第2部分门电路.ppt

《第2部分门电路.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2部分门电路.ppt（92页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第2章 门电路,2.1 概述 2.2 半导体二极管和 三极管的开关特性 2.3 最简单的与、或、非门电路 2.4 TTL门电路 2.5 CMOS门电路,2.1 概述,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。,正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0 负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0 在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。 今后除非特别说明，一律采用正逻辑。,一、正逻辑与负逻辑,VI控制开关S的断、通情况。 S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。,二、逻辑

2、电平,5V,0V,0.8V,2V,实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件,逻辑电平,高电平UH： 输入高电平UIH 输出高电平UOH 低电平UL： 输入低电平UIL 输出低电平UOL 逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。,2.2 二极管和三极管的开关特性,数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。 导通状态：相当于开关闭合 截止状态：相当于开关断开。,半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。,1、 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻R

3、OFF = 无穷，电流IOFF = 0。,闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON = 0，电压UAK = 0。,2、 动态特性：开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0,理想开关的开关特性：,客观世界中，没有理想开关。 乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。 半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。,2.2.1 二极管的开关特性,一、静态特性及开关等效电路,正向导通时UD(ON)0.7V（硅） 0.3V（锗） RD几 几十 相当于开关闭合,反向

4、截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大（约几百k） 相当于开关断开,二极管的开关等效电路 (a) 导通时 (b) 截止时,二、动态特性：,若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。,二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。,反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的时间。 一般为纳秒数量级（通常tre 5ns ）。,2.2.2 三极管的开关特性,一、静态特性及开关等效电路,在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。,三极管的三种工作状态 （a）电路 （b）

5、输出特性曲线,开关等效电路,1、截止状态,条件：发射结反偏 特点：电流约为0,2、饱和状态,条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅,三极管开关等效电路 (a) 截止时 (b) 饱和时,二、三极管的开关时间（动态特性）,三极管的开关时间,1、 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。 ton = td +tr td ：延迟时间 tr ：上升时间,2、关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。 toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长） tf ：下降时间,toff ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用

6、时需考虑。,门电路的概念： 实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。,分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起 来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。 集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都 制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。,2.3 最简单的与、或、非门电路,2.3.1二极管与门,Y=AB,2.3.2二极管或门,Y=A+B,2.3.4 关于高低电平的概念及状态赋值,电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压

7、范围。 高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围。 例：上面二极管与门电路中规定高电平为3V，低电平0.7V。 又如，TTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V，但从0V到0.8V都算作低电平。,1. 关于高低电平的概念,2. 逻辑状态赋值,在数字电路中，用逻辑0和逻辑1分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。 经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。,复习,什么是高电平？什么是低电平？ 什么是状态赋值？ 什么是正逻辑？什么是负逻辑？ 二极管与门、或门有何优点和缺点？,2.4 TTL门电路,TTL集成逻

8、辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。,TTL电路的基本环节是反相器。因此首先简单了解TTL反相器的电路及工作原理，并重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。,2.4.1 TTL反相器 一、TTL反相器的工作原理,1. 电路组成,TTL反相器的基本电路,(1) 输入级,当输入低电平时， uI=0.3V，发射结正向导通， uB1=1.0V 当输入高电平时， uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将反向截止。 uB1由后级电路决定。,(2) 中间级,反相器VT2 实现非逻辑,(3) 输出级（推拉式输出）,VT3为射极跟随器,2. 工作原理,

9、（1）当输入高电平时， uI=3.6V， VT1处于倒置工作状态， 集电结正偏，发射结反偏， uB1=0.7V3=2.1V， VT2和VT4饱和， 输出为低电平uO=0.3V。,2.1V,0.3V,3.6V,（2） 当输入低电平时， uI=0.3V， VT1发射结导通，uB1=0.3V+0.7V=1V， VT2和VT4均截止， VT3和VD导通。 输出高电平 uO =VCC -UBE3-UD 5V-0.7V-0.7V=3.6V,1V,3.6V,0.3V,(3) 采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力,VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。 当输入高电平时，VT4饱

10、和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载。 当输入低电平时，VT4截止，VT3导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。 可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强，而且可减小静态损耗。,二、TTL反相器的电压传输特性,电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。,TTL反相器电路的电压传输特性,1.曲线分析,VT4截止，称关门,VT4饱和，称开门,2. 结合电压传输特性介绍几个参数,(3) 开门电平UON 一般要求UON1.8V (4) 关门电平UOFF 一般

11、要求UOFF0.8V,在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。,在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。,(5) 阈值电压UTH 电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH1.4V。,(6) 噪声容限（ UNL和UNH ） 噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。 UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。, 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围） UNL=UOFF-UIL UIL为电路输入低电平的典型值（0.3V） 若UOFF=0.8V，则有

12、 UNL=0.8-0.3=0.5 (V), 高电平噪声容限（高电平负向干扰范围） UNH = UIH - UON UIH为电路输入高电平的典型值（3V） 若UON=1.8V，则有 UNH = 3-1.8 =1.2 (V),2.4.2 TTL反相器的输入特性和输出特性,一. 输入伏安特性,输入电压和输入电流之间的关系曲线。,TTL反相器的输入伏安特性 （a）测试电路 （b）输入伏安特性曲线,两个重要参数：,(1) 输入短路电流IIS 当uI = 0V时，iI从输入端流出。 iI =(VCCUBE1)/R1 =(50.7)/4 1.1mA,(2) 高电平输入电流IIH 当输入为高电平时，VT1的发

13、射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数反很小(约在0.01以下)，所以 iI = IIH =反 iB2 IIH很小，约为几十微安左右。,输入负载特性曲线 （a）测试电路 （b）输入负载特性曲线,TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随RI 的变化而变化的关系曲线。,二、输入负载特性,在一定范围内，uI随RI的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1 = 2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI = 1.4V也不变。这时VT2和VT4饱和导通，输出为低电平。,RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。,RI 较小时，关门，输出高电平；,RI 较大

14、时，开门，输出低电平；,ROFF,RON,RI 悬空时？,(1) 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.7k。,(2) 开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON 2k。 数字电路中要求输入负载电阻RI RON或RI ROFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。 振荡电路则令 ROFF RI RON使电路处于转折区。,三、输出特性,指输出电压与输出电流之间的关系曲线。,1、 输出高电平时的输出特性,负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低

15、。 拉电流负载。 iL5mA时，输出uO变化很大；实际上由于功耗的限制， iL远小于5mA。74系列门电路的运用条件规定 iL不超过0.4mA。,2.4.3 TTL反相器的动态特性,1. 平均传输延迟时间tpd （在此只介绍传输延迟时间）,平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。,tpd = （tpLH +tpHL）/2,复习,TTL反相器的电压传输特性有哪几个区？ TTL反相器主要有哪些特性？ TTL反相器的主要参数有哪些？,2.4.4 其他类型的TTL门电路,它与反相器的区别就在于：输入端改成了多发射极三极管：每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三极管进入放大或饱和区。

16、,一、TTL与非门电路,三输入TTL与非门电路 (a)电路 (b) 逻辑符号,2.1V,特性： （1）与非门输出电路的结构和电路参数与反相器相同，所以反相器的输出特性也适用于与非门。 （2）计算输入电流时，应根据输入端的不同工作状态区别对待。 a把两个输入端并联使用时，低电平输入电流与反相器相同；高电平输入时，总的输入电流为单个输入端的高电平输入电流的两倍。,二、集电极开路门（OC门）,返回,推拉式输出电路结构存在局限性。 首先，输出端不能并联使用。若两个门的输出一高一低，当两个门的输出端并联以后，必然有很大的电流同时流过这两个门的输出级，而且电流的数值远远超过正常的工作电流，可能使门电路损坏

17、。而且，输出端也呈现不高不低的电平，不能实现应有的逻辑功能。,其次，在采用推拉式输出级的门电路中，电源一经确定（通常规定为5V），输出的高电平也就固定了（不可能高于电源电压5V），因而无法满足对不同输出高电平的需要。,集电极开路门（简称OC门）就是为克服以上局限性而设计的一种TTL门电路。,(1)电路结构：输出级是集电极开路的。,1集电极开路门的电路结构,(2)逻辑符号：用“”表示集电极开路。,集电极开路的TTL与非门 （a）电路 （b）逻辑符号,集电极开路,(3)工作原理：,当VT3饱和，输出低电平UOL0.3V；（输入全为高电平） 当VT3截止，由外接电源E通过外接上拉电阻提供高电平UOH

18、E。（输入至少有一个低电平） 因此， OC门电路必须外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号。,(1) OC门的输出端并联，实现线与功能。 RL为外接负载电阻。,图2-20 OC门的输出端并联实现线与功能,2. OC门的应用举例,用OC门实现电平转换的电路 ，根据要求选择外接电源的大小，就可以得到所需的UOH.此外，有些OC门的输出管设计得尺寸较大，足以承受较大电流和较高电压，可以直接驱动小型继电器。,（2）用OC门实现电平转换,三、 三态输出门电路（TS门）,返回,三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。,悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。 测电阻为，故称为高阻状态。 测

19、电压为0V，但不是接地。 因为悬空，所以测其电流为0A。,1、电路结构：增加了控制输入端（Enable）。,1三态门的电路结构,2、工作原理：,1,0,导通,1.0V,1.0V,截止,截止,悬空,控制端高电平有效的三态门,(2)逻辑符号,控制端低电平有效的三态门,用“”表示输出为三态。,2三态门的主要应用实现总线传输,要求各门的控制端EN轮流为高电平，且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平。,用三态门实现总线传输,如有8个门，则8个EN端的波形应依次为高电平，如下页所示。,为了提高工作速度，降低功耗，提高抗干扰能力，各生产厂家对门电路作了多次改进。 74系列与54系列的电路具有完全相同的电路结

20、构和电气性能参数。其不同之处见下表所示。,2.4.5 TTL门电路的改进系列,当输出高电平时，输出端不能碰地，不然会烧坏器件；输出低电平时，输出端不能碰电源。,2.5.1 CMOS反相器的工作原理,MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。 MOS管有增强型和耗尽型两种。 在数字电路中，多采用增强型。,返回,NMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特性,D接正电源,（1）NMOS管的开关特性,1MOS管的开关特性,图2-25 PMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特

21、性,D接负电源,（2）PMOS管的开关特性,CMOS反相器,PMOS管,负载管,NMOS管,驱动管,开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。,2CMOS反相器的工作原理 （1）基本电路结构,（2）工作原理,CMOS反相器,UIL=0V,截止,导通,UOHVDD,当uI= UIL=0V时，VTN截止，VTP导通， uO = UOHVDD,CMOS反相器,UIH= VDD,截止,UOL 0V,当uI = UIH = VDD ，VTN导通，VTP截止， uO =UOL0V,导通,（3）逻辑功能 实现反相器功能（非逻辑）。,（4）工作特点 VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过VTP和VTN的

22、静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。,CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性,3 电压传输特性和电流传输特性,AB段：截止区 iD为0,BC段：转折区 阈值电压UTHVDD/2 转折区中点：电流最大,CMOS反相器 在使用时应尽 量避免长期工 作在BC段。,CD段：导通区,4. CMOS电路的优点,（1）微功耗。 CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。 （2）抗干扰能力很强。 输入噪声容限可达到VDD/2。 （3）电源电压范围宽。 多数CMOS电路可在318V的电源电压范围 内正常工作。 （4）输入阻抗高。 （5）负载能力强。

23、 CMOS电路可以带50个同类门以上。 （6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD ）,CMOS传输门,2.5.2 其它类型的CMOS门电路,（2） 工作原理（了解）,（3） 应用举例,CMOS模拟开关, CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。,C = 0时，TG1导通、TG2截止，uO = uI1； C = 1时，TG1截止、TG2导通，uO = uI2。,CMOS三态门 (a)电路 (b) 逻辑符号, CMOS三态门,一、CMOS门电路的使用知识,1输入电路的静电保护 CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极

24、易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：,CMOS门电路和TTL门电路的 使用知识及相互连接,（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。 （2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。,2多余的输入端不能悬空。 输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。,二、TTL门电路的使用知识,1多余或暂时不用的输入端不能悬空，可按以 下方法处理：,（1）与其它输入端并联使用。 （2）将不用的输入端按照电路功能要求接电

25、源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。,(1) 在每一块插板的电源线上，并接几十F的低频去耦电容和0.010.047F的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。 (2) 整机装置应有良好的接地系统。,2 电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。,三、 TTL门电路和CMOS 门电路的相互连接,TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。 一般要考虑两个问题： 一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平； 二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。,1. TTL门

26、驱动CMOS门,（1）电平不匹配 TTL门作为驱动门，它的UOH2.4V,UOL0.5V； CMOS门作为负载门，它的UIH3.5V，UIL1V。 可见，TTL门的UOH不符合要求。 （2）电流匹配 CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。,（3）解决电平匹配问题,图2-33 TTL门驱动CMOS门, 外接上拉电阻RP 在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH5V。（当电源电压相同时）, 选用电平转换电路(如CC40109) 若电源电压不一致时可选用电平转换电路。 CMOS电路的电源电压可选318V； 而TTL电路的电源电压只能为5V。, 采用TTL的OC门实现

27、电平转换。 若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。,2. CMOS门驱动TTL门,（1）电平匹配 CMOS门电路作为驱动门，UOH5V，UOL0V； TTL门电路作为负载门，UIH2.0V，UIL0.8V。 电平匹配是符合要求的。,（2）电流不匹配 CMOS门电路4000系列最大允许灌电流为0.4mA， TTL门电路的IIS1.4 mA， CMOS4000系列驱动电流不足。,（3）解决电流匹配问题,CMOS电路常用的是4000系列和54HC/74HC系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。, 选用CMOS缓冲器 比如，CC4009的驱动电流可达4 mA。 选用高速CMOS系列产品 选用CMOS的54HC/74HC系列产品可以直接驱动TTL电路。,第2章 小结,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、OC门、OD门和传输门。 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。 TTL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。 CMOS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，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高。,