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第3章門(mén)電路,3.1概述3.2分立元件門(mén)電路3.3TTL門(mén)電路3.4CMOS門(mén)電路,3.1概述,門(mén)電路是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路。常用門(mén)電路：與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)、與非門(mén)、或非門(mén)、與或非門(mén)、異或門(mén)等,集成電路IntegratedCircuits(IC)：,集成電路就是將元、器件和連線制作在一個(gè)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(gè)門(mén)以內(nèi)中規(guī)模集成電路：小于100個(gè)門(mén)大規(guī)模集成電路：小于10000個(gè)門(mén)超大規(guī)模集成電路：10000個(gè)門(mén)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-Logic）MOS電路:采用金屬－氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MetalOxideSemi-conductorFieldEffectTransistor,縮寫(xiě)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,,,74HC74HCT,74VHC74VHCT,速度慢與TTL不兼容抗干擾功耗低,74LVC74VAUC,,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,,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(kāi)，輸出v0=Vcc,S閉合，輸出v0=0,門(mén)電路是以高/低電平來(lái)表示邏輯值1/0,實(shí)際開(kāi)關(guān)為晶體二極管、三極管以及場(chǎng)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(gè)允許的范圍,本課內(nèi)無(wú)特殊說(shuō)明均指正邏輯,在數(shù)字電路中，對(duì)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(mén)電路,3.2.1半導(dǎo)體二極管和半導(dǎo)體三極管的開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)：相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合截止?fàn)顟B(tài)：相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。,半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管，則是構(gòu)成這種電子開(kāi)關(guān)的基本開(kāi)關(guān)元件。,一、半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性,正向?qū)〞r(shí)UD(ON)≈0.7VRD≈幾Ω～幾十Ω相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合,反向截止時(shí)反向飽和電流極小反向電阻很大（約幾百kΩ）相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi),一、半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性,VI=VILD導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V開(kāi)關(guān)閉合,VI=VIHD截止，VO=VOH=VCC開(kāi)關(guān)斷開(kāi),二極管的開(kāi)關(guān)電路：,二極管的動(dòng)態(tài)電流波形：,外加電壓突然反向時(shí)，電流的變化情況,二、三極管的開(kāi)關(guān)特性,三極管輸出特性：固定一個(gè)IB值，即得一條曲線，在VCE>0.7V以后，基本為水平直線,雙極型三極管的基本開(kāi)關(guān)電路,只要參數(shù)合理：VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL,三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間,3.2.2二極管與門(mén),Y=AB,設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)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(mén),,規(guī)定2.3V以上為1,0V以下為0,設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)VDF=0.7V,Y=A+B,二極管構(gòu)成的門(mén)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(wú)關(guān)項(xiàng)的邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)門(mén)電路及分類分立元件門(mén)電路,3.3TTL門(mén)電路,TTL集成邏輯門(mén)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(mén)電路，簡(jiǎn)稱TTL電路。,TTL電路的基本環(huán)節(jié)是反相器。因此首先簡(jiǎn)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)。,3.3.1TTL反相器,一、電路結(jié)構(gòu),T1的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通VB1=VIL+VoN=0.9vT2、T5截止T4導(dǎo)通,①A輸入低電平時(shí),0.2V,0.9V,②A輸入高電平時(shí),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=4.1vT2、T5導(dǎo)通，使得VB1=0.7*3=2.1vT4截止,2.1V,需要說(shuō)明的幾個(gè)問(wèn)題,3.2.2TTL非門(mén)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(duì)應(yīng)的輸出電平，一般大于等于3V；(2)輸出低電平VOL：DE段對(duì)應(yīng)的輸出電平，一般小于0.4V。,,,(3)開(kāi)門(mén)電平UON一般要求UON≤1.8V(4)關(guān)門(mén)電平UOFF一般要求UOFF≥0.8V,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(kāi)門(mén)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(mén)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(duì)應(yīng)的uI值稱為閾值電壓UTH（又稱門(mén)檻電平）。,2.輸入端噪聲容限反應(yīng)抗干擾能力的物理量,①低電平噪聲容限（低電平正向干擾范圍）UNL=UOFF-UILUIL為電路輸入低電平的典型值例如：UNL=0.8-0.3=0.5(V),②高電平噪聲容限（高電平負(fù)向干擾范圍）UNH=UIH-UONUIH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(shí)，由輸入端流出的電流IIS=－(VCC－UBE1)/R1=－(5－0.7)/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(shí)，iI=IIHIIH很小，一般小于40μA。,前級(jí)驅(qū)動(dòng)門(mén)導(dǎo)通時(shí)，IIS將灌入前級(jí)，稱為灌電流負(fù)載。,前級(jí)驅(qū)動(dòng)門(mén)截止時(shí)，IIH從前級(jí)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(jiàn)，負(fù)載電流iL不可過(guò)大，否則輸出高電平會(huì)降低。iL5mA時(shí)，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(mén)電路的運(yùn)用條件規(guī)定iL不超過(guò)0.4mA。,（2）輸出為低電平時(shí)的輸出特性,T5飽和導(dǎo)通時(shí)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(shí)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(duì)地接上電阻RI時(shí)，uI隨RI的變化而變化的關(guān)系曲線。,在一定范圍內(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(shí)T2和T5飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。,RI不大不小時(shí)，工作在線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)。,RI較小時(shí)，輸出高電平；,RI較大時(shí)，輸出低電平；,(1)關(guān)門(mén)電阻ROFF——在保證門(mén)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(mén)電阻。典型的TTL門(mén)電路ROFF≈0.7kΩ。,(2)開(kāi)門(mén)電阻RON——在保證門(mén)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(kāi)門(mén)電阻。典型的TTL門(mén)電路RON≈2kΩ。數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻RI≥RON或RI≤ROFF，否則輸入信號(hào)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(gè)數(shù)。扇出系數(shù)NO表示門(mén)電路帶負(fù)載能力的大小，即可以驅(qū)動(dòng)同類門(mén)的個(gè)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(shí)間tpd,平均傳輸延遲時(shí)間tpd表征了門(mén)電路的開(kāi)關(guān)速度。,tpd=（tpLH+tpHL）/2,一般TTL：10-40ns,3.3.3其他類型的TTL門(mén)電路,一、其他邏輯功能的門(mén)電路1.與非門(mén),2.或非門(mén),,3.與或非門(mén),4.異或門(mén),A=0,B=0，T2T3導(dǎo)通，T4T5截止，T7T9導(dǎo)通，T8截止，輸出為0A=1,B=1，T6T7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，T4T5必有一個(gè)導(dǎo)通，T7截止，T9截止，T8導(dǎo)通，輸出為1,TTL與非門(mén)舉例,7400是一種典型的TTL與非門(mén)器件，內(nèi)部含有4個(gè)2輸入端與非門(mén)，共有14個(gè)引腳。引腳排列圖如圖所示。,二、集電極開(kāi)路的門(mén)電路,1.推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性①輸出電平不可調(diào)②負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出③輸出端不能并聯(lián)使用（不能構(gòu)成“線與”結(jié)構(gòu)）OC門(mén)（OpenCollector）,,1,0,,一是會(huì)抬高門(mén)2的低電平，二是會(huì)因功耗過(guò)大損壞門(mén)電路.,線與結(jié)構(gòu),yes,no,2、OC門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),2.OC門(mén)應(yīng)用（1）OC門(mén)實(shí)現(xiàn)的線與邏輯,（2）驅(qū)動(dòng)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(gè)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(shí)延OC門(mén)及應(yīng)用,三、三態(tài)輸出門(mén)（ThreestateOutputGate,TS）,分兩種情況：,低電平有效,高電平有效,三態(tài)門(mén)的使用,三態(tài)門(mén)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(hào)的分時(shí)雙向傳送。,（a）組成單向總線，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分時(shí)單向傳送.,一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）電路的改進(jìn)(1)輸出級(jí)采用復(fù)合管T3和T4，減小門(mén)電路輸出高電平時(shí)的輸出電阻，提高對(duì)電容性負(fù)載的充電速度。(2)減少各電阻值，加速三極管開(kāi)關(guān)速度。2.性能特點(diǎn)速度提高的同時(shí)，功耗增加，因?yàn)殡娏髟龃罅恕?3.3.4TTL電路的改進(jìn)系列,二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）,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)。用有源泄放電路（提供恒流和一個(gè)大電阻）代替74H系列中的R3減小電阻值2.性能特點(diǎn)速度進(jìn)一步提高（延遲小于10ns），電壓傳輸特性沒(méi)有線性區(qū)，功耗增大,,三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-PowerSchottkyTTL）四、74AS,74ALS（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）,為什么要用OC門(mén)？OC門(mén)的工作條件？OC門(mén)有何應(yīng)用？三態(tài)門(mén)有哪三態(tài)？三態(tài)門(mén)有何應(yīng)用？,