[信息与通信]2门电路.ppt

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1、第二章 门电路,本章的重点:掌握TTL门电路和CMOS逻辑门电路的外部特性。本章的难点:TTL门电路的外部特性,一、门电路 用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。它是数字电路中最基本的单元。门电路主要有：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。,2.1 概述,二、关于高低电平的概念及状态赋值,电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围。例：二极管与门电路中规定高电平为3V，低电平0.7V。,1.关于高低电平的概念,对于典型工作电压为5V的CMOS门电路，输入电压在3.5V5V的范围都算高电平；在0V1.5V的范围都算作

2、低电平。,2.逻辑状态赋值,在数字电路中，用逻辑0和逻辑1分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。,三、正负逻辑 正逻辑：用高电平代表逻辑1、低电平代表逻辑0。在数字电路中，一般采用正逻辑系统。负逻辑：用高电平代表逻辑0、低电平代表逻辑1。,获得高、低电平的基本原理,门电路是一种开关电路，其开关元件是一种电子开关。,半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。,2.2 半导体二极管和三极管的开关特性,2.2.1 二极管的开关特性,返回,1.静态特性及

3、开关等效电路,正向导通时UD(ON)0.7V（硅）0.3V（锗）RD几 几十相当于开关闭合,反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百k）相当于开关断开,图2-2 二极管的开关等效电路(a)导通时(b)截止时,2.2.2 三极管的开关特性,在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。,图2-3三极管的三种工作状态（a）电路（b）输出特性曲线,开关等效电路,(1)截止状态,条件：发射结反偏或零偏，集电结反偏特点：条件uBE=0V,Ib=0,IC=0,ce间“断开”,(2)饱和状态,条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCE

4、S=0.3V/硅,图2-4三极管开关等效电路(a)截止时(b)饱和时,NPN型三极管截止、放大、饱和工作状态的特点,三极管临界饱和时的基极电流：,ui=1V时，三极管导通，基极电流：,uo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03501=3.5V,工作在放大区,ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在 截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：,uo=VCC=5V,截止状态,ui=UIL0.5V,uo=+VCC,ui3V时，三极管导通，基极电流：,uoUCES0.3V,三极管饱和,饱和状态,iBIBS,ui=UIH,uo=0.3V,2.3 最简单的与、或、非门电路,一、

5、二极管与门电路,1.电路,2.工作原理,A、B为输入信号（+3V或0V）F 为输出信号 VCC+5V,电路输入与输出电压的关系,0V,0V,0.7V,用逻辑1表示高电平（此例为+3V）用逻辑0表示低电平（此例为0.7V）,3.逻辑赋值并规定高低电平,4.真值表,可见实现了与逻辑,5.逻辑符号6.工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）7.逻辑表达式FA B,缺点：1.电平偏移；2.负载能力差。,二、二极管或门电路,1.电路,2.工作原理,A、B为输入信号（+3V或0V）F为输出信号,0V,3V,2.3V,4.真值表,可见实现了或逻辑,3.逻辑赋值并规定高低电平,用逻辑1表示高电平（此例为+2.3V

6、）用逻辑0表示低电平（此例为0V）,5.逻辑符号6.工作波形7.逻辑表达式FA+B,三、非门（反相器）,图3-8 非门(a)电路（b）逻辑符号,1.电路,2.工作原理,A、B为输入信号（+3.6V或0.3V）F为输出信号,返回,3.逻辑赋值并规定高低电平,用逻辑1表示高电平（此例为+3.6V）用逻辑0表示低电平（此例为0.3V）,4.真值表,实际应用中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在输入接入负压。,只要参数合适，就实现非逻辑:VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL,将数字电路的元、器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成电路(Integrated Cir

7、cuit,简称为IC)。按工艺分为TTL门电路和CMOS电路。TTL门电路，其输出和输入端均为三极管结构，所以叫三极管三极管逻辑电路(Transistor-Transistor Logic),2.4 TTL门电路,2.4.1 TTL反相器的结构和工作原理,TTL电路的基本环节是反相器。简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。,输入级,倒相级,输出级,一、TTL反相器的电路结构和工作原理,1.输入为低电平（0.2V）时,0.9V,不足以让T2、T5导通,T2、T5截止,0.2V,1.输入为低电平（0.2V）时,vo=5vR2vbe4vD23.4V 输出

8、高电平,2.输入为高电平（3.4V）时,电位被嵌在2.1V,vB1=VIH+VON=4.1V,发射结反偏,1V,T2、T5饱和导通,3.4V,vo=VCE50.3V 输出低电平,可见，无论输入如何，T4和T5总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。,二、TTL反相器的电压传输特性及参数,电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。,TTL反相器电路的电压传输特性,T5截止，输出高电平,T5饱和，输出低电平,UTH为阈值电压,三、输入噪声容限,噪声容限表示门电路的抗干扰能力。电路的噪声容限越大，其抗干扰能力越强。,当噪声叠加在工作信号上，只要其幅度不超过逻辑电平允许

9、的最小值或最大值，则输出逻辑状态不会受影响，通常将最大噪声的幅度称为噪声容限。,三、输入端噪声容限UNL和UNH,2.4.2 TTL反相器的输入特性和输出特性,一、输入特性,输入电压和输入电流之间的关系曲线。,输入短路电流IIS(IIL),高电平输入电流IIH,二、输出特性,指输出电压与输出电流之间的关系曲线。,(1)输出高电平时的输出特性,负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。74系列的门电路规定最多负载电流不能超过0.4mA,拉电流,前级输出为 高电平时,前级（驱动门）,后级（负载门）,1,(2)输出低电平时的输出特性,负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。一般，iL=16mA

10、,0.2V,16mA,前级输出为 低电平时,前级（驱动门）,后级（负载门）,0,流入前级的电流IOL(灌电流),输入低电平时的输入电流IIL，大约为1mA。,扇出系数驱动同类门的个数。,灌电流工作时：,拉电流工作时：,扇出系数NO取NOL、NOH中较小的一个。,扇出系数衡量门电路的带负载能力。,三、带负载能力(扇出系数),例：下图中，试计算G1最多可以驱动多少个同样的门电路负载？要求G1输出高、低电平 满足VOH3.2V，VOL0.2V。,解：VOL=0.2V时，驱动门输出电流IOL=16mA,每个负载门的输入电流为IIL=1mA。,VOH=3.2V时，驱动门输出电流IOH=7.5mA,但手册

11、规定|IOH|0.4mA,故取|IOH|=0.4mA;每个负载门的输入电流为IIH=40A。,扇出系数NO=10,TTL反相器的输入端对地接上电阻RP 时，uI随RP 的变化而变化的关系曲线。,三、输入负载特性,为什么?,在一定范围内，uI随RP的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1=2.1V，RP增大，由于uB1不变，故uI=1.4V也不变。这时T2和T5饱和导通，输出为低电平。,例2.4.2：在如图电路中，为保证门G1输出的高低电平能正确地传送到门G2的输入端，要求UO1=VOH时UI2VIH(min),UO1=VOL时UI2 VIL(max)，试计算RP的最大允许值是多少

12、。已经G1,G2均为74系列反相器，VCC=5V，VOH=3.4V，VOL=0.2V，VIH(min)=2.0V,VIL(max)=0.8V。,例2.4.2,解：vO1=VOH、vI2VIH(min)时,应满足：VOHIIHRPVIH(min),vO1=VOL、vI2VIL(max)时,因此，RP不应大于690.,2.4.4 其它类型的TTL门电路,每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三极管进入放大或饱和区。,多发射极三极管,一、其它逻辑功能的门电路,输入端改成多发射极三极管,1.与非门,一、其它逻辑功能的门电路,TTL集成门电路的封装：双列直插式,如：TTL门电路芯片（四2输入

13、与非门，型号74LS00),地GND,外 形,电源VCC（+5V）,两方框中电路相同,A为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。,B为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。,A、B都为低电平时，T2、T2同时截止，T5截止，T4导通，输出Y为高电平。,2.或非门,3.与或非门,4.异或门,若A、B同时为高电平，T6、T9导通，T8截止，输出低电平；A、B同时为低电平，T4、T5同时截止，使T7、T9导通，T8截止，输出也为低电平。,A、B不同时，T1正向饱和导通，T6截止；T4、T5中必有一个导通，从而使T7截止。T6、T7同时截止，使得T8导通，T9截止，

14、输出为高电平。,2.4.2 集电极开路门（OC门）,返回,为何要采用集电极开路门呢？,推拉式输出电路结构存在局限性。首先，输出端不能并联使用。若两个门的输出一高一低，当两个门的输出端并联以后，必然有很大的电流同时流过这两个门的输出级，而且电流的数值远远超过正常的工作电流，可能使门电路损坏。而且，输出端也呈现不高不低的电平，不能实现应有的逻辑功能。,图2-18推拉式输出级并联的情况,不高不低的电平：1/0?,其次，在采用推拉式输出级的门电路中，电源一经确定（通常规定为5V），输出的高电平也就固定了（不可能高于电源电压5V），因而无法满足对不同输出高电平的需要。,集电极开路门（简称OC门）就是为克

15、服以上局限性而设计的一种TTL门电路。,(1)电路结构：输出级是集电极开路的。,1集电极开路门的电路结构,(2)逻辑符号：用“”表示集电极开路。,图2-19 集电极开路的TTL与非门（a）电路（b）逻辑符号,集电极开路,(3)工作原理：,当VT3饱和，输出低电平UOL0.3V；当VT3截止，由外接电源E通过外接上拉电阻提供高电平UOHE。因此，OC门电路必须外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号。,(1)OC门的输出端并联，实现线与功能。RL为外接负载电阻。,图2-20 OC门的输出端并联实现线与功能,2.OC门的应用举例,RL的选择：,IOH,IIH,n个,m个,VOH,负载门输入端个数

16、,当所有OC门同时截止时，输出为高电平，IOH 为T5管的漏电流，RL不能太大。RL为最大值要保证输出电压不低于VOH(min)。,VOL,m个,IOL,IIL,负载门个数,若为或非门，m是输入端的个数，而不是负载门的数目。,例2.4.4,当OC门有一个导通时，负载电流全部流入导通的那个OC门，所以RL值不可太小，以确保流入导通OC门的电流不至超过最大允许的负载电流IOL(max)。,所以：RL（min）RLRL（max）,2.4.3 三态输出门电路（TS门）,返回,三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。,何为高阻状态？,悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。测电阻为，故称为高

17、阻状态。测电压为0V，但不是接地。因为悬空，所以测其电流为0A。,(1)电路结构：增加了控制输入端（Enable）。,1三态门的电路结构,(2)工作原理：,1,0,导通,1.0V,1.0V,截止,截止,悬空,控制端高电平有效的三态门,(2)逻辑符号,控制端低电平有效的三态门,用“”表示输出为三态。,2三态门的主要应用(a)实现总线传输,要求各门的控制端EN轮流为高电平，且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平。,图2-23 用三态门实现总线传输,如有8个门，则8个EN端的波形应依次为高电平，如下页所示。,（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。,2.4.4 TTL门电路的使用知识,1多余或暂

18、时不用的输入端不能悬空，可按以下方法处理：,（1）与其它输入端并联使用。（2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。,返回,(1)在每一块插板的电源线上，并接几十F的低频去耦电容和0.010.047F的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。(2)整机装置应有良好的接地系统。,2 电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。,MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展

19、。,2.5 CMOS 门电路,MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。,2.5 CMOS 门电路,MOS管有NMOS管和PMOS管两种。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。,一、MOS管的结构,S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底,金属层,氧化物层,半导体层,PN结,2.5.1 MOS管的开关特性,(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)称为：金属氧化物

20、半导体场效应管或绝缘栅场效应管,二、MOS管的工作原理,导电沟道(反型层),称为N沟道增强型场效应管,导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在D,S间加电压，将形成漏极电流iD。,当 大于VGS(th)时，将出现导电沟道。VGS(th)称为开启电压，与管子构造有关。,图2-24 NMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性,（1）NMOS管的开关特性,图2-25 PMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性,（2）PMOS管的开关特性,三、MOS管的基本开关电路,当vI=vGSVGS(th)时，MOS管工作在截止区。只要RDROFF，D-S间相当于断开的开关，vOvDD

21、.,当vIVGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变电阻区。MOS管导通内阻RON很小(通常在1K以内)，只要RD ROFF，D-S间相当于闭合的开关，vO0。,OFF，截止状态 ON，导通状态,MOS管开关特性等效电路,2.5.2 CMOS反相器,MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。,1、电路结构,当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。,一、CMOS反相器的电路结构及工作原理,vI=VIL=0V,vo=VOHVDD,2、工作原理,实现逻辑非的功能,

22、UIL=0V,vI=VIH=VDD,vo=VOL0V,静态下，无论vI是高电平还是低电平，T1、T2总有一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。,实现逻辑非的功能,vI=VDD,图3-27 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性,3 电压传输特性和电流传输特性,AB段：截止区iD为0,BC段：转折区阈值电压UTHVDD/2转折区中点：电流最大,CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。,CD段：导通区,1.与非门,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,2.5.5 其它类型的CMOS门电路,任一输入端为低，设vA=0,vA=0,vO=1,vB=0,输入全为高电平,vO=0,2.或非门

23、,任一输入端为高，设vA=1,vA=1,vO=0,输入端全为低,vO=1,三、CMOS传输门,（2）工作原理（了解）,CMOS模拟开关,CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。,C=0时，TG1导通、TG2截止，uO=uI1；C=1时，TG1截止、TG2导通，uO=uI2。,（3）应用举例,四、三态输出的CMOS门电路,EN=0时，Y输出高阻态。EN=1时，Y=A,高电平有效,低电平有效,用“”表示输出为三态。,1,截止,0,截止,输出?,=1时，Y输出高阻态。=0时，Y=A,2.5.6 CMOS电路的正确使用,输入电路的静电防护不要使用易产生静电高压的化工材料化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。组装、调试时，应使电烙铁和其它工具、仪表、工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。不用的输入端不应悬空。(1)对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端；或通过一个上拉电阻接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。(2)对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。,本章作业,T2.5T2.7,