门电路-资料优秀PPT.ppt

Southwestern University数字电子技术数字电子技术贺付亮贺付亮电子信息工程学院电子信息工程学院fulighter163 半导体二极管门电路半导体二极管门电路1CMOS门电路门电路2TTL门电路门电路3 CMOS与与TTL之间接口电路之间接口电路4第三章第三章 门电路门电路1.门电路门电路是用以实现是用以实现逻辑关系逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相的电子电路，与基本逻辑关系相对应。对应。门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等门等。门电路的两种输入，输出电平：门电路的两种输入，输出电平：高电平、低电平。它们分别对应逻高电平、低电平。它们分别对应逻辑电路的辑电路的1,0状态。状态。留意：各种门电路的工作留意：各种门电路的工作原理，只要求一般驾驭；原理，只要求一般驾驭；而各种门电路的外部特性而各种门电路的外部特性和应用是要求重点。和应用是要求重点。3.1 概述概述3.正负逻辑正负逻辑 正正逻逻辑辑：用用高高电电平平代代表表1、低低点点平平代代表表0。（数数字字电电路路中接受）中接受）负逻辑：用高电平代表负逻辑：用高电平代表0、低点平代表、低点平代表1。2.凹凸电平凹凸电平 高电平：数字电路中较高电平代数值的范围。高电平：数字电路中较高电平代数值的范围。低电平：数字电路中较低电平代数值的范围。低电平：数字电路中较低电平代数值的范围。tvVHVL正逻辑10tvVHVL负逻辑10高电平高电平低电平低电平3.1 概述概述4.集成电路集成电路n IC（Integrated Circuits）：）：将元、器件制作在同一硅片上，将元、器件制作在同一硅片上，以实现电路的某些功能。以实现电路的某些功能。n SSI（Small-Scale Integration）：）：10个门电路。个门电路。n MSI（Medium-Scale Integration）：）：10100个门电路。个门电路。n LSI（Large-Scale Integration）：）：100010000个门电路。个门电路。n VLSI（Very Large-Scale Integration）：）：10000个门电路。个门电路。3.1 概述概述19611961年美国德克萨斯仪器公年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文司首先制成集成电路。英文Integrated Circuit,Integrated Circuit,简称简称ICIC。集成电路的优点：体积小、集成电路的优点：体积小、重量轻、牢靠性高，功耗低。重量轻、牢靠性高，功耗低。目前单个集成电路上已能作目前单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面出数千万个三极管，而其面积只有数十平方毫米。积只有数十平方毫米。1.半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性二极管具有单向导电性：二极管具有单向导电性：正向导通，反向截止，相当于一个受电压限制的正向导通，反向截止，相当于一个受电压限制的电子开关。电子开关。门电路的实现门电路的实现电子开关，用来接通或断开电路的开关器件。电子开关，用来接通或断开电路的开关器件。两种工作状态：两种工作状态：1）接通（要求其阻抗很小，相当于短路）接通（要求其阻抗很小，相当于短路）2）断开（要求其阻抗很大，相当于开路）断开（要求其阻抗很大，相当于开路）3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路2.二极管与门二极管与门3.二极管或门二极管或门ABY3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路由于这些电由于这些电路有严峻的路有严峻的缺点，在集缺点，在集成电路中并成电路中并不运用，但不运用，但可帮助理解可帮助理解集成门的工集成门的工作原理。作原理。MOS门电路：以门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。管作为开关元件构成的门电路。MOS管管有有NMOS管管和和PMOS管管两两种种。当当NMOS管管和和PMOS管管成成对对出出现现在在电电路路中中，且且二二者者在在工工作作中中互互补补，称称为为CMOS管管(意意为为互互补补)。MOS管管有有增增加加型型和和耗耗尽尽型型两两种种。在在数字电路中，多接受增加型。数字电路中，多接受增加型。3.3 CMOS门电路门电路3.3 CMOS门电路门电路MOS门电路特点：对比门电路特点：对比TTL门电路门电路1、限制信号：、限制信号：TTL为电流限制器件，为电流限制器件，MOS属于电压限制器件。属于电压限制器件。2、电路极性：、电路极性：TTL为双极性电路，为双极性电路，MOS属于单极性电路。属于单极性电路。双极性电路：电源电压对地为正，只有正逻辑；双极性电路：电源电压对地为正，只有正逻辑；单极性电路：包括正、负两种逻辑单极性电路：包括正、负两种逻辑 。3、功耗问题：、功耗问题：TTL功耗大（功耗大（15mA/门），门），MOS管功耗较低。管功耗较低。4、驱动实力：、驱动实力：MOS管常用来电源开关，以及大电流地方开关电路。管常用来电源开关，以及大电流地方开关电路。5、逻辑电平范围：、逻辑电平范围：MOS电路凹凸电平相差大，抗干扰强，逻辑电平电路凹凸电平相差大，抗干扰强，逻辑电平范围在（范围在（515V）;TTL电路凹凸电平相差小，只能在电路凹凸电平相差小，只能在5V下工作。下工作。CMOS反相器反相器PMOS管NMOS管 工工作作特特点点：TP和和VTN总总是是一一管管导导通通而而另另一一管管截截止止，流流过过VTP和和VTN的的静静态态电电流流微微小小（纳安数量级）。（纳安数量级）。因因而而CMOS反反相相器器的的静静态态功功耗耗微微小小。这这是是CMOS电电路路最最突出的优点之一。突出的优点之一。3.3 CMOS门电路门电路AZ0110AZCMOS与非门与非门AVDDZBQ1Q2Q3Q4ABQ1Q2Q3Q4ZLLHHLHLHoffoffononononoffoffoffonoffononoffonoffHHHLABZ001101011110ABZ3.3 CMOS门电路门电路CMOS三态门三态门 当当EN=0时，时，TG导通，导通，F=A；当当EN=1时，时，TG截止，截止，F为高阻输出。为高阻输出。3.3 CMOS门电路门电路Three-state gate是是一种重要的总线接口一种重要的总线接口电路。电路。三态三态:指其输出既可指其输出既可以是一般二值逻辑电以是一般二值逻辑电路的正常的高电平或路的正常的高电平或低电平，又可以保持低电平，又可以保持特有的高阻抗状态特有的高阻抗状态（Hi-Z）。）。处于高阻抗状态时，处于高阻抗状态时，输出电阻很大，相当输出电阻很大，相当于开路，没有任何逻于开路，没有任何逻辑限制功能。辑限制功能。高阻态的意义高阻态的意义:实际实际电路中在不断开电路电路中在不断开电路下实现功能性断开。下实现功能性断开。CMOS系列及命名方法系列及命名方法74FAMnn前缀系列助记符功能数字 前缀：前缀：74商用系列；商用系列；54军用系列。军用系列。助记符：以字母表示系列类型。助记符：以字母表示系列类型。功能数字：以数字表示电路的功能数字：以数字表示电路的逻辑功能。逻辑功能。3.3 CMOS门电路门电路HC（High-speed CMOS，高速，高速CMOS 系列）；系列）；HCT（High-speed CMOS,TTL compatible，与，与TTL兼兼容的高速容的高速CMOS 系列）；系列）；VHC（Very High-speed CMOS，甚，甚高速高速CMOS 系列）系列）；VHCT:Very High-speed CMOS,TTL compatible，与与TTL兼容的兼容的甚甚高速高速CMOS 系系列）。列）。例：例：74HC04-商用高商用高速速CMOS 六反相六反相器；器；74HCT00-商用商用高速高速CMOS 四四-二二输入与非门。输入与非门。CMOS电路的运用留意事项电路的运用留意事项 输入电路的静电爱护输入电路的静电爱护 CMOS电路的输入端设置了爱护电路，给运用者带电路的输入端设置了爱护电路，给运用者带来很大便利。但是，这种爱护还是有限的。应留意以下几来很大便利。但是，这种爱护还是有限的。应留意以下几点：点：（1）全全部部与与CMOS电电路路干干脆脆接接触触的的工工具具、仪仪表表等等必必需牢靠接地。需牢靠接地。（2）存存储储和和运运输输CMOS电电路路，最最好好接接受受金金属属屏屏蔽蔽层层做包装材料。做包装材料。3.3 CMOS门电路门电路 多余或短暂不用的输入端的处理多余或短暂不用的输入端的处理（1）多余或短暂不用的输入端的不能悬空；）多余或短暂不用的输入端的不能悬空；（2）与其它输入端并联运用。）与其它输入端并联运用。3.3 CMOS门电路门电路ABFC 多余或短暂不用的输入端的处理多余或短暂不用的输入端的处理3.3 CMOS门电路门电路 （3）将将不不用用的的输输入入端端依依据据电电路路功功能能要要求求接接电电源源或或接接地地。比比如如将将与与门门、与与非非门门的的多多余余输输入入端端接接电电源源，将将或或门门、或或非非门的多余输入端接地。门的多余输入端接地。一一般般，接接电电源源时时需需接接上上拉拉电电阻阻；接接地地时时需需接接下下拉拉电电阻阻。典型值典型值1-10k。ABFC+5V1k上拉电阻保持上拉电阻保持高电平高电平下拉电阻保持下拉电阻保持低电平低电平ABFC1k 电路设计与安装应尽量消退噪声，保证电路稳定工作。电路设计与安装应尽量消退噪声，保证电路稳定工作。（1）在在每每一一块块插插板板的的电电源源线线上上，并并接接几几十十F的的低低频频去去耦耦电电容容和和0.010.047F的的高高频频去去耦耦电电容容，以以防防止止TTL电电路路的的动态尖峰电流产生的干扰。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。整机装置应有良好的接地系统。3.3 CMOS门电路门电路双极性三极管的开关特性（静态）双极性三极管的开关特性（静态）在在数数字字电电路路中中，三三极极管管作作为为开开关关元元件件，主主要要工工作作在在饱饱和和和和截止截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。3.4 TTL门电路门电路TTL (Transistor-Transistor Logic):三极管三极管三极管三极管逻辑电路。逻辑电路。TTL反相器（反相器（Transistor-Transistor Logic）电路结构电路结构3.4 TTL门电路门电路TTL与非门与非门全全1 输出输出0有有0输出输出11V2.1V3.4 TTL门电路门电路TTL三态门三态门01截止截止YAB3.4 TTL门电路门电路baseemittercollectorR2R1VINVOUTQ1VCC肖特基系列肖特基系列TTL门电路门电路肖特基三极管（肖特基三极管（Schottky Transistors）3.4 TTL门电路门电路华特华特 肖特基博士独创，利用金属与半导体接触形成的肖特基博士独创，利用金属与半导体接触形成的金属半导体结原理制作的。低功耗、大电流、超高金属半导体结原理制作的。低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向复原时间极短，正向导通压降速半导体器件。其反向复原时间极短，正向导通压降仅仅0.4V0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。左右，而整流电流却可达到几千毫安。5.TTL系列系列 74S(Schottky TTL):肖特基肖特基TTL系列，比一般系列，比一般74系列速系列速度高，但功耗大。度高，但功耗大。74LS(Low-power Schottky TTL):低功耗肖特基低功耗肖特基TTL系列，系列，比一般比一般74系列速度高，功耗只有其系列速度高，功耗只有其1/5。74AS(Advanced Schottky TTL):改进型肖特基改进型肖特基TTL系列，系列，比一般肖特基系列速度高一倍，功耗相同。比一般肖特基系列速度高一倍，功耗相同。3.4 TTL门电路门电路 74F(Fast TTL):高速高速肖特基肖特基TTL系列，功耗、速度系列，功耗、速度介于介于 74AS 和和 74ALS 之间。之间。TTL集成电路多余或短暂不用的输入端的处理集成电路多余或短暂不用的输入端的处理 （1）多多余余或或短短暂暂不不用用的的输输入入端端的的一一般般不不悬悬空空，但但可可以悬空；悬空时相当于接高电平。以悬空；悬空时相当于接高电平。（2）与其它输入端并联运用。）与其它输入端并联运用。（3）将将不不用用的的输输入入端端依依据据电电路路功功能能要要求求接接电电源源或或接接地地。一一般般，接接电电源源时时需需接接上上拉拉电电阻阻；接接地地时时需需接接下下拉拉电电阻阻。典型值典型值1-10k。3.4 TTL门电路门电路 （4）严禁带电操作，要在电路切断电源的时候，插拔和）严禁带电操作，要在电路切断电源的时候，插拔和焊接集成电路块，否则简洁引起集成电路块的损坏。焊接集成电路块，否则简洁引起集成电路块的损坏。3.5 TTL电路与电路与CMOS电路的接口电路电路的接口电路 TTL和和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，须要接受电路的电压和电流参数各不相同，须要接受接口电路。接口电路。一般要考虑两个问题：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供应符合标准的一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门供应符合标准的输出高电平和低电平；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供应足够大的驱二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门供应足够大的驱动电流。动电流。3.5 TTL电路与电路与CMOS电路的接口电路电路的接口电路1.TTL门驱动门驱动CMOS门门 （1）电平不匹配）电平不匹配TTL门作为驱动门，它的门作为驱动门，它的UOH2.4V,UOL0.5V；CMOS门作为负载门，它的门作为负载门，它的UIH3.5V，UIL1V。可见，可见，TTL门的门的UOH不符合要求不符合要求。（2）电流匹配）电流匹配CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。3.5 TTL电路与电路与CMOS电路的接口电路电路的接口电路（3）解决电平匹配问题）解决电平匹配问题 TTL门驱动门驱动CMOS门门 外接上拉电阻外接上拉电阻RP 在在TTL门电路的输出门电路的输出端外接一个上拉电阻端外接一个上拉电阻RP，使使TTL门电路的门电路的UOH5V。（当电源电压相同时）（当电源电压相同时）3.5 TTL电路与电路与CMOS电路的接口电路电路的接口电路选用电平转换电路选用电平转换电路(如如CC40109)若电源电压不一样时可选用电平转换电路。若电源电压不一样时可选用电平转换电路。CMOS电路的电源电压可选电路的电源电压可选318V；而而TTL电路的电源电压只能为电路的电源电压只能为5V。接受接受TTL的的OC门实现电平转换。门实现电平转换。若电源电压不一样时也可选用若电源电压不一样时也可选用OC门实现电平转换。门实现电平转换。3.5 TTL电路与电路与CMOS电路的接口电路电路的接口电路2.CMOS门驱动门驱动TTL门门（1）电平匹配）电平匹配 CMOS门电路作为驱动门，门电路作为驱动门，UOH5V，UOL0V；TTL门电路作为负载门，门电路作为负载门，UIH2.0V，UIL0.8V。电平匹配是符合要求的。电平匹配是符合要求的。（2）电流不匹配）电流不匹配 CMOS门电路门电路4000系列最大允许灌电流为系列最大允许灌电流为0.4mA，TTL门电路的门电路的IIS1.4 mA，CMOS4000系列驱动电流不足。系列驱动电流不足。3.5 TTL电路与电路与CMOS电路的接口电路电路的接口电路 （3）解决电流匹配问题）解决电流匹配问题 CMOS电路常用的是电路常用的是4000系列和系列和54HC/74HC系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。选用选用CMOS缓冲器缓冲器 比如，比如，CC4009的驱动电流可达的驱动电流可达4 mA。选用高速选用高速CMOS系列产品系列产品选用选用CMOS的的54HC/74HC系列产品可以干脆驱系列产品可以干脆驱动动TTL电路。电路。表1 各种系列门电路的主要参数表2 常用集成门电路(TTL系列）型号名称主要功能74LS00四2输入与非门74LS02四2输入或非门74LS04六反相器74LS05六反相器OC门74LS08四2输入与门74LS13双4输入与非门施密特触发74LS308输入与非门74LS32四2输入或门74LS644-2-3-2输入与或非门74LS13313输入与非门74LS136四异或门OC输出74LS365六总线驱动器同相、三态、公共控制74LS368六总线驱动器反相、三态、两组控制表3 常用集成门电路(CMOS系列）型号名称主要功能CC4001四2输入或非门CC4011四2输入与非门CC4030四异或门CC4049六反相器CC4066四双向开关CC4071四2输入或门CC4073三3输入与门CC4077四异或非门CC40788输入或/或非门CC40862-2-2-2输入与或非门可扩展CC4097双8选1模拟开关CC4502六反相器/缓冲器三态、有选通端Southwestern University本章结束！本章结束！感谢大家！感谢大家！