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1、第2章 门电路,2.1 概述2.2 半导体二极管和 三极管的开关特性2.3 分立元件门电路2.4 TTL门电路2.5 CMOS门电路,2.1 概述,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。,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。,2.1 概述,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。,2.1 概述,二、
2、逻辑电平,5V,0V,0.8V,2V,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,高电平UH:输入高电平UIH输出高电平UOH低电平UL:输入低电平UIL输出低电平UOL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、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。,2.1 概述,一、二极管伏安特性,2.2 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。,2.2.1 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
3、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,2.2 半导体二极管和三极管的开关特性,假定:UIH=VCC ,UIL=0,当uI=UIH时,D截止,uo=VCC=UOH 开关断开,2.2 半导体二极管和三极管的开关特性,一、双极型三极管结构,2.2.2 双极型三极管的开关特性,因有电子和空穴两种载流子参与导电过程,故称为双极型三极管。,2.2 半导体二极管和三极管的开关特性,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
4、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。,2.2 半导体二极管和三极管的开关特性,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, ubc0;起放大作用。截止区:发射结、集电极均反偏,ubc0V,ube0V;一般地,ubeVT, ubcVT;深度饱和状态下,饱和压降UCEs 约为0.2V。,2.2 半导体二极管和三极管的开关特性,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,即开关工作状态。,当uI=UIL时,三极管截止,uO=Vcc=UOH 开关
5、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。,2.2 半导体二极管和三极管的开关特性,一、MOS管结构,2.2.3 MOS管的开关特性,NMOS管电路符号,PMOS管电路符号,2.2 半导体二极管和三极管的开关特性,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=UI
6、H时,MOS管导通,uo=0=UOL 开关闭合,选择合适的电路参数,则可以保证,2.3 分立元件门电路,一、二极管与门,Y=AB,2.3 分立元件门电路,二、二极管或门,Y=A+B,2.3 分立元件门电路,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。,2.4 TTL门电路,TTL非门典型电路,一、74系列门电路,推拉式输出级作用:降低功耗,提高带负载能力,2.4 TTL门电路,TTL与非门典型电路,区别:T1改为多发射极三极管。,2.4 TTL门电路,TTL或非门典型电路,区别:有各自的输入级和倒相级,并联
7、使用共同的输出级。,2.4 TTL门电路,二、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,2.4 TTL门电路,三、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
8、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。,2.4 TTL门电路,74LS系列常用芯片,与门,或门,异或门,2.4 TTL门电路,2.4 TTL门电路,四、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,min2.7V,74LS系列门电路标准规定:,2.
9、4 TTL门电路, 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,maxUIL,UNH = UIHUIH,min,UOH,min,UIH,min,UNH,UIL,max,UOL,max,UNL,2.4 TTL门电路,输入低电平噪声容限:UNL=UIL,
10、maxUOL,max输入高电平噪声容限:UNH=UOH,minUIH,min,74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为:,UNL=0.8V0.5V=0.3VUNH=2.7V2.0V=0.7V,5V,2.7V,0.5V,0V,5V,2V,0.8V,0V,2.4 TTL门电路,3.扇出系数,扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。,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.
11、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-0.4mA,74LS系列门电路标准规定:,2.4 TTL门电路,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) 20,N1 IOL / |IIL| 8mA/0.4mA 20,应满足 |IOH| N2 IIH,N2 |IOH| / IIH 0.4mA/20A 20,2.4 TTL门电路,五、集电极开路的门电路(OC门)
12、,“线与”,推拉式输出级并联,1.“线与”的概念,2.4 TTL门电路,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极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,2.4 TTL门电路,3.OC门的“线与”功能,2.4 TTL门电路,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的计算方
13、法,2.4 TTL门电路,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门的电流不至于超过最大允许的IOL,max值,RU值不可太小,其最小值计算公式:,2.4 TTL门电路,5.OC门的应用,实现线与。可以简化电路,节省器件。,实现电平转换。如图所示,可使输出高电平变为10V。,用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。,2.4 TTL门电路,六、三态输出门电路(TS门),1.三态门的电路结构和逻辑符号,输出有三种状态: 高电平、低电平、高阻态。,控制端或使能端,2.4 TTL门电路,高电平有效,低电平有效,两种控制
14、模式:,2.4 TTL门电路,2.三态门的应用,数据总线结构 只要控制各个门的EN端轮流为1,且任何时刻仅有一个为1,就可以实现各个门分时地向总线传输。,实现数据双向传输 EN=1,G1工作,G2高阻,A经G1反相送至总线; EN=0,G1高阻,G2工作,总线数据经G2反相从Y端送出。,2.4 TTL门电路,七、TTL门电路多余输入端的处理,1.与非门的处理,“1”,悬空,2.或非门、与或非门的处理,“0”,(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
15、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。,2.5 CMOS门电路,CMOS电路的特点:,常用CMOS逻辑门器件系列: 4000系列; 74HC系列高速CMOS系列。 ,2.5 CMOS门电路,一、MOS管的开关特性,输入低电平,NMOS管截止;输入高电平,NMOS管导通。,输入低电平,PMOS管导通;输入高电平,PMOS管截止。,2.5 CMOS门电路,二、CMOS非门,2.5 CMOS门电路,CMOS非门电压传输特性,CMOS非门电流传输特性,CMOS反相器的传输特性接近理想开关特性, 因而其噪声容限大,抗干扰能力强。,2.5 CMOS门电路,三、CMOS与非门(P并N串),2.5 CMOS门电路,四、CMOS或非门(P串N并),特点:需外接上拉电阻。应用:与OC门类似, 输出端可以并接,实现“线与”功能; 实现电平转换。,