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数字电子技术教案
第3章逻辑门电路
实现一些基本运算关系的电路,称为“门电路”。
它是构成数字电路的基本单元。
在门电路中,输入反映“条件”,输出反映“结果”。
入、出之间是逻辑关系。
在逻辑设计中,主要使用集成逻辑器件,分通用逻辑器件和编程逻辑器件。
TTL系列和COMS系列最为常见。
3.1半导体二极管和三极管的开关特性
1.关于高、低电平
数字电路中的电位常用“电平”
一词描述。
高电平是电路的一种状态,
低电平是另一种状态。
不同系列的产品,高、低电平范
围有不同的标准。
图中为TTL系列的
规定。
2.关于正负逻辑
用“1”表示高电平,“0”表示
低电平,这是正逻辑体制;
如果用“0”表示高电平,用“1”
表示低电平,就是负逻辑体制。
同一个电路,可采用正逻辑体制,也可采用负逻辑体制,还可以同时采用正、负逻辑,称为混合逻辑。
今后不加说明,一律采用正逻辑体制。
3.1.1理想开关的开关特性
一、静态特性
S可由二极管、三极管或MOS管实现
①断开
②闭合
二、动态特性
①开通时间:
(断开—闭合)
②关断时间:
闭合—断开
普通开关:
静态特性好,动态特性差
半导体开关:
静态特性较差,动态特性好
3.1.2半导体二极管的开关特性
二极管具有单向导电性。
导通条件:
VD>+0.7V,如同一个具有约0.7V压降的闭合开关。
截止条件:
VD<死区电压,ID≈0,如同开关断开一样。
动态情况,二极管的工作速度问题:
截止到导通:
电荷积累需要时间(产生扩散运动),可以忽略。
导通到截止:
电荷存储效应产生反向恢复时间tre。
(存储的电荷要消散,也需要一定时间,此瞬间有较大的瞬态反向电流。
)
二极管的动态电流波形见下图。
3.1.3晶体三极管的开关特性
1.四种工作状态
放大状态:
发射结正偏,集电结反偏;
截止状态:
发射结反偏,集电结反偏;
饱和状态:
发射结正偏,集电结正偏;
倒置状态:
发射结反偏,集电结正偏。
在数字电路中,三极管主要工作在开关
状态,因而不是截止就是饱和。
Rc
Rb
T
+VCC
ui
uo
IB
IC
截止时,c-e间呈现数百千欧的电阻,如同开关断开。
饱和时,c-e间呈现数百欧的电阻,如同开关闭合。
偶尔也会出现倒置状态。
2.工作状态的判定(依据:
结偏置情况。
)
①根据三个极的电位情况判定,常用于实验测定。
②根据三极管的电流关系判定,常用于解题过程。
截止:
UBE≤0.5V(硅管),IB≤0,IC=0,此时UCE=VCC
放大:
UBE≈0.7V(硅管),IB>0,IC=βIB,此时UCE=VCC-ICRC
饱和:
UBES≈0.7V(硅管),IB≥IBS,IC<βIB,此时UCE=UCES≈0.3V
其中:
IBS
(为临界饱和电流)
例3.1.1电路见上图。
VCC=5V,RB=30kΩ,RC=1kΩ。
试求ui=0V和3V时,uo=?
设①β=100;②β=50;③分析电路参数对三极管工作状态的影响。
解:
①ui=0V时,UBE≤0.5V,T处于截止状态,UCE≈VCC=5V。
ui=3V时,T导通,基极电流IB
≈0.077(mA)
基极临界饱和电流:
IBS
=
≈0.047(mA)
由于IB≥IBS,故T处于饱和状态。
UCE=UCES≈0.3V
0
t
ui
ton
0
t
iC
0
t
uO
toff
②β=50时,IBS
=
≈0.094(mA)
由于IB≤IBS,故T处于放大状态。
IC=βIB=50×0.077=3.85(mA)
UCE=VCC-ICRC=5-3.85×1=1.15(V)
③根据IB≥IBS,
即
≥
可知:
增大ui、β、RC,减小VCC、RB
有利于三极管饱和。
3.三极管的动态特性
电荷的建立与消散需要一定时间,
影响了三极管的开关速度。
集电区积累的过量电荷消散时间较长,因而关断时间长,是影响开关速度的主要因素。
3.2 基本逻辑门电路
3.2.1 二极管与门电路
VCC(+5V)
D1
D2
R
2.8kΩ
VA
VB
VF
IIL
IIH
0V
6V
1.工作原理
①VA=VB=UIL=0V
D1、D2都导通,VF=UOL=0.7V。
②VA=UIH=6V,VB=UIL=0V
D2导通,使VF=0.7V,D1截止。
(VB=UIH=6V,VA=UIL=0V情况类似。
)
③VA=VB=UIH=6V
D1、D2都截止,VF=UOH=5V。
结论:
输入有低出低,全高出高。
2.两个参数
①输入低电平电流IIL
IIL=
=1.5(mA)若两个管同时导通,则平分该电流。
②输入高电平电流IIH
二极管截止时,只有反向饱和电流,约数十微安,为分析方便取IIH=10μA。
3.2.2二极管或门电路
1.工作原理
①VA=VB=UIL=0V
D1、D2都截止,VF=UOL=0V。
②VA=UIH=6V,VB=UIL=0V
D1导通,使VF=5.3V,D2截止。
(VB=UIH=6V,VA=UIL=0V情况类似。
)
③VA=VB=UIH=6V
D1、D2都导通,VF=UOH=5.3V。
结论:
输入有1出1,全0出0。
二极管或门电路请自己分析。
3.2.3晶体三极管非门电路
1.三极管非门
①输入为低电平
T截止,输出为高电平。
此时,D导通,uO=3+0.7=3.7(V)
D为嵌位二极管,与(+3V)电源
组成嵌位电路,将输出高电平嵌位在约
3.6V上(理论值为3.7V),便于同后面
的门电路连接。
②输入为高电平
VT饱和导通,输出为低电平,uO≈0.3V。
设UIL=3.6V,则IB≈(3∕1.5)=2mA,ICS≈(5∕1)=5mA。
可见,只要β>2.5,就有IB>IBS=(ICS∕β)。
实现了“入低出高,入高出低”的非门功能。
2.负载能力分析
当门电路的输出端与其它门电路连接时,后级的这些门电路就是前级门电路的负载。
负载的大小当然指电流的大小,有两种情况:
凡是负载电流流进门电路输出端的叫灌电流负载;
凡是负载电流流出门电路输出端的叫拉电流负载。
①灌电流负载
T饱和时,UCES≈0.3V,IL从外电路流入
集电极,使IC增加:
IC=IRC+I灌。
随着I灌的增大,会有两个问题:
Ø破坏IB>(IC∕β)这一条件,使T退出
饱和,输出低电平被抬高;
Ø可能使IC=IRC+I灌>ICM,超过管子的承
受能力,烧坏管子。
所以,对I灌一定要加以限制。
为不破坏T的饱和条件,应保证:
IB≥(IC∕β)。
即:
βIB≥IRC+I灌→I灌≤βIB+IRC
可见,最大灌电流负载能力为:
I灌max=βIB+IRC
当灌电流超过I灌max时,会使T退出饱和,输出低电平抬高,破坏了“有1出0”的逻辑功能。
为管子安全,还要保证IC=I灌max+IRC<ICM。
带灌电流负载只考虑输出为低电平时的情况。
在ICM允许时,饱和程度越深,电路带灌电流负载能力越强。
②拉电流负载
T截止时,IC≈0,IRC=I拉,UOH=VCC-RCI拉
I拉过大,会导致UOH降低,严重时,会破坏
“有0出1”之功能。
为使UOH不低于UOHmin
I拉max=
从上式知,减小RC有利于提高拉电流的负载能力。
但不利于提高灌电流的负载能力。
带拉电流负载仅考虑输出为高电平时的情况。
门电路的负载能力要同时考虑I灌和I拉,取其中较小的。
门电路的负载能力指带同类门的个数,称扇出系数N。
3.3 TTL逻辑门
数字集成电路按所用半导体器件不同,分为双极型(TTL)和单极型(MOS)两大类。
TTL系列是世界上生产历史最长、数量最多的数字集成电路。
由于不断进行结构改进和性能提高,使TTL集成电路在众多的系列品种面前仍保持盛况不衰。
目前,以CT4000系列为主流,与国际SN54LS∕74LS000对应,兼有低功耗和较高速的特点。
本节以与非门为例,简单介绍TTL系列数字集成电路的特点。
3.3.1 TTL与非门工作原理
IB1
T4
VCC(+5V)
T5
T3
T2
T1
R1
R2
R3
R5
R4
3k
750
360
100
3k
F(UO)
A
B
C
1.电路组成
输入级:
T1、R1;
其主要作用是:
①提高开关速度;
②完成“与”运算。
中间级:
T2、R2、R3;
输出相位相反的两路信号,
分别控制T3、T5的工作状
态。
输出级:
T3、T4、T5、R4、R5;其主要作用是:
①提高负载能力;②完成“非”运算。
2.工作原理
①输入有低:
0.3V
≈1.33(mA)
ICS1=ICBO2≈0,T1为深度饱和,UCES2≈0.1(V)
UB2≈0.1+0.3=0.4(V),T2、T5截止。
VCC经R5使T2、T5导通,所以
UO=VCC-IB3R2-VBE3-VBE4≈5-0.7-0.7=3.6(V)→即输出为高电平。
②输入全高:
3.6V
T4
VCC(+5V)
T5
T3
T2
T1
R1
R2
R3
R5
R4
3k
750
360
100
3k
F(UO)
A
B
C
3.6V
0.7V
1.4V
2.1V
IB1
IB2
IC2
IR2
IB3
1V
0.3V
IB5
VCC经R1使T1集电结、
T1、T2发射结正向导通,这
三个正向导通的PN结把VB1
嵌制在约2.1V左右。
因输入为3.6V,故T1
的所有发射结反偏,集电
结正偏,T1处于“倒置工
作状态”。
(集电结、发射
结颠倒用的“放大”状
态,β约0.01左右。
)
由于T2饱和导通,UC2=UB3=0.7+0.3=1(V),这个结果使T2微导通,T4截止。
由于T4截止,使IC5≈0,故T5导通后便进入深度饱和状态。
所以UO=UOL=UCES5≈0.3(V)→即输出为低电平。
综上,该电路实现了与非门的功能。
T4为T5的有源负载,相当于T5的集电极电阻,当T5饱和时,T4截止,呈现很大的电阻,有利于带灌电流负载;当T5截止时,T4导通,等效电阻较小,又有利于带拉电流负载。
这种T4、T5轮流导通的输出方式称“AD”输出。
3.3.2 TTL与非门的主要参数
对使用者来说,内部工作原理可以不用关心,但逻辑功能、电气特性和主要参数必须要了解,以便正确合理地使用。
1.输出高电平UOH
定义:
任何一个输入端接规定的低电平时,输出端的电平。
意义:
反映逻辑功能、与其它电路接口的依据。
指标:
UOH≥3V(典型值3.6V,最小值2.4V。
)
2.输出低电平UOL
定义:
输入端全部接高电平时,与非门输出端的电平。
意义:
反映逻辑功能、与其它电路接口的依据。
指标:
UOL≤0.35V(典型值0.3V,最大值0.4V。
)
3.开门电平UON
定义:
在额定负载下,使输出达到标准低电平时的最小输入电平。
意义:
反映输入高电平时的抗干扰能力。
指标:
UON≤1.8V
4.关门电平UOFF
定义:
使输出上升到额定高电平的时的输入电平。
意义:
反映输入低电平时的抗干扰能力。
指标:
UOFF≥0.8V
以上是输入输出高、低电平的参数。
为了更好地理解反映抗干扰能力的参数,先简单介绍一下电压传输特性。
UO∕V
4
3
2
1
0
UI∕V
1
2
3
4
T2开始导通
T5开始导通
T5开始饱和
UIL
UOFF
UNL
UON
UIH
UNH
额定高电平的90%
额定
高电平
UOH
UOL
&
UO
V
UI
+5V
5.低电平噪声容限UNL
定义:
保证UOH不低于额定值90%的条件下,允许迭加在UIL上的最大正向干扰电压。
由上图可见:
UNL=UOFF-UIL
6.高电平噪声容限UNH
定义:
保证UO=UOL的条件下,允许叠加在UIL上的最大负向干扰电压。
由上图可见:
UNH=UIH-UON
UNL、UNH都是说明门电路抗干扰能力的参数,其值越大,抗干扰能力越强。
7.输入低电平电流IIL(也称为输入短路电流)
定义:
一个输入端接地,其它输入端悬空,流过接地输入端的电流。
意义:
关系到带同类门负载的个数,反映了R1的工艺质量。
(是灌入前级门输出端的电流。
)
指标:
IIL<1.6mA
8.输入高电平电流IIH(也称为输入交叉漏电流)
定义:
任意输入端接高电平,其余输入端接地,流进接高电平输入端的电流。
意义:
是从前级门输出端拉出的电流,关系到带同类门负载的个数。
指标:
IIH≤40μA
为减轻前级门的负担,本门的IIL、IIH小好。
9.输出低电平电流IOL
定义:
UO=UOL时,允许负载(后级门)灌入输出端的极限电流。
意义:
IOL反映吸电流能力。
其值大,带灌电流负载能力强。
规定:
IOLmax=16mA
10.输出高电平电流IOH
定义:
UO=UOH时,允许负载(后级门)拉出输出端的极限电流。
意义:
IOH反映带拉电流负载的确能力。
规定:
IOHmax=0.4mA
为提高带负载能力,本门的IOL、IOH大好。
11.扇出系数NO:
定义:
电路带同类门的个数。
意义:
说明带负载能力。
通过7、8、9、10指标算出:
输出低电平时:
NOL=
=10.7(个)
输出高电平时:
NOH=
=20(个)
取较小的整数,故扇出系数NO=10个
指标:
普通门NO≥8个,功率门NO≥16个或24个。
12.平均传输时间tpd
定义:
tpd=
意义:
反映工作速度。
指标:
普通门tpd<40ns,
高速门tpd<5ns。
*13.空载导通电源电流ICCL(或空载导通功耗)
定义:
电路处于空载导通状态下的电流。
意义:
反映电路本身的功耗(PON=VCCICCL)
指标:
ICCL≤10mA
*14.空载截止电源电流ICCH(或空载截止功耗)
定义:
电路处于空载截止状态下的电流。
意义:
反映电路本身的功耗(POFF=VCCICCH)
指标:
ICCH≤5mA
3.3.3其他类型的TTL集成门电路
1.TTL集电极开路门OC门
(1)“线与”的概念
把几个门电路的输出端直接连在一起,
使新的输出起到原几个输出的“与”作用,
叫做“线与”,也称“隐与”。
采用“线与”,可以在不增加门电路的基
础上增加逻辑功能。
但是,普通的TTL与非
门不能接成线与形式。
因为:
当门电路输出有高有低时,有很大
的电流由截止门流向饱和门。
这不仅使UOL被
抬高,而且功耗大,易烧坏截止门。
(2)OC与非门
注意:
使用时必须外接一个
上拉电阻。
上拉电阻的作用是:
用来构成所需要的输出电平;
选择原则是:
既能保证UOH的需要,又能满足UOL的需要。
上拉电阻的计算:
①UO为高电平时
IRL=nIOH+mIIH
为保证UO≥UOH,RL不能太大。
应有:
VCC-RLIRL≥UOH
所以:
RL≤
或者:
RLmax=
②UO为低电平时
最不利的情况是只有一个门导通为低
电平,这时所有电流都灌入该门,为保证
门不被烧坏,必须限制电流IOL≤ILM。
取
IOL=ILM(尽限应用),有
IRL=ILM-mIIL
为保证UO≤UOL,RL不能太小。
应有:
VCC-RLIRL≤UOL
所以:
RL≥
综上所述,RL的取值范围为:
≥RL≥
(3)主要应用
①实现“与或非逻辑”;②用作电平转换;③直接驱动指示灯、继电器等。
&
A
B
&
RL
VCC
&
TTL
F
OC
MOS
2.三态门(TS)
除工作时电路的输出有高、低电平两个状态外,还有“禁止状态”,或称“高阻状态”。
EN=1时,处于工作状态,其功能是Z=
EN=0时,T5截止。
D导通后又使UC2≈1V,故T4也截止,即
输出端“悬空”,处于高阻状态。
(另一种:
=0时,为工作状态;
=1时,成高阻状态。
见上图。
)
主要用途:
能向一条导线上轮流传送几个不同的数据或控制信号。
工作条件:
任何时间里,只许一个门处于工作状态,所以要求:
3.3.4 TTL电路使用常识
1.产品系列
国产的TTL集成电路共有五个系列:
T1000标准系列(对应国外的SN54∕74系列);
T2000高速系列(对应国外的SN54H∕74H系列);
T3000肖特基系列(对应国外的SN54S∕74S系列);
T4000低功耗肖特基系列(对应国外的SN54LS∕74LS系列);
T000系列。
T000又分两个子系列:
中速系列(与T1000类似)和高速系列(与T2000类似)。
2.多余输入端的处理
对与非门:
①通过电阻接电源或直接接电源
②同有用端并联
③悬空(相当于逻辑1),容易受到干扰。
对或非门:
①同有用端并联
②接地(相当于逻辑0)。
3.开门电阻RON和关门电阻ROFF
①RON的定义:
保证“与非门”开启,UO为低电平的
条件下,允许的RI最小值。
由:
UI
UI≈
RI≥UON
得RI≥1.45kΩ
(T2导通时,IRI=IB1-IB2变小,按
上式算出的值比实际值小。
)
典型值:
RON≈2kΩ
②ROFF的定义:
保证UO不低于额定值90%的条件下,允许的RI最大值。
由UI≈
≤UOFF得:
RI≤686Ω。
典型值:
ROFF≈700Ω
当RI<ROFF时,与非门关闭,UO=UOH
当RI>RON时,与非门开启,UO=UOL
R
&
A
B
LED
4.带灌电流负载能力强于拉电流负载能力
接发光二极管等负载时注意。
3.4MOS集成门电路
以MOS管作为开关元件的门电路叫MOS门电路。
MOS门电路的种类很多,以CMOS电路表现出很强的竞争力。
在数字集成电路中,其产值和产量所占的比例仅次于TTL集成电路。
CMOS电路的主要特点:
静态功耗低;电压范围宽;抗干扰能力强;温度稳定性好;抗辐射能力强;成本低;电路简单,故集成度高;输入阻抗高,故扇出系数大。
其缺点是:
工作速度不如TTL高、动态功耗随工作频率的升高而增大。
吸、放电流较小。
目前,国产的CMOS门电路有两个系列:
C000系列(工作电压7~15V)和CC4000系列(工作电压3~18V)。
CC4000系列与国外CD4000、MD14000系列对应,可以直接代换。
3.4.1NMOS门电路
MOS是MOS数字集成电路的基本单元,学习它的工作原理,是研究MOS数字集成电路的基础。
1.MOS管的结构
增强型结构耗尽型结构
MOS管的图形符号
N沟道增强型P沟道增强型N沟道耗尽型P沟道耗尽型
衬底的连接:
N沟道总接电路中最低电位,P沟道总接电路中最高电位。
3.MOS管的开关作用
MOS管属于电压控制器件。
D、S之间的导电沟道,受G、S之间电压的控制。
对增强型:
|UGS|≥UT,D、S之间存在导电沟道,相当于开关闭合,
|UGS|<UT,D、S之间导电沟道消失,相当于开关断开。
对耗尽型:
|UGS|≥UP,D、S之间(原始)导电沟道消失,相当于开关断开,
|UGS|<UP,D、S之间存在(原始)导电沟道,相当于开关闭合。
3.NMOS反相器
由两只增强型MOS管组成(叫E/EMOS反相器)。
T1为驱动管;
T2为负载管。
由于G、D接在一起,故总有
UGS-UDS=0<UT,即T2靠近D极附近有夹断区,
始终工作于饱和区。
称饱和型有源负载。
UOH=VDD-UT
UOL=
≈1V要求RON2>>RON1。
4.NMOS与非门
①与非门②或非门③与或非门
集成度较高,但未解决动态、静态之间的矛盾,电源利用率也低。
uO
ui
O
0.5VDD
0.5VDD
A
E
B
C
D
3.4.2CMOS反相器
1.CMOS非门(反相器)(互补型)
工作管TN仍用N沟道增强型MOST;
负载管TP则用P沟道增强型MOST。
①工作原理
取VDD>UTN+|UTP|
A为低电平:
UI≈0V<UT,TN截止,但
|UGSP|≈VDD>|UTP|。
故TP导通,UOH≈VDD;(电源利用率高)A为高电平:
UI≈VDD,TN导通,
而|UGSP|≈0,故TP截止,UOL≈0。
(不取决于沟道电阻的分压)接近于理想开关。
②特性分析
A区:
ui<UTN,TN截止,TP饱和;
B区:
ui>UTN附近,TN开始向饱和进军,TP要退出饱和,uO开始下降;
C区:
ui继续增大到约0.5VDD后,TN、TP都导通,此时有较大的直通电流;
D区:
TP趋于截止,TN趋于饱和;
E区:
TP截止,TN饱和。
③CMOS门电路的特点:
不足之处:
工艺复杂,成本较高,集成度低(电路中间需隔离区)。
3.4.3其他类型的CMOS门电路
1.CMOS与非门
电路图如图所示,功能表如表所示
+VDD
TN1
F
TP1
TN2
TP2
A
B
2.CMOS或非门
CMOS门电路为互补型,故一个工作管必跟一个负载管;工作管串并联时,负载管就并串联。
电路图如图所示,功能表如表所示
3.OD门
输出部分做成漏极开路形式,
满足较大灌电流负载的需要。
图中的与非缓冲∕驱动器,
在输出低电平时,允许灌入约
50mA的电流。
可以用作驱动发
光二极管、电平转换等。
4.CMOS传输门和模拟开关
传输门相当于一个开关,若将前级电路的输出经传输门送到后级电路,则可以由命令脉冲来控制信息的传递。
C=1,(
)时,TN、TP至少
有一个导通,故uo≈ui。
例如:
设CMOS的开启电压为
∣UT∣=3V,控制电平为10V。
当C=1(
=0)时,则:
ui在0~3V时,TN通、TP止;
ui在3~7VTN、TP都通;
ui在7~10V时,TN止、TP通。
所以,只要ui在0~10V(VDD)范围内变化,都能传输到输出端。
当C=0(
=1)时,TN、TP都截止,相当于开关断开。
1
TG
C
ui
uo
C
ui
uo
CMOS传输门的输入输出可以
互换,导通电阻仅数百欧,断开时
大于109欧,是一个较为理想的开
关器件。
它同非门组合能构成许多
复杂的逻辑电路,如触发器、数据
选择器等。
右图是传输门与反相器组合的
一个模拟开关。
5.CMOS三态门
在CMOS反相器的基础上增加一些控制门而成。
左图:
=1(设高电平为VDD),TP1、TN2都截止,中间(由TN1、TP2组成)的反相器上不通电源,下不接地,F端处于悬空状态。
=0,TP1、TN2都导通,中间的反相器正常工作。
右图:
EN=0,TN2截止,TP也截止,F端处于悬空状态。
(与非门被封锁,A端的状态送不到反相器的输入端。
)
EN=1,TN2导通,与非门解除封锁,由TN1、TP组
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