1、第3章 門電路,3.1 概述 3.2 分立元件門電路 3.3 TTL門電路 3.4 CMOS門電路,3.1 概述,門電路是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路。 常用門電路：與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等,集成電路Integrated Circuits(IC) ：,集成電路就是將元、器件和連線制作在一個半導(dǎo)體基片上的完整電路。 規(guī)模： 小規(guī)模集成電路：10個門以內(nèi) 中規(guī)模集成電路：小于100個門 大規(guī)模集成電路：小于10000個門 超大規(guī)模集成電路：10000個門以上 根據(jù)所使用半導(dǎo)體器件不同分為： TTL電路:晶體管-晶體管邏輯電路（Transister-Transister-L

2、ogic ） MOS電路:采用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,縮寫為MOSFET)制造,CMOS集成電路： 廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路,4000系列,74HC 74HCT,74VHC 74VHCT,速度慢 與TTL不兼容 抗干擾 功耗低,74LVC 74VAUC,速度加快 與TTL兼容 負(fù)載能力強(qiáng) 抗干擾 功耗低,速度兩倍于74HC 與TTL兼容 負(fù)載能力強(qiáng) 抗干擾 功耗低,低(超低)電壓 速度更加快 與TTL兼容 負(fù)載能力強(qiáng) 抗干擾功耗低,74系列,74LS系列,74AS系列,74ALS

3、,TTL 集成電路: 廣泛應(yīng)用于中大規(guī)模集成電路,獲得高、低電平的基本原理,S斷開，輸出v0=Vcc,S閉合，輸出v0=0,門電路是以高/低電平來表示邏輯值1/0,實(shí)際開關(guān)為晶體二極管、三極管以及場效應(yīng)管等電子器件,正邏輯和負(fù)邏輯,正邏輯 高電平：1 低電平：0,負(fù)邏輯 低電平：1 高電平：0,實(shí)際中高/低電平都有一個允許的范圍,本課內(nèi)無特殊說明均指正邏輯,在數(shù)字電路中，對電子元件、器件參數(shù)精度的要求及其電源的穩(wěn)定度的要求比模擬電路要低。,3.2 分立元件門電路,3.2.1 半導(dǎo)體二極管和半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性,數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)。 導(dǎo)通狀態(tài)：相當(dāng)于開關(guān)閉合

4、 截止?fàn)顟B(tài)：相當(dāng)于開關(guān)斷開。,半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管，則是構(gòu)成這種電子開關(guān)的基本開關(guān)元件。,一、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性,正向?qū)〞r UD(ON)0.7V RD幾 幾十 相當(dāng)于開關(guān)閉合,反向截止時 反向飽和電流極小 反向電阻很大（約幾百k） 相當(dāng)于開關(guān)斷開,一、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性,VI=VIL D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V 開關(guān)閉合,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC 開關(guān)斷開,二極管的開關(guān)電路：,二極管的動態(tài)電流波形：,外加電壓突然反向時，電流的變化情況,二、三極管的開關(guān)特性,三極管輸出特性： 固定一個IB值，即得一條曲線， 在VCE 0.7V以后，基本為水平直線,雙極型

5、三極管的基本開關(guān)電路,只要參數(shù)合理： VI=VIL時，T截止，VO=VOH VI=VIH時，T導(dǎo)通，VO=VOL,三極管的開關(guān)時間,3.2.2 二極管與門,Y=AB,設(shè)VCC = 5V 加到A,B的VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時 VDF=0.7V,規(guī)定3V以上為1,0.7V以下為0,3.2.3 二極管或門,規(guī)定2.3V以上為1,0V以下為0,設(shè)VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時VDF=0.7V,Y=A+B,二極管構(gòu)成的門電路的缺點(diǎn):,電平有偏移 帶負(fù)載能力差 只用于IC內(nèi)部電路,上次課內(nèi)容回顧,含有無關(guān)項(xiàng)的邏輯函數(shù)化簡 門電路及分類 分立元件門電

6、路,3.3 TTL門電路,TTL集成邏輯門電路的輸入和輸出結(jié)構(gòu)均采用半導(dǎo)體三極管，所以稱晶體管晶體管邏輯門電路，簡稱TTL電路。,TTL電路的基本環(huán)節(jié)是反相器。因此首先簡單了解TTL反相器的電路及工作原理，掌握其特性曲線和主要參數(shù)。,3.3.1 TTL 反相器,一、電路結(jié)構(gòu),T1的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通VB1=VIL+VoN=0.9v T2 、T5截止 T4導(dǎo)通, A輸入低電平時,0.2V,0.9V, A輸入高電平時,3.4V,T1處于倒置工作狀態(tài)， 集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏， 不考慮T2存在情況下 VB1=VIL+VoN=4.1v T2 、T5導(dǎo)通，使得 VB1=0.7*3=2.1v T4截止,2.1V,

7、需要說明的幾個問題,3.2.2 TTL非門的外部特性及主要參數(shù)1. 電壓傳輸特性和相應(yīng)參數(shù),(1) 輸出高電平VOH：AB段所對應(yīng)的輸出電平，一般大于等于3V； (2) 輸出低電平VOL：DE段對應(yīng)的輸出電平，一般小于0.4V。,(3) 開門電平UON 一般要求UON1.8V (4) 關(guān)門電平UOFF 一般要求UOFF0.8V,在保證輸出為額定低電平的條件下，允許的最小輸入高電平的數(shù)值，稱為開門電平UON。,在保證輸出為額定高電平的條件下，允許的最大輸入低電平的數(shù)值，稱為關(guān)門電平UOFF。,(5) 閾值電壓UTH 電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對應(yīng)的uI值稱為閾值電壓UTH（又稱門檻電平）。,2

8、. 輸入端噪聲容限 反應(yīng)抗干擾能力的物理量, 低電平噪聲容限（低電平正向干擾范圍） UNL=UOFF-UIL UIL為電路輸入低電平的典型值 例如： UNL=0.8-0.3=0.5 (V), 高電平噪聲容限（高電平負(fù)向干擾范圍） UNH = UIH - UON UIH為電路輸入高電平的典型值 例如： UNH = 3-1.8 =1.2 (V),3. 輸入特性,(1) 輸入短路電流IIS（輸入低電平電流） 當(dāng)uIL = 0V時，由輸入端流出的電流 IIS =(VCCUBE1)/R1 =(50.7)/4 1.1mA,(2) 輸入漏電流IIH （輸入高電平電流） 當(dāng)輸入為高電平時， iI = IIH

9、IIH很小，一般小于40A。,前級驅(qū)動門導(dǎo)通時，IIS將灌入前級，稱為灌電流負(fù)載。,前級驅(qū)動門截止時， IIH從前級流出，稱為拉電流負(fù)載。,4. 輸出特性,（1）輸出為高電平的輸出特性,由圖可見，負(fù)載電流iL不可過大，否則輸出高電平會降低。iL5mA時，輸出uO變化很大；實(shí)際上由于功耗的限制， iL遠(yuǎn)小于5mA。74系列門電路的運(yùn)用條件規(guī)定 iL不超過0.4mA。,（2）輸出為低電平時的輸出特性,T5飽和導(dǎo)通時c-e間飽和導(dǎo)通內(nèi)阻很小，飽和壓降很低，所以負(fù)載電流增加時輸出低電平僅稍有升高。,5.輸入端負(fù)載特性,TTL反相器的輸入端對地接上電阻RI 時，uI隨RI 的變化而變化的關(guān)系曲線。,在一

10、定范圍內(nèi)，uI隨RI的增大而升高，輸出高電平。但當(dāng)輸入電壓uI達(dá)到1.4V以后，uB1 = 2.1V，RI增大，由于uB1不變，故uI = 1.4V也不變。這時T2和T5飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。,RI 不大不小時，工作在線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)。,RI 較小時，輸出高電平；,RI 較大時，輸出低電平；,(1) 關(guān)門電阻ROFF 在保證門電路輸出為額定高電平的條件下，所允許RI 的最大值稱為關(guān)門電阻。典型的TTL門電路ROFF 0.7k。,(2) 開門電阻RON 在保證門電路輸出為額定低電平的條件下，所允許RI 的最小值稱為開門電阻。典型的TTL門電路RON 2k。 數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻RI RON

11、或RI ROFF ，否則輸入信號將不在高低電平范圍內(nèi)。,6.扇入系數(shù)NI和扇出系數(shù)NO,扇入系數(shù)NI是指合格輸入端的個數(shù)。 扇出系數(shù)NO表示門電路帶負(fù)載能力的大小，即可以驅(qū)動同類門的個數(shù)。分兩種情況，一是灌電流負(fù)載NOL，二是拉電流負(fù)載NOH 。,7. 平均傳輸延遲時間tpd,平均傳輸延遲時間tpd表征了門電路的開關(guān)速度。,tpd = （tpLH +tpHL）/2,一般TTL：10-40ns,3.3.3 其他類型的TTL門電路,一、其他邏輯功能的門電路 1. 與非門,2. 或非門,3.與或非門,4.異或門,A=0,B=0，T2 T3導(dǎo)通，T4 T5截止，T7 T9導(dǎo)通，T8截止，輸出為0 A=

12、1,B=1，T6 T7導(dǎo)通，T8截止輸出為0,A=0,B=1，或者A=1,B=0：T3導(dǎo)通，T6截止，T4 T5必有一個導(dǎo)通，T7 截止，T9截止，T8導(dǎo)通，輸出為1,TTL與非門舉例,7400是一種典型的TTL與非門器件，內(nèi)部含有4個2輸入端與非門，共有14個引腳。引腳排列圖如圖所示。,二、集電極開路的門電路,1.推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性 輸出電平不可調(diào) 負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用 （不能構(gòu)成“線與”結(jié)構(gòu)） OC門（Open Collector）,1,0,一是會抬高門2的低電平，二是會因功耗過大損壞門電路.,線與結(jié)構(gòu),yes,no,2、OC門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),2.OC門應(yīng)

13、用 （1）OC門實(shí)現(xiàn)的線與邏輯,（2）驅(qū)動顯示器,（3）實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,上次課內(nèi)容回顧：,TTL反相器的工作原理 TTL反相器的外部特性 電壓傳輸特性 輸入特性 輸出特性 輸入端負(fù)載特性 幾個參數(shù)及含義 輸入端噪聲容限、拉電流、灌電流、扇入系數(shù)、扇出系數(shù)、平均傳輸時延 OC門及應(yīng)用,三、三態(tài)輸出門（Three state Output Gate ,TS）,分兩種情況：,低電平有效,高電平有效,三態(tài)門的使用,三態(tài)門在計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用。,（b）組成雙向總線， 實(shí)現(xiàn)信號的分時雙向傳送。,（a）組成單向總線， 實(shí)現(xiàn)信號的分時單向傳送.,一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 電路的改進(jìn) (1)輸出級采用復(fù)合管T3和T4，減小門電路輸出高電平時的輸出電阻，提高對電容性負(fù)載的充電速度。 (2)減少各電阻值，加速三極管開關(guān)速度。 2. 性能特點(diǎn) 速度提高的同時，功耗增加，因?yàn)殡娏髟龃罅恕?3.3.4 TTL電路的改進(jìn)系列,二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,電路改進(jìn) 采用抗飽和三極管（肖特基三極管），防止工作在深度飽和狀態(tài)。 用有源泄