基本数字电路原理

饱和区
TTL反相器电路的电压传输特性
Digital circuit
输出特性曲线
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 输入低 输出高 关门） （关门） 拉电流
负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。 当输出为高电平,输出端对地短路时间不可超过1s。
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Digital circuit
Digital circuit
数字电路基础及应用
主讲：林 凡
2010-07
Digital circuit
基本逻辑运算及其符号
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复合逻辑运算与常用逻辑门
Digital circuit
复合逻辑运算与常用逻辑门
Digital circuit
复合逻辑运算与常用逻辑门
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三极管的开关特性
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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。
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(1) 截止状态 条件：发射结反偏 特点：电流约为0
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(2)饱和状态 条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅
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优先编码器(Priority encoder) 优先编码器
八线-三线优先编码器： TTL：74LS148，74LS748 CMOS：CC14532，CD4532
Digital circuit 将十进制数0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9 编码器和优先编码器两种。 集成的10线-4线优先编码器： TTL：74147，74LS147 集成的 线 线优先编码器： ： ， 线优先编码器
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 。 (1) 在每一块插板的电源线上，并接10~100F 的低频去耦电容和0.01~0.047F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。
CMOS门驱动TTL门
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集电极开路门（OC门）
(1)电路结构：输出级是集电极开路的,可实现线与。 (2)逻辑符号：用“◇”表示集电极开路。 ◇
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OC门的主要特点
(1) OC门的输出端可以并联，实现线与功能。 RL为外接负载电阻。
Y = Y1 Y2 = AB CD = AB + CD
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二、 集成门电路
TTL (Transistor-Transistor Logic)集成逻 辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极 管，简称TTL电路。 TTL电路的基础是反相器。 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。 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。
只要两者的电压参数兼容，不需另加接口电路， 仅按电流大小计算出扇出数即可。
一74HC00与非门电路用来驱动一个普通TTL反相器和六 个74LS门电路。试问此时的CMOS门电路是否过载？
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TTL 门驱动CMOS门
TTL为驱动器件，CMOS为负载器件。若出现TTL输出电 压参数与CMOS 的输入电压参数不兼容时，常采用上拉电阻 RP接到VDD，可将TTL的输出高电平电压升到约5V，上拉电 阻的值取决于负载器件的数目以及TTL和CMOS的电流参 数。 当TTL驱动CMOS－HCT时，由于电压参数兼容，不需 TTL CMOS HCT 另加接口电路。
数字集成电路系列分类及主要特征
名称 普通系列 高速TTL 低功耗TTL 肖特基TTL 低功耗STTL 先进LSTTL 先进STTL 快速TTL 互补场效应 高速CMOS 与TTL兼容的先进 HCMOS 型号 74/54 74/54H 74/54L 74/54S 74/54LS 74/54ALS 74/54AS 74/54F 40/45 74/54HC 74/54ACT 功耗 10mW 22mW 1 mW 19 mW 2 mW 1 mW 8 mW 4 mW 1.25uW 2.5 uW 2.5 uW 2.5uW 速度 10 ns 6 ns 33 ns 3 ns 9.5 ns 3.5 ns 3 ns 3.4 ns 125 ns 3~18 V 8 ns 8 ns 4.5 ns 2~6 V 4.5~5.5 V 4.5~5.5 V 工作电压 (74系列) 4.75~5.25 V
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TTL门电路的使用知识
1．多余或暂时不用的输入端尽量避免悬空，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。
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反相器处于截止状态（关门）
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反相器处于导通状态（开门）
输入高电平时 uI=3.6V， ， VT1处于倒置工作状态， 集电结正偏， 发射结反偏， uB1=0.7V×3=2.1V， × ， VT2和VT4饱和导通， VT3和VD截止， 输出为低电平uO=0.3V。 2.1V 3.6V
4.3V× 1V ×
0.3V
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TTL反相器输入负载特性
ROFF RON
虚框内为TTL反相器的部分内部电路
ROFF≈ 0.7k RON≈ 2.5k
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TTL反相器输出传输特性
电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI关系曲线。 截止区 线性区
转折区
′ ′ VCC U OL max VCC U OH min ≤ RL ≤ I OL m | I IL | nI OH + mI IH
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（a）最糟糕情况：只有一个oc门开门
′ m | I IL | + (VCC U OL ) / RL = I OL ′ VCC U OL RL = I OL m | I IL |
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A 1 F
TTL反相器
当输入低电平时uI=0.3V， ， VT1饱和导通， uB1=0.3V+0.7V=1V， ， VT2和VT4均截止， VT3和VD导通, 输出高电平 uO =VCC -UBE3-UD ≈5V-0.7V-0.7V=3.6V 0.3V 3.6V 1V
1 A G EN F A G
1 EN F
A B G
& EN F
A B G
& EN
F
三态缓冲门
三态倒相门 (b)
三态与门
三态与非门
CMOS反相器的基本电路结构
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S
PMOS管
G D G S
负载管 NMOS管 驱动管
CMOS反相器
开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。
CMOS反相器的工作原理
（2）用OC门实现电平转换
Digital circuit 当关门时，VT3截止，由电源E通过上拉电阻提供UOH＝E。 。 当开门时，VT3饱和，输出低电平UOL＝0.3V； OC门必须外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号!!
Digital circuit 与非门线与之后， 个普通非门电路。 设：有n个OC与非门线与之后，驱动 个普通非门电路。 个 与非门线与之后 驱动m个普通非门电路 为保证线与功能，RL的阻值必须选择得当，RL的估算公式：
导通
开门
CMOS反相器
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CMOS传输门（TG）
C和C是一对互补的控制信号。 由于VTP和VTN在结构上对称，所以图中的 输入和输出端可以互换，又称双向开关。
CMOS传输门 （a）电路 （b）逻辑符号
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系列 TTL 子系列 TTL HTTL LTTL STTL LSTTL ALSTTL ASTTL FTTL CMOS CMOS HCMOS HCT ACTMOS
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休息一下！！
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三、组合逻辑器件
编码器和译码器 加法器和数值比较器 数据选择和分配器 只读存储器
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编码器、译码器
生活中常用十进制数及文字、符号等表示事物。 编码器 数字电路只能以二进制信号工作。 用二进制代码表示文字、符号或者数码等特定对象的 过程，称为编码(ENCODE)。实现编码的逻辑电路，称 为编码器(ENCODER)。逆过程称为译码（DECODE） 器件为译码器（DECODER）。 译码器
与TTL兼容的HCMOS 74/54HCT
Digital circuit VCC＝5V时测量
数字集成电路电压参数
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符号 名称
数字集成电路驱动能力参数
图示 74系列 74LS系列 4000系列 74HC系列
IOH
高电平输出电流 拉电流
0.4mA
0.4mA
0.51mA
4mA
二-十进制编码器（以BCD编码最常用） 十进制编码器（ 编码最常用） 十进制编码器 编码最常用
等10个信号编成相应的BCD码，称10线—4线编码器，有普通
U OL ≤ U OL max ′ VCC U OL max RL ≥ I OL m | I IL |
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（a）最安全情况：所有oc门都关门
′ nI OH + mI IH = (VCC U OH ) / RL ′ VCC U OH RL = nI OH + mI IH U OH ≥ U OH min ′ VCC U OH min RL ≤ nI OH + mI IH
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三态门（TS门）
用“▽”表 ▽ 示输出为 三态。
控制端低电平有效的三态门
低电平有效
高电平有效
控制端高电平有效的三态门
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1
A G EN F A G 1 EN F A B G
&
EN F
A B G
&
EN F
三态缓冲门
三态倒相门 (a)
三态与门
三态与非门
CMOS门电路和TTL门电路的使用知识
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CMOS门电路的使用知识
1．输入电路的静电保护 （1）与CMOS CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠 CMOS 接地。 （2）存储、运输CMOS CMOS电路，最好采用金属屏蔽包装。 CMOS 2．多余的输入端不能悬空 输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成 器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求 接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。
(2) 输出低电平时的输出特性
灌电流负载 一般灌电流在20 mA以下时，电路可以正常工作。 典型TTL门电路的灌电流负载为10 mA左右 左右。 左右
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扇出系数N0
指电路能驱动同类门电路的数目， 用来衡量电路的带负载能力。
I OL N0 = I IL
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IOL
低电平输出电流 灌电流 高电平输入电流
16 mA
8 mA
0.51 mA 4 mA
IIH
40uA
20uA
20uA
0.1uA
IIL
低电平输入电流
1.6 mA 0.4 mA
0.1 mA
1 mA
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普通LED驱动
普通LED最亮时电流约为10mA,压降约1.8V
若采用TTL系列门电路芯片驱动(拉电流0.4mA, 灌电流16mA)，以下电路是否可行？
逻辑代数的基本公式
逻辑函数的描述方法及其相互转换
Digital circuit
1、真值表（Truth table） 2、逻辑表达式（Logic function） 3、逻辑电路图（Logic diagram） 4、波形图/时序图（Waveform/Timing diagram） 5、卡诺图（Karnaugh Map）
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S
G
导通
D
UIL=0V UOH≈VDD
G
uI= UIL=0V时， VTN截止， VTP导通， uO = UOH≈VDD
截止
S
关门
CMOS反相器
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S
G
截止
D
UIH= VDD UOL≈ 0V
G S
当uI =UIH = VDD VTN导通， VTP截止， uO =UOL≈0V