第2章 逻辑门电路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章,机械工业出版社同名教材,配套电子教案,数字电子技术基础,第,2,章 逻辑门电路,2.1,分列元件门电路概述,2.1.1,二极管门电路,二极管与门电路,二极管或门电路,【,例,2-1】,电路如图,2-3,所示，设,VD,为理想二极管，,E,3V,，输入电压,U,I,波形如图,2-4,，试画出输出电压,U,O,波形。,解：,u,O,u,D,+,u,I,u,R,+,E,。,二极管,VD,导通时，,u,D,0,，即,u,O,u,I,。,二极管,VD,截止时，,R,中无电流，,u,R,0,，即,u,O,E,。,当,u,I,E,时，,VD,截止，,u,O,E,。如图,2-4,所示。,二极管门电路的开关特性,二极管的动态特性,若输入脉冲的周期小于,2,t,re,，,则该二极管就不能起到开关作用。,减小二极管反向恢复时间的措施,正向导通电流不要过大。,选用结电容较小的二极管；,在要求较高的场合，应选择快恢复二极管或肖特基二极管。,肖特基二极管（,Schottky,Barrier Diode,，缩写为,SBD,）。,正向压降小（,0.3V,0.4V,）；,本身无电荷存储作用，开关时间极短（小于普通二极管的十分之一）。,2.1.2,三极管非门电路,工作原理,在数字电子电路中，主要分析研究截止和饱和两种工作状态。,截止状态,u,O,V,CC,。,饱和状态,u,O,U,CES,0,三极管非门电路的开关特性,三极管的开关特性,减小三极管开关时间的措施,选用结电容小的三极管，即选用,f,T,大的高频三极管。,降低三极管饱和程度。,基极电阻并接加速电容。,采用肖特基三极管,2.2 TTL,集成门电路,TTL,是三极管,-,三极管逻辑（,Transistor-Transistor Logic,）集成门电路，是双极型器件组成的门电路。,2.2.1 74LS,与非门电路,电路组成和工作原理,由三部分组成：输入级、中间级和输出级。,输入输出电平分析,输入低电平时，输出高电平，,u,OH,3.4V,。,输入高电平时，输出低电平，,u,OL,0.35V,。,集电极开路门（,OC,门）,标志符号：“”,主要作用：,实现,“,线与,”,功能；,实现电平转换；,用作驱动电路。,三态门（,TSL,门）,输出状态除了高电平、低电平外，还有第三种状态：高阻态（相当于输出端开路）。,标志符号：“,”,控制使能端：,EN,（,Enable,）,主要用途：用于总线分时传送电路信号。,【,例,2-4】,已知三态门电路和输入电压波形如图,2-15,所示，试画出输出电压波形。,解：,Y,=,Y,1,+,Y,2,=,AB,+,CD,EN,2.2.2,门电路外部特性和主要参数,以,74LS,系列与非门为例，分析,TTL,门电路的外部特性。,电压传输特性,u,O,f,（,u,I,）,大致可分为三个区域：截止区、转折区和饱和区。,转折区对应于阈值电压,U,TH,=1V,特性,输入伏安特性,i,I,f,（,u,I,）。,输入伏安特性可分为输入低电平和输入高电平两种情况，以阈值电压,U,TH,为分界点。,I,ILmax,-0.4mA,。,I,IHmax,20A,。,输入负载特性,u,I,f,（,R,I,）。,R,I,较小时，,u,I,相当于输入低电平，与非门处于关门状态。使与非门保持关门状态的,R,I,最大值称为关门电阻,R,OFF,，,74LS,系列门电路,R,OFF,4.2k,。,R,I,较大时，,u,I,相当于输入高电平，与非门处于开门状态。使与非门保持开门状态的,R,I,最小值称为开门电阻,R,ON,，,74LS,系列门电路,R,ON,6.3k,。,【,例,2-5】,已知,74LS,系列三输入端与非门和或非门电路如图,2-20,所示，其中,2,个输入端分别接输入信号,A,、,B,，另一个输入端为多余引脚。试写出输出表达式。,解：,Y,1,=,；,Y,2,=,；,Y,3,=1,；,Y,4,=,；,Y,5,=1,；,Y,6,=,；,Y,7,=,Y,8,=0,；,Y,9,=,；,Y,10,=0,；,Y,11,=,；,Y,12,=0,。,TTL,与（与非）门电路：多余输入端可接,+,V,CC,，或与有信号输入端并联，或悬空，或接对地电阻,R,I,R,ON,；,TTL,或（或非）门电路：多余输入端可接地，或与有信号输入端并联，或接对地电阻,R,I,U,TH,时，,u,O,U,OL,；,当,u,I,U,TH,时，,u,O,U,OH,。,74LS,系列门电路,U,TH,1V,。,关门电平,U,OFF,。,U,OFF,是,TTL,与非门电路输出高电平时，输入端允许输入的最大低电平值。,为保证,TTL,输出高电平，应满足,u,I,U,OFF,。,一般，手册中给出输入低电平最大值,U,ILmax,代替,U,OFF,。,74LS,系列门电路,U,ILmax,0.8V,。,开门电平,U,ON,。,U,ON,是,TTL,与非门电路输出低电平时，输入端允许输入的最小高电平值。,为保证,TTL,输出低电平，应满足,u,I,U,ON,。,一般，手册中给出输入高电平最小值,U,IHmin,代替,U,ON,。,74LS,系列门电路,U,IHmin,2V,。,噪声容限。,指输入电平受噪声干扰时，为保证电路维持原输出电平，允许叠加在原输入电平上的最大噪声电平。,噪声容限可分为低电平噪声容限,U,NL,和高电平噪声容限,U,NH,。,高电平噪声容限,U,NH,U,OHmin,-,U,IHmin,低电平噪声容限,U,NL,U,ILmax,-,U,OLmax,74LS,系列门电路,U,NH,0.7V,，,U,NL,0.3V,。,扇入,系数,N,I,和扇出系数,N,O,。,表明带动同类门电路的数量。,静态动耗,P,D,维持输出高电平或维持输出低电平不变时的最大功耗。,74LS,系列门电路,P,D,2mW,。,需要说明的是，门电路输出高电平和输出低电平时，分别工作在截止区和饱和区，功耗很低。功耗较大的阶段发生在高低电平转换区域，因此，,TTL,的电路功耗与信号频率有关，信号频率越高，功耗越大。,传输延迟时间,t,pd,t,pd,是电路传输延迟时间的平均值，即开启时间,t,on,和关闭时间,t,off,的平均值。,t,pd,（,t,on,+,t,off,）,2,74LS,系列门电路,t,pd,10ns,。,2.2.3,不同系列的,TTL,门电路,总体可分为,54,系列和,74,系列：,54,系列为满足军用要求设计，工作温度范围,-50C,+125C,；,74,系列为满足民用要求设计，工作温度范围,0C,+70C,。,而每一大系列中又可分为（为便于书写，以,74,为例）几个子系列：,74,系列（基本型）,74L,系列（低功耗）,74H,系列（高速）,74S,系列（肖特基）,74LS,系列（低功耗肖特基）,74AS,系列（先进高速肖特基）,74ALS,系列（先进低功耗肖特基）,其中,74,（基本型）子系列为早期,TTL,产品，已基本淘汰。,74LS,子系列以其价廉物美、综合性能较好而应用最广，目前仍为主流应用品种之一。,2.3 CMOS,集成门电路,2.3.1 CMOS,反相器及其特点,主要特点：,输入电阻高,可达,10,15,，基本上不需要信号源提供电流。,电压传输特性好,线性区很窄，特性曲线陡峭，且高电平趋于,V,DD,，低电平趋于,0,，电压传输特性接近于理想开关。,静态功耗低,抗干扰能力强,阈值电压,U,TH,V,DD,2,，噪声容限很大，也接近于,V,DD,2,。,扇出系数大,CMOS,反相器前级门的扇出系数不是取决于后级门的输入电阻，而是取决于后级门的输入电容。,电源电压范围大,3,18V,。,CMOS,电路也有一些缺点：输入端易被静电击穿、工作速度不高、输出电流较小等。,但随着,CMOS,电路新工艺的发展，这些问题已逐步改善,。,不同系列集成门电路输入,/,输出特性参数,2.3.3 TTL,门电路与,CMOS,门电路的连接,连接原则：,驱动门 负载门,U,OHmin,U,IHmin,(2-6a),U,OLmax,U,ILmax,(2-6b),I,OHmax,n,IIHmax,(2-6c),I,OLmax,n,IILmax,(2-6d),其中,n,是负载门的个数。根据上述连接原则和表,2-1,，可以得出：,74HCT,系列门电路与,74LS,系列门电路可直接相互连接。,74HC,系列门电路可以驱动,74LS,系列门电路。,CMOS 4000,系列门电路可以驱动一个（不能多个）,74LS,系列负载门电路。,74LS,系列门电路不能直接驱动,CMOS 4000,系列和,74HC,系列门电路。,2.4,常用集成门电路,双列直插式引脚排列规律：,集成门电路通常在一片芯片中集成多个门电路，常有以下几种形式：,2,输入端,4,门电路。,3,输入端,3,门电路。,4,输入端,2,门电路。,常用典型芯片介绍：,与门和与非门,或门和或非门,与或非门,异或门和同或门,反相器,