数字电子技术第二章逻辑门电路精品文稿.ppt

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1、数字电子技术第二章逻辑门电路数字电子技术第二章逻辑门电路第1页，本讲稿共33页CL的充、放电过程均需经历一定的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压的时间，必然会增加输出电压 O波波形的上升时间和下降时间，导致基形的上升时间和下降时间，导致基本的本的BJT反相器的开关速度不高。反相器的开关速度不高。若带电容负载若带电容负载故需设计有较快开关速度的实用型故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路。门电路。引言第2页，本讲稿共33页输出级输出级T3、D、T4和和Rc4构成构成推拉式的输出级。用于推拉式的输出级。用于提高开关速度和带负载提高开关速度和带负载能力。能力。中间级中间级T2和电

2、阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电的集电极极和发射极同时输和发射极同时输出两个相位相反的信出两个相位相反的信号，作为号，作为T T3 3和和T T4 4输出输出级的驱动信号；级的驱动信号；Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1+vI T3+vO 负载 Re2 1K W VCC(5V)输入级输入级 中间级中间级输出级输出级 1.1.电路组成电路组成输入级输入级T1和电阻和电阻Rb1组组成。用于提高电路的成。用于提高电路的开关速度开关速度一.标准生产工艺的TTL非门的工作原理第3页，本讲稿共33页2.TTL反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善

3、）（1 1）当输入为低电平（）当输入为低电平（I I =0.3 V）T1 深度饱和深度饱和截止导通导通截止饱和低电平T4D4T3T2T1输入高电平输出T2、T3截止，截止，T4、D导通导通第4页，本讲稿共33页（2）当输入为高电平（）当输入为高电平（I=3.6 V）T2、T3饱和导通饱和导通 T1:倒置的放大状态。倒置的放大状态。T4和和D截止。截止。使输出为低电平使输出为低电平.vO=vC3=VCES3=0.3V第5页，本讲稿共33页输入A输出L0110逻辑真值表逻辑真值表 逻辑表达式 L =A 饱和截止T4低电平截止截止饱和倒置工作高电平高电平导通导通截止饱和低电平输出D4T3T2T1输入

4、第6页，本讲稿共33页(一一)电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：V Vo o=f f（V Vi i）二.TTL非门的电压传输特性曲线和电路参数截止区截止区过渡区过渡区饱和区饱和区第7页，本讲稿共33页(二二)从电压传输特性曲线上可以得出的电路参数从电压传输特性曲线上可以得出的电路参数1.1.输输出出高高电电平平电电压压V VOHOH在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“1 1”的的输输出出电电压压。VOH的理论值为的理论值为3.63.6V。2.标标准准输输出出高高电电平平U USH_ SH_ 产产品品规规定定输出高电压的最小值输出高电压的最小值 VOH（min）=2.4=2.4V。3

5、.3.输输出出低低电电平平电电压压V VOLOL在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“0 0”的的输输出出电电压压。VOL的理论值为的理论值为0.30.3V。.标标准准输输出出低低电电平平U USL SL 产产品品规规定定输输出低电压的最大值出低电压的最大值 VOL（max）=0.4=0.4V第8页，本讲稿共33页.输输入入低低电电压压的的上上限限V VILIL（maxmax）(关关门门电电平平电电压压V VOFF)OFF)是是指指输输出出电电压压下下降降到到V VOHOH（minmin）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入低低电电压压的的最最大大值值。在在产产品品手手册册中

6、中常常称称为为输输入入低低电电平平电电压压，用用V VILIL（maxmax）表示。产品规定表示。产品规定V VILIL（maxmax）=0.8V=0.8V。6.6.输输入入高高电电压压的的下下限限V VIHIH（minmin）(开开门门电电平平电电压压V VON)ON)是是指指输输出出电电压压下下降降到到V VOLOL（maxmax）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入高高电电压压的的最最小小值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为输输入入高高电电平平电电压压，用用V VIHIH（minmin）表表示示。产品规定产品规定V VIHIH（minmin）=2V=2V。第9页，本讲稿共

7、33页7.7.阈阈值值电电压压V Vthth电电压压传传输输特特性性的的过过渡渡区区所所对对应应的的输输入入电电压压，即即决决定定电电路路截截止止和和导导通通的的分分界界线线，也也是是决决定定输输出出高高、低电压的分界线。低电压的分界线。近似地：近似地：VthVOFFVON 即即ViVth，非非门门关关门门，输输出出高电平；高电平；ViVth，非非门门开开门门，输输出出低电平。低电平。Vth又又常常被被形形象象化化地地称称为为门门槛槛电电压压。Vth的值为的值为1.31.3V1.1.V。第10页，本讲稿共33页输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限(最大允许正向干扰电压最大允许正向干扰电压)VN

8、LVIL(max)-VOL（max）0.80.8V-0.4-0.4V0.40.4V输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限(最大允许负向干扰电压最大允许负向干扰电压)VNHVOH（min）-VIH(min)2.42.4V-2.0-2.0V0.40.4VTTLTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即电平也有一个范围，即当电路受到干扰时，电路输入电平所允许的波动范围当电路受到干扰时，电路输入电平所允许的波动范围，称为称为噪声容限噪声容限。8.噪声容限电压噪声容限电压第11页，本讲稿共33页

9、三三.输入特性和从其上可以得出的参数输入特性和从其上可以得出的参数（一）标准生产工艺的TTL非门的输入特性曲线输入特性曲线是研究输入电压与输入电流之间关系的曲线。第12页，本讲稿共33页1.1.输入低电平电流输入低电平电流I IILIL是指当门电路的输入端接低电平时，从是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。门电路输入端流出的电流。可以算出：可以算出：产品规定产品规定I IILIL1.6mA1.6mA。（二）从标准生产工艺的TTL非门输入特性曲线上可以得出的参数 第13页，本讲稿共33页2.2.输入高电平电流输入高电平电流I IIHIH是指当门电路的输入端接高电平时，是指当门

10、电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。流入输入端的电流。由于由于i的值远小于的值远小于1 1，所以所以IIH的数值比较小，产品规定：的数值比较小，产品规定：IIH4040uA。T1倒置的放大状态：这时倒置的放大状态：这时I IIHIH=i iI IB1B1，i i为倒置放大的电流放为倒置放大的电流放大系数。大系数。第14页，本讲稿共33页五、五、TTL非门的输入负载特性和从其上可以得出的参数非门的输入负载特性和从其上可以得出的参数（一）TTL非门的输入负载特性1.当Ri很小时VI很小，相当于输入是低电平，此时三极管T3截止，输出为高电平。2.当Ri很大时，VI的极限值为1.4V 第15页，

11、本讲稿共33页（二）从（二）从TTL非门的输入负载特性上可以得出的参数非门的输入负载特性上可以得出的参数1关门电阻ROFF 当Ri的值使VI=VIL（max），即输入低电平的上限，这时的Ri定义为关门电阻ROFF，之所以叫关门电阻，是因为输出级的三极管T3截止，处于关门状态。2开门电阻RON 当Ri的值使VI=1.4V，VB1就会升高到2.1V，使T3饱和，这时的Ri定义为开门电阻，之所以叫开门电阻，是因为输出级的三极管T3饱和，处于开门状态。第16页，本讲稿共33页(一一)灌电流负载灌电流负载当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当当负负

12、载载门门的的个个数数增增加加，灌灌电电流流增增大大，会会使使T T3 3脱脱离离饱饱和和，输输出出低低电电平平升升高高。因因此此，把把允允许许灌灌入入输出端的电流定义为输出端的电流定义为输出低电平电流输出低电平电流I IoL(max)oL(max)，产品规定产品规定I I0L(max)0L(max)=16mA=16mA。由此可得出。由此可得出:N NOLOL称为输出低电平时的扇出系数。称为输出低电平时的扇出系数。1.1.扇入数扇入数:取决于它的取决于它的输入端的个数输入端的个数 2.2.扇出数扇出数:带同类门的数量带同类门的数量 分灌电流和拉电流分灌电流和拉电流五、TTL非门的带负载能力第17

13、页，本讲稿共33页（二）拉电流负载（二）拉电流负载 NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定产品规定IOH=0.4=0.4mA。由此可得出：。由此可得出：当当驱驱动动门门输输出出高高电电平平时时，电电流流从从驱驱动动门门拉拉出出,流流至至负负载载门门的输入端。的输入端。拉拉电电流流增增大大时时，R RC4C4上上的的压压降降增增大大，会会使使输输出出高高电电平平降降低低。因因此此，把把允允许许拉拉出出输输出出端端的的电电流流定定义义为为输输出出高高电电平平电电流流I I0H(max)0H(max)。一般一般N NOLOLN NOHOH，常取两者中的较小值作为门电路的

14、扇出系数，用，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用N No o表示。表示。第18页，本讲稿共33页例例 查得基本的查得基本的TTLTTL与非门与非门74107410的参数如下：的参数如下：I IoLoL16mA16mA，I IILIL1.6mA1.6mA，I IoHoH0.4mA0.4mA，I IIHIH0.04mA.0.04mA.试计算其带同类门时的扇出数。试计算其带同类门时的扇出数。解：解：(1)(1)低电平输出时的扇出数低电平输出时的扇出数 (2)(2)高电平输出时的扇出数高电平输出时的扇出数若若N NOHOHN NOHOH，则取较小的作为电路的扇出数。，则取较小的作为电路的扇出数

15、。第19页，本讲稿共33页六.传输延迟时间tpd导导通通延延迟迟时时间间t tPHLPHL从从输输入入波波形形上上升升沿沿的的中中点点到到输输出出波波形形下下降降沿沿的的中中点点所所经经历历的时间。的时间。截止延迟时间截止延迟时间t tPLHPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间t tpdpd是是t tPHLPHL和和t tPLHPLH的平均值。即的平均值。即 一般一般TTLTTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间t tpdpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个

16、纳秒。第20页，本讲稿共33页七、七、1.1.功耗分为静态和动态。功耗分为静态和动态。静态功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗静态功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗动态功耗是在门的状态转换的瞬间的功耗。动态功耗是在门的状态转换的瞬间的功耗。对于对于TTLTTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。2.2.延时延时 功耗积功耗积 DP=tpdPD是一综合性的指标，用是一综合性的指标，用DPDP表示表示,其单位为焦耳。其单位为焦耳。DPDP的值的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。愈小，表明它的特性愈接于理想情况。第21页，本讲稿共33页(一一)TTL与非门电路与非门电路多

17、发射极多发射极BJT T1e e bc eeb cA&BAL=B八.其他逻辑功能的TTL门电路1.电路第22页，本讲稿共33页2.TTL与非门与非门电路的工作原理电路的工作原理 任一输入端为低电平时任一输入端为低电平时:TTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态 IT1T2T4T3O输入全为高电平(3.6V)倒置使用的放大状态饱和截止饱和低电平（0.2V）输入有低电平(0.2V)深饱和截止放大截止高电平（3.6V）o当全部输入端为高电平时：当全部输入端为高电平时：输出低电平输出低电平 输出高电平输出高电平 第23页，本讲稿共33页(二)TTL或非门 若若A、B中有一个为高电平中有一个为高电平:

18、若若A、B均为低电平均为低电平:T2A和和T2B均将截止，均将截止，T3截止。截止。T4，D导通导通输出为高电平。输出为高电平。T2A或或T2B将饱和，将饱和，T3饱和，饱和，T4截止，截止，输出为低电平。输出为低电平。逻辑表达式逻辑表达式第24页，本讲稿共33页vOHvOL输出为低电平的逻辑输出为低电平的逻辑门输出级的损坏门输出级的损坏九.集电极开路(OC)的TTL门电路（一）普通的（一）普通的TTLTTL门电路输出端门电路输出端直接相连的后果直接相连的后果 在工程实践中，有时需要在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为用，以实现与逻辑，称为线

19、与线与。第25页，本讲稿共33页(二)集电极开路与非门电路1.1.使用时的外电路连接使用时的外电路连接2.逻辑功能逻辑功能L=A BVCC3.3.国标符号国标符号 第26页，本讲稿共33页（三）集电极开路的（三）集电极开路的TTL门电路可以实现线与运算门电路可以实现线与运算第27页，本讲稿共33页1.当输出高电平时，当输出高电平时，RP不能太大。不能太大。太大会影响开关速度；另外，在太大会影响开关速度；另外，在RP 上压降变大，使输出下降，上压降变大，使输出下降，RP为最大值时要保证输出电压为为最大值时要保证输出电压为VOH（min），(四)OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：Rp(ma

20、x)=第28页，本讲稿共33页(四)OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：（2 2）当输出低电平时，）当输出低电平时，R RP P不能太小不能太小 限流，限流，R RP P为最小值时要保证输出电压为为最小值时要保证输出电压为V VOLOL（maxmax），RP（min）RPRP（max）第29页，本讲稿共33页o由于由于OCOC门输出不是推拉式门输出不是推拉式(Totem)(Totem)结构，省去了结构，省去了有源负载，带负载能力下降有源负载，带负载能力下降oR RP P选择受到限制不能太小，影响工作速度选择受到限制不能太小，影响工作速度第30页，本讲稿共33页（一）三态输出门的结构及工作

21、原理（一）三态输出门的结构及工作原理1.1.当当EN=0=0时时，G输输出出为为1 1，D1 1截截止止，相相当当于于一一个个正正常常的的二二输输入入端端与与非非门门，称称为为正正常常工工作作状状态。态。2.当当EN=1时时，G输输出出为为0，T4、T3都都截截止止。这这时时从从输输出出端端L看看进进去去，呈呈现现高高阻阻，称称为为高阻态，或禁止态。高阻态，或禁止态。十.TTL三态输出门电路CS数据输入端输出端LAB00010111011101高阻第31页，本讲稿共33页三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。1.1.组成单向总线，组成单向总线，实现信号

22、的分时单向传送实现信号的分时单向传送.2.2.组成双向总线，组成双向总线，实现信号的分时双向传送。实现信号的分时双向传送。（二）三态门的应用第32页，本讲稿共33页5 57474LS系列系列为低功耗肖特基系列。为低功耗肖特基系列。6 67474AS系列系列为先进肖特基系列，为先进肖特基系列，它是它是7474S系列的后继产品。系列的后继产品。7 77474ALS系列系列为先进低为先进低功耗肖特基系列，功耗肖特基系列，是是74LS系列的后继产品。系列的后继产品。十一、其他生产工艺类型的十一、其他生产工艺类型的TTLTTL门电路门电路1 17474系列系列为为TTLTTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTLTTL器件。器件。2 274L74L系列系列为低功耗为低功耗TTLTTL系列，又称系列，又称LTTLLTTL系列。系列。3 374H74H系列系列为高速为高速TTLTTL系列。系列。4 474S74S系列系列为肖特基为肖特基TTLTTL系列，进一步提高了速度。如图示。系列，进一步提高了速度。如图示。第33页，本讲稿共33页