《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》第五版閻石第03章門電路1

1、 3.1概述 3.2分立元件門電路 3.3 TTL門電路 3.4 CMOS門電路 3.1概述 門電路是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路。 常用門電路：與門.或門、非門、與非門、或非門. 與或非門、異或門等 二極管門電路 分立門電路q I三極管門電路（MMOS n 邏輯門電路 Y MOS門電路 PMOSI1 、集成門電路q CMOS門 I TTL n電路第 3 章門電路 集成電路Integrated Circuits(IC): ：? 集成電路就是將元.器件和連線制作在一個半導(dǎo)體基片上 的完整電路. 槪： 小規(guī)模集成電路：10個門以內(nèi) 中規(guī)模集成電路：小于100個門 大規(guī)模集成電路：小于10000個門

2、超大規(guī)模集成電路：10000個門以上 根據(jù)所使用半導(dǎo)體器件不同分為： TTL電路：晶體管-晶體管邏輯電路(Transister- Tran sister-Logic) MOS電路:采用金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,縮寫 為MOSFET)制造 CMOS集成電路： 廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路 TTL集成電路： 廣泛應(yīng)用于中大規(guī)模集成電路 | 4000系列 |74HC 74HCT 74VHC 74VHCT 速度慢 速度加快 速度兩倍于74HC 與TTL不兼容 與TTL兼容 與TTL兼容 抗干

3、擾 負(fù)載能力強(qiáng) 負(fù)載能力強(qiáng) 功耗低 抗干擾 抗干擾 功耗低 功耗低 _ 74LVC 74VAUC 低(超低)電壓 速度更加快 與TTL兼容 負(fù)載能力強(qiáng) 抗千擾功耗低 74系列 T74LS系列 |_|74AS系珂74ALS獲得高、低電平的基本原理 門電路是以高/低電平來表示邏輯值 1/0 S 斷開，輸出 V。二 Vcc S 閉合，輸出 v =0 實(shí)際開關(guān)為晶體二極 管、三極管以及場效 I 應(yīng)管輕雖子器件丿 正邏輯和負(fù)邏輯 本課內(nèi)無特 殊說明均指 正邏輯 實(shí)際中高/低電平都有一個允許的范 B 在數(shù)字電路中，對電子元件、器件參數(shù)精度的要 求及其電源的穩(wěn)定度的要求比模擬電路要低。V - 輸入信號 輸出

4、信號 O O 負(fù)邏輯 低電平：1 高電平：0 3.2分立元件門電路 3.2.1 半導(dǎo)體二極管和半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性 數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)。 導(dǎo)通狀態(tài)：相當(dāng)于開關(guān)閉合 截止?fàn)顟B(tài)：相當(dāng)于開關(guān)斷開。 邏輯變量兩狀態(tài)開關(guān)： y 在邏輯代數(shù)中邏輯變量有兩種取值：0和 電子開關(guān)有兩種狀態(tài)：閉合、斷開。 半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管，則是構(gòu)成這種電子開 關(guān)的基本開關(guān)元件。 正向?qū)〞r UD（GN）QO 7V RQ幾Q幾十 a 相當(dāng)于開關(guān)閉合半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性 Z/mA / 1 ( 0.5 0.7 M/V 二極管的伏安特性曲線 /mA n O 0.5 0.7 M/V

5、二極管的伏安特性曲線 反向截止時 反向飽和電流極小 反向電阻很大（約幾百kQ） 相當(dāng)于開關(guān)斷開 二極管的開關(guān)電路: v,=v1L D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V 開關(guān)閉合 V|=V,H D截止，Vo=VOH=Vcc 開關(guān)斷開一、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性 二極管的動態(tài)電流波形: 外加電壓突然反向時，電流的變化情況 二、三極管的開關(guān)特性 三極 1=1 ;輸出特性: 在VCE 0.7V以后, * 1=1 定一個b值，即得一條曲線, 基本為水平直線 只要參數(shù)合理： 比=%時，T截止，VO=VOH V產(chǎn)時，T導(dǎo)通，VO=VOL 輸岀信號 輸入信號 雙極型三極管的基本開關(guān)電路 Vcc 3.2.2 極管與門

6、設(shè) Vcc = 5V 加到 A,B 的 VIH=3V VIL=OV 二極管導(dǎo)通時VDF=0.7Vcc A B Y OV OV 0.7V OV 3V 0.7V 3V OV 0.7V 3V 3V 3.7V Y=AB A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 A B Y A B Y OV OV OV 規(guī)定2.3V以 I 0 0 0 OV 3V 2.3V 0 1 1 3V OV 2.3V OV以下為0 1 0 1 3V 3V 2.3V 1 1 1 規(guī)定3V以上為1 07V以下為A 設(shè) Vcc = 5V 加到 A,B的 VIH=3V VIL=OV 二極管導(dǎo)通時VDF=0.7V JBJB

7、 v_ 丿 只用于 IC 內(nèi)部電路 上次課內(nèi)容回顧 含有無關(guān)項(xiàng)的邏輯函數(shù)化債 門電路及分類 分立元件門電路二極管構(gòu)成的門電路的缺點(diǎn): 電平有偏移 帶負(fù)載能力差 Vcc（+5V ） 恰 c （+5V Dj - D2 sin 07V - - K 5V a 3.3 TTL門電路 TTL集成邏輯門電路的輸入和輸出結(jié)構(gòu)均采用 半導(dǎo)體三極管，所以稱晶體管一晶體管邏輯門電路, 簡稱 TTL電路。 TTL電路的基本環(huán)節(jié)是反相器。因此首先簡單 了解 TTL反相器的電路及工作原理，掌握其特性曲 線和主要參數(shù)。 5 = 34V % =()2V 3.3.1 TTL反相器 一、電路結(jié)構(gòu) vcc = 5V 輸入級|倒相級

8、|輸出級 I 41 41 1J1J D2 _ Y (%) 刃 V結(jié)導(dǎo)通壓降 Vov = 0.7V% = 0) A輸入低電平時 vt =V = 0.2V(4 = 0) 的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通 VBI=VIL+VON=0.9V T2. T5截止 T4導(dǎo)通 仏=% (Y = 1) 輸入級!倒相級 I 2 2 O O & 130 Q 立D2 .Y (%) 輸出級 A輸入高電平時 匕=5= 3.4V(A = 1) 處于倒置工作狀態(tài)， 集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏, 不考慮匚存在情況下 VBI=VIL+VON=4-1V T2 T5導(dǎo)通，使得 VB1=0.7*3=2.1v T4截止 輸入級；倒相級 I 4 4 a

9、a 130 Q 立D2 .Y (%) 輸出級 需要說明的幾個問題 輸入級：O可以抑制負(fù)向干擾，也 可以防止輸入電壓為負(fù) 時, 發(fā)射極電流過大，起到 保護(hù)作用，稱鉗位二極 管。 中間級：厶的輸小V/門和“E2變化方向相反，故稱倒相級。 輸出級：在穩(wěn)態(tài)下，7；和?？傆幸粋€導(dǎo)通、一個截 止。 妙能降低功耗又提高了 帶負(fù)載能力，稱推拉式 。 為確保 兀導(dǎo)通時T。可靠截止。 3.2.2 TTL 非門的外部特性及主要參數(shù) 1. 電壓傳輸特性和相應(yīng)參數(shù) * 段：截止區(qū) Vz 0.6V,VSI VH = Ug VBE4 - VD2 *3C 段：線性區(qū) 07UvU/Vl3U 厶導(dǎo)通 11匸作在放人區(qū) ,幾截止,

10、 (1) 輸出高電平 V H： AB段所對應(yīng)的輸出電平， 一般大于等于 3V； (2) 輸出低電平 VOL： DE段對應(yīng)的輸出電平，一 般小于 0.4V。 V, = VTU u 1.4V,所以 Vfi| n 2.1V 截止，所以 V。迅速 In VO1 0 水 QE段：飽和區(qū) cc 130 Q 2 _ Y M vi/V 輸入級 倒相級 I I輸出級 e 匕繼續(xù) T ,而財(cái)。不變 （3）開門電平 U N 一般要求 UNW18V 關(guān)門電平U FF 一般要求 UQPPO. 8V 在保證輸出為額定低電平的條件下，允許的最 小輸入高電平的數(shù)值，稱為開門電平 U N。 在保證輸出為額定高電平的條件下，允許

11、的最大 輸入低電平的數(shù)值，稱為關(guān)門電平 Uopp。 （5）閾值電壓 UTH 電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對應(yīng)的旳值 稱為閾值電壓（又稱門檻電平）。 2. 輸入端噪聲容限 反應(yīng)抗干擾能力的物理量 低電平噪聲容限（低電平正向干擾范圍） UNL=U（）FF - UIL為電路輸入低電平的典型值 例如： UNL=0. 8-0. 3=0. 5 (V) 高電平噪聲容限（高電平負(fù)向干擾范圍） UNH UIH - U0N U】H為電路輸入高電平的典型值 例如： UNH= 3-1. 8 =1. 2 (V) 3. 輸入特性 （1）輸入短路電流Iis （輸入低電平電流） 當(dāng)二0V時，由輸入端流出的電流 IIS=-（V

12、CC-UBEI）/RI =-（5-0. 7）/4 一1 1mA 前級驅(qū)動門導(dǎo)通時，將灌入前級，稱為灌電流負(fù)載。 輸入漏電流IIH （輸入高電平 電流） 當(dāng)輸入為高電平時， i IIH IIH 很小，一般小于40|J Ao 在匚偏離和 V的一定范圍內(nèi)， V。基本不變; ,允許輸入的變化范圍 稱為輸入噪聲容限 ro % 3 IL(max) % 撿入丿 “OL W) 在輸出變化允許范圍內(nèi) OL；max) VNH = OH (nin) _ IH (nin 前級驅(qū)動門截止時，從前級流出，稱為拉電流負(fù)載。 可見，負(fù)載電流遼不可過大，否則輸出高電 平會降低。iL5mA時， 輸出 uo變化?艮大； 實(shí)際上由于

13、功耗的限制， 訂遠(yuǎn)小于 5mA。74系列門電路的運(yùn)用條件規(guī)定 訂不超過 04mA。 （2）輸出為低電平時的輸出特性 T5 飽和導(dǎo)通時 c-e間飽和導(dǎo)通內(nèi)阻很小，飽和壓降很 辰，4 輸出特性 1）輸出為高電平的輸出特性 所以負(fù)義電流增加時輸出低電平僅稍有升高。 5 輸入端負(fù)載特性 TTL反相器的輸入端對地接上電阻 Ri時，旳隨 R：的變化而變化的關(guān)系曲線。 在一定范圍內(nèi)，5 隨 Ri的增大而升高，輸出 高電平。但當(dāng)輸入電壓 5 達(dá)到 1.4V以后，= 2. IV, Ri增大，由于 UBI不變，故 5 二 14V也不 變。這時丁 2和 T5飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。 0 1 2R/kCl Ri較小時

14、，輸出高電平； Rz較大時，輸出低電平； Ri不大不小時，工作在線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)。 (1)關(guān)門電阻 ROFF 在保證門電路輸出珂卩 額定高電平的條件下，所允許的最大值稱為翼 門電阻。典型的 TTL門電路 1 Vo = VOJ 只有八 3同為 0,才有厶截止，7；導(dǎo)通=5=%/1-與非門 * A B 由多發(fā)射極三極管實(shí)現(xiàn) 當(dāng) 4 和有一個為 0.2V時， Vz/1 = 0.9V , a 裁止，兒導(dǎo)通，vu =vutt =1 當(dāng) A和同為高電平時， Vzn = 2.IV, 截止，巧和兀導(dǎo)通，Vo =vOL =0 Y = (ABY 2.或非門 Y = (A + BY 4 異或門 TTL與非門舉例 :

15、7400是一種典型的TTL與非門器件，內(nèi)部含有4個2輸上端 與非門，共有14個引腳。引腳排列圖如圖所示。 Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y 1A IB 1Y 2A 2B GND A=0,B=0 T2 T3導(dǎo)通， T4T5截止，T7T9導(dǎo)通, 丁8截止，輸出為0 A=1,B=1, T6 T?導(dǎo)通， 丁8截止輸出為0 Mz?Mz? A=0,B=1,或者A=1,B=0： T3導(dǎo)通，丁6截止，丁4丁5必 有一個導(dǎo)通，T7截止，T9 截止，丁8導(dǎo)通，輸出為1 1 推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性 輸出電平不可調(diào) 負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用一 （不能構(gòu)成“線與”結(jié)構(gòu)） 線與結(jié)構(gòu)

16、 yes no 二、集電極開路的門電路 V OC門(Open Collector) 一是會抬高 門2的低電平, 二是會因功 耗過大損壞 門電路. 2、OC 門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 水輸出端為 oc三極管 r5, 7;可承受較大電壓、電流 如 SN 7407 : 40 mA /30V 椒工作時需要外接 心，匕 J;只要 心，/取值合適，定町使 A. 8 同為高時，門飽和VOL 0 A或?yàn)?0時，八截止 匕( 以不等于匕 Q 2.OC 門應(yīng)用 ( (1) )OC 門實(shí)現(xiàn)的線與邏輯 因?yàn)閥P %有一個低， 丫即為低，只有兩者同高 ，丫才為高, 行選樣 VQC 所以 Y = YY2 = (AB y (CD )r = (AB + CD )r (2)驅(qū)動顯示器 ( (3)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換 上次課內(nèi)容回顧: TTL 反相器的工作原理 TTL 反相器的外部特性 電壓傳輸特性 輸入特性 輸出特性 輸入端負(fù)載特性 幾個參數(shù)及含義 輸入端噪聲容限、拉電流.灌電流、扇入系數(shù)、 扇出系