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1、第2章 逻辑电路基本单元,2.1 门电路的功能及应用 2.2 触发器的功能及应用,2.1 门电路的功能及应用,用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路统称为门电路。 门电路是构成数字电路的基本单元。 门电路的工作基础是利用半导体器件的开关特性。 门电路按构成方式不同，可分为分立元件门电路和集成门电路两类。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.1半导体器件的开关特性,1. 晶体二极管开关特性 晶体二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止两种状态的转换过程。 当二极管加正向电压时，其正向电阻很小，呈导通状态，相当于开关闭合；当二极管加反向电压时，其反向电阻很大，呈截止状态，相当于开关断开。,2
2、.1 门电路的功能及应用 2.1.1半导体器件的开关特性,(1) 静态开关特性 当uD大于0.5V时，二极管导通，电流iD随电压uD的增加按指数规律 很快地增加。 当uD = 0.7V时，特性 曲线已经很陡，即iD在 一定范围内变化时， uD基本上保持不变。 当uD0.5V时，iD很小，二极管处于截止状态。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.1半导体器件的开关特性,二极管开关等效电路,2.1 门电路的功能及应用 2.1.1半导体器件的开关特性,(2)动态开关特性 指二极管由正向导通到反向截止，或由反向截止到正向导通的瞬时特性。 由于电荷存储效应的存在，二极管从导通到截止的转换需要一个过程，即
3、存在着一定的时间延迟。 开通时间 反向恢复时间,2.1 门电路的功能及应用 2.1.1半导体器件的开关特性,2. 晶体三极管开关特性 晶体三极管的开关作用对应于有触点开关的“断开”与“闭合”。 三极管作为一个开关来使用时，只能工作在饱和状态和截止状态，对应于开关的闭合和断开。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.1半导体器件的开关特性,(1) 三极管的开关特性 三极管开关及其等效电路：,2.1 门电路的功能及应用 2.1.1半导体器件的开关特性,三极管开关电路在输入电压为低电平时，三极管工作在截止状态，相当于开关断开，在开关电路的输出端输出高电平； 当输入电压为高电平时，三极管工作在深度饱和状
4、态，相当于开关闭合，在开关电路的输出端输出低电平。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.1半导体器件的开关特性,(2) 三极管的动态开关特性 当三极管在截止与饱和导通两种状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因而集电极电流iC的变化必然滞后于输入电压uI的变化，从而导致开关电路的输出电压uO的变化滞后于输入电压uI的变化。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.2分立元件门电路,1. 二极管与门电路,2.1 门电路的功能及应用 2.1.2分立元件门电路,设VCC=5V，A、B输入电平UIH = 3V，UIL = 0V， UD = 0.7V。 当A = B = 0V时，VD
5、1、VD2均导通，输出Y = 0.7V； 当输入A = 0V，B = 3V时，VD1优先导通，输出Y受VD1钳位等于0.7V，即Y = 0.7V； 当A = 3V，B = 0V时，VD2优先导通，VD1截止，Y = 0.7V； 当A = B = 3V时，VD1、VD2均导通，输出Y = 3.7V。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.2分立元件门电路,2. 二极管或门电路,2.1 门电路的功能及应用 2.1.2分立元件门电路,设A、B输入电平UIH = 3V，UIL = 0V，UD = 0.7V； 当A = 3V 或B = 3V时，输出Y = 2.3V； 当A = B = 0V时，输出Y =
6、0V。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.2分立元件门电路,3. 三极管非门电路,2.1 门电路的功能及应用 2.1.2分立元件门电路,当输入为低电平时，三极管截止，输出为高电平；当输入为高电平时，三极管饱和导通，输出为低电平。 电路中接入了负电源VBB和电阻R2，即使输入的低电平信号稍大于零，也能使三极管的基极为负电位，从而保证三极管可靠地截止，输出为高电平。 当输入信号为高电平时，应保证三极管工作在深度饱和状态，以使输出电平近似为零。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,74系列 74 标准系列 74L 低功耗系列 74H 高速系列 74S 肖特基系列 74LS 低
7、功耗肖特基系列 74AS 先进的肖特基系列 74ALS 先进的低功耗肖特基系列,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,1. TTL门电路组成及其工作原理 TTL与非门组成电路,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,(1) 电路组成 电路可分为输入级、中间级和输出级三部分： 输入级由多发射极三极管T1和电阻R1组成，功能上相当于一个与门； 中间级由T2、R2和R3组成，T2的集电极和发射极提供两个逻辑电平相反的信号，分别用于驱动T3和T5； 输出级由T3、T4、T5、R4和R5组成，它们采用达林顿结构，T3和T4组成的复合管降低了输出为高电平时的输出电阻，
8、提高了电路的带载能力。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,(2) 工作原理 设VCC=5V，A、B输入端的高、低电平分别为UIH = 3.6V，UIL = 0.3V 当A = UIL，B= UIH时，uB1= uBE1+ UIL=0.7+0.3 =1V，此时T2 、T5 截止，T3、T4导通，输出为高电平UOH，即 Y=UOH =VCC - iB3 R2 - uBE3- uBE4VCC - uBE3- uBE4 = 5-0.7-0.7=3.6V,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,当A = UIH，B= UIH时，电源VCC通过R1和T1的集电结向
9、T 2提供较大的基极电流，使T2 、T5 饱和导通，输出为低电平UOL ，即 Y=UOL 0.3V,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,2. TTL集成门电路的技术参数 (1) 输出高电平UOH 指TTL与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平。产品规定值UOH2.4V。 (2) 输出低电平UOL 指TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规定值UOL0.4V。 (3) 开门电平UIHmin 指输入电压由高电平向低电平变化，输出端仍维持低电平时的最小输入高电平数值。一般UIHmin1.8V。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,(4) 关门电
10、平UILmax 指输入电压由低电平向高电平变化，输出端仍维持高电平时的最大输入低电平数值。一般UILmax0.8V。 (5) 阈值电压UTH 指输出电平由高到低或由低到高变化时所对应的输入电压，也称门槛电压。一般UTH 1.4V。 (6) 低电平噪声容限UNL 指保证输出为高电平UOH时，输入低电平的允许上限值UILmax与输入低电平UIL之差，即UNL=UILmax -UIL。一般在0.3V左右。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,(7) 高电平噪声容限UNH 指保证输出为低电平UOL时，输入高电平的允许下限值UIHmin与输入高电平UIH之差，即UNH=UIHmin
11、 -UIH。一般在-0.9V左右。 (8) 平均延迟时间tpd 指由于半导体器件的开关特性及输出端电容负载的影响，输出波形将比输入波形滞后，并产生一定的失真。一般约为10ns。因平均延迟时间的存在，限制了输入端脉冲信号的最高工作频率，它决定了门电路的开关速度。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,(9) 扇入系数N I 指TTL与非门输入端的个数。N I越大使用越灵活。 (10) 扇出系数N O 指TTL与非门能带同类门的个数，它反映了与非门带负载的能力。一般NO为8 10。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,3. 常用TTL集成门电路,2.1 门
12、电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,4. 其它类型TTL集成门电路 (1)OC门 OC门电路 及其符号,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,OC门的特点是驱动能力大，带负载能力强，主要应用有： 1)实现线与：两个或多个OC 门的输出信号在输出端直接相 与的逻辑功能，称为线与。 任一个OC门的所有输入都为 高电平时，输出为低电平；只 有每个OC门的输入中有低电 平时，输出才为高电平。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,2)驱动显示器： 该电路只有在输入都为高电平 时，输出才为低电平，发光二 极管导通发光，否则，输出高 电平，发光二极管熄灭
13、。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,3)实现电平转换： 输入A、B的信号来自TTL 与非门的输出电平。它输出 的高电平可以适应下一级电 路对高电平的要求。输出的 低电平仍为0.3V。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,(2)TSL门 TSL门即三态门，电路的输出有高电平、低电平和高阻态三种状态，它是在普通TTL门电路的基础上增加一个使能端E N或 而得到的。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,图2-13a中，当 0时，三态与非门处于工作状态，此时其逻辑功能与普通与非门功能相同；当 =1时，输出呈现高阻状态，即悬浮状态，称
14、 低电平有效。 图2-13b中，当EN = 1时，三态与非门处于工作状态，EN = 0时，输出呈现高阻状态，称EN高电平有效。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.3 TTL集成门电路,5. TTL集成门电路使用注意事项 (1)电源电压及电源干扰的消除 (2)输出端的连接 (3)闲置输入端的处理 原则是：保证门电路工作性能稳定、可靠、损耗要小。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.4 CMOS集成门电路,CMOS集成门电路是互补对称-金属-氧化物-半导体场效应管门电路（Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor）的简称。 它是由增强型PMOS管和增强型NMO
15、S管组成的互补对称MOS门电路。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.4 CMOS集成门电路,CMOS集成门电路主要有： 4000系列 普通CMOS 74C系列 高速CMOS 74HC/HCT系列 先进的CMOS 74AC/ACT系列 其中74HCT系列和74HCT系列可直接与TTL系列兼容。,2.1 门电路的功能及应用 2.1.4 CMOS集成门电路,和TTL集成门电路相比，CMOS电路主要有如下特点： (1)功耗低 (2)工作电源电压范围宽 (3)噪声容限大 (4)逻辑摆幅大 (5)输入阻抗高 (6)扇出系数大,2.2 触发器功能及应用,触发器有两个基本特征: 一是它有两个稳定状态，可分别
16、用来表示二进制数码0和1； 二是在输入信号作用下，触发器的两个稳定状态可互相转换，输入信号消失后，已转换的稳定状态可长期保持下来。 触发器由门电路组成，它有一个或多个输入端，有两个互补输出端，分别用Q和 表示。,2.2 触发器功能及应用,触发器分类 按逻辑功能分：RS（复位置位）、D（数据）、JK（多功能）、T（可控）、T（计数式）触发器等； 按有无时钟信号控制分：基本触发器、时钟触发器； 按空翻电路结构分：主从触发器、维持阻塞触发器、边沿触发器等。,2.2 触发器功能及应用 2.2.1 基本RS触发器,1. 电路结构,2.2 触发器功能及应用 2.2.1 基本RS触发器,2. 逻辑功能 (1) 当 =0、 =1时，触发器置0。 (2) 当 =1、 =0时，触发器置1。 (3) 当 =1、 =1时，触发器保持原状态不变。 (4) 当 =0、 =0时，触发器输出状态不定。,2.2 触发器功能及应用 2.2.1 基本RS触发器,3. 特性表,2.2 触发器功能及应用 2.2.2同步触发器,
