1、计算机电路基础 第六章门电路 第6章门电路 6 1概述 6 2分立元件门电路 6 3CMOS集成门电路 6 4TTL集成门电路 退出 获得高 低电平的基本方法 利用半导体开关元件的导通 截止 即开 关 两种工作状态 逻辑0和1 电子电路中用高 低电平来表示 预备知识 半导体器件的开关特性 1 二极管的开关特性 逻辑门电路 用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路 简称门电路 基本和常用门电路有与门 或门 非门 反相器 与非门 或非门 与或非门和异或门等 二极管符号 正极 负极 uD 1 概述 uo uo ui 0V时 二极管截止 如同开关断开 uo 0V ui 5V时 二极管导通 如同0 7V的电
2、压源 uo 4 3V 二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度 Ui 0 5V时 二极管截止 iD 0 Ui 0 5V时 二极管导通 2 三极管的开关特性 截止状态 饱和状态 iB IBS ui UIL 0 5V uo VCC ui UIH uo 0 3V 饱和区 截止区 放 大 区 ui 0 3V时 因为uBE 0 5V iB 0 三极管工作在截止状态 ic 0 因为ic 0 所以输出电压 ui 1V时 三极管导通 基极电流 因为0 iB IBS 三极管工作在放大状态 iC iB 50 0 03 1 5mA 输出电压 三极管临界饱和时的基极电流 uo uCE UCC iCRc 5 1 5
3、1 3 5V uo VCC 5V ui 3V时 三极管导通 基极电流 而 因为iB IBS 三极管工作在饱和状态 输出电压 uo UCES 0 3V 3 场效应管的开关特性 工作原理电路 转移特性曲线 输出特性曲线 截止状态 ui UT uo VDD 导通状态 ui UT uo 0 6 2分立元件逻辑门电路 1 二极管与门 Y AB 2 二极管或门 Y A B 3 三极管非门 uA 0V时 三极管截止 iB 0 iC 0 输出电压uY VCC 5V uA 5V时 三极管导通 基极电流为 iB IBS 三极管工作在饱和状态 输出电压uY UCES 0 3V 三极管临界饱和时的基极电流为 当uA
4、0V时 由于uGS uA 0V 小于开启电压UT 所以MOS管截止 输出电压为uY VDD 10V 当uA 10V时 由于uGS uA 10V 大于开启电压UT 所以MOS管导通 且工作在可变电阻区 导通电阻很小 只有几百欧姆 输出电压为uY 0V 4 场效应管非门 6 4TTL集成门电路 6 4 1 2TTL反相器和与非门 6 4 3TTL或非门 6 4 4 5TTL与门 或门 与或非门及异或门 6 4 6 7集电极开路门和输出三态门 6 4 8TTL门电路输入负载特性 退出 6 4TTL集成门电路 1 2TTL反相器和与非门 1 A B中有一个为0 低电平 基极电流经R1流到发射极 T2
5、T4截止 T3 D导通 输出Y为1 高电平 2 A B均为1 高电平 基极电流经R1流到集电极 进入T2基极T2 T4导通 T3 D截止 输出为0 低电平 3 当T1为单发射极三极管时 就是一个反相器 功能表 真值表 逻辑表达式 输入有低 输出为高 输入全高 输出为低 A B中只要有一个为1 即高电平 如A 1 则iB1就会经过T1集电结流入T2基极 使T2 T4饱和导通 输出为低电平 即Y 0 A B 0时 iB1 i B1均分别流入T1 T 1发射极 使T2 T 2 T4均截止 T3 D导通 输出为高电平 即Y 1 3 TTL或非门 A和B都为高电平 T2导通 或C和D都为高电平 T 2导
6、通 时 T4饱和导通 T3截止 输出Y 0 A和B不全为高电平 并且C和D也不全为高电平 T2和T 2同时截止 时 T4截止 T3饱和导通 输出Y 1 4 与门 或门 与或非门及异或门 与门 或门 异或门 6 7 集电极开路门 OC门 及输出三态门 问题的提出 为解决一般TTL与非门不能线与而设计的 A B不全为1时 uB1 1V T2 T3截止 Y 1 接入外接电阻R后 A B全为1时 uB1 2 1V T2 T3饱和导通 Y 0 外接电阻R的取值范围为 OC门 TSL门 结论 电路的输出有高阻态 高电平和低电平3种状态 EN 0时 即P 1 D3截止 电路处与工作状态 即Y A B P A
7、 B EN 1时 即P 0 T2 T4截止 二极管D3导通 Q点在 1v 使得T3 D都截止 Y即不与电源接通也不与地接通 呈现为高阻抗状态 即Y Z TSL门的应用 构成数据总线 让各门的控制端轮流处于低电平 即任何时刻只让一个TSL门处于工作状态 而其余TSL门均处于高阻状态 这样总线就会轮流接受各TSL门的输出 6 4 8TTL门电路输入负载特性 在实际工作中 门电路输入端的信号源常常是有内阻的 有时也需要在输入端和地之间接入电阻 这是输入端负载特性 a 开门电阻Ron要使反相器工作在导通状态 uO 0 3V Ri只需大于2 5k 就可以了 这叫开门电阻 用Ron表示 b 关门电阻Rof
8、f只要Ri 0 7k 反相器就会截止 0 7k 称为反相器电路的关门电阻 用Roff表示 如果Roff Ri Ron 则反相器将处于不正常状态 一般地说 这种情况是不允许出现的 4 TTL系列集成电路及主要参数 TTL系列集成电路 74 标准系列 前面介绍的TTL门电路都属于74系列 其典型电路与非门的平均传输时间tpd 10ns 平均功耗P 10mW 74H 高速系列 是在74系列基础上改进得到的 其典型电路与非门的平均传输时间tpd 6ns 平均功耗P 22mW 74S 肖特基系列 是在74H系列基础上改进得到的 其典型电路与非门的平均传输时间tpd 3ns 平均功耗P 19mW 74LS
9、 低功耗肖特基系列 是在74S系列基础上改进得到的 其典型电路与非门的平均传输时间tpd 9ns 平均功耗P 2mW 74LS系列产品具有最佳的综合性能 是TTL集成电路的主流 是应用最广的系列 附 TTL与非门主要参数 1 输出高电平UOH TTL与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平 产品规范值UOH 2 4V 标准高电平USH 2 4V 2 高电平输出电流IOH 输出为高电平时 提供给外接负载的最大输出电流 超过此值会使输出高电平下降 IOH表示电路的拉电流负载能力 3 输出低电平UOL TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平 产品规范值UOL 0 4V 标准低电平USL 0 4V
10、 4 低电平输出电流IOL 输出为低电平时 外接负载的最大输出电流 超过此值会使输出低电平上升 IOL表示电路的灌电流负载能力 5 扇出系数NO 指一个门电路能带同类门的最大数目 它表示门电路的带负载能力 一般TTL门电路NO 8 功率驱动门的NO可达25 6 最大工作频率fmax 超过此频率电路就不能正常工作 7 输入开门电平UON 是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平USL的输入电平 它表示使与非门开通的最小输入电平 一般TTL门电路的UON 1 8V 8 输入关门电平UOFF 使与非门的输出电平达到标准高电平USH的输入电平 它表示使与非门关断所需的最大输入电平 一般TTL门电
11、路的UOFF 0 8V 9 高电平输入电流IIH 输入为高电平时的输入电流 也即当前级输出为高电平时 本级输入电路造成的前级拉电流 10 低电平输入电流IIL 输入为低电平时的输出电流 也即当前级输出为低电平时 本级输入电路造成的前级灌电流 11 平均传输时间tpd 信号通过与非门时所需的平均延迟时间 在工作频率较高的数字电路中 信号经过多级传输后造成的时间延迟 会影响电路的逻辑功能 12 空载功耗 与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积 6 3CMOS集成门电路 6 3 1CMOS反相器 6 3 2 3CMOS与非门 或非门 与或非门 6 3 4 5CMOS异或门 传输门 6 3
12、 6 7CMOS三态门和漏极开路门 6 3 8CMOS门电路输入特性 退出 6 3 1CMOS反相器 1 uA 0V时 ugsn 0UTN 2V TN导通 ugsp uA VDD 10 10V 0V UTP 2V TP截止 简化如图c 输出电压uY 0V UTP 2V UTN 2V 6 3 2 3CMOS与非门 或非门 与或非门 CMOS与非门 A B当中有一个或全为低电平时 TN1 TN2中有一个或全部截止 TP1 TP2中有一个或全部导通 输出Y为高电平 只有当输入A B全为高电平时 TN1和TN2才会都导通 TP1和TP2才会都截止 输出Y才会为低电平 UTP 2V UTN 2V CMO
13、S或非门 只要输入A B当中有一个或全为高电平 TP1 TP2中有一个或全部截止 TN1 TN2中有一个或全部导通 输出Y为低电平 只有当A B全为低电平时 TP1和TP2才会都导通 TN1和TN2才会都截止 输出Y才会为高电平 UTP 2V UTN 2V 与门 或门 CMOS与或非门 CMOS异或门 6 3 4 5CMOS异或门 传输门 CMOS传输门 C 0 即C端为低电平 0V 端为高电平 VDD 时 TN和TP都不具备开启条件而截止 输入和输出之间相当于开关断开一样 C 1 即C端为高电平 VDD 端为低电平 0V 时 TN和TP都具备了导通条件 输入和输出之间相当于开关接通一样 uo
14、 ui CMOS三态门 6 3 6 7CMOS三态门和漏极开路门 CMOSOD门 用途 1 不外接电源和电阻RD 则电路不能工作 2 可以实现线与 3 可以用来实现逻辑电平变换 4 带负载能力强 附 CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项 1 CMOS电路的工作速度比TTL电路低 2 CMOS带负载的能力比TTL电路强 3 CMOS电路的电源电压允许范围较大 约在3 18V 抗干扰能力比TTL电路强 4 CMOS电路的功耗比TTL电路小得多 门电路的功耗只有几个 W 中规模集成电路的功耗也不会超过100 W 5 CMOS集成电路的集成度比TTL电路高 6 CMOS电路适合于特殊环境下工作 7
15、 CMOS电路容易受静电感应而击穿 尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空 应根据需要接地或接高电平 CMOS数字电路的特点 附 CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项 1 CMOS电路的工作速度比TTL电路低 2 CMOS带负载的能力比TTL电路强 3 CMOS电路的电源电压允许范围较大 约在3 18V 抗干扰能力比TTL电路强 4 CMOS电路的功耗比TTL电路小得多 门电路的功耗只有几个 W 中规模集成电路的功耗也不会超过100 W 5 CMOS集成电路的集成度比TTL电路高 6 CMOS电路适合于特殊环境下工作 7 CMOS电路容易受静电感应而击穿 尤其是CMOS电路多余不用的输
16、入端不能悬空 应根据需要接地或接高电平 CMOS数字电路的特点 使用集成电路时的注意事项 1 对于各种集成电路 使用时一定要在推荐的工作条件范围内 否则将导致性能下降或损坏器件 2 数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用 也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平 TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平 但CMOS电路 多余的输入端不允许悬空 否则电路将不能正常工作 利用半导体器件的开关特性 可以构成与门 或门 非门 与非门 或非门 与或非门 异或门等各种逻辑门电路 也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门 OC门 OD门和传输门 随着集成电路技术的飞速发展 分立元件的数字电路已被集成电路所取代 TTL电路的优点是开关速度较高 抗干扰能力较强 带负载的能力也比较强 缺点是功耗较大 CMOS电路具有制造工艺简单 功耗小 输入阻抗高 集成度高 电源电压范围宽等优点 其主要缺点是工作速度稍低 但随着集成工艺的不断改进 CMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高 本章小结
