第2章逻辑门电路精.ppt

第2章 逻辑门电路第1页，本讲稿共41页获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。2.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性1 1、二极管的开关特性二极管的开关特性逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。二极管符号：正极负极uD 第2页，本讲稿共41页uououi0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。Ui0.5V时，二极管导通。第3页，本讲稿共41页2 2、三、三极管的开关特性极管的开关特性第4页，本讲稿共41页RbRc+VCCb ce截止状态饱和状态iBIBSui=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCb ce0.7V0.3V饱和区截止区放大区第5页，本讲稿共41页ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uoUCES0.3V第6页，本讲稿共41页3 3、场效应、场效应管的开关特性管的开关特性工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态uiUTuo0第7页，本讲稿共41页2.2 分立元件门电路分立元件门电路1 1、二极管与门二极管与门Y=AB第8页，本讲稿共41页2 2、二极管或门二极管或门Y=A+B第9页，本讲稿共41页3 3、三极管非门三极管非门uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。基极电流为：iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。三极管临界饱和时的基极电流为：第10页，本讲稿共41页当uA0V时，由于uGSuA0V，小于开启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uYVDD10V。当uA10V时，由于uGSuA10V，大于开启电压UT，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uY0V。第11页，本讲稿共41页2.3 TTL集成门电路集成门电路一、一、TTL与非门工作原理与非门工作原理第12页，本讲稿共41页0.3V1.0V3.6VT2，T5截止1.有一个输入端输入低电平有一个输入端输入低电平T4，D3导通第13页，本讲稿共41页2.1V3.6V3.6VT2饱和T5深度饱和0.7V1.0VT3，T4截止0.3V2.两个输入端都输入高电平两个输入端都输入高电平第14页，本讲稿共41页功能表功能表真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式输入有低，输出为高；输入有低，输出为高；输入全高，输出为低。输入全高，输出为低。第15页，本讲稿共41页74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。第16页，本讲稿共41页2 2、TTL非门、或非门、与或非门、与门、或门及异或门非门、或非门、与或非门、与门、或门及异或门A=0时，T2、T5截止，T3、T4导通，Y=1。A=1时，T2、T5导通，T3、T4截止，Y=0。TTL非门第17页，本讲稿共41页A、B中只要有一个为1，即高电平，如A1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y0。AB0时，iB1、iB1均分别流入T1、T1发射极，使T2、T2、T5均截止，T3、T4导通，输出为高电平，即Y1。TTL或非门第18页，本讲稿共41页A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T2导通）时，T5饱和导通、T4截止，输出Y=0。A和B不全为高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T2同时截止）时，T5截止、T4饱和导通，输出Y=1。TTL与或非门第19页，本讲稿共41页二、TTL电路的特性和参数1.抗干扰能力(1)输出高电平VOH 典型值：3.6V VOH(min)=2.4V(2)输出低电平VOL 典型值：0.3V VOL(max)=0.4V第20页，本讲稿共41页(3)输入高电平VIH VIH(min)=VON=2.0V 保证输出为低电平的最小输入高电平(4)输入低电平VIL VIL(max)=VOFF=0.8V 保证输出为高电平的最大输入低电平(5)噪声容限 VNH=VOH(min)VON VNL=VOFF VOL(max)第21页，本讲稿共41页2.带负载能力(1)输入低电平电流IIL 典型值1.6mA(2)输入高电平电流IIH 典型值40uA第22页，本讲稿共41页(3)输出低电平电流IOL带灌电流负载能力_典型值16mAIOL(max)是指输出低电平达到0.4V的最大输出电流T4截止T5饱和IOL=IC5第23页，本讲稿共41页(4)输出高电平电流IOH带拉电流负载能力_典型值0.4mAIOH(max)是指输出高电平达到2.4V的最大输出电流IOH=IE4第24页，本讲稿共41页(5)扇出系数NO 门电路能够驱动同类门电路的个数 NOH=IOH/IIH NOL=IOL/IIL NO=min(NOH,NOL)3.平均传输延迟时间tPdtPHL输出由高电平 变为低电平的时间tPLH输出由低电平 变为高电平的时间tPd=(tPHL+tPLH)/2第25页，本讲稿共41页4.功耗 PCC=VCCICC(1)空载导通功耗PON 输出为低电平时的功耗(2)空载导通功耗POFF 输出为高电平时的功耗 PON POFF第26页，本讲稿共41页TTL系列集成电路74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗P10mW。74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd9ns，平均功耗P2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。第27页，本讲稿共41页三、三、OC门及门及TSL门门？第28页，本讲稿共41页问题的提出：为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接电阻R后：A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。外接电阻R的取值范围为：OC门第29页，本讲稿共41页TSL门E0时，二极管D导通，T1基极和T2基极均被钳制在低电平，因而T2T5均截止，输出端开路，电路处于高阻状态。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。E1时，二极管D截止，TSL门的输出状态完全取决于输入信号A的状态，电路输出与输入的逻辑关系和一般反相器相同，即：Y=A，A0时Y1，为高电平；A1时Y0，为低电平。第30页，本讲稿共41页TSL门的应用：作多路开关：E=0时，门G1使能，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2使能，G1禁止，Y=B。信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余TSL门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TSL门的输出。第31页，本讲稿共41页2.3 CMOS集成门电路集成门电路1 1、CMOS非门非门（1）uA0V时，TN截止，TP导通。输出电压uYVDD10V。（2）uA10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY0V。第32页，本讲稿共41页2 2、CMOS与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门CMOS与非门A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。第33页，本讲稿共41页CMOS或非门只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。第34页，本讲稿共41页与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+BCMOS与或非门第35页，本讲稿共41页CMOS异或门3 3、CMOS OD门、门、TSL门及传输门门及传输门CMOS OD门第36页，本讲稿共41页CMOS TSL门E=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。E=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。第37页，本讲稿共41页CMOS 传输门C0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（VDD）时，TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。C1、，即C端为高电平（VDD）、端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uoui。第38页，本讲稿共41页4 4、CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项数字电路的特点及使用时的注意事项（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。CMOS数字电路的特点第39页，本讲稿共41页使用集成电路时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。第40页，本讲稿共41页利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、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、面都别具特色的三态门、OCOC门、门、ODOD门和传输门。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。电路已被集成电路所取代。TTLTTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力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。较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。CMOSCMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、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，稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOSCMOS电路的工作速度电路的工作速度已有了大幅度的提高。已有了大幅度的提高。本节小结第41页，本讲稿共41页