《数字电子技术基础》——集成逻辑门电路

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第2章 集成逻辑门电路
2.1 分立元件门电路 2.2 TTL集成逻辑门电路 2.3 CMOS集成逻辑门电路 2.4 集成门电路的应用注意事项
学习要点
分立元件门电路的构成 TTL集成逻辑门电路功能及特点 CMOS集成逻辑门电路功能及特点 逻辑电路使用过程中的注意问题
逻辑门电路 --由具体器件构成能够实现基本和常用逻 辑关系的电子线路,简称门电路 。 是实现逻辑功能的基本单元。
如图,低阻通路产生很 大电流,可能烧坏器件, 且无法确定输出是高电 平还是低电平。
当二极管两端加上反向电压时, 在开始很大范围内,二极管相 当于非常大的电阻,反向电流 极小,二极管处于截止状态, 此时相当于开关断开。
注意: 普通二极管反向击穿后, 将失去单向导电性。
iD / mA
0.5 0.7 uD /V
(VT) 伏安特性曲线
开关等效电路
(2)动态特性。
通常情况下,二极管从截止变为导通和从 导通变为截止都需要一定的时间,不能象 理想开关那样瞬间完成。而且从导通变为 截止所需的时间更长一些。 一般把二极管从导通到截止所需的时间称 为反向恢复时间tre。若输入信号频率过高, 负半周宽度小于tre时,二极管会双向导通, 失去单向导电作用。 因此高频应用时需要考虑此参数的影响。
74LS00引脚图和逻辑符号
例 如图所示电路,已知74LS00门电路参数为:
IOH/IOL=1.0mA/-20mA, IIH/IIL=50μA/-1.43mA
求门GP的扇出数是多少?
GP
解:门GP输出低电平时,设可带门
&
G1
数为NL: N L I IL I OL
&
NL
I OL I IL
20 1.43
2.38
因为UBE0.5V,三极管截止的 假设成立,根据截止时三极管,
iB iC 0 可求出
uO U CC 12V
R1 3.9KΩ
uI
R2
8.2KΩ
UCC=12V
Rc
②当uI 10V时:
1KΩ
假设三极管已饱和,则UBE=0.7V
uO
T
20
iB
i1
i2
uI
uBE R1
uBE VBB R2
20
解:分析三极管 电路,关键是要 抓住三极管三种 工作状态的条件 和特点。
UBB=-8V
R1 3.9KΩ
uI 0.3V
R2 iB 0
8.2KΩ
UBB=-8V
等效电路
①当uI 0.3V 时:
假设三极管已截止,iB iC 0
U BE
uI U BB R1 R2
R2
VBB
0.3 8 8.2 8 3.9 8.2
1.二极管的开关特性
(1)静态特性。
iD /mA
阳极
阴极
0.5 0.7 uD/V
(VT)
(a) 电路符号
(b)特性曲线
二极管当作开关来使用正是利用了二极管的单向导电性。
当外加正向电压大于死区电压时, 二极管呈现很小的电阻处于导通 状态,相当于开关闭合,一般硅 管的正向导通压降UD约为 0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V。
2.三极管的开关特性
(1)静态特性。
RB
u i iB
+UCC
RC iC
uo
T
(a) 电路
iC / A






iB 0A
截止区
(b)特性曲线
uCE /V
iC / A





在开关状态下,三极管主要工 作在饱和区(开关闭合)和截 止区(开关断开),放大区只
wenku.baidu.com

是极短暂的过渡状态。
iB 0A
截止区
(6)扇入扇出数。
扇入数:
--门电路输入端的个数,用NI表示。 扇出对数于:一个2输入的“或非”门,其扇入数NI=2。
--门电路在正常工作时,
所能带同类门电路的最大数目, 它表示带负载能力。
&
IOH IIH
拉电流负载:(存在高电平下限值)。
&
N OH
I
(驱动门)
OH
I
(负载门)
IH
IIH &
...
t
2.1.2 基本晶体管门电路
电位 --指绝对电压的大小。
电平 --指一定的电压范围。
门电路的输入和输出信号都是用电平(或电位) 的高低来表示的。 高电平和低电平又可用逻辑“1”和逻辑“0”表 示,这样可以得到逻辑电路的真值表,便于进 行逻辑分析。
1.与门
逻辑状态表
A 0(0V) 0(0V) 1(5V) 1(5V)
噪声容限越大,集成门电 路的抗干扰能力越强。
(5)传输延迟时间tpd 。 电路在动态脉冲信号作
用下,输出脉冲相对于 输入脉冲延迟了多长时 间。
tPHL --输出电压由高变低,输出脉冲的延迟时间;
tPLH --输出电压由低变高,输出脉冲的延迟时间。
这两个延迟时间的平均值称为平均传输延迟时间tpd。
TTL门电路的平均传输延迟时间tpd一般在20nS左右。
T1 D2
T3
T2
D3
F
T4 R3
输入级 中间级 输出级
(1)输入级。
对输入变量实现“与”运算,
输入级相当于一个与门。
A
(2)中间级。
B D1
实现放大和倒相功能。向后级
提供两个相位相反的信号,分
别驱动T3、T4管。
(3)输出级。
R1 T1 D2
输入级
R2 T2
R3 中间级
R4 +UCC T3
D3 F
开关等效电路
三极管相当于一个由基极电流控制的开关。
例1 若三极管导通电压为0.5V,饱和时UBE=0.7V,
UCES=0.3V。求当输入 u I 分别为0.3V和10V时,
三极管的工作状态处于哪个区域,对应的输 出电压 uO为多少?
UCC=12V
R1 3.9KΩ
uI
R2
8.2KΩ
Rc 1KΩ
uO
T
14
G2 &
...
门GP输出高电平时,设可带门数为NH:
N H I IH I OH
NH
I OH I IH
1.0 20 0.05
取最小值, 扇出系数=14。
2.2.2 TTL集电极开路门和三态门电路
1.TTL集电极开路门电路(OC门)
“线与” --将两个以上门
电路的输出端直接并 联以实现“与”逻辑 的功能。
2.2 TTL集成逻辑门电路
2.2.1 TTL与非门电路 2.2.2 TTL集电极开路门和三态门电路 2.2.3 TTL集成电路的系列产品
2.2.1 TTL与非门电路
输入级和输出级均采用晶体三极管,称为晶体三极 管-晶体三极管逻辑电路,简称TTL电路。
1.电路结构
R1
R2
R4 +UCC
A B
D1
uCE /V A、截止区
uBE UTH
其中UTH为三极管的导通电压,如硅管 UTH 0.5V
此时,iB 、iC 均近似为0,三极管的集电极和发射极之间相
当于开关断开 。
B、饱和区
iB I BS
其中, I BS URCCC为临界饱和电流。
三极管的发射结正偏,集电结正偏,集电极和发射 极间电压为反向饱和电压UCES(0.2~0.3V左右)。 饱和越深,UCE越小。三极管的集电极和发射极间相 当于短路状态。
uO 1输出 UOH(min)
UNH UIH(min) UIL(max)
UNL 0输出 UOL(max)
uI
1输入
显然, UNH=UOH(min)—UIH(min )
输入低电平噪声容限UNL:
输入低电平时,保证TTL
0输入
电路仍可正常输出的最大 允许正向干扰电压。
1
uO
1
uI
输入噪声容限示意图
UNL=UIL(max)—UOL(max)
灌电流负载:
&
(低电平存在上限值)
IOL IIL
&
N OL
I
(驱动门)
OL
I
(负载门)
IL
IIL &
...
通常逻辑器件扇出数须通过计算或实验的方法求得。 若NOL≠NOH,一般取两者中的最小值。 为了能够保证数字电路或系统能正常工作,在设计时还 需要注意要留有一定的余地。
5.常用TTL与非门集成芯片 74LS00——4-2输入与非门 74LS04——6反相器 74U20——2-4输入与非门 74LS08——4-2输入与门 74LS02——4-2输人或非门 74LS86——异或门
数字集成电路
一种是由三极管组成的双极型集成电路,例如 晶体管-晶体管逻辑电路(简称TTL电路)和射极耦 合逻辑电路(简称ECL电路)。
一种是由MOS管组成的单极型集成电路,例如NMOS逻辑电路和互补MOS(简称COMS)逻辑电路。
2.1 分立元件门电路
2.1.1 晶体管开关特性 2.1.2 基本晶体管门电路
T4
输出级
减小电路的输出电阻,提高输出
带负载能力和抗干扰能力。T3和 T4管总处于一管导通而另一管截
R1
R1
止的工作状态。
T1
2.工作原理
R1
R2
当输入全为高电平,UA=UB=3.6V,
T1的两个发射结都反偏,集电 A
结正偏。 T2和T4饱和导通。 T3和D3都截止,输出低电平。
B D1
T1 D2
UBB=-8V
10 0.7 0.7 8 1.32mA
3.9
8.2
R1 3.9KΩ
又知:
I。 BS
VCC U CES
RC
12 0.3 0.58mA 20 1
uI 10V R2 iB
8.2KΩ
UBE
iB I BS
=0.7V 三极管饱和的假设成立,可求出
UBB=-8V
等效电路
uO U CES 0.3V
理想开关 开关闭合时,开关两端电压为0; 开关断开时,其流过的电流为0, 其两端间呈现的电阻为无穷大; 且开关的转换在瞬间完成。
半导体二极管、三极管和MOS管,是构成这种电子 开关的基本开关元件。
导通时,相当于开关闭合;
截止时,相当于开关断开。
可用逻辑变量的“1”“0”来表示。
2.1.1 晶体管开关特性
输入低电平的上限值UIL(max) 输入高电平的下限值UIH(min) 输出低电平的上限值UOL(max) 输出高电平的下限值UOH(min)
(2)开门电平UON和关门电平UOFF。
保证输出电压为额定低电平时,所允许的最小输入
高电平,即只有当U I U ON 时,输出才是低电平。
保证输出电压为额定高电平时,所允许的最大输入 低电平,即只有当U I U OFF时,输出才是低电平。
(2)动态特性。
uI U IH
iC I CS 0.9I CS
0.1I CS
uO
U CC
(a)
tr
ts
td
tf
(b)
(c)
延迟时间td ,上升时间tr 存储时间ts ,下降时间tf 开通时间 ton=td+tr 从截止到饱和所需的时间。
t
关闭时间 toff=ts+tf 从饱和到截止所需的时间。
t
开关时间越短,开关速度 越高,在高频应用时需要 特别注意考虑这个问题。
(3)阈值电压UTH。 电压传输特性曲线转折区的中点所对应的输入电 压值--使输出发生高低电平转换的输入电压值,也 称门槛电压。
TTL与非门的阈值电压UTH=1.4V左右。
(4)噪声容限。 保证电路正常输出的前提下,输入电平允许波动 的最大范围。
输入高电平噪声容限UNH: 输入高电平时,保证TTL电路仍可正常输出 的最大允许负向干扰电压。
A 0(0V) 0(0V) 1(5V) 1(5V)
B 0(0V) 1(5V) 0(0V) 1(5V)
F 1(5.7V) 1(5.7V) 1(5.7V) 0(0.3V)
与非门电路波形图。
这种分立元件的门电路虽然电路结构简单,但由 于二极管正向压降的影响会产生电平偏离,并且 速度较低、带负载能力差,现在一般都被集成逻 辑门电路所取代。
3.非门
电路波形图
逻辑状态表
A 0(0V) 1(3V)
F 1(12V) 0(0.3V)
数字电路逻辑符号中,若 在输入端加小圆圈,表示 输入低电平信号有效。若 在输出端加小圆圈,表示 输出信号取反。
与非门电路
A B
+12V +5V
R1
Rc
D1 R2
D F
D2 u1 R3
T
-12V
A B
&
F
逻辑状态表
电压传输特性是指输出电压uO
关系曲线,即 uO f (u I )
随输入电压u
I变化的
uO /V
3. A B 6
2. 0
C
1.0
AB --截止区 BC --线性区 CD --转折区 DE --饱和区
D
E
0
0.5 1. 1. 2. 2.
0 UTH 5 0
5
3 uI /V
4.主要参数 (1)输入和输出的高、低电平。
B 0(0V) 1(5V) 0(0V) 1(5V)
F 0(0.7V) 0(0.7V) 0(0.7V)
1(5V)
与门电路波形图
2.或门
电路图和符号
电路波形图
或门逻辑状态表
A 0(0V) 0(0V) 1(5V) 1(5V)
B 0(0V) 1(5V) 0(0V) 1(5V)
F 0(0V) 1(4.3V) 1(4.3V) 1(4.3V)
T2
R3
uO u C4 U CES 0.3V
R4 +UCC
T3 D3 F T4
当输入中至少有一个为低电平时,T1的两个发射结必 然有一个导通,T2和T4均截止,而此时T3和D3导通, 输出高电平 。
uO U CC U BE3 U D3 3.6V
即输入输出之间实现了“与非”的逻辑关系。
3.TTL与非门传输特性
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