数电第二章门电路.ppt

门电路门电路 (Gate Circuit)(Gate Circuit)指指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一是构成数字电路的基本单元之一门电路门电路一、门电路的作用和常用类型一、门电路的作用和常用类型 按功能特点不同分按功能特点不同分 普通门普通门(推拉式输出推拉式输出)CMOSCMOS传输门传输门 输出输出开路门开路门 三态门三态门 按逻辑功能不同分按逻辑功能不同分 与门与门 或门或门 非门非门 异或门异或门 与非门与非门 或非门或非门 与或非门与或非门 按电路结构不同分按电路结构不同分 TTLTTL 集成门电路集成门电路 CMOSCMOS 集成门电路集成门电路 输输入入端端和和输输出出端端都都用用三极管的逻辑门电路。三极管的逻辑门电路。用互补对称用互补对称 MOS MOS 管管构成的逻辑门电路。构成的逻辑门电路。二、高电平和低电平的含义二、高电平和低电平的含义 高电平和低电平为某高电平和低电平为某规定范围规定范围的电位值，而非一固定值。的电位值，而非一固定值。高电平信号是多大的信号？低高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？电平信号又是多大的信号？1 10 0高电平高电平低电平低电平0 01 1高电平高电平低电平低电平正逻辑体制正逻辑体制负逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定由门电路种类等决定 TTLTTL和和CMOSCMOS的主要区别的主要区别 1.1.CMOSCMOS是场效应管构成，是场效应管构成，TTLTTL为双极晶体管构成为双极晶体管构成 2 2.COMS.COMS的的逻逻辑辑电电源源范范围围比比较较大大（5 515V15V），TTLTTL只只能能在在5V5V下下工工作作3 3.CMOS.CMOS的的高高低低电电平平之之间间相相差差比比较较大大、抗抗干干扰扰性性强强，TTLTTL则则相相差差小，抗干扰能力差。小，抗干扰能力差。4 4.CMOS.CMOS的工作频率较的工作频率较TTLTTL低，一般来说，低，一般来说，TTLTTL工作速度比较快。工作速度比较快。VD1 VD3 在正常信号输在正常信号输入时不工作，因此下面的分入时不工作，因此下面的分析中不予考虑。析中不予考虑。RB、RC 和和V6 所构成的有源泄放电路的所构成的有源泄放电路的作用是提高开关速度，它们作用是提高开关速度，它们不影响与非门的逻辑功能，不影响与非门的逻辑功能，因此下面的工作原理分析中因此下面的工作原理分析中也不予考虑。也不予考虑。因为抗饱和三极管因为抗饱和三极管 V1的集电结导通电压为的集电结导通电压为 0.4 V，而，而 V2、V5 发射结导通电发射结导通电压为压为 0.7 V，因此要使，因此要使 V1 集集电结和电结和 V2、V5 发射结导通，发射结导通，必须必须 uB1 1.8 V。0.3 V3.6 V3.6 V 输入端有一个或数个为输入端有一个或数个为 低电平时，低电平时，输出高电平。输出高电平。输入低电平端对应的发射结输入低电平端对应的发射结导通，导通，uB1=0.7 V+0.3 V=1 VV1管其他发射结因反偏而截止。管其他发射结因反偏而截止。1 V这时这时 V2、V5 截止。截止。V2 截止截止使使 V1 集电极等效电阻很大，使集电极等效电阻很大，使 IB1 IB1(sat)，V1 深度饱和。深度饱和。V2 截止使截止使 uC2 VCC=5 V，5 V因此，输入有低电平时，输出为高电平。因此，输入有低电平时，输出为高电平。截止截止截止截止深度深度饱和饱和V3 微饱和，微饱和，V4 放大工作。放大工作。uY=5V-0.7 V-0.7 V=3.6 V电路输出为高电平。电路输出为高电平。微饱和微饱和放大放大TTL TTL 与非门的工作原理与非门的工作原理 综上所述综上所述,该电路实现了与非逻辑功能该电路实现了与非逻辑功能,即即3.6 V3.6 V3.6 V因此，因此，V1 发射结反偏而集电极发射结反偏而集电极正偏，称正偏，称处于倒置放大状态。处于倒置放大状态。1.8 V这时这时 V2、V5 饱和。饱和。uC2=UCE2(sat)+uBE5 =0.3 V+0.7 V=1 V使使 V3 导通，而导通，而 V4 截止。截止。1 V uY=UCE5(sat)0.3 V 输出为低电平输出为低电平 因此，输入均为高电平时，输出为低电平。因此，输入均为高电平时，输出为低电平。0.3 V V4 截止使截止使 V5 的等效集电极的等效集电极电阻很大，使电阻很大，使 IB5 IB5(sat)，因，因此此 V5 深度饱和。深度饱和。倒置放大倒置放大饱饱和和饱和饱和截止截止导通导通TTL 电路输入端悬电路输入端悬空时相当于输入高电平。空时相当于输入高电平。输入均为高电平时，输入均为高电平时，输出低电平输出低电平 VCC 经经 R1 使使 V1 集电结和集电结和 V2、V5 发射结导通，使发射结导通，使uB1=1.8 V。深深注意注意2.TTL2.TTL与非门的工作原理与非门的工作原理 一、一、电压传输特性电压传输特性 TTL与非门的外特性和技术参数与非门的外特性和技术参数测试电路测试电路&+5Vuiu0u0(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线u0(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值阈值UT=1.4V理想的传输特性理想的传输特性输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平1、输出输出高电平高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为便认为合格合格。典型值典型值UOH=3.4V UOL 0.3V。2、输入输入高电平高电平UIH、输入低电平、输入低电平UIL UIH 2.0V UIL 0.8V 便认为便认为合格合格。7474系列电路典型参数系列电路典型参数3、输入端噪声容限输入端噪声容限VNH=VOH(min)-VIH(min)=2.4-2.0 =0.4VVNL=VIL(max)-VOL(max)=0.8-0.4 =0.4V噪声容限越大，抗干扰能力越强。噪声容限越大，抗干扰能力越强。输入信号上叠加的噪声电压只要不超输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为能，这个允许值称为噪声容限噪声容限。结论：结论：二、输入、输出特性，负载特性二、输入、输出特性，负载特性&？1、前后级之间电流的联系、前后级之间电流的联系2、扇出系数扇出系数：驱动同类门的个数驱动同类门的个数+5VR4R2R5T3T4T1前级前级T1T1IiH1IiH3IiH2IOH前级输出为前级输出为 高电平时高电平时拉电流拉电流+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为前级输出为 低电平时低电平时灌电流灌电流 不不管管是是灌灌电电流流负负载载还还是是拉拉电电流流负负载载，负负载载电电流流都都不不能能超超过过其其最最大大允允许许电电流流，否否则则将将导导致致电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。工作原则：工作原则：输出低输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出高输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：电平时，流出前级的电流（拉电流）：与非门的扇出系数一般是与非门的扇出系数一般是10。例例 题题输出高电平输出高电平保证输出电流不会超过保证输出电流不会超过 最大额定电流。最大额定电流。输出低电平输出低电平保证倒灌电流不会击穿保证倒灌电流不会击穿T T5 5。结果：扇出系数结果：扇出系数N=10N=10VOH3.2V，IOH0.4mA，IIH=40A。VOL0.2V，iL=16mA，iI=-1mA。3、输入端接一电阻、输入端接一电阻R接地接地Rui“1”,“0”？+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1R增大增大Ruiui=UT时，输出低电平。时，输出低电平。R=0.7 K Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c11、悬空的输入端相当于接高电平。、悬空的输入端相当于接高电平。2、为了防止干扰，可将悬空的输入、为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。端接高电平。2、普通与非门输出端普通与非门输出端“线与线与”会产生短路电流损坏器件，会产生短路电流损坏器件，如下图。如下图。集电极开路的门电路（集电极开路的门电路（OCOC门）门）3、用用OCOC门合理选择上拉电阻门合理选择上拉电阻R R，可可“线与线与”1、“线与线与”：多个门的输出端通过信号线直接相与：多个门的输出端通过信号线直接相与 相当于与门作用。相当于与门作用。因为因为 Y1、Y2 中有低电中有低电平时，平时，Y 为低电平；只有为低电平；只有 Y1、Y2 均为高电平时，均为高电平时，Y才为高电平，故才为高电平，故 Y=Y1 Y2。应用：应用：(1)(1)实现线与实现线与两个或多个两个或多个 OC OC 门的输出端直接相连，相当于将这些门的输出端直接相连，相当于将这些输出信号相与，称为线与。输出信号相与，称为线与。Y只有只有 OC 门才能实现线与。普通门才能实现线与。普通 TTL 门输出端不能并联，否则可能损坏器件。门输出端不能并联，否则可能损坏器件。注意注意(2)(2)驱动显示器和继电器等驱动显示器和继电器等 例例 下图为用下图为用 OC 门驱动发光二极管门驱动发光二极管 LED 的显示电路。的显示电路。已知已知 LED 的正向导通压降的正向导通压降 UF=2V，正向工作电流，正向工作电流 IF=10 mA，为保证电路正常工作，试确定，为保证电路正常工作，试确定 RC 的值。的值。解解：为保证电路正常工作，应满足为保证电路正常工作，应满足 分析：分析：该电路只有在该电路只有在 A、B 均为高均为高电平，使输出电平，使输出 uO 为低电平时，为低电平时，LED 才导通发光；否则才导通发光；否则 LED 中中无电流流通，不发光。无电流流通，不发光。要使要使 LED 发光，应满足发光，应满足IRc IF=10 mA。&ABF符号符号功能表功能表低电平起作用低电平起作用三态门（三态门（TSLTSL）&ABF符号符号功能表功能表高电平起作用高电平起作用三态门（三态门（TSLTSL）E1E2E3公公用用总总线线三态门主要作为三态门主要作为TTL电路与电路与总线总线间间的的接口电路接口电路用途：用途：E1,E2,E3分时复用分时复用集成门的选用集成门的选用实实物物图图片片 不同系列不同系列 TTL TTL 中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速度度(平均传输延迟时间平均传输延迟时间 t tpdpd )和平均功耗不同。实际使用和平均功耗不同。实际使用时，时，高速门电路可以替换低速的；反之则不行。高速门电路可以替换低速的；反之则不行。例如例如 CT7400CT7400CT74L00CT74L00CT74H00CT74H00CT74S00CT74S00CT74LS00CT74LS00CT74AS00CT74AS00CT74ALS00 CT74ALS00 xx74xx00 xx74xx00 引脚图引脚图 双列直插双列直插 14 14 引脚引脚四四 2 2 输入与非输入与非门门 TTL TTL 集成逻辑门的使用要点集成逻辑门的使用要点 (1)(1)电源电压用电源电压用 +5 V+5 V，74 74 系列应满足系列应满足 5 V 5 V 5%5%。(2)(2)输出端的连接输出端的连接 普通普通 TTL TTL 门输出端不允许直接并联使用。门输出端不允许直接并联使用。三态门三态门TSLTSL输出端可并联使用，但同一时刻只能有输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。一个门工作，其他门输出处于高阻状态。集电极开路集电极开路OCOC门输出端可并联使用，但公共输出端和门输出端可并联使用，但公共输出端和电源电源 V VCC CC 之间应接负载电阻之间应接负载电阻 R RL L。输出端不允许直接接电源输出端不允许直接接电源 V VCC CC 或直接接地。或直接接地。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。多余输入端的处理多余输入端的处理 与门和与非门的多余输入端接逻辑与门和与非门的多余输入端接逻辑 1 1 或者与有用输入端并接。或者与有用输入端并接。接接 V VCCCC通过通过=0.7 2.4V,2.4V,输出低电平输出低电平0.4V=2.0V=2.0V，输，输入低电平入低电平=0.8V=0.8V，噪声容限是，噪声容限是0.4V0.4V。CMOSCMOS电平：电平：11逻辑电平电压接近于电源电压，逻辑电平电压接近于电源电压，00逻辑逻辑电平接近于电平接近于0V0V。而且具有很宽的噪声容限。而且具有很宽的噪声容限。COMSCOMS电路电路 1 1）COMSCOMS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的管脚不要悬空管脚不要悬空，要接，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。2 2）输入端接低内组的信号源时，要在输入端和信号源之）输入端接低内组的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限流电阻，使输入的电流限制在间要串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA1mA之内。之内。3 3）COMSCOMS的输入电流超过的输入电流超过1mA1mA，就有可能烧坏，就有可能烧坏COMSCOMS。TTLTTL门电路门电路 输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）：输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）：1 1）悬空悬空时相当于输入端时相当于输入端接高电平接高电平。因为这时可以看作是。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。输入端接一个无穷大的电阻。2 2）在门电路输入端串联）在门电路输入端串联10K10K电阻后再输入低电平，输入电阻后再输入低电平，输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTLTTL门电路的输入门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910910欧时，欧时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。COMSCOMS门电路门电路就不用考虑这些了。就不用考虑这些了。学习要求学习要求（集成电路内部只作定性分析，不作定量计算）（集成电路内部只作定性分析，不作定量计算）1.1.正负逻辑的概念以及之间的关系。正负逻辑的概念以及之间的关系。2.2.熟练掌握熟练掌握TTLTTL和和CMOSCMOS门的逻辑功能、特性、参数和使门的逻辑功能、特性、参数和使用方法。用方法。输入端噪声容限输入端噪声容限输入特性（输入低电平或高电平电流的求解以及方向定义）输入特性（输入低电平或高电平电流的求解以及方向定义）输出特性（输出高电平时最大负载电流输出特性（输出高电平时最大负载电流=0.4=0.4mAmA）扇出系数的求解扇出系数的求解输入端负载特性（输入端负载特性（v vI2I2VVIH(min)IH(min)和和v vI2I2VVIL(max)IL(max)）3.3.一般了解其它逻辑门电路的特点。一般了解其它逻辑门电路的特点。掌握与非门、或非门输入电流的计算掌握与非门、或非门输入电流的计算OCOC门外接负载电阻的计算门外接负载电阻的计算4.4.熟练掌握各种门电路的各种表示方法。熟练掌握各种门电路的各种表示方法。5.5.若干电参数的物理意义。若干电参数的物理意义。V VOHOH、V VOLOL、V VIHIH、V VILIL、V VTHTH、V VNHNH、V VNLNL、I IIHIH、I IILIL、I IOHOH、I IOLOL、N N、tpdtpd