《数字电子技术集成门电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子技术集成门电路（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 2.1 概述概述 2.2 TTL 集成门电路集成门电路 2.3 CMOS集成门电路集成门电路 本章小结本章小结 习题习题返回主目录第第2章章 集成门电路集成门电路第第2 章章 集集 成成 门门 电电 路路 集电路是构成数字电路的根本单元。 2.1概述 逻辑门电路是指能够实现各种根本逻辑关系的电路， 简称“门电路或逻辑元件。 最根本的门电路是与门、或门和非门。利用与、或、非门就可以构成各种逻辑门。在逻辑电路中, 逻辑事件的是与否用电路电平的高、低来表示。 假设用1代表低电平、0代表高电平，那么称为负逻辑。 集成门按内部有源器件的不同可分为两大类：一类为双极型晶体管集成电路，主要有晶体管TTL逻
2、辑、射极耦合逻辑ECL和集成注入逻辑I2L等几种类型；另一类为单极型MOS集成电路，包括NMOS、 PMOS和CMOS等几种类型。常用的是TTL和CMOS集成电路。 集成门电路按其集成度又可分为：小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路MSI、大规模集成电路LSI和超大规模集成电路VLSI。 【思考题】 1. 在数字电路中，用什么符号来表示对立的两个状态？何为正逻辑? 何为负逻辑？ 2. 什么是逻辑门？ 根本逻辑门指哪几种逻辑门？2.2 TTL 集成门电路集成门电路2.2.1 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理2.2.2 TTL与非门的外特性与参数与非门的外特性与参数2.2.3 TTL与非
3、门产品介绍与非门产品介绍2.2.4 TTL与非门的改进电路与非门的改进电路2.2.5 TTL门电路的其他类型门电路的其他类型2.2.6 TTL集成门电路使用本卷须知集成门电路使用本卷须知2.2 TTL集成门电路集成门电路图2.1是一个由与非门构成的多数表决器。 图21 多路表决器逻辑图表表21 多路表决器真值表多路表决器真值表 电路输入输出间逻辑关系如表21所示 A B CY 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 00010111 2.2.1TTL与非门的工作原理与非门的工作原理 1 电路组成电路组成 如图如图2.2所示由输入级、所示由
4、输入级、 中间级和输出级三局部中间级和输出级三局部组成的。组成的。 图 2.2 TTL集成与非门电路图及逻辑符号 (a) 电路； (b) 符号图 2.3 多发射极晶体管及其等效形式(a) 多发射极晶体管； (b) 等效形式 (1) 输入级。 输入级由多发射极管T1和电阻R1组成。其作用是对输入变量A、B、C实现逻辑与，从逻辑功能上看，图2.3a所示的多发射极三极管可以等效为图2.3b所示的形式。 (2) 中间级。 中间级由T2、 R2和R3组成。T2的集电极和发射极输出两个相位相反的信号，作为T3和T5的驱动信号。 (3) 输出级。 输出级由T3、T4、T5和R4、R5组成，这种电路形式称为推
5、拉式电路。 2. 工作原理工作原理 (1) 输入全部为高电平。当输入A、 B、 C均为高电平，即UIH = 3.6 V时，T1的基极电位足以使T1的集电结和T2、T5的发射结导通。而T2的集电极压降可以使T3导通， 但它不能使T4导通。T5由T2提供足够的基极电流而处于饱和状态。 因此输出为低电平: UO=UOL=UCE50.3 V(2) 输入至少有一个为低电平。当输入至少有一个A端为低电平，即UIL = 0.3V时，T1与A端连接的发射结正向导通，从图2.3(b)中可知，T1集电极电位UC1使T2、T5均截止，而T2的集电极电压足以使T3，T4导通。因此输出为高电平： UO=UOHUCC-U
6、BE3-UBE4=5-0.7-0.7=3.6 V 综上所述，当输入全为高电平时，输出为低电平，这时T5饱和，电路处于开门状态；当输入端至少有一个为低电平时，输出为高电平，这时T5截止，电路处于关门状态。即输入全为时， 输出为；输入有时，输出为。由此可见，电路的输出与输入之间满足与非逻辑关系，即 1. 电压传输特性电压传输特性 TTL与非门电压传输特性是表示输出电压UO随输入电压UI变化的一条曲线， 电压传输特性曲线大致分为四段：如图2.4所示。 2.2.2 TTL与非门的外特性与参数与非门的外特性与参数图 2.4TTL与非门电压传输特性a 测试电路示意图; b 曲线 1 AB段。 输入电压UI
7、0.6 V时，T1工作在深度饱和状态，UCES10.1V, UB20.7V,故T2、T5截止，T3、T4导通，UO3.6 V为高电平。与非门处于截止状态，所以把AB段称截止区。 2BC段。输入电压 0.6VUI1.3 V时，0.7VUB21.4V ，T2开始导通，T5仍未导通，T3、T4处于射极输出状态。随UI的增加，UB2增加， UC2下降，并通过T3、 T4使UO也下降。因为UO根本上随UI的增加而线性减小， 故把BC段称线性区。 3 CD段。输入电压1.3VUI1.4V时，T5开始导通，并随UI的增加趋于饱和。使输出UO为低电平。所以把CD段称转折区或过渡区。 (4) DE段。当UI1.
8、4V时, T2、T5饱和，T4截止，输出为低电平。与非门处于饱和状态。 所以把DE段称饱和区。 2. 主要参数 1输出高电平UOH和输出低电平UOL。电压传输特性曲线截止区的输出电压为UOH，饱和区的输出电压为UOL。一般产品规定UOH2.4V，UOL0.4 V。 2 阈值电压Uth。电压传输特性曲线转折区中点所对应的输入电压为Uth，也称门槛电压。一般TTL与非门的Uth 1.4V。 3关门电平UOFF和开门电平UON。保证输出电平为额定高电平2.7V左右时，允许输入低电平的最大值， 称为关门电平UOFF。通常UOFF1V , 一般产品要求UOFF0.8 V。 保证输出电平到达额定低电平0.
9、3V时，允许输入高电平的最小值，称为开门电平UON。通常UON1.4V，一般产品要求UON1.8 V。 4 噪声容限UNL、UNH。在实际应用中，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。它是用来说明门电路抗干扰能力的参数。 低电平噪声容限是指在保证输出为高电平的前提下，允许叠加在输入低电平UIL上的最大正向干扰或噪声电压。用UNL表示: UNL = UOFF - UIL 高电平噪声容限是指在保证输出为低电平的前提下，允许叠加在输入高电平UIH上的最大负向干扰或噪声电压。 用UNH表示： UNH = UIH - U
10、ON (5) 输入短路电流IIS。当UI=0时，流经这个输入端的电流称为输入短路电流IIS。在如图2.5所示电路中， IIS= -1.4 mA输入短路电流的典型值约为-1.5mA。 图 2.5 IIS的计算 (6) 输入漏电流IIH。当UIUth时, 流经输入端的电流称为输入漏电流IIH， 即T1倒置工作时的反向漏电流。其值很小，约为10A。 (7) 扇出系数N。扇出系数是以同一型号的与非门作为负载时，一个与非门能够驱动同类与非门的最大数目，通常N8。 8平均延迟时间tpd。平均延迟时间指输出信号滞后于输入信号的时间，它是表示开关速度的参数， 如图2.6所示 从输入波形上升沿的中点到输出波形下
11、降沿中点之间的时间称为导通延迟时间 tPHL；从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点之间的时间称为截止延迟时间tPLH, 所以TTL与非门平均延迟时间为tpd= (tPHL+tPLH) 一般, TTL与非门tpd为340ns。表表 2.2 常用常用TTL门电路型号门电路型号 2.2.3 TTL与非门产品介绍 局部常用中小规模TTL门电路的型号及功能如表2.2所示。 型 号 逻 辑 功 能 74LS00 74LS10 74LS20 74LS30四-2输入与非门三-3输入与非门二-4输入与非门8输入与非门图 2.774LS00、 74LS20管脚图 图2. 7所示是74LS00及74LS20
12、管脚排列示意图。 表表 2.3 TTL器件型号组成的符号及意义器件型号组成的符号及意义 TTL器件型号由五局部组成， 其符号和意义如表2.3所示。 第 1 部 分 第 2 部 分第 3 部 分第4 部 分 第5部分型号前级工作温度符号范围器件系列器件品种封装形式符号意义符号意义符号意义符号意义符号意义CT SN中国制造的TTL类美国TEXAS公司5474-55+125V 0+70 HSLSASALSFAS标准高速肖特基低功能肖特基先进肖特基先进低功能肖特基快捷肖特基阿拉伯数字器件功能WBFDPJ陶瓷扁平封装扁平全密封扁平陶瓷双列直播塑料双列直播黑陶瓷双列直播例如:CT 74 H 10 F 封装
13、形式： 全密封扁平封装 器件品名： 三3输入与非门 器件系列： 高速 温度范围： 0+70 中国制造: TTL器件_ _ 2.2.4TTL与非门的改进电路与非门的改进电路 改进型改进型TTL与非门与非门, 如图如图 2.8 所示。所示。 图 2.8 各种系列的TTL门电路 LS系列TTL门tpd5ns，而功耗2mW，因而得到广泛应用。 我国TTL集成电路目前有CT54/74普通、T54/74H高速、 CT54/74S肖特基和CT54/74LS(低功耗等四个系列国家标准的集成门电路。它们的主要性能指标如表2.4所示。在TTL门电路中，无论是哪一种系列，只要器件品名相同, 那么器件功能就相同，只是
14、性能不同。 表表2.4 TTL各系列集成门电路主要性能指标各系列集成门电路主要性能指标 电路型号参数名称CT74系列CT74H系列CT745系列CT74LS系列电源电压/V5555UOH(MIN)/V2.42.42.52.5UOL(MAX)/V0.40.40.50.5逻辑摆幅3.33.33.43.4每门功耗1022192每门传输延时10639.5最高工作频率355012545扇出系数10101020抗干扰能力一般一般好好 2.2.5TTL门电路的其他类型 TTL门电路除与非门之外， 还有许多种门电路， 1. 集电极开路门OC门 在实际使用中，可直接将几个逻辑门的输出端相连，这种输出直接相连，实
15、现输出与功能的方式称为线与。图2.9所示为实现线与功能的电路。即 Y=Y1Y2 但是普通TTL与非门的输出端是不允许直接相连的， 因为当一个门的输出为高电平Y1，另一个为低电平Y2时， 将有一个很大的电流从UCC经Y1到Y2，到导通门的T5管，如图2.10所示。图2.9 与非门的线与连接图 2.10TTL与非门直接线与的情况图 2.11OC门电路 OC(Open Collector)门， 其电路及符号如图2.11所示。 图 2.12OC门线与逻辑 T5的集电极是断开的，必须经外接电阻RL接通电源后，电路才能实现与非逻辑及线与功能。 图2.12是实现线与逻辑的OC门， 其逻辑表达式为图 2.13
16、 RL的选取 外接电阻RL的选取。 假设有n个OC门接成线与的形式，其输出负载为m个TTL与非门，如图2.13所示。 当所有OC门都为截止状态时，输出电压UO为高电平，为保证输出的高电平不低于规定值，RL不能太大。根据图2.13a所示的情况，RL的最大值为式中, n为OC门并联的个数，m为并联负载门的个数，IOH为OC门输出管截止时的漏电流，IIH为负载门输入端为高电平时的输入漏电流。 式中, ILmax是导通OC门所允许的最大漏电流，IIS为负载门的输入短路电流。 综合以上两种情况，RL的选取应满足： RLminRLRLmax为了减少负载电流的影响，RL值应选接近RLmin的值。图 2.14
17、 三态门电路、 符号 2. 三态门TSL门 三态门，是指逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态高阻状态或称禁止状态的门电路，简称TSL(Tristate Logic)门。电路如图2.14(a)所示。 E为控制端或称使能端。 当E1时，二极管D截止，TSL门与TTL门功能一样： 当E0时，T1处于正向工作状态，促使T2、T5截止， 同时, 通过二极管D使T3基极电位钳制在V左右，致使T4也截止。这样T4、T5都截止，输出端呈现高阻状态。 TSL门中控制端E除高电平有效外，还有为低电平有效的，这时的电路符号如图2.14(c)所示。 图 2.15 三态门的应用举例 三态门的主要用途是实
18、现多个数据或控制信号的总线传输，如图2.15所示。 2.2.6TTL集成门电路使用本卷须知 在使用TTL集成门电路时， 应注意以下事项： (1) 电源电压UCC应满足在标准值5V+10%的范围内。 (2) TTL电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数。 (3) 注意TTL门多余输入端的处理方法。 1. 与非门 与非门多余输入端的三种处理方法如图2.16所示。图 2.16与非门多余输入端的处理方法(a) 接电源; (b) 通过R接电源; c 与使用输入端并联图 2.17或非门多余输入端的处理方法(a) 接地; (b) 通过R接地; c 与使用输入端并联 2. 或非门或非门 或非门多余输入端
19、的三种处理方法如图2.17所示。 【思考题】 1. TTL与非门多余输入端应如何处理？或门、或非门、与或非门多余输入端应如何处理？ 2. 什么是“线与？普通TTL门电路为什么不能进行“线与？ 3. 三态门输出有哪三种状态？ 为保证接至同一母线上的许多三态门电路能够正常工作的必要条件是什么？2.3.1 CMOS门电路2.3.2 CMOS门电路系列及型号的命名法2.3.3 CMOS集成电路使用本卷须知2.3.4 CMOS电路与TTL电路的连接2.3 CMOS集成门电路集成门电路2.3CMOS集成门电路集成门电路 MOS集成逻辑门是采用MOS管作为开关元件的数字集成电路。 它具有工艺简单、集成度高、
20、抗干扰能力强、 功耗低等优点，MOS门有PMOS、 NMOS和CMOS三种类型， CMOS电路又称互补MOS电路，它突出的优点是静态功耗低、抗干扰能力强、工作稳定性好、开关速度高，是性能较好且应用较广泛的一种电路。 2.3.1CMOS门电路门电路 1. 与非门与非门 图2.18是一个两输入的CMOS与非门电路。 当A、B两个输入端均为高电平时，T1、T2导通，T3、 T4截止，输出为低电平。 当A、B两个输入端中只要有一个为低电平时，T1、T2中必有一个截止，T3、T4中必有一个导通， 输出为高电平。 电路的逻辑关系为图 2.18 CMOS与非门 2. 或非门或非门 CMOS或非门电路如图2.
21、19所示。当A、B两个输入端均为低电平时，T1、T2截止，T3、T4导通，输出Y为高电平；当A、B两个输入中有一个为高电平时，T1、T2中必有一个导通，T3、T4中必有一个截止，输出为低电平。 电路的逻辑关系为图 2.19CMOS或非门图 2.20CMOS传输门 3. CMOS传输门 传输门是数字电路用来传输信号的一种根本单元电路。其电路和符号如图2.20所示， 当控制信号C=1UDD( =0)时， 输入信号UI接近于UDD，那么UGS1-UDD，故T1截止，T2导通；如输入信号UI接近0，那么T1导通，T2截止；如果UI接近UDD/2，那么T1、T2同时导通。所以，传输门相当于接通的开关，通
22、过不同的管子连续向输出端传送信号。 反之，当C=0 =1时，只要UI在0UDD之间，那么T1、T2都截止，传输门相当于断开的开关。 因为MOS管的结构是对称的，源极和漏极可以互换使用，所以CMOS传输门具有双向性，又称双向开关，用TG表示。 2.3.2CMOS门电路系列及型号的命名法门电路系列及型号的命名法 CMOS逻辑门器件有三大系列: 4000系列、74C系列和硅氧化铝系列。 1. 4000系列 表2.5列出了4000系列CMOS器件型号组成符号及意义。表表2.5 CMOS器件型号组成符号及意义器件型号组成符号及意义第1部分第2部分第3部分第4部分产品制造单位器件系列器件品种工作温度范围符
23、号意义符号意义符号意义符号意义CCCDTC中国制造的类型美国无线电公司产品日本东芝公司产品4045145系列符号阿拉伯数字器件功能CERM070-4085-5585-55125表表2.6 几家国外公司几家国外公司CMOS产品代号产品代号表2.6列出了国外主要生产公司的产品代号。 国别公司名称 简 称型号前缀美国美国无线电公司摩托罗拉公司国家半导体公司德克萨斯仪器公司RCAMOTANSCTICDMCCDTP日本东芝公司日立公司富士通公司TOSJTCHDMB荷兰飞利浦公司HFE加拿大密特尔公司MD 例如： CC 40 30 R 表示温度范围： -55 85 表示器件品种： 四- 2输入异或门 表示
24、器件系列代号 表示中国制造的CMOS器件 2. 74C系列系列 74C系列有：普通74C系列、高速MOS74HC/HCT系列及先进的CMOS74AC/ACT系列。_ _ 2.3.3 CMOS集成电路使用本卷须知集成电路使用本卷须知 TTL电路的使用本卷须知，电路的使用本卷须知， 一般对一般对CMOS电路也适用。电路也适用。因因CMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下几点：几点： (1) 防止静电损失。防止静电损失。 存放存放CMOS电路不能用塑料袋，要用金属将管脚短接起电路不能用塑料袋，要用金属将管脚短接起来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金
25、属材料覆盖并应良好接来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金属材料覆盖并应良好接地。焊接时，电烙铁壳应接地。地。焊接时，电烙铁壳应接地。 (2) 多余输入端的处理方法。 CMOS电路的输入阻抗高，易受外界干扰的影响，所以CMOS电路的多余输入端不允许悬空。多余输入端应根据逻辑要求或接电源DD(与非门、 与门，或接地或非门、或门，或与其他输入端连接。 2.3.4CMOS电路与TTL电路的连接 1. TTL电路驱动CMOS电路 (1) 当TTL电路驱动4000系列和HC系列CMOS时，如电源电压UCC与UDD均为5V时，TTL与CMOS电路的连接如图2.21a所示。2 2 1图 TTL-CMOS电路的接
26、UCC与UDD不同时，TTL与CMOS电路的连接方法如图2.21b所示。还可采用专用的CMOS电平转移器如CC4502、CC40109等完成TTL对CMOS电路的接口，电路如图2.21c所示。 (2) 当TTL电路驱动HCT系列和ACT系列的CMOS门电路时，因两类电路性能兼容，故可以直接相连，不需要外加元件和器件。 图 2.22CMOSTTL电路的接口 2. CMOS电路驱动电路驱动TTL电路电路 CMOS和TTL电路的连接，如图2.22所示。 【思考题】【思考题】 1. CMOS门电路有什么优、门电路有什么优、 缺点？缺点？ 2. TTL与与CMOS逻辑如何解决逻辑如何解决“接口接口问题？
27、问题？本章小结本章小结 1. 目前普遍使用的数字集成电路根本上有两大类：一类是双极型数字集成电路, TTL、HTL、IL、ECT都属于此类电路；另一类是金属氧化物半导体MOS数字集成电路。 2. 在双极型数字集成电路中，TTL与非门电路在工业控制上应用最广泛，是本章介绍的重点。对该电路要着重了解其外部特性和参数，以及使用时的本卷须知。 3. 在MOS数字集成电路中，CMOS电路是重点。由于MOS管具有功耗小、输入阻抗高、 集成度高等优点， 在数字集成电路中逐渐被广泛采用。 习题习题 2.1 有两个TTL与非门G1和G2，测得它们的关门电平分别为: UOFF1=0.8 V, UOFF2=1.1V
28、；开门电平分别为：UON1=1.9V, UON2=1.5 V。它们的输出高电平和低电平都相等，试判断何者为优定量说明。 2.2 试判断图题2.2所示TTL电路能否按各图要求的逻辑关系正常工作？假设电路的接法有错，那么修改电路。 图题 2.2 2.3 电路两个输入信号的波形如图题2.3所示， 信号的重复频率为1MHz, 每个门的平均延迟时间tpd=20ns。试画出： 1 不考虑tpd时的输出波形。 2考虑tpd时的输出波形。 图题 2.3 2.4 图题2.4均为TTL门电路， (1) 写出Y1、Y2、Y3、Y4的逻辑表达式。 (2) 假设A、B、C的波形，分别画出Y1Y4的波形。 图题 2.4 2.5 在图题2.5电路中，G1、G2是两个OC门，接成线与形式。每个门在输出低电平时，允许注入的最大电流为13mA；输出高电平时的漏电流小于250 A。G3、G4和G5是三个TTL与非门，TTL与非门的输入短路电流为1.5 mA，输入漏电流小于50A，UCC=5V，UOH=3.5 V, UOL=0.3 V。 问：RLmax、RLmin各是多少？RL应该选多大？ 2 .6 试写出图题2.6所示电路的逻辑表达式， 并用真值表说明这是一个什么逻辑功能部件。 图题 2.5 图题 2.6
