門電路概述和開關(guān)特性

1、第3章 門電路3.1 概述3.2 半導(dǎo)體二極管和 三極管的開關(guān)特性3.3 分立元件門電路3.4 TTL3.5 CMOS3.1 概述門電路是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路。門電路分立元件門電路集成門電路雙極型集成門（DTL、TTL）MOS集成門 NMOSPMOSCMOSCMOS：Complementary Metal_Oxide_Semiconductor 金屬-氧化物-半導(dǎo)體互補(bǔ)對稱邏輯電路ECL：Emitter-Coupled Logic射極耦合邏輯門電路BiCMOS：Bipolar CMOS正邏輯：用高電平表示邏輯1，用低電平表示邏輯0負(fù)邏輯：用低電平表示邏輯1，用高電平表示邏輯0 在數(shù)字系統(tǒng)

2、的邏輯設(shè)計(jì)中，若采用NPN晶體管和NMOS管，電源電壓是正值，一般采用正邏輯。若采用的是PNP管和PMOS管，電源電壓為負(fù)值，則采用負(fù)邏輯比較方便。今后除非特別說明，一律采用正邏輯。一、正邏輯與負(fù)邏輯VI控制開關(guān)S的斷、通情況。S斷開，VO為高電平；S接通，VO為低電平。 二、邏輯電平105V0V2V高電平下限低電平上限實(shí)際開關(guān)為晶體二極管、三極管以及場效應(yīng)管等電子器件邏輯電平高電平UH：輸入高電平UIH輸出高電平UOH低電平UL：輸入低電平UIL輸出低電平UOL邏輯“0”和邏輯“1”對應(yīng)的電壓范圍寬，因此在數(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。一、二

3、極管伏安特性3.2 半導(dǎo)體二極管和三極管的開關(guān)特性門坎電壓Uth反向擊穿電壓二極管的單向?qū)щ娦裕和饧诱螂妷海║th），二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降約為；外加反向電壓，二極管截止。uD(V) iD(mA) 0.7V3.2.1 半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性 利用二極管的單向?qū)щ娦?，相?dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制的開關(guān)。當(dāng)uI=UIL時(shí)，D導(dǎo)通，uO=0.7=UOL 開關(guān)閉合二、二極管開關(guān)特性假定：UIH=VCC ，UIL=0當(dāng)uI=UIH時(shí)，D截止，uo=VCC=UOH 開關(guān)斷開 一、雙極型三極管結(jié)構(gòu)3.2.2 雙極型三極管的開關(guān)特性 因有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電過程，故稱為雙極型三極管。NPN型PNP型二

4、、雙極型三極管輸入特性 雙極型三極管的應(yīng)用中，通常是通過b,e間的電流iB控制c,e間的電流iC實(shí)現(xiàn)其電路功能的。因此，以b,e間的回路作為輸入回路，c,e間的回路作為輸出回路。 輸入回路實(shí)質(zhì)是一個(gè)PN結(jié)，其輸入特性基本等同于二極管的伏安特性。三、雙極型三極管輸出特性放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；ubeuT， ubc0；起放大作用。截止區(qū)：發(fā)射結(jié)、集電極均反偏，ubc0V，ubeVT， ubcVT；深度飽和狀態(tài)下，飽和壓降UCEs 約為。四、雙極型三極管開關(guān)特性 利用三極管的飽和與截止兩種狀態(tài)，合理選擇電路參數(shù)，可產(chǎn)生類似于開關(guān)的閉合和斷開的效果，用于輸出高、低電平，即開關(guān)工作狀態(tài)。當(dāng)uI=

5、UIL時(shí)，三極管截止，uO=Vcc=UOH 開關(guān)斷開假定：UIH=VCC ，UIL=0當(dāng)uI=UIH時(shí)，三極管深度飽和，uo=USEs=UOL 開關(guān)閉合 MOS管是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管的簡稱。（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）由于只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，故也稱為單極型三極管。一、MOS管結(jié)構(gòu)3.2.3 MOS管的開關(guān)特性NMOS管電路符號PMOS管電路符號二、MOS管開關(guān)特性NMOS管的基本開關(guān)電路當(dāng)uI=UIL時(shí)，MOS管截止，uO=VDD=UOH 開關(guān)斷開當(dāng)uI=UIH時(shí)，MOS管導(dǎo)通，uo=0=UOL 開關(guān)閉合 選擇

6、合適的電路參數(shù)，則可以保證3.3 分立元件門電路一、二極管與門Y=AB二、二極管或門Y=A+B三、三極管非門輸入為低，輸出為高；輸入為高，輸出為低。利用二極管的壓降為，保證輸入電壓在1V以下時(shí)，開關(guān)電路可靠地截止。3.4 TTL門電路一、TTL系列門電路74：標(biāo)準(zhǔn)系列；74H：高速系列；74S：肖特基系列；74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成為功耗延遲積較小的系列。74LS系列產(chǎn)品具有最佳的綜合性能，是TTL集成電路的主流，是應(yīng)用最廣的系列。 性能比較好的門電路應(yīng)該是工作速度既快，功耗又小的門電路。因此，通常用功耗和傳輸延遲時(shí)間的乘積(簡稱功耗延遲積)來評價(jià)門電路性能的優(yōu)劣。功耗延遲積越

7、小，門電路的綜合性能就越好。74AS：先進(jìn)肖特基系列；74ALS：先進(jìn)低功耗肖特基系列。 A R1 4kW T1 T2 T4 T5 R4 R3 1KW 130W +Vcc R2 1.6KW Y D1 D2 輸入級中間級輸出級TTL非門典型電路二、74系列門電路 1.非門推拉式輸出級作用：降低功耗，提高帶負(fù)載能力輸入為低電平（）時(shí)不足以讓T2、T5導(dǎo)通三個(gè)PN結(jié)導(dǎo)通需2.1V+5VYR4R2R1k T2R5R3T4T1T5b1c1A1.6k 1301k D2D1(vI)vCCuo=5-uR2-uD2-ube4高電平！PNN輸入高電平（）時(shí)“1”全導(dǎo)通電位被嵌在1V截止+5VYR4R2R1k T2

8、R5R3T4T1T5b1c1A1.6k 1301k D2D1(vI)vCCuY低電平u0(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.2V)傳輸特性曲線u0(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.2V)閾值UT理想的傳輸特性輸出高電平輸出低電平電壓傳輸特性AB段： VI 0.6V 截止區(qū) 所以 VB1，T2和T5截止故輸出為高電平VOH VOH=VCC -VR2 -VBE4 -VD2 BCV VI 0.7V 線性區(qū)T2工作于放大區(qū)，T5截止隨著VI的升高，VC2和VO線性下降CD段： VI 轉(zhuǎn)折區(qū) T2和T5 同時(shí)導(dǎo)通，輸出電位急劇下降為低電平；轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)對應(yīng)的輸入電壓稱為閾值電壓

9、用VI H 表示.DE段：飽和區(qū) VI 繼續(xù)升高時(shí)VO不再變化表示.+5VR4R2R5T3T4R1T1+5V前級后級反偏流出前級電流IOH（拉電流）A.高電平輸出特性電壓輸出特性1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1R1T1+5V前級后級流入前級的電流IOL 約 1.4mA (灌電流)B.低電平輸出特性0TTL與非門典型電路區(qū)別：T1改為多發(fā)射極三極管。2.與非門TTL或非門典型電路區(qū)別：有各自的輸入級和倒相級，并聯(lián)使用共同的輸出級。VVVVV3.或非門4.與或非門11ABY0000110110VVVVVVVV5.異或門11ABY0000110110VVVVVVV三、74S系列門電路 7

10、4S系列又稱肖特基系列。采用了抗飽和三極管，或稱肖特基晶體管，是由普通的雙極型三極管和肖特基勢壘二極管SBD組合而成。SBD的正向壓降約為，使晶體管不會進(jìn)入深度飽和，其Ube限制在左右，從而縮短存儲時(shí)間，提高了開關(guān)速度?？癸柡腿龢O管四、74LS系列常用芯片與門Y=AB=AB或門Y=A+B=A+B異或門五、TTL門電路的重要參數(shù)1.電壓傳輸特性：輸出電壓跟隨輸入電壓變化的關(guān)系曲線。測試電路電壓傳輸特性低電平輸入電壓UIL，max高電平輸入電壓UIH，min2V低電平輸出電壓UOL，max高電平輸出電壓UOH，min74LS系列門電路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： 實(shí)際應(yīng)用中，由于外界干擾、電源波動等原因，可能使輸入

11、電平UI偏離規(guī)定值。為了保證電路可靠工作，應(yīng)對干擾的幅度有一定限制，稱為噪聲容限。 2.輸入噪聲容限 高電平噪聲容限是指在保證輸出低電平的前提下，允許疊加在輸入高電平上的最大噪聲電壓(負(fù)向干擾)，用UNH表示： 低電平噪聲容限是指在保證輸出高電平的前提下，允許疊加在輸入低電平上的最大噪聲電壓(正向干擾)，用UNL表示： UNL = UIL,maxUILUNH = UIHUIH,min1輸出0輸出1輸入0輸入U(xiǎn)OH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO輸入低電平噪聲容限：UNL=UIL,maxUOL,max輸入高電平噪聲容限：UNH=UOH,minUIH,mi

12、n74LS系列門電路前后級聯(lián)時(shí)的輸入噪聲容限為：UNLUNH5V0V5V2V0V3.扇出系數(shù)扇出系數(shù)N是指門電路能夠驅(qū)動同類門的數(shù)量。 要求：前級門在輸出高、低電平時(shí)，要滿足其輸出電流IOH和IOL均大于或等于N個(gè)后級門的輸入電流的總和。 計(jì)算：輸出為高電平時(shí)，可以驅(qū)動同類門的數(shù)目N1； 輸出為低電平時(shí)，可以驅(qū)動同類門的數(shù)目N2； 扇出系數(shù)min（N1，N2）。 低電平輸入電流IIL，max高電平輸入電流IIH，max20A低電平輸出電流IOL，max8mA高電平輸出電流IOH，max74LS系列門電路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：關(guān)于電流的技術(shù)參數(shù)扇出系數(shù):門電路輸出驅(qū)動同類門的個(gè)數(shù)+5VR4R2R5T3T4T

13、1前級T1T1IiH1IiH3IiH2IOH前級輸出為 高電平時(shí)后級+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前級IOLIiL1IiL2IiL3前級輸出為 低電平時(shí)后級輸出低電平時(shí)，流入前級的電流（灌電流）：輸出高電平時(shí)，流出前級的電流（拉電流）：與非門的扇出系數(shù)一般是10。例：如圖，試計(jì)算74LS系列非門電路G1最多可驅(qū)動多少個(gè)同類門電路。解： G1輸出為低電平時(shí)，可以驅(qū)動N1個(gè)同類門；應(yīng)滿足 IOL N1 |IIL| G1輸出為高電平時(shí)，可以驅(qū)動N2個(gè)同類門； Nmin（N1,N2） 20N1 IOL / |IIL| 8mA/0.4mA 20應(yīng)滿足 |IOH| N2 IIHN2 |IOH|

14、 / IIH 20六、集電極開路的門電路（OC門）Y&AB&CD& Y&AB&CD“線與”推拉式輸出級并聯(lián)1.“線與”的概念 普通的TTL門電路不能將輸出端直接并聯(lián)，進(jìn)行線與。解決這個(gè)問題的方法就是把輸出級改為集電極開路的三極管結(jié)構(gòu)。 OC門電路在工作時(shí)需外接上拉電阻和電源。只要電阻的阻值和電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就可保證輸出的高、低電平符合要求，輸出三極管的負(fù)載電流又不至于過大。門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABCOC應(yīng)用時(shí)輸出端要接一上拉負(fù)載電阻RLRLUCC3、OC門可以實(shí)現(xiàn)“線與”功能&UCCF1F2F3FF=F1F2F3RL輸出級UCCRLT5T5

15、T5F=F1F2F3?UCCRLF1F2F3F任一導(dǎo)通F=0UCCRLF1F2F3F全部截止F=1F=F1F2F3?所以：F=F1F2F3!OC門的輸出并聯(lián)“線與”功能當(dāng)n個(gè)前級門輸出均為高電平，即所有OC門同時(shí)截止時(shí)，為保證輸出的高電平不低于規(guī)定的UOH，min值，上拉電阻不能過大，其最大值計(jì)算公式：4.外接上拉電阻RU(RL)的計(jì)算方法RL當(dāng)所有OC同時(shí)截止時(shí)，輸出為高電平。為保證高電平不低于規(guī)定的VOH值，應(yīng)滿足：即：（n為OC門的輸出端個(gè)數(shù)，m為TTL與非門的輸入端個(gè)數(shù)）當(dāng)n個(gè)前級門中有一個(gè)輸出為低電平，即所有OC門中只有一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，全部負(fù)載電流都流入導(dǎo)通的那個(gè) OC門，為確保流入導(dǎo)通

16、OC門的電流不至于超過最大允許的IOL，max值，RL值不可太小，其最小值計(jì)算公式：RL當(dāng)OC門中只有一個(gè)導(dǎo)通時(shí)。這時(shí)負(fù)載電流全部都流入導(dǎo)通的哪個(gè)OC門，所以RL不能太小。應(yīng)滿足：即：最后選定的RL介于最大值和最小值之間。LLL門的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)線與?？梢院喕娐?，節(jié)省器件。實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。如圖所示，可使輸出高電平變?yōu)?0V。用做驅(qū)動器。如圖是用來驅(qū)動發(fā)光二極管的電路。七、三態(tài)輸出門電路（TS門）1.三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號功能表EN=0EN=1Y高阻態(tài)輸出有三種狀態(tài)： 高電平、低電平、高阻態(tài)。控制端或使能端高電平有效低電平有效兩種控制模式：E1E2E3公用總線三態(tài)門主要作為TTL電路與總線間的接口

17、電路E1、E2、E3分時(shí)接入高電平2.三態(tài)門的應(yīng)用數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu) 只要控制各個(gè)門的EN端輪流為1，且任何時(shí)刻僅有一個(gè)為1，就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)門分時(shí)地向總線傳輸。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸 EN=1，G1工作，G2高阻，A經(jīng)G1反相送至總線； EN=0，G1高阻，G2工作，總線數(shù)據(jù)經(jīng)G2反相從Y端送出。八、TTL門電路多余輸入端的處理1.與非門的處理“1”懸空2.或非門、與或非門的處理“0”（1）CMOS電路的工作速度比TTL電路的低。（2）CMOS帶負(fù)載的能力比TTL電路強(qiáng)。（3）CMOS電路的電源電壓允許范圍較大，約在318V，抗干擾能力比TTL電路強(qiáng)。（4）CMOS電路的功耗比TTL電路小得多。門電路的功耗只有幾個(gè)W，中規(guī)模集成電路的功耗也不會超過100W。（5）CMOS集成電路的集成度比TTL電路高。（6）CMOS電路容易受靜電感應(yīng)而擊穿，在使用和存放時(shí)應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時(shí)電烙鐵應(yīng)接地良好，尤其是CMOS電路多余不用的輸入端不能懸空，應(yīng)根據(jù)需要接地或接高電平。3.5 CMOS門電路CMOS電路的特點(diǎn)：常用CMOS邏輯門器件系列： 4000系列； 74HC系列高速CMOS系列。 一、MOS管的開關(guān)特性輸入低電平，NMOS管截止；輸入高電平，NMOS管導(dǎo)通。輸入低電平，PMOS管導(dǎo)通；輸入高電平，PMOS管截止。二、CMOS非門CM