页 21 YYY 线 与 OC门输出并联的接法及逻辑图 ( ) ( )A B C D ()A B C D 返回 CCV LR Y 1R 2T 2R 3R 1Y B A CCV 5T 1T 1R 2T 2R 3R 2Y D C CCV 5T 1T D C B A Y 2G 1G LR CCV 37 所有 OC门同时截止时， 输出为高电平。 为保证高电平不低于 规定的 VOH值， RL取 值应满足： C C O H L( ma x ) O H I H VVR nI m I 外接负载电阻 RL的计算 下页 上页 返回 ILV LR CCV n m ILV ILV 计算 OC门负载电阻最大值的工作状态 38 当 OC门中只有一个导通时，负载电流全部都流入那个导通 的 OC门， RL值不可能太小，以确保流入导通 OC门的电流 不至超过最大的负载电流 ILM 。 C C O L L ( mi n ) L M I L VVR I m I 下页 上页 返回 ILV LR CCV ILV ILV 计算 OC门负载电阻最小值的工作状态 m 39 下页 上页 例 3.3.4 为电阻 RL选定合适的阻值。 G1、 G2为 OC门， IOH = 200A， ILM = 16mA G3、 G4 和 G5为 74系列， IIL=200mA， IIH= 40A 要求 OC门输出的 VOH 3.0V， VOL 0.4V。 返回 n 1G 3G 4G 5G Y A B C D 例 3.3.4的电路 2G LR CCV 40 下页 上页 C C O H L( ma x ) O H I H VVR nI m I C C O L L ( min) L M I L VVR I m I 选定的 RL值应在 2.63k 与 0.35 k 之间。 解： 1L kR 53 2 . 6 3 2 0 . 2 9 0 . 0 4 kk 5 0 .4 0 .3 5 1 6 3 1 kk 返回 41 下页 上页 （ 1）控制端高电平有效 3. 三态输出门电路（ TS）门 EN=1时 ()Y A B EN=0时， 输出呈高阻态。 控制 端 返回 CCV 4T B A Y 1T 2T 5T D P EN Y A B EN 图形符号 42 下页 上页 EN=0时 EN=1时， 输出呈高阻态。 （ 2）控制端低电平有效 返回 ()Y A B CCV 4T B A Y 1T 2T 5T D P ()EN Y A B EN 图形符号 43 下页 上页 返回 六、 TTL电路的改进系列 1. 74H系列 74H系列又称高速系列。 为了提高电路的开关速度， 减小传输延迟时间， 电路采取了两项改进措施。 一是在输出级采用了达林顿结构， 二是将所有电阻的阻值普遍降低了一倍。 减小电阻阻值带来的不利影响是增加了电路的静态功耗。 CCV Y A B 1T 2T 4T 5T 1D 2D 1R 2R 3R 4R K8.2 760 58 470 74H系列与非门 (74H00) 5R 4k 3T 44 下页 上页 返回 2. 74S系列 74S系列又称肖特基系列。 在 74S系列的门电路中， 采用了抗饱和三极管（或称为肖特基三极管）。 抗饱和三极管是由普通的双极型三极管和 肖特基势垒二极管组合而成的。 肖特基二极管是由金属和半导体接触而形成的。 b e c e c b 45 下页 上页 返回 电路结构的另一个特点是 : 为 T5管提供了一个有源泄放电路， 减少了 T5的基极电流，也就减轻了 T5的饱和程度， 有利于加快 T5从导通变为截止的过程。 有源泄放回路的存在缩短了门电路的传输延迟时间。 还改善了门电路的电压传输特性。 电路的缺点： 电路的功耗加大了。 输出低电平升高了。 46 下页 上页 返回 3. 74LS系列 性能比较理想的门电路应该工作速度既快，功耗又小。 只有用传输延迟时间和功耗的乘积（延迟 -功耗积）， 才能全面评价门电路性能的优劣。 延迟 -功耗积越小，电路的综合性能越好。 为了得到更小的延迟 -功耗积， 在兼顾功耗与速度两方面的基础上， 进一步开发了 74LS系列（称为低功耗肖特基系列）。 47 下页 上页 返回 4. 74AS和 74ALS系列 74AS系列是为了进一步缩短传输延迟时间。 它的电路结构和 74LS系列相似， 但是电路中采用了很低的电阻阻值， 从而提高了工作速度，但功耗较大。 74ALS系列是为了获得更小的延迟 -功耗积， 它的延迟 -功耗积是 TTL电路所有系列中最小的。 48 返回 5. 54、 54H、 54S、 54LS系列 54系列的 TTL电路和 74系列电路， 具有完全相同的电路结构和电器性能参数。 所不同的是 54系列比 74系列的工作温度范围更宽， 电源允许的工作范围也更大。 74系列的工作环境温度规定为 070 ， 电源电压工作范围为 5V 5%； 54系列的工作环境温度为 -55+125 ， 电源电压工作范围为 5V 10%。 下页 上页