数字电子技术优质课件精选——集成门电路及其应用.ppt

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1、集成门电路及其应用,一、TTL门电路的特性及参数1、开门电平、关门电平、阈值电压；2、开门电阻和关门电阻；3、输入噪声容限；4、扇出系数；5、传输延迟时间。二、OC门、三态门、传输门及应用三、门电路的使用注意事项1、TTL门电路的使用注意事项；2、CMOS门电路的使用注意事项；3、TTL电路和CMOS电路的接口。四、组合逻辑电路的分析和设计1、组合逻辑电路的定义及特点；2、组合逻辑电路的分析；3、组合逻辑电路的设计。五、门电路的综合应用,教学内容,思考讨论：1、电路设计的过程包括几部分？2、电路设计中应注意哪些问题？,任务引入,1、开门电平、关门电平、阈值电压,一、TTL门电路的特性及主要参数

2、,（1）开门电平UON,门电路打开能够接收输入信号时，允许输入高电平的最小值（如与、与非门）；或低电平时的最大值（或、或非门）。,（2）关门电平UOFF,门电路关闭不接收输入信号时，允许输入低电平的最大值（如与、与非门）；或高电平的最小值（或、或非门）。,（3）阈值电压UTH,门电路的输出状态发生跳转时对应的输入电压。,RI不大不小时，工作在线性区或转折区。,RI较小时，关门，输出高电平；,RI较大时，开门，输出低电平；,ROFF,RON,RI悬空时？,2、开门电阻、关门电阻（以与非门为例）,(1)关门电阻ROFF在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI的最大值称为关门电阻。典型的TT

3、L门电路ROFF0.7k。,(2)开门电阻RON在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON2.3k。数字电路中要求输入负载电阻RIRON或RIROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令ROFFRIRON使电路处于转折区。,（1）输入低电平噪声容限,在保证输入为低电平时允许在输入信号上叠加的正向噪声电压，用UNL表示。,3、输入噪声容限,UNL=UOFF-UIL-与非门,（2）输入高电平噪声容限,在保证输入为高电平时允许在输入信号上叠加的负向噪声电压，用UNH表示。,UNH=UIH-UON-与非门,UNL越大，说明门电路输入低电平

4、时，抗正向干扰的能力越强。,UNH越大，说明门电路输入高电平时，抗负向干扰的能力越强。,（1）扇入系数Ni,门电路输入端能够接的输入端的个数。,4、扇入系数和扇出系数,（2）扇出系数No,NI越大，说明门电路输入端携带同类门的个数越多。,门电路输出端能够接的负载个数。,NO越大，说明门电路输出端携带负载的个数越多。,Ni越大，说明门电路输入端携带同类门的个数越多。,（1）上升沿延迟时间tPLH,5、传输延迟时间,（2）下降沿延迟时间tPHL,tpd越大，说明门电路开关速度越低。,（3）平均延迟时间tpd,TTL系列数字电路的主要参数指标,（1）高电平输出电压UOH：2.73.4V，一般要求大于

5、3.2V,（2）高电平输出电流IOH：一般为-0.4mA,（3）低电平输出电压UOL：0.20.5V，一般要求小于0.35V,（4）低电平输出电流IOL：一般大于8mA,（5）高电平输入电压UIH：一般为2V,（6）高电平输入电流IIH：一般不超过70uA,（7）低电平输入电压UIL：一般为0.8V,（8）低电平输入电流IIL：一般不超过1.6mA,（9）输出短路电流IOS,（10）电源电流,（11）传输延迟时间tPLH和tPHL,（12）时钟脉冲fmax：74LS系列30MHz,IOH和IOL反映芯片带载能力IIH和IIL反映其对前级集成电路的影响,二、OC门、三态门、传输门及应用,问题：普

6、通的与非门输出端能否并联使用？,1、OC门（或OD门）,答：不能。当将两个TTL“与非”门输出端直接并联时，会产生一个大电流（前1个门输出高电平，后1个门输出低电平时），将导致：1、抬高门2的输出低电平（该电平不高不低）；2、会因功耗过大损坏门器件。,注：TTL输出端不能直接并联,表274系列TTL门电路主要参数的典型数据,（1）OC门的结构与符号,电路结构：输出级是集电极开路的。,逻辑符号：用“”表示集电极开路。,图1集电极开路的TTL与非门（a）电路（b）逻辑符号,OC门的输出端并联，实现线与功能。RL为外接负载电阻。,图2OC门的输出端并联实现线与功能,（2）OC门的应用,图3用OC门实

7、现电平转换的电路,用OC门实现电平转换,2、三态门（TSL门）,三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。,何为高阻状态？,悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。测电阻为，故称为高阻状态。测电压为0V，但不是接地。因为悬空，所以测其电流为0A。,控制端高电平有效的三态门,(1)三态门逻辑符号,控制端低电平有效的三态门,用“”表示输出为三态。,当EN=1时，门电路输出端处于悬空的高阻状态。,当EN=0时，电路为正常的与非工作状态，所以称控制端低电平有效。,（2）三态门的主要应用实现总线传输,要求各门的控制端EN轮流为高电平，且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平。,图4用三态门实现总

8、线传输,如有8个门，则8个EN端的波形应依次为高电平，如下页所示。,（1）电路结构C和C是一对互补的控制信号。由于VTP和VTN在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。,3、CMOS传输门,图5CMOS传输门（a）电路（b）逻辑符号,（2）应用举例,图6CMOS模拟开关,CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。,C=0时，TG1导通、TG2截止，uO=uI1；C=1时，TG1截止、TG2导通，uO=uI2。,当EN=0时，TG导通，F=A；当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。,CMOS三态门,图7CMOS三态门(a)电路(b)逻辑符号,1、TTL门电路的使用注意事项,三

9、、门电路的使用注意事项,（1）电源电压及电源干扰的消除,电源电压的变化对54系列应满足5V(110%)、对74系列应满足5V(15%)的要求，电源的正极和地线不可接错。为了防止外来干扰通过电源串人电路，需要对电源进行滤波，通常在印制电路板的电源输入端接入10100F的电容进行滤波，在印制电路板上，每隔6-8个门加接一个0.010.1F的电容对高频进行滤波。,门电路关闭不接收输入信号时，允许输入低电平的最大值（如与、与非门）；或高电平的最小值（或、或非门）。,具有推拉输出结构的TTL门电路的输出端不允许直接并联使用。输出端不允许直接接电源VCC或直接接地。使用时，输出电流应小于产品手册上规定的最

10、大值。三态输出门的输出端可并联使用，但在同一时刻只能有一个门工作，其它门输出处于高阻状态。集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源VCC之间应接负载电阻RL。,（2）输出端的连接,（3）闲置输入端的处理,TTL集成门电路使用时，对于闲置输入端(不用的输入端)一般不悬空，主要是防止干扰信号从悬空输入端引入电路。对于闲置输入端的处理以不改变电路逻辑状态及工作稳定为原则。常用的方法有以下几种：对于与非门的闲置输入端可直接接电源电压VCC，或通过110k的电阻接电源VCC，如图8(a)和(b)所示。如前级驱动能力允许时，可将闲置输入端与有用输入端并联使用，如图8(c)所示。,在外界干扰很小时，

11、与非门的闲置输入端可以剪断或悬空，如图8(d)所示。但不允许接开路长线，以免引人干扰而产生逻辑错误。或非门不使用的闲置输入端应接地，对与或非门中不使用的与门至少要有一个输入端接地，如图8(e)和（f）所示。,图8与非门和或非门闲置输入端的处理(a)直接接VCC；(b)通过电阻接VCC；(c)和有用输入端并联；(d)悬空或剪断；(e)接地；(f)接地,（4）电路安装接线和焊接应注意的问题,连线要尽量短，最好用绞合线。在电源接通时，不要移动或插入集成电路，因为电流的冲击可能会使其永久性损坏。整体接地要好，地线要粗、短。焊接用的烙铁最好不大于25W，使用中性焊剂，如松香酒精溶液。由于集成电路外引线间

12、距离很近，焊接时焊点要小，不得将相邻引线短路，焊接时间要短。印制电路板焊接完毕后，不得浸泡在有机溶液中清洗，只能用少量酒精擦去外引线上的助焊剂和污垢。,（5）调试中应注意的问题,对CT54/CT74和CT54H/CT74H系列的TTL电路，输出的高电平不小于2.4V，输出低电平不大于0.4V。对CT54S/CT74S和CT54LS/CT74LS系列的TTL电路，输出的高电平不小于2.7V，输出的低电平不大于0.5V。上述4个系列输入的高电平不小于2.4V，低电平不大于0.8V。当输出高电平时，输出端不能碰地，不然会因电流过大而烧坏；输出低电平时，输出端不能碰电源VCC=5V，否则同样会烧坏。,

13、表3常用集成门电路(TTL系列）,2、CMOS电路的优点及使用注意事项,CMOS电路的优点,微功耗。CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。抗干扰能力很强。（噪声容限大）输入噪声容限可达到VDD/2。电源电压范围宽。多数CMOS电路可在318V的电源电压范围内正常工作。输入阻抗高。负载能力强。（扇出系数大）CMOS电路可以带50个同类门以上。逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD）,CMOS电路的使用注意事项,CMOS电路的电源电压极性不可接反，否则，可能会造成电路永久性失效。CC4000系列的电源电压可在315V的范围内选择，但最大不允许超过极限值18V。电源电压选择得越高，抗干扰能力也越

14、强。高速CMOS电路中HC系列的电源电压可在26V的范围内选用，HCT系列的电源电压在4.55.5V的范围内选用。但最大不允许超过极限值7V。在进行CMOS电路实验或对CMOS数字系统进行调试、测量时，应先接入直流电源，后接信号源；使用结束时，应先关信号源，后关直流电源。,（1）电源电压,闲置输入端不允许悬空。对于与门和与非门，闲置输入端应接正电源或高电平；对于或门和或非门，闲置输入端应接地或低电平。闲置输入端不宜与使用输入端并联使用，因为这样会增大输入电容，从而使电路的工作速度下降。但在工作速度很低的情况下，允许输入端并联使用。,（2）闲置输入端的处理,输出端不允许直接与电源VDD或地(VS

15、S)相连。因为电路的输出级通常为CMOS反相器结构，这会使输出级的NMOS管或PMOS管可能因电流过大而损坏。为提高电路的驱动能力，可将同一集成芯片上相同门电路的输入端、输出端并联使用。当CMOS电路输出端接大容量的负载电容时，流过管子的电流很大，有可能使管子损坏。因此，需在输出端和电容之间串接一个限流电阻，以保证流过管子的电流不超过允许值。,(3)输出端的连接,焊接时，电烙铁必须接地良好，必要时，可将电烙铁的电源插头拔下，利用余热焊接。集成电路在存放和运输时，应放在导电容器或金属容器内。组装、调试时，应使所有的仪表、工作台面等有良好的接地。,（4）其它注意事项,表4常用集成门电路(CMOS系

16、列）,TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。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提供符合标准的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提供足够大的驱动电流。,3、TTL和CMOS电路的接口,电平不匹配TTL门作为驱动门，它的UOH2.4V,UOL0.5V；CMOS门作为负载门，它的UIH3.5V，UIL1V。可见，TTL门的UOH不符合要求。电流匹配CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。解决电平匹配问题,（1）TTL门驱动CMOS门,TTL门驱动CMOS门,a、外接上拉电阻RP在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使T

17、TL门电路的UOH5V。（当电源电压相同时）,b、选用电平转换电路(如CC40109)若电源电压不一致时可选用电平转换电路。CMOS电路的电源电压可选318V；而TTL电路的电源电压只能为5V。C、采用TTL的OC门实现电平转换若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。,（2）CMOS门驱动TTL门,电平匹配CMOS门电路作为驱动门，UOH5V，UOL0V；TTL门电路作为负载门，UIH2.0V，UIL0.8V。电平匹配是符合要求的。电流不匹配CMOS门电路4000系列最大允许灌电流0.4mA，TTL门电路的IIS1.4mA，CMOS4000系列驱动电流不足。,解决电流匹配问题a、选用CM

18、OS缓冲器比如，CC4009的驱动电流可达4mA。b、选用高速CMOS系列产品选用CMOS的54HC/74HC系列产品可以直接驱动TTL电路。CMOS电路常用的是4000系列和54HC/74HC系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。,表5各种系列门电路的主要参数,四、组合逻辑电路的分析和设计,1、组合逻辑电路的定义及特点,在数字系统中，根据逻辑功能的不同，数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。若一个逻辑电路在任意时刻的输出状态，只取决于该时刻的输入状态，而与该时刻之前的电路输入状态和输出状态无关，则称该电路为组合逻辑电路。组合逻辑电路的电路结构不含有具有记忆功能的电路。它由逻辑

19、门或者由集成组合逻辑单元电路组成，没有从输出反馈到输入的回路。组合逻辑电路的输出信号是输入信号的逻辑函数。描述组合逻辑电路逻辑功能的方法有逻辑函数式、真值表、卡诺图、波形图和逻辑图等。,（1）根据逻辑图写出输出逻辑函数式一般从输入端向输出端逐级写出每个门的输出逻辑函数式（或从输出向前推到输入），最后写出组合电路的输出与输入之间的逻辑表达式。有时需要对函数式进行适当的变换，以使逻辑关系简单明了。（2）列出真值表列出输入逻辑变量全部取值组合，求出对应的输出值，列出真值表。（3）说明电路的逻辑功能根据逻辑函数式或真值表确定电路的逻辑功能，并对功能进行描述。,2、组合逻辑电路的分析方法,3、组合逻辑电

20、路的设计方法,（1）根据设计要求，进行逻辑规定并列出真值表根据设计要求设计逻辑电路时，首先应分析事件的因果关系，确定输入与输出逻辑变量，并规定变量何时取1何时取0，并列出真知表。（2）写出逻辑函数式将真值表中输出为1所对应的各个最小项进行逻辑加，便得到输出逻辑函数式。（3）对输出逻辑函数式化简用代数法或卡诺图法对逻辑函数式化简。输出逻辑函数式一般为最简与或表达式，如要求用指定的门电路实现，则须将逻辑表达式变换为相应的形式。（4）画逻辑图将输出最简与或函数式或变换后的函数式用门电路的符号代替，画出逻辑图，便得到符合设计要求的电路。,例1、三选二电路,由于检测危险的报警器自身也可能出现差错，因此为

21、提高报警信号的可靠性，在每个关键部位都安置了三个同类型的危险报警器，如下图所示。只有当三个危险报警器中至少有两个指示危险时，才实现关机操作。这就是三选二电路。,五、门电路的综合应用,1）根据题意作出真值表,2）根据真值表确定标准“与或”表达式,3）卡诺图化简为最简“与或”表达式,4）画出逻辑图,1,1,1,1,在实际电路设计中常用与非门集成电路芯片。为此，用摩根定理进行如下变换：,用与非门构成的三选二电路,例2：产品分类电路,某产品出厂前，要检查4个重要参数A、B、C、D是否在允许的误差范围之内。分别使用4种数字测量装置对这4个参数进行测量。若所测参数在允许范围内，装置输出高电平1；若测得的参

22、数超出了允许范围，装置输出低电平0。,当所有4个参数都在允许范围内时，电路的输出端L1为1。当只有B超出允许范围时，输出端L2为1。当只有B和D超出允许误差范围时，输出端L3应为1。在所有其他情况下，输出端L4为1，说明产品是废品。,1）列真值表,2)写出逻辑表达式,写成与非形式的逻辑表达式,3)满足以上逻辑关系的产品分类电路，如下图所示：,实例,数字信号源可由产生脉冲波形的振荡电路构成。在数字电路的应用中，它可提供连续的且具有一定频率（周期）的脉冲信号。可作为微型计算机、单片机等数字电路的时钟信号源。,1.可变频率TTL振荡器,2.固定频率TTL振荡器,可应用在哪些地方？,门电路组成数字信号

23、源,与门控制电路,或门控制电路,可应用在什么地方？,门电路构成控制门,什么是单稳态触发器?,单稳态触发器具有两个开关状态：一个是稳定状态，另一个是非稳定状态，也称为暂态。,1.微分型单稳态触发器逻辑电路,2.积分型单稳态触发器逻辑电路,积分型单稳态触发电路,积分型单稳态触发器波形,门电路组成单稳态触发器,3.单稳态触发器构成的定时控制脉冲门电路方框图及其波形图,用于移位电路、计数电路和存储电路等。,本节主要介绍了有关逻辑电路的基本概念和TTL、ECL、MOS等集成逻辑门,TTL电路输入级采用多发射极晶体管，输出级采用推拉式结构，所以工作速度较快，带负载能力较强，是目前使用最广泛的一种集成逻辑门

24、。应掌握好TTL门电气特性和参数。,ECL门是目前速度最高的一种非饱和型电路。其缺点是功耗大，抗干扰能力差。一般只用在要求速度特别高的场合,MOS电路属于单极型电路，CMOS电路是重点，具有高速度、功耗低、扇出大、电源电压范围宽、抗干扰能力强、集成度高等一系列特点，使之在整个数字集成电路中占据主导地位的趋势日益明显。,门电路小结,本节小结,学完本节内容后需要掌握以下内容：一、TTL门电路的特性及参数开门电平、关门电平、阈值电压；开门电阻和关门电阻；输入噪声容限；扇出系数；传输延迟时间。二、OC门、三态门、传输门及应用三、门电路的使用注意事项1、TTL门电路的使用注意事项；2、CMOS门电路的使用注意事项；3、TTL电路和CMOS电路的接口。四、组合逻辑电路的分析和设计1、组合逻辑电路的定义及特点；2、组合逻辑电路的分析和设计。,课外作业：用门电路设计四路路灯控制器。,课外任务,