数字电子技术第三章

第3章逻辑门电路3.1二极管及三极管的开关特性3.2简单的与、或、非门电路3.3TTL门电路3.1二极管及三极管的开关特性数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。　　导通状态：相当于开关闭合　　截止状态：相当于开关断开。　　逻辑变量←→两状态开关：在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1；　　电子开关有两种状态：闭合、断开。　　　　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。　　(1)静态特性：断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF=无穷，电流IOFF=0。　闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON=0，电压UAK=0。　(2)动态特性：开通时间ton=0关断时间toff=0理想开关的开关特性：　　客观世界中，没有理想开关。　　乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。　　半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。3.1.1二极管的开关特性1.静态特性及开关等效电路正向导通时UD(ON)≈0.7V（硅）0.3V（锗）RD≈几Ω～几十Ω相当于开关闭合图3-1二极管的伏安特性曲线反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百kΩ）相当于开关断开图3-1二极管的伏安特性曲线图3-2二极管的开关等效电路(a)导通时(b)截止时图3-1二极管的伏安特性曲线开启电压理想化伏安特性曲线2.动态特性：　　若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。　　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。通常后者所需的时间长得多。反向恢复时间tre：二极管从导通到截止所需的时间。　　一般为纳秒数量级（通常tre≤5ns）。3.1.2三极管的开关特性1.静态特性及开关等效电路　　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3-3三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：发射结反偏特点：电流约为0(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/硅图3-4　三极管开关等效电路(a)截止时(b)饱和时2.三极管的开关时间（动态特性）图3-5三极管的开关时间开启时间ton上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间ts(1)开启时间ton三极管从截止到饱和所需的时间。　　　　　　　ton=td+trtd：延迟时间　　tr：上升时间(2)关闭时间toff三极管从饱和到截止所需的时间。　　　　　　　toff=ts+tfts：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）tf：下降时间toff>ton。　开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。　　门电路的概念：实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。　　分立元件门电路和集成门电路:分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。3.2简单的与、或、非门电路3.2.1二极管与门电路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＝+12V表2-1　电路输入与输出电压的关系ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V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）ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.逻辑赋值并规定高低电平4.真值表ABF000010100111表3-2二极管与门的真值表A、B全1，F才为1。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　　　F＝AB图3-6二极管与门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形3.2.2二极管或门电路1.电路2.工作原理电路输入与输出电压的关系ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B为输入信号（+3V或0V）F　　为输出信号4.真值表ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V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）用逻辑0表示低电平（此例为≤0V）ABF000011101111A、B有1，F就1。表3-2二极管或门的真值表图3-7二极管或门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形5.逻辑符号6.工作波形7.逻辑表达式　　　F＝A+B3.2.3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：上面二极管与门电路中规定高电平为≥3V，低电平≤0.7V。又如，TTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V，但从0V到0.8V都算作低电平。1.关于高低电平的概念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。3.2.4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AF0.3V+VCC3.6V0.3V3.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AF0.3V+VCC3.6V0.3VAF0110表3-4三极管非门的真值表A与F相反可见实现了非逻辑Y=A3.2.5关于正逻辑和负逻辑的概念　　正逻辑体系：用1表示高电平，用0表示低电平。　　负逻辑体系：用1表示低电平，用0表示高电平。1.正负逻辑的规定2.正负逻辑的转换　　对于同一个门电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。　　本 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 若无特殊说明，一律采用正逻辑体制。同一个门电路，对正、负逻辑而言，其逻辑功能是不同的。ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V正与门相当于负或门二极管与门电路用正逻辑ABF000010100111正与门用负逻辑负或门ABF1111010110003.3TTL门电路　　TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管—晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。　　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）。3.3.1TTL反相器的工作原理1.电路组成图3-9TTL反相器的基本电路(1)输入级NPN　　当输入低电平时，uI=0.3V，发射结正向导通，uB1=1.0V　　当输入高电平时，uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将反向截止。uB1由后级电路决定。NNP(2)中间级反相器VT2实现非逻辑反相输出同相输出向后级提供反相与同相输出。输入高电压时饱和输入低电压时截止(3)输出级（推拉式输出）VT3为射极跟随器低输入高输入饱和截止低输入高输入截止导通2.工作原理（1）当输入高电平时，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，输出为低电平uO=0.3V。2.1V0.3V3.6V（2）当输入低电平时，uI=0.3V，VT1发射结导通，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=3.6V1V3.6V0.3V(3)采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。当输入高电平时，VT4饱和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载。当输入低电平时，VT4截止，VT3导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。可见，无论输入如何，VT3和VT4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。3.3.2TTL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。图3-10TTL反相器电路的电压传输特性截止区线性区转折区饱和区1.曲线分析VT4截止，称关门VT4饱和，称开门2.结合电压传输特性介绍几个参数(1)输出高电平UOH　典型值为3V。(2)输出低电平UOL典型值为0.3V。(3)开门电平UON一般要求UON≤1.8V(4)关门电平UOFF一般要求UOFF≥0.8V在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。　　在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。UOFFUON　　(5)阈值电压UTH电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH≈1.4V。　　　(6)噪声容限（UNL和UNH）噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。UOFFUNLUILUONUNHUIH①低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）UNL=UOFF-UILUIL为电路输入低电平的典型值（0.3V）若UOFF=0.8V，则有UNL=0.8-0.3=0.5(V)②高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）　　　　　　UNH=UIH-UON　UIH为电路输入高电平的典型值（3V）若UON=1.8V，则有UNH=3-1.8=1.2(V)3.3.3TTL反相器的输入特性和输出特性1.输入伏安特性输入电压和输入电流之间的关系曲线。图3-11TTL反相器的输入伏安特性（a）测试电路（b）输入伏安特性曲线两个重要参数：　　(1)输入短路电流IIS　　当uI=0V时，iI从输入端流出。iI=－(VCC－UBE1)/R1=－(5－0.7)/4≈－1.1mA　　(2)高电平输入电流IIH当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数β反很小(约在0.01以下)，所以iI=IIH=β反iB2IIH很小，约为10μA左右。图3-12输入负载特性曲线（a）测试电路（b）输入负载特性曲线　　TTL反相器的输入端对地接上电阻RI时，uI随RI的变化而变化的关系曲线。2.输入负载特性　　在一定范围内，uI随RI的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1=2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI=1.4V也不变。这时VT2和VT4饱和导通，输出为低电平。虚框内为TTL反相器的部分内部电路RI不大不小时，工作在线性区或转折区。RI较小时，关门，输出高电平；RI较大时，开门，输出低电平；ROFFRONRI→∞悬空时？　　(1)关门电阻ROFF——在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈0.7kΩ。　　　　(2)开门电阻RON——在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON≈2kΩ。　　数字电路中要求输入负载电阻RI≥RON或RI≤ROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。　　振荡电路则令ROFF≤RI≤RON使电路处于转折区。3.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。图3-13输出高电平时的输出特性（a）电路（b）特性曲线拉电流负载图3-14　输出低电平时的输出特性（a）电路（b）特性曲线(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。　　一般灌电流在20mA以下时，电路可以正常工作。典型TTL门电路的灌电流负载为12.8mA。灌电流负载3.3.4TTL反相器的其它参数1.平均传输延迟时间tpd　平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。tpd=（tpLH+tpHL）/2图3-15TTL反相器的平均延迟时间2．TTL门电路主要参数的典型数据表3-574系列TTL门电路主要参数的典型数据参数名称典型数据导通电源电流ICCL≤10mA截止电源电流ICCH≤5mA输出高电平UOH≥3V输出低电平UOL≤0.35V输入短路电流IIS≤2.2mA输入漏电流IIH≤70μA开门电平UON≤1.8V关门电平UOFF≥0.8V平均传输时间tpd≤30ns3.3.5TTL与非门　　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。图3-16多发射极三极管1．TTL与非门的电路结构及工作原理有0.3V箝位于1.0V全为3.6V集电结导通图3-17　三输入TTL与非门电路(a)电路(b)逻辑符号全1输出0有0输出11V2.1V　为了提高工作速度，降低功耗，提高抗干扰能力，各生产厂家对门电路作了多次改进。　　74系列与54系列的电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。其不同之处见下表所示。　　系列参数74系列54系列工作环境温度0~70OC-55~125OC电源电压工作范围5V±5%5V±10%2．TTL门电路的改进系列表3-6不同系列TTL门电路的比较系列参数54/74 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 54H/74H高速54S/74S肖特基tpd/ns1064P/门/mw1022.520系列参数54LS/74LS低功耗肖特基54ALS/74ALS低功耗肖特基高速tpd/ns104P/门/mw21其中LS系列的综合性能(功耗延迟积)较优，价格较ALS系列优越，因此得到了较广的应用。　　对于不同系列的TTL器件，只要器件型号的后几位数码一样，则它们的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。　　例如，7420、74H20、74S20、74LS20都是四输入双与非门，都采用14条引脚双列直插式封装，而且各引脚的位置也是相同的。3.3.6集电极开路门（OC门）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3-18　推拉式输出级并联的情况01很大的电流不高不低的电平：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3-19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UOL＝0.3V；　　当VT3截止，由外接电源E通过外接上拉电阻提供高电平UOH＝E。　　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2-20OC门的输出端并联实现线与功能Y1Y2Y000010100111Y1=ABY2=CD2.OC门的应用举例图3-21　用OC门实现电平转换的电路（2）用OC门实现电平转换3.3.7三态输出门电路（TS门）　　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：01截止Y＝AB　　EN=0时，电路为正常的与非工作状态，所以称控制端低电平有效。10导通1.0V1.0V截止截止悬空当EN=1时，门电路输出端处于悬空的高阻状态。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。高电平有效低电平有效2．三态门的主要应用－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3-23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。3.5.1CMOS反相器3.5.2其它类型的CMOS门电路3.4CMOS门电路3.6.1CMOS门电路的使用知识3.6.2TTL门电路的使用知识3.6CMOS门电路和TTL门电路的使用知识及相互连接本章小结　　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。3.5CMOS门电路3.5.1CMOS反相器1．MOS管的开关特性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。图3-24NMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小（1）NMOS管的开关特性图3-25PMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接负电源（2）PMOS管的开关特性导通导通电阻相当小截止图3-26CMOS反相器PMOS管负载管NMOS管驱动管开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。2．CMOS反相器的工作原理（1）基本电路结构（2）工作原理图3-26CMOS反相器UIL=0V截止导通UOH≈VDD当uI=UIL=0V时，VTN截止，VTP导通，uO=UOH≈VDD图3-26CMOS反相器UIH=VDD截止UOL≈0V当uI=UIH=VDD，VTN导通，VTP截止，uO=UOL≈0V导通（3）逻辑功能　　实现反相器功能（非逻辑）。　（4）工作特点　　VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。图3-27CMOS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0BC段：转折区阈值电压UTH≈VDD/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4.CMOS电路的优点（1）微功耗。CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。（2）抗干扰能力很强。输入噪声容限可达到VDD/2。（3）电源电压范围宽。多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围内正常工作。　（4）输入阻抗高。　（5）负载能力强。CMOS电路可以带50个同类门以上。（6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD）3.5.2其它类型的CMOS门电路负载管串联（串联开关）1．CMOS或非门驱动管并联（并联开关）图3-28CMOS或非门A、B有高电平，则驱动管导通、负载管截止，输出为低电平。10截止导通该电路具有或非逻辑功能,即Y=A+B当输入全为低电平，两个驱动管均截止，两个负载管均导通，输出为高电平。00截止导通1图3-29CMOS与非门该电路具有与非逻辑功能，即Y=AB2．CMOS与非门负载管并联（并联开关）驱动管串联（串联开关）（1）电路结构　　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。3．CMOS传输门图3-30CMOS传输门（a）电路（b）逻辑符号　　若C=1（接VDD)、C=0（接地），　　当0＜uI＜(VDD－|UT|)时，VTN导通；　　当|UT|＜uI＜VDD时，VTP导通；　　uI在0~VDD之间变化时，VTP和VTN至少有一管导通，使传输门TG导通。（2）工作原理（了解）　　若C=0（接地)、C=1（接VDD），　　uI在0~VDD之间变化时，VTP和VTN均截止，即传输门TG截止。（3）应用举例图3-31CMOS模拟开关　①CMOS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。图3-32CMOS三态门(a)电路(b)逻辑符号当EN=0时，TG导通，F=A；当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。②CMOS三态门3.6.1CMOS门电路的使用知识1．输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：3.6CMOS门电路和TTL门电路的使用知识及相互连接（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。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。3.6.2TTL门电路的使用知识1．多余或暂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。(1)在每一块插板的电源线上，并接几十μF的低频去耦电容和0.01~0.047μF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。表3-7各种系列门电路的主要参数表3-8常用集成门电路(TTL系列）型号名称主要功能74LS00四2输入与非门 74LS02四2输入或非门 74LS04六反相器 74LS05六反相器OC门74LS08四2输入与门 74LS13双4输入与非门施密特触发74LS308输入与非门 74LS32四2输入或门 74LS644-2-3-2输入与或非门 74LS13313输入与非门 74LS136四异或门OC输出74LS365六总线驱动器同相、三态、公共控制74LS368六总线驱动器反相、三态、两组控制表3-8常用集成门电路(CMOS系列）型号名称主要功能CC4001四2输入或非门 CC4011四2输入与非门 CC4030四异或门 CC4049六反相器 CC4066四双向开关 CC4071四2输入或门 CC4073三3输入与门 CC4077四异或非门 CC40788输入或/或非门 CC40862-2-2-2输入与或非门可扩展CC4097双8选1模拟开关 CC4502六反相器/缓冲器三态、有选通端本章小结　门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。　本章介绍了目前应用最广泛的TTL和CMOS两类集成逻辑门电路。在学习这些集成电路时，应把重点放在它们的外部特性上。外部特性包含两个内容，一个是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理，但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解，以便更好地利用这些器件。作业题1、2-42、2-7