第6章 门电路

计计 算算 机机 电电 路路 基基 础础第六章 门电路第第6 6章章 门电路门电路6.1 6.1 概概概概 述述述述 6.2 6.2 分立元件门电路分立元件门电路分立元件门电路分立元件门电路6.3 CMOS6.3 CMOS集成门电路集成门电路集成门电路集成门电路6.4 TTL6.4 TTL集成门电路集成门电路集成门电路集成门电路退出退出退出退出获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。预备知识：预备知识：半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性1 1、二极管的开关特性二极管的开关特性逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。二极管符号：正极负极uD 1、概述、概述uououi0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。Ui0.5V时，二极管导通。2 2、三、三极管的开关特性极管的开关特性RbRc+VCCbce截止状态饱和状态iBIBSui=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V饱和区截止区放大区ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uoUCES0.3V3 3、场效应、场效应管的开关特性管的开关特性工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态uiUTuo06.2 分立元件逻辑门电路分立元件逻辑门电路1 1、二极管与门二极管与门Y=AB2 2、二极管或门二极管或门Y=A+B3 3、三极管非门三极管非门uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。基极电流为：iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。三极管临界饱和时的基极电流为：当uA0V时，由于uGSuA0V，小于开启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uYVDD10V。当uA10V时，由于uGSuA10V，大于开启电压UT，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uY0V。4 4、场效应管非门场效应管非门6.4 TTL6.4 TTL集成门电路集成门电路 6.4.1-2 6.4.1-2 TTLTTL反相器和反相器和反相器和反相器和与非门与非门与非门与非门6.4.3 TTL6.4.3 TTL或非门或非门或非门或非门 6.4.4-5 TTL6.4.4-5 TTL与门、或门、与或非门及异或门与门、或门、与或非门及异或门与门、或门、与或非门及异或门与门、或门、与或非门及异或门 6.4.6-7 6.4.6-7 集电极开路门集电极开路门集电极开路门集电极开路门 和输出三态门和输出三态门和输出三态门和输出三态门6.4.8 TTL6.4.8 TTL门电路输入负载特性门电路输入负载特性门电路输入负载特性门电路输入负载特性 退出退出退出退出6.4 TTL集成门电路集成门电路1-2 1-2 TTL反相器和与非门反相器和与非门1。A,B中有一个为中有一个为0（低电平），基极电流经（低电平），基极电流经R1流到发射极，流到发射极，T2/T4截止，截止，T3/D导通，输出导通，输出Y为为1（高电平）（高电平）2。A,B均为均为1（高电平），（高电平），基极电流经基极电流经R1流到集电极，进入流到集电极，进入T2基极基极T2/T4导通，导通，T3/D截止，输出为截止，输出为0（低电平）（低电平）3、当、当T1为为单发射极三极管时，就是一个反相器。单发射极三极管时，就是一个反相器。功能表功能表真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式输入有低，输出为高；输入有低，输出为高；输入全高，输出为低。输入全高，输出为低。A、B中只要有一个为1，即高电平，如A1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T4饱和导通，输出为低电平，即Y0。AB0时，iB1、iB1均分别流入T1、T1发射极，使T2、T2、T4均截止，T3、D导通，输出为高电平，即Y1。3 3、TTL或非门A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T2导通）时，T4饱和导通、T3截止，输出Y=0。A和B不全为高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T2同时截止）时，T4截止、T3饱和导通，输出Y=1。4 4、与门、或门、与或非门及异或门与门、或门、与或非门及异或门与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+B异或门6-76-7、集电极开路门（、集电极开路门（OC门）及输出三态门门）及输出三态门问题的提出：为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接电阻R后：A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。外接电阻R的取值范围为：OC门TSL门结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。EN0时,即P=1,D3截止,电路处与工作状态，即Y=A.B.P=A.B。EN1时,即P=0,T2、T4截止，二极管D3导通，Q点在=1v，使得T3、D都截止，Y即不与电源接通也不与地接通，呈现为高阻抗状态，即Y=Z。TSL门的应用：作多路开关：E=0时，门G1使能，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2使能，G1禁止，Y=B。信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余TSL门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TSL门的输出。6.4.8 TTL6.4.8 TTL门电路输入负载特性门电路输入负载特性门电路输入负载特性门电路输入负载特性在实际工作中，门电路输入端的信号源常常是有内阻的，有时也需要在输入端和地之间接入电阻。这是输入端负载特性。a开门电阻Ron要使反相器工作在导通状态，uO0.3V，Ri只需大于2.5k就可以了，这叫开门电阻，用Ron表示。b关门电阻Roff只要Ri0.7k，反相器就会截止。0.7k称为反相器电路的关门电阻，用Roff表示。如果RoffRiRon，则反相器将处于不正常状态。一般地说，这种情况是不允许出现的。4 4、TTL系列集成电路及主要参数系列集成电路及主要参数TTL系列集成电路74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗P10mW。74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd9ns，平均功耗P2mW。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。附：TTL与非门主要参数（1）输出高电平UOH：TTL与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平。产品规范值UOH2.4V，标准高电平USH2.4V。（2）高电平输出电流IOH：输出为高电平时，提供给外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出高电平下降。IOH表示电路的拉电流负载能力。（3）输出低电平UOL：TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规范值UOL0.4V，标准低电平USL0.4V。（4）低电平输出电流IOL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出低电平上升。IOL表示电路的灌电流负载能力。（5）扇出系数NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一般TTL门电路NO8，功率驱动门的NO可达25。（6）最大工作频率fmax：超过此频率电路就不能正常工作。（7）输入开门电平UON：是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平USL的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般TTL门电路的UON1.8V。（8）输入关门电平UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平USH的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般TTL门电路的UOFF0.8V。（9）高电平输入电流IIH：输入为高电平时的输入电流，也即当前级输出为高电平时，本级输入电路造成的前级拉电流。（10）低电平输入电流IIL：输入为低电平时的输出电流，也即当前级输出为低电平时，本级输入电路造成的前级灌电流。（11）平均传输时间tpd：信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频率较高的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影响电路的逻辑功能。（12）空载功耗：与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积。6.3 CMOS6.3 CMOS集成门电路集成门电路 6.3.1 CMOS6.3.1 CMOS反相器反相器反相器反相器 6.3.2-3 CMOS6.3.2-3 CMOS与非门、或非门、与或非门与非门、或非门、与或非门与非门、或非门、与或非门与非门、或非门、与或非门 6.3.4-5 6.3.4-5 CMOSCMOS异或门异或门异或门异或门 、传输门传输门传输门传输门 6.3.6-7 CMOS6.3.6-7 CMOS三态门和漏极开路门三态门和漏极开路门三态门和漏极开路门三态门和漏极开路门 6.3.8 CMOS6.3.8 CMOS门电路输入特性门电路输入特性门电路输入特性门电路输入特性 退出退出退出退出6.3.1 CMOS6.3.1 CMOS反相器反相器反相器反相器1.uA0V时,ugsn=0UTN(2V),TN截止,ugsp=uA-VDD=0-10V=-10VUTN(2V),TN导通,ugsp=uA-VDD=10-10V=0VUTP(-2V),TP截止(简化如图c)。输出电压uY0V。UTP=-2V,UTN=2V 6.3.2-3 CMOS6.3.2-3 CMOS与非门、或非门、与或非门与非门、或非门、与或非门与非门、或非门、与或非门与非门、或非门、与或非门CMOS与非门A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。UTP=-2V,UTN=2V CMOS或非门只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。UTP=-2V,UTN=2V 与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+BCMOS与或非门CMOS异或门6.3.4-5 6.3.4-5 CMOSCMOS异或门异或门异或门异或门 、传输门传输门传输门传输门CMOS 传输门C0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（VDD）时，TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。C1、，即C端为高电平（VDD）、端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uoui。CMOS 三态门E=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。E=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。6.3.6-7 CMOS6.3.6-7 CMOS三态门和漏极开路门三态门和漏极开路门三态门和漏极开路门三态门和漏极开路门CMOS OD门用途：用途：1、不外接电源和电阻不外接电源和电阻R RD D，则则电路不能工作；电路不能工作；2 2、可以可以实现线与与；3 3、可以用来可以用来实现逻辑电平平变换 ；4 4、带负载能力能力强强 。附：附：CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项数字电路的特点及使用时的注意事项（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。CMOS数字电路的特点附：附：CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项数字电路的特点及使用时的注意事项（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。CMOS数字电路的特点使用集成电路时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、面都别具特色的三态门、OCOC门、门、ODOD门和传输门。门和传输门。随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。字电路已被集成电路所取代。TTLTTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。CMOSCMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOSCMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高。电路的工作速度已有了大幅度的提高。本章小结