第3章——门电路推荐

《第3章——门电路推荐》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章——门电路推荐（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第3章 门电路3.1 概述 3.2 半导体二极管和 三极管的开关特性 3.3 分立元件门电路 3.4 TTL门电路 3.5 CMOS门电路3.1 概述门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。门电路分立元件门电路集成门电路双极型集成门（DTL、TTL）MOS集成门 NMOS PMOS CMOSCMOS：Complementary Metal_Oxide_Semiconductor金属-氧化物-半导体互补对称逻辑电路 ECL：Emitter-Coupled Logic射极耦合逻辑门电路 BiCMOS：Bipolar CMOS正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高

2、电平表示逻辑0在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管 和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。 若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值， 则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。一、正逻辑与负逻辑VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。 二、逻辑电平105V0V0.8V2V高电平下限低电平上限实际开关为晶体二极 管、三极管以及场效 应管等电子器件逻辑电平v高电平UH：输入高电平UIH输出高电平UOHv低电平UL：输入低电平UIL输出低电平UOLv逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽， 因此在数字电路中，对电子元件、器件 参数精

3、度的要求及其电源的稳定度的要 求比模拟电路要低。一、二极管伏安特性3.2 半导体二极管和三极管的开关特性门坎电压Uth反向击穿电压二极管的单向导电性： 外加正向电压（Uth），二极 管导通，导通压降约为0.7V； 外加反向电压，二极管截止。 uD(V) iD(mA)0.7V3.2.1 半导体二极管的开关特性利用二极管的单向导电 性，相当于一个受外加电压 极性控制的开关。当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL 开关闭合二、二极管开关特性假定：UIH=VCC ，UIL=0当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH 开关断开 一、双极型三极管结构3.2.2 双极型三极管的开关特性因有电子

4、和空穴两种载流子参与导电过程，故 称为双极型三极管。NPN型PNP型二、双极型三极管输入特性双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流iB控制 c,e间的电流iC实现其电路功能的。因此，以b,e间的回路作为 输入回路，c,e间的回路作为输出回路。输入回路实质是一个PN结，其输入特性基本等同于 二极管的伏安特性。三、双极型三极管输出特性放大区：发射结正偏，集电结反偏；ubeuT， ubcVT， ubcVT；深度饱和状态下， 饱和压降UCEs 约为0.2V。四、双极型三极管开关特性利用三极管的饱和与截 止两种状态，合理选择电路 参数，可产生类似于开关的 闭合和断开的效果，用于输 出高、低电平，

5、即开关工作 状态。当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH 开关断开假定：UIH=VCC ，UIL=0当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=USEs=UOL 开关闭合 MOS管是金属氧化物半导体场效应管的简称。（ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor） 由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。一、MOS管结构3.2.3 MOS管的开关特性NMOS管电路符号PMOS管电路符号二、MOS管开关特性NMOS管的基本开关电路当uI=UIL时，MOS管截止，uO=VDD=UOH 开关断开当uI=UIH时，MOS管导通，u

6、o=0=UOL 开关闭合 选择合适的电路参数，则可以保证3.3 分立元件门电路一、二极管与门Y=AB二、二极管或门Y=A+B三、三极管非门输入为低，输出为高；输入为高，输出为低。利用二极管的压降为0.7V，保证 输入电压在1V以下时，开关电路 可靠地截止。3.4 TTL门电路一、TTL系列门电路74：标准系列；74H：高速系列；74S：肖特基系列；74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成为功耗延迟积较 小的系列。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。性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的 门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功

7、耗 延迟积)来评价门电路性能的优劣。功耗延迟积越小，门 电路的综合性能就越好。74AS：先进肖特基系列；74ALS：先进低功耗肖特基系列。A R1 4k T1 T2 T4 T5 R4 R3 1K 130 +VccR2 1.6K Y D1 D2 输入级中间级输出级TTL非门典型电路二、74系列门电路 1.非门推拉式输出级作用 ：降低功耗，提高 带负载能力输入为低电平（0.2V）时0.9V不足以让 T2、T5导通三个PN结导通需2.1V+5VYR4R2R1 k T2R5R3T4T1T5b1c1A1.6k 1301k D2D1(vI)vCCuo=5-uR2-uD2-ube43.4V高电平！0.2VP

8、NN输入高电平（3.4V）时“1”全导通电位被嵌 在2.1V1V 截止+5VYR4R2R1 k T2R5R3T4T1T5b1c1A1.6k 1301k D2D1(vI)vCCuY=0.2V低电平u0(V)ui(V)123UOH (3.4V)UOL(0.2V)传输特性曲线u0(V)ui(V)123UOH “1”UOL (0.2V)阈值UT=1.4V理想的传输特性输出高电平输出低电平电压传输特性AB段： VI 0.6V 截止区所以 VB1 1.3V，T2和T5截止故输出为高电平VOHVOH=VCC -VR2 -VBE4 -VD2 3.4VBC段： 1.3V VI 0.7V 线性区T2工作于放大区，

9、 T5截止随着VI的升高，VC2和VO线性下降CD段： VI 1.4V 转折区T2和T5 同时导通，输出电位急剧下降为低电平；转折区中点对应的输入电压称为阈值电压 用VI H 表示.DE段： 饱和区VI 继续升高时VO不再变化表示.+5VR4R2R5T3 T4R1T1+5V前级后级反偏流出前级电流IOH（拉 电流）0.4mAA.高电平输出特性电压输出特性1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1R1T1+5V前级后级流入前级的电流 IOL 约 1.4mA ( 灌电流)B.低电平输出特性0TTL与非门典型电路区别：T1改为多发射极三极管。2.与非门TTL或非门典型电路区别：有各自的输入级和倒相

10、级，并联使用共同的输出级。0.2V3.4V0.9V2.1V0.2V3.或非门4.与或非门1 1ABY 000 01 10 1100.9V0.2V3.4V0.9V2.1V0.9V4.8V3.4V5.异或门1 1ABY 000 01 10 1102.1V3.4V 3.4V2.1V2.1V0.9V0.2V三、74S系列门电路74S系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管，或称 肖特基晶体管，是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极 管SBD组合而成。SBD的正向压降约为0.3V，使晶体管不会进 入深度饱和，其Ube限制在0.3V左右，从而缩短存储时间， 提高了开关速度。抗饱和三极管四、74LS系列常用芯

11、片与门Y=AB=AB或 门 Y=A+B=A+B异或门五、TTL门电路的重要参数1.电压传输特性：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。测试电路电压传输特性低电平输入电压UIL，max0.8V 高电平输入电压UIH，min2V 低电平输出电压UOL，max0.5V 高电平输出电压UOH，min2.7V74LS系列门电路标准规定： 实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能 使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干 扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。 2.输入噪声容限高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允 许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用UNH 表示： 低

12、电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许 叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表 示： UNL = UIL,maxUILUNH = UIHUIH,min1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO输入低电平噪声容限：UNL=UIL,maxUOL,max 输入高电平噪声容限：UNH=UOH,minUIH,min74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：UNL=0.8V0.5V=0.3V UNH=2.7V2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V3.扇出系数扇出系数N是指门电路能够驱动同类门

13、的数量。 要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流 IOH和IOL均大于或等于N个后级门的输入电流的总和。 计算：输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N1；输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N2；扇出系数min（N1，N2）。 低电平输入电流IIL，max-0.4mA 高电平输入电流IIH，max20A 低电平输出电流IOL，max8mA 高电平输出电流IOH，max-0.4mA74LS系列门电路标准规定：关于电流的技术参数扇出系数:门电路输出驱动同类门的个数+5VR4R2R5T3 T4T1前级T1T1IiH1IiH3IiH2IOH前级输出为 高电平时后 级+5VR2R13kT2R3

14、T1T5b1c1前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为 低电平时 后 级输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：与非门的扇出系数一般是10。例：如图，试计算74LS系列非门电路 G1最多可驱动多少个同类门电路。解： G1输出为低电平时，可以驱动N1 个同类门； 应满足 IOL N1 |IIL| G1输出为高电平时，可以驱动N2个同类门； Nmin（N1,N2） 20N1 IOL / |IIL| 8mA/0.4mA 20应满足 |IOH| N2 IIHN2 |IOH| / IIH 0.4mA/20A 20六、集电极开路的门电路（OC门）Y&A B&C

15、 D& Y&A B&C D“线与”推拉式输出级并联1.“线与”的概念普通的TTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与 。解决这个问题的方法就是把输出级改为集电极开路的 三极管结构。OC门电路在工作时需外接上拉电阻和电源。只要电阻 的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、 低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大。2.OC门的电路结构和逻辑符号+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1A B COC应用时输出端要接一上拉负载电阻RLRLUCC3、OC门可以实现“线与”功能&UCCF1F2F3FF=F1F2F3RL输出级UCCRLT5T5T5F=F1F2F3?UCCRLF1F2F3F任一导通F=0UCCRLF1F2F3F全部截止F=1F=F1F2F3?所以： F=F1F2F3!OC门的输出并联“线与”功能当n个前级门输出均为高电平，即所有OC门同时截止时，为保证输出的高电平不低于规定的UOH，min值，上拉电阻不能过大，其最大值计算公式：4.外接上拉电阻RU(RL)的计算方法RL当所有OC同时截止时，输出为高电平。为保 证高电平不低于规定的VOH值，应满足： 即： （ n为OC门的输出端个数，m为TTL与非门 的输入端个数） 当n个前级门中有一个输出为低电平，即所有OC门中只有一个导通时，全部负载电流都流入导通的那个 OC门，为确保流入导通OC门的电流不