数字集成电路及其应用讲稿课件

三、数字集成电路三、数字集成电路四、数字集成电路的四、数字集成电路的应用应用课标内容1、了解晶体三极管的开关特性及其在数字电路中的应用2、知道常见的数字集成电路的类型，并能用数字集成电路安装简单的实用电路装置3、能够对数字电路进行简单的组合设计和制作第三节数字集成电路n教学要求n1、了解晶体三极管的开关特性及其在数字电路中的应用n2、知道常用数字集成电路类型n说明：场效应管不作要求。对于有基础的学生，学会分析简单的三极管开关电路（1）晶体三级管的开关特性及其在数字电路中的应用（2）常用数字集成电路类型aa考试标准考试标准 3第四节数字电路的应用#n教学要求n1、会对简单的组合逻辑电路进行分析和组装，并进行测试n2、认识基本触发器的组成特征，了解基本触发器及其在电子控制系统中的作用n说明：常用基本触发器不作要求。有条件的学校可对简单组合数字电路的设计进行教学（1）简单的组合逻辑电路的分析、制作和测试（2）基本触发器的组成特征及作用Ca考试标准考试标准 n高电平:就是与低电平相对的高电压，是电工程上的一种说法。n在电子电路中，我们通常是以电路中的地(逻辑地或者实际地）的基础0V为准的，那么高于0V的就可以称为高电平，低于0V的就可以称为低电平。n在数字逻辑电路中，低电平表示0，高电平表示1。一般规定低电平为00.25V，高电平为3.55V。n高低电平的划分：对于TTL来说高电平是:2.4V-5.0V，低电平是:0.0V-0.8V；对于CMOS来说高电平是:3-5.0v低电平是:0.0-2v非门开关模型n在右图所示用电阻和开关构成的电路中，开关闭合时，开关所呈现的电阻为0，使得开关两端的电压也就是输出电压为0，输出低电平。反之，若开关断开，因为电阻R上没有电流流过，R上的电压等于电源电压，即输出高电平。三极管开关特性三极管开关特性1.可看成电路2.可看成电路0n试验目的：观察晶体三极管的开关特性n试验准备：晶体三极管3DK4C1只，10k、2.2k电阻各1只，3v（5）v电源1只，多用电表1只。n试验过程：在电路试验板上按左图搭接电路，并在下列各空格处填入试验结果。（1）将输入端接地，用多用电表测量电阻Rc两端的电压Ur=V，此时晶体三极管集电极的电流Ice=（填“很大”或者“很小”），三极管处于（填“导通”或“截止”）状态；三极管集电极c与发射极e之间的电压Uce=V,属于（填“高”或“低”）电平。（2）将输入端接3V电压，用多用电表测量电阻Rc两端的电压Ur=V，此时晶体三极管集电极的电流Ice=（填“很大”或者“很小”），三极管处于（填“导通”或“截止”）状态；三极管集电极c与发射极e之间的电压Uce=V,属于（填“高”或“低”）电平。很小很小截止截止3高高2.8很大很大导通导通0.2低低截止时，相当于开关截止时，相当于开关“断开断开”；等效电路：；等效电路：饱和时，相当于开关饱和时，相当于开关“闭合闭合”。等效电路：。等效电路：结论：三极管相当于一个由基极电流结论：三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关。控制的无触点开关。三、数字集成电路晶体三极管的开关特性http:/ NPN PNP三极管反相器电路 Vin无输入电位Q1截止。Vin高电平时Q1导通，Q2基极得高电位，Q2截止。图2 两只NPN三极管反相器电路 vin无输入电位Q1截止,Q2导通。Vin接入高电平Q1导通，促使Q2基极电位下级,Q2截止。图3 PNP三极管开关电路 当输入端悬空时Q1截止。VIN输入端接入低电平时，Q1导通，继电器吸合。图4 PNP三极管开关电路 当vin无输入电位时Q1截止。Vin接入高电平Q1导通，继电器吸合。图5 三极管上拉电阻：当有高电位输入时Q导通，因E-C导通，又因有负载电阻，所以输出看作是低电平。图6 三极管下拉电阻：当有高电位输入时Q导通，因E-C导通，又因有负载电阻，所以输出看作是高电平。数字集成电路的分类数字集成电路的分类 CMOS和和TTL集成电路是生产数量最多、应用集成电路是生产数量最多、应用 最广泛、通用性最强的两大主流数字集成电路。最广泛、通用性最强的两大主流数字集成电路。数字集成电路的分类与特性数字集成电路的分类与特性 数字集成电路的种类繁多，在实际应用中，广数字集成电路的种类繁多，在实际应用中，广泛使用的是泛使用的是双极型双极型（如（如TTL、HTL、DTL、ECL）等和等和单极型单极型（如（如CMOS、PMOS、NMOS）等集成）等集成电路。电路。1.TTL数字集成电路数字集成电路（1）74系列系列（2）74H系列系列（3）74S系列系列（4）74LS系列系列（5）74ALS系列系列（6）74AS系列系列（7）74F系列系列 TTL是晶体管输入是晶体管输入-晶体管输出的逻辑电路，它晶体管输出的逻辑电路，它由由NPN或或PNP型晶体管组成。型晶体管组成。14VCC131211986A76543216Y 5A 5Y 4A 4Y1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND11111174LS041074LS0074LS04、74LS00、74LS20 管脚排列图管脚排列图2.CMOS数字集成电路数字集成电路（1）标准型）标准型4000B/4500B系列系列（2）74HC系列系列（3）74AC系列系列 电压范围宽（电压范围宽（318V）、功耗小、速度较低、品种）、功耗小、速度较低、品种多、价格低廉多、价格低廉。是高速是高速CMOS标准逻辑电路系列，在保持低功耗的标准逻辑电路系列，在保持低功耗的前提下，具有与前提下，具有与74LS系列同等的工作速度。系列同等的工作速度。具有与具有与74AS系列同等的工作速度和系列同等的工作速度和CMOS集成电路集成电路固有的低功耗及电源电压宽等特点。固有的低功耗及电源电压宽等特点。CMOS数字集成电路是由数字集成电路是由P沟道增强型沟道增强型MOS管和管和N沟沟道增强型道增强型MOS管，按照互补对称形式连接起来的。管，按照互补对称形式连接起来的。1.TTL电路的一般特性电路的一般特性数字集成电路的一般特性数字集成电路的一般特性（1）电源电压范围）电源电压范围（2）频率特性）频率特性（3）TTL电路的电压输出特性电路的电压输出特性 TTL电路的工作电源电压范围很窄。电路的工作电源电压范围很窄。S、LS、F系列系列为为5.05%；AS、ALS系列为系列为5.010%TTL电路的工作频率比电路的工作频率比4000系列的高系列的高。当工作电压为当工作电压为+5V时，输出高电平大于时，输出高电平大于2.4V，输入高，输入高电平大于电平大于2.0V；输出低电平小于；输出低电平小于0.4V，输入低电平，输入低电平小于小于0.8V。2.CMOS系列集成电路的一般特性系列集成电路的一般特性（1）电源电压范围）电源电压范围（2）功耗）功耗（3）输入阻抗）输入阻抗（4）抗干扰能力）抗干扰能力 电源电压范围为电源电压范围为318V。74HC系列约在系列约在26伏伏。当电源电压当电源电压VDD=5V时，时，CMOS电路的静态功耗分别电路的静态功耗分别是：门电路类为是：门电路类为2.55 W；缓冲器和触发器类为；缓冲器和触发器类为520uW；中规模集成电路类为；中规模集成电路类为25100 W。CMOS电路的输入阻抗取决于输入端保护二极管的电路的输入阻抗取决于输入端保护二极管的漏电流，因此输入阻抗极高，可达漏电流，因此输入阻抗极高，可达1081011以上以上。因为它们的电源电压允许范围大，因此它们输出高因为它们的电源电压允许范围大，因此它们输出高低电平摆幅也大，抗干扰能力就强低电平摆幅也大，抗干扰能力就强。1.不允许在超过极限参数不允许在超过极限参数的条件下工作。电路在超的条件下工作。电路在超过极限参数的条件下工作，就可能工作不正常，且过极限参数的条件下工作，就可能工作不正常，且容易引起损坏。容易引起损坏。使用数字集成电路的注意事项使用数字集成电路的注意事项2.电源的电压的极性电源的电压的极性千万千万不能接反不能接反。3.CMOS电路要求电路要求输入信号幅度输入信号幅度不能超过不能超过VDDVSS。4.对多余输入端的处理。对对多余输入端的处理。对CMOS电路电路，多余的输入，多余的输入端端不能悬空不能悬空；对；对TTL电路电路,对多余的输入端对多余的输入端允许悬空允许悬空。5.多余的输出端多余的输出端，应该，应该悬空悬空处理，决不允许直接接处理，决不允许直接接到到VDD或或VSS。v 触发器：数字电路中能将触发器：数字电路中能将二进制数据记忆住的基本单二进制数据记忆住的基本单元电路。元电路。是由门电路加上适当的反馈而构成的逻辑部件。是由门电路加上适当的反馈而构成的逻辑部件。触发器及其在电子控制系统中的作用四、数字电路的应用四、数字电路的应用 基本触发器基本触发器是数字电路的基本部件之一，它是数字电路的基本部件之一，它具有记忆和存储的功能。具有记忆和存储的功能。v 触发器特点触发器特点u 具有两个状态，分别表示逻辑具有两个状态，分别表示逻辑0 0和逻辑和逻辑1 1。u 在输入信号作用下，可从一种状态翻转到另一在输入信号作用下，可从一种状态翻转到另一种状态；在种状态；在输入信号取消后输入信号取消后，能保持状态不变能保持状态不变。v 触发器分类触发器分类u 按按触发方式触发方式分：电位触发方式、主从触发方式及分：电位触发方式、主从触发方式及边沿触发方式。边沿触发方式。u 按按逻辑功能逻辑功能分：分：RS RS 触发器、触发器、D D 触发器、触发器、JK JK 触发触发器和器和T T 触发器。触发器。两个输入端两个输入端两个输出端两个输出端高电平有效高电平有效正常时逻辑状态相反正常时逻辑状态相反基本基本S-R触发器（由触发器（由2个或非门组成）个或非门组成）QQRS11100101输入输入S=1,R=0时时有有1 1则则0 0全全0 0则则1 1不论原状态如何，输出均为：不论原状态如何，输出均为：，直接置直接置1 1端端直接置位端直接置位端QQRS11010110有有1 1则则0 0全全0 0则则1 1不论原状态如何，输出均为：不论原状态如何，输出均为：1，0直接置直接置0 0端端直接复位端直接复位端输入输入S=0,R=1时时QQRS11010010输入输入S=0,R=0时时10触发器保持原态触发器保持原态QQRS11若原状态为：若原状态为：1，0010001输入输入R=0,S=0时时若原状态为：若原状态为：0，110触发器保持原态触发器保持原态QQRS111100信号撤销后触发器状态由二或非门信信号撤销后触发器状态由二或非门信号传输的快慢决定，仍为号传输的快慢决定，仍为不定状态不定状态破坏了二输出状态破坏了二输出状态相反的要求相反的要求触发器状态触发器状态不定不定输入输入S=1,R=1时时QQRS11基本基本S-R触发器触发器的真值表的真值表 1 1不定不定 1 0QQ苏苏和蓉蓉是一对快乐的孪生兄妹。有一天他们随父母一起去儿童公园，走进公园只见一个跷跷板安静地等待小朋友来玩。苏苏和蓉蓉一阵风似的冲过去，苏苏占领了标有Q的一边，蓉蓉只好在标有Q的一边就坐，苏苏一蹬地，犹如触发器的S端加上触发器信号，跷跷板标有Q的一边翘了上去，成了Q高Q低的状态，蓉蓉一蹬地，又犹如触发器的R端加上触发信号，跷跷板又回到Q低Q高的状态，接着苏苏又一蹬地，跷跷板又变成了Q高Q低妈妈过来了，喊到：“停。”苏苏和蓉蓉都停止用力，跷跷板也停住了，不在变化，妈妈说：“刚才最后一次是苏苏蹬地的，对不对？”苏苏和蓉蓉很奇怪，妈妈怎么会知道的呢？妈妈说：“刚才谁是最后一个用力，跷跷板上记着哩。”不一会儿，苏苏和蓉蓉闹别扭了，他们同时用力蹬地，争持不下。这时的跷跷板会处于什么状态呢？还能保持一边高一边低吗？&1&2QQRS两个输入端两个输入端两个输出端两个输出端低电平有效低电平有效正常时逻辑状态相反正常时逻辑状态相反基本基本R-S触发器（由触发器（由2个与非门组成）个与非门组成）100101&1&2QQRS输入输入R=0,S=1时时全全1 1则则0 0任任0 0则则1 1不论原状态如何，输出均为：不论原状态如何，输出均为：，直接置直接置0 0端端直接复位端直接复位端010110&1&2QQRS输入输入R=1,S=0时时全全1 1则则0 0任任0 0则则1 1不论原状态如何，输出均为：不论原状态如何，输出均为：1，0直接置直接置1 1端端直接置位端直接置位端101101&1&2QQRS输入输入R=1,S=1时时 若原状态为：若原状态为：0，101触发器保持原态触发器保持原态101110&1&2QQRS输入输入R=1,S=1时时 若原状态为：若原状态为：1，001触发器保持原态触发器保持原态0011&1&2QQRS输入输入R=0,S=0时时信号撤销后触发器状态由二与非门信信号撤销后触发器状态由二与非门信号传输的快慢决定，仍为号传输的快慢决定，仍为不定状态不定状态破坏了二输出状态破坏了二输出状态相反的要求相反的要求触发器状态触发器状态不定不定基本基本R-S触发器触发器的真值表的真值表不定不定基本基本R-S触发器触发器的逻辑符号的逻辑符号SRQQRS低电平低电平有效有效R-S R-S R-S R-S 触发器特点触发器特点触发器特点触发器特点:(1)具有两个稳态具有两个稳态(Q=0,Q=1或或Q=1,Q=0),称为称为 双稳态触发器双稳态触发器.(2)(2)可触发使之翻转可触发使之翻转 (使使R RD D、S SD D之一为之一为0 0时可翻转时可翻转).).(3)(3)具有记忆功能具有记忆功能(R(RD D、S SD D都为都为1 1时，保持原来状态时，保持原来状态).).(4)(4)触发器触发器 (RD(RD、SDSD都为都为0 0时，状态不定时，状态不定).).亮试验目的：熟悉基本触发器的功能。试验准备:CT74LS001片,电位器1只,电阻6只,发光二极管1只。试验过程:按电路图搭接电路,调节Ui使其由0变大,观察发光二极管的发光情况,并记录发光二极管状态变化时的Ui值。.当发光二极管状态变化后,再将Ui由大变小,观察发光二极管的发光情况,并记录发光二极管状态改变时的Ui值。n试验记录：初始状态(Ui=0),发光二极管状态n发光二极管状态改变时的Uin发光二极管状态再次改变时的Uin试验总结:n1.该电路是如何体现基本触发器功能的?n2.该电路有何用途？基本触发器功能由小变大到由小变大到3.2V时二极管灭时二极管灭单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器 1.单稳态触发器的工作原理单稳态触发器的工作原理 1）有一个）有一个 稳态稳态和一个和一个暂稳态；暂稳态；2）在外来触发）在外来触发 脉冲作用下，电路将从脉冲作用下，电路将从稳态稳态 翻转到翻转到暂暂稳态；暂稳态稳态；暂稳态停留一段时间后停留一段时间后,又返回到又返回到稳定状态稳定状态;3）暂稳态暂稳态持续时间取决于电路的参数持续时间取决于电路的参数。单稳态触发器的特点：单稳态触发器的特点：1011010011 多谐振荡器多谐振荡器是能是能产生矩形产生矩形波波的一种自激振荡器电路，由的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振富的高次谐波，故称为多谐振荡器荡器。多谐振荡器多谐振荡器没有稳态没有稳态，只有，只有两个暂稳态两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换间来回转换。多谐振荡器多谐振荡器1.多谐振荡器的工作原理多谐振荡器的工作原理R1R2CuC uCtUOH uOtUOL电路组成和工作原理电路组成和工作原理 1 1+VCC8 86 65 57 72 24 4Tuo3 3&1&QBreakTime47输入不亮，输出亮（0，1）输入亮，输出不亮（1，0）该电路是逻辑非门