数字电子技术基础第二章：门电路2014

数字电子技术基础第二章门电路浙江理工大学信息学院姜旭升2014-9本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元－－门电路，有TTL逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二极管和三极管及场效应管的开关特性基础上，讲解它们的电路结构、工作原理、逻辑功能、电气特性等等，为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点讨论TTL门电路和CMOS门电路。CMOS门电路原理CMOS电路的电气特性TTL逻辑电路门电路应用内容概要使用高低电平来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达逻辑0或1。正逻辑：高电平表示1，以低电平表示0；负逻辑：低电平表示1，高电平表示0。正逻辑与负逻辑在弱电数字系统中，形成的 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 是5v为高电平，0v为低电平。但一般在高低电平的某个允许范围内都认为具有明确的逻辑状态。如图所示。逻辑电路应该在任何时候保持确定的状态。但也有可能在受到干扰的情况下，电平进入不确定的状态，甚至发生状态错误。高低电平正逻辑电平范围高低电平的实现互补开关电路CMOS逻辑门电路是在TTL器件之后，出现的应用比较广泛的数字逻辑器件，在功耗、抗干扰、带负载能力上优于TTL逻辑门，所以超大规模器件几乎都采用CMOS门电路，如存储器ROM、可编程逻辑器件PLD等。国产的CMOS器件有CC4000(国际CD4000/MC4000)、高速54HC/74HC系列（国际MC54HC/74HC),此外还有兼容型的74HCT和74BCT系列（BiCMOS）CMOS门电路MOS管工作原理及其开关特性各类MOS管符号MOSFET：Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistorN沟道增强型MOSFET结构原理共源接法增强型NMOS电路N沟道增强型MOSFET工作原理截至状态（CUT-OFFMODE）栅极电压太小，不足以感应出导电沟道。VGS<Vt,开启电压。N沟道增强型MOSFET工作原理可变电阻区（TriodeMode）VGS>Vt，VDS<VGS-VtN沟道增强型MOSFET工作原理恒流区SaturationorActiveorPinch-OffModeVGS>Vt,VDS>=VGS-VtN沟道增强型MOSFET工作原理输出特性和转移特性曲线PMOS的少数载流子导电沟道由“空穴”组成。需要在栅极和源极之间加负压才能感应出“空穴”沟道。输出回路的电流方向也是由源极至漏极。增强型PMOS结构原理和工作特性增强型NMOS管反相器与电压传输特性开关等效电路CMOS反相器（Complementary-SymmetryMOSInverter）由PMOS管T1和NMOS管T2构成互补对称电路。在输入Vi是低电平时，T1导通而T2截止，VDD全部落在T2管的漏极和源极之间。输出为低电平。在输入为高电平时，T1截止而T2导通，VDD全部落在T1管源极和漏极之间，输出低电平。无论vI是高电平还是低电平，T1和T2管总是一个导通一个截止的工作状态，称为互补；由于无论输入为低电平还是高电平，T1和T2总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过T1和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小CMOS反相器工作原理CMOS反相器电压传输特性T2管截止，T1导通T1管截止，T2导通T2管进入恒流区T1管进入恒流区 CMOS与非门 CMOS或非门 CMOS与或非门 CMOS或与非门带输出缓冲级的CMOS门电路由于前面所述的门电路输出部分由若干个MOS串并而成。在不同的输入信号下，这些MOS管分别处于开关状态，造成输出电阻变化很大。负载特性取决于输入信号。所以在实际应用中，CMOS输入输出电路都带有反相器作为缓冲级。CMOS缓冲器三态门：三态输出门的输出状态除了0、1两个状态外，还有另一个“高阻”态。这种电路可以用于“共享总线”的数字系统中。如果把所有的输出电路全并联到一根导线上时，输出状态必然互相干扰，使电路功能错乱。使用三态门，就可以使不使用总线的输出电路信号从总线上隔离开。CMOS缓冲器三态门除了输入端，还有一个控制端。下图表明一个高电平有效的三态门。在控制端为0时，输出为高阻态。三态门低电平有效三态反相器三态门三态门总线结构三态门应用利用三态门进行数据的双向传输三态门应用用一对互补的MOS管可以构成一个双向开关。CMOS传输门T1导通区域设RL>>RON，VIH＝VDD，VIL＝0。C的高低电平为VDD和0，则：C＝0，C’＝1：只要VI在0～VDD之间变化，T1和T2同时截止，输入和输出为高阻态，传输门截止，输出Vo＝0。C＝1，C’＝0：在Vi在0～VDD时，若0<Vi<VDD-VGS(th)N，T1管导通，输出为Vo＝Vi；若|VGS(th)P|<Vi<VDD，T2管导通，输出为Vo＝Vi。CMOS传输门工作原理Vi0VDD-VGS(th)NVDD|VGS(th)P|T2导通区域CMOS双向模拟开关电压传输系数KTG。使用CMOS传输门实现逻辑运算 为了满足输出电平的变换，输出大负载电流，以及实现“线与”功能，将CMOS门电路的输出级做成漏极开路的形式，称为漏极开路输出的门电路。漏极开路门（OD输出门：Open-DrainOutput）OD门工作电路用OD门实现线与 实现与或非运算使用OD门实现电平转换如何计算上拉电阻RL？可利用选通信号SA～SC来实现对不同通道数据的采集，并输送到母线上。接收时，利用选通信号SD～SG来实现数据从不同通道输出。使用OD门实现数据采集输入端噪声容限：是指在保证输出高、低电平基本不变（不超过规定范围）时，允许输入信号高、低电平的波动范围。CMOS电路的电气特性输入端高电平的噪声容限为：VNH=VOH(min)-VIH(min)VOH(min)是输出高电平的最小值VIH(min)是输入高电平的最小值。输入端低电平的噪声容限是：VNL=VIL(max)-VoL(max)。VIL(max)是输入低电平的最大值，VoL(max)是输出低电平的最大值输入端噪声容限测试结果表明，在输出高低电平的变化不大於限定的10%VDD情况下，输入信号的高、低电平允许的最大变化量大于30%VDD。于是可以通过提高电压的方式去提高噪声容限。提高噪声容限低电平输出：在低电平输出时，输出端的NMOS导通而PMOS截止。负载电流“灌入”输出端NMOS管。假设导通电阻是RN，负载电流是IoL，那么输出电压应该是VOL=RNIOL。必须保证其不高于输出低电平VOL(MAX)。所以负载电流必须小于VOL(MAX)/RN。电路的负载特性高电平输出：在高电平输出时，输出端的NMOS截止，PMOS导通。负载电流经PMOS导电沟道由电源VDD流出到负载电阻。这一过程被形象地称为“拉电流”。必须保证在PMOS上的管压降不得大于使输出电压低于VOH(MIN)的值。则“拉电流”也不能过大。电路的负载特性扇入：某种门电路的输入端数目；扇出：能有效驱动同类型门电路的个数。一种门电路往往是通过输出管串联的形式实现“与”“或”运算，当串联的MOS管越多，输出管内压降就会上升到电平逻辑错误的程度。同样，如果需要驱动的门太多，那么较大的驱动电流也可以造成很大的管压降。扇入与扇出系数扇出系数的计算扇出系数：信号转换时延由于MOS管的寄生电容和负载电容的存在，使得传输信号波形不再是标准的矩形波（方波），而是梯形波。这样信号从一个逻辑状态转换到另一个逻辑状态所需的时间称为转换时延。CMOS门电路的动态特性VIHMINVILMAXtrtf信号转换时延的计算输出信号滞后于输入信号的变化，称为传输时延。tPHL－输入电压前沿上升到幅值的50％与输出后沿下降到幅值的50％之间的时间差值；tPLH－输入电压后沿下降到幅值的50％与输出前沿上升到幅值的50％之间的时间差值；tpd－平均传输延迟时间，tpd＝（tPHL＋tPLH）/2。传输时延CMOS电路的动态功耗uiiniptt动态功耗计算：在一个周期内，CMOS反相器分别经历PMOS充电和NMOS放电的过程。管上由于分布电容充放电所引起的平均功耗可以用以下方法计算。CMOS电路的动态功耗 在vI＝VDD/2附近处，两个互补MOS管同时导通，漏极电流最大，呈尖峰状态。CMOS电路的瞬时导通功耗 CMOS电路总动态功耗自学：集成芯片的数据手册所含主要信息以双极型晶体管作为开关组件构成的逻辑电路。由于载流子种类有两种，所以称为双极型电路。双极型晶体管用作开关状态时，只使用其中的“截止”和“饱和”两种工作状态。三极管输出特性中的放大区，在模拟电路中用作信号比例运算用，但在数字电路中，线性的放大区却代表逻辑状态的不确定性，予以回避。TTL逻辑电路（Transistor-Transistor-Logic）二极管与门与二极管或门三极管反相器和传输特性标准通用系列：国产型号为CT54/74系列，与国际上SN54/74系列相当，部标型号为T1000系列。高速系列：国产型号为CT54H/74H系列，与国际上SN54H/74H系列相当，部标型号为T2000系列。肖特基系列：国产型号为CT54S/74S系列，与国际上SN54S/74S系列相当，部标型号为T3000系列。低功耗肖特基系列：国产型号为CT54LS/74LS系列，与国际上SN54LS/74LS系列相当，部标型号为T4000系列。TTL集成门电路系列TTL反相器构造及原理输入低电平（VI）T1管be结导通。VB1被钳制在，此时T2管截止，T5截止，T4饱和导通。Vo＝VOH≈VCC－IC2R2－2VON≈。输入高电平（VIH）T1管bc节导通，T2导通，T4截止，T5导通饱和，输出Vo为T5管的饱和压降，Vo=VOL。此时VB1的电压约为三个PN结正向导通压降，为左右。二极管D1是输入级的钳位二极管抑制负脉冲干扰；保护T1发射极，防止输入为负电压时，电流过大，它可允许最大电流为20mA。二极管D2确保T5饱和时，T4能可靠地截止。TTL反相器构造及原理TTL反相器的电压传输特性截止区VI<=0.6v线性区转折区饱和区TTL与非门电路TTL或非门电路使用达林顿复合管输出，输出电路具有很大的电流放大倍数，显著地降低了输出电阻。改善了输出特性。各类TTL改进型电路74H系列，电阻减小，转换速度加快，功耗增加。势垒二极管－SBD的开启电压很低，只有～，故三极管的集电结（b－c结）正向偏置后，SBD先导通，并把b－c结电压钳位在～。有效地制止三极管进入过饱和状态，提高管子的开关速度。使用T6组成有源泄放回路。截止时阻值高，导通时阻值低。肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）使用SBD取代多发射极三极管作为输入电路；增加D3作为T4的基极泄放通路，D4作为负载电容的泄放通路。提高阻值，降低功耗。74LS系列74S系列电压传输特性与CMOS漏极开路门一样，为了实现“线与”功能，TTL电路中也有集电极开路门设计。在一般情况下，门电路的输出是不可以直接并联在一起的。集电极开路门（OC-OpenCollectorGate）推拉式输出电路结构的局限性：①输出电平不可调②负载能力不强，尤其是高电平输出③输出端不能并联使用集电极开路门（OC-OpenCollectorGate）集电极开路门OC门的工作电路OC门的线与功能 TTL三态门电路当反相器输入EN’为高电平时，P点被钳制为低电平，T4、T5管均截止，输出为高阻态。当反相器输入EN'为低电平时，P点为高电平，D反向截止。此时电路功能是普通的与非门。三态门构成总线和双向传输电路数据的双向传输总线结构例2-3：根据表2-4（P43）计算74LS00的扇出系数。解：输出高电平扇出数：输出低电平扇出数：扇出系数：N=Min{NH,NL}=20。TTL电路的电气特性2.5.1发射极耦合逻辑电路2.5.2Bi-CMOS电路其它高速逻辑电路（自学）CMOS器件和TTL器件的负载特性无论是CMOS器件还是TTL器件，对同类负载门的数目都是有限制的。CMOS门主要受下级门寄生电容所造成的动态功耗限制，与工作频率电压有关。而TTL门主要受扇出系数的限制。必须保证高低电平输出时，拉灌电流的值不得超过最大限值。集成门电路的应用和注意事项CMOS电路必须隔绝静电；空闲输入端处理：CMOS空闲输入端的处理：不可悬空。对于“与”运算输入端，可以通过电阻接高电平；对于“或”运算输入端，可以通过电阻接地。TTL门电路空闲输入端处理：悬空相当于接入高电平。一般情况下，接入一个小阻值电阻，相当于接入低电平。如果接入的电阻阻值够大，则相当于接入高电平。对于“与”输入运算，应当接入一个大电阻，而对于“或”输入运算，应该接入小电阻。可以根据最高输入低电平和最低输入高电平的值来计算接入的阻值大小。集成芯片使用中的问题计算空闲接地电阻相当于低电平时：相当于高电平时：TTL输入端负载特性一般对于输入端通过电阻接地的TTL门电路，当时，构成低电平输入方式；当时，构成高电平输入方式。试为右图电路中的外接电阻RL选定合适的阻值。已知G1、G2为OC门，输出管截止时的漏电流为IOH＝200μA，输出管导通时允许的最大负载电流为IOLmax＝16mA。G3、G4和G5均为74系列与非门，它们的低电平输入电流为IIL＝1mA，高电平输入电流为IIH＝40μA。，要求OC门的高电平VOH≥，低电平VOL≤。输出开路门的应用解：RL的选择受两个方面的控制。第一，在Y输出高电平时，经由RL所造成的压降必须保证满足后续门输入高电平的要求。即：Vcc-VRL〉VOH。第二，在Y输出低电平时，经由RL的压降，又必须使Y点的电平低于VOL，灌入的电流不能超过IOLMAX。OC门线与电阻计算 OC门线与电阻计算 OC门总线数据传输一般TTL与非门的电平为0~3.6V,若需要逻辑电平为0~12V的逻辑电平，只要将负载电阻接到12V电源即可，其电路如图所示。OC门实现电平转换 OD门驱动大电流负载由于现在大规模集成电路中，存在着TTL和CMOS两种逻辑电路，故经常会遇到两种电路连接问题，即TTL和CMOS电路的接口问题。而且为了降低功耗，提高集成度，芯片的供电电压也越来越低。无论何种门作为驱动门，都必须为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流。即要满足下列各式：接口电路用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路在CMOS电路的电源电压较高时，CMOS电路要求的VIHmin比较高，超过TTL电路输出端能承受的电压，故应采取TTL的集电极开路（OC门），其上拉电阻RU的计算与OC门的相同。上拉电阻可见用74HC/74HCT系列CMOS电路驱动74系列TTL电路能满足一定量的扇出系数。用74HC/74HCT系列CMOS电路驱动74系列TTL电路熟练掌握CMOS和TTL与非门的逻辑功能，电气特性、参数和使用方法；正确理解CMOS和TTL门电路结构和工作原理；掌握门电路的三种输出结构：推拉、三态和开路；掌握OD（OC）门的应用；了解CMOS传输门的工作原理和其它逻辑门电路。 小结 学校三防设施建设情况幼儿园教研工作小结高血压知识讲座小结防范电信网络诈骗宣传幼儿园师德小结 2-32-72-92-13习题