集成门电路及其应用

数字电子技术集成门电路及其应用数字电子技术一、TTL门电路的特性及参数1、开门电平、关门电平、阈值电压；2、开门电阻和关门电阻；3、输入噪声容限；4、扇出系数；5、传输延迟时间。二、OC门、三态门、传输门及应用三、门电路的使用注意事项1、TTL门电路的使用注意事项；2、CMOS门电路的使用注意事项；3、TTL电路和CMOS电路的接口。四、组合逻辑电路的分析和设计1、组合逻辑电路的定义及特点；2、组合逻辑电路的分析；3、组合逻辑电路的设计。五、门电路的综合应用数字电子技术思考讨论：1、电路设计的过程包括几部分？2、电路设计中应注意哪些问题？数字电子技术1、开门电平、关门电平、阈值电压（1）开门电平UON门电路打开能够接收输入信号时，允许输入高电平的最小值（如与、与非门）；或低电平时的最大值（或、或非门）。（2）关门电平UOFF门电路关闭不接收输入信号时，允许输入低电平的最大值（如与、与非门）；或高电平的最小值（或、或非门）。（3）阈值电压UTH门电路的输出状态发生跳转时对应的输入电压。数字电子技术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？2、开门电阻、关门电阻（以与非门为例）数字电子技术(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≈2.3kΩ。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。数字电子技术（1）输入低电平噪声容限在保证输入为低电平时允许在输入信号上叠加的正向噪声电压，用UNL表示。3、输入噪声容限UNL=UOFF-UIL----与非门（2）输入高电平噪声容限在保证输入为高电平时允许在输入信号上叠加的负向噪声电压，用UNH表示。UNH=UIH-UON-----与非门UNL越大，说明门电路输入低电平时，抗正向干扰的能力越强。UNH越大，说明门电路输入高电平时，抗负向干扰的能力越强。数字电子技术（1）扇入系数Ni门电路输入端能够接的输入端的个数。4、扇入系数和扇出系数（2）扇出系数NoNI越大，说明门电路输入端携带同类门的个数越多。IL)max(II/IIN门电路输出端能够接的负载个数。IL)OL(maxOL/IINIH)max(OHOH/IINNO越大，说明门电路输出端携带负载的个数越多。Ni越大，说明门电路输入端携带同类门的个数越多。数字电子技术（1）上升沿延迟时间tPLH5、传输延迟时间（2）下降沿延迟时间tPHL2PHLPLHpdttttpd越大，说明门电路开关速度越低。（3）平均延迟时间tpd数字电子技术TTL系列数字电路的主要参数指标（1）高电平输出电压UOH：2.7～3.4V，一般要求大于3.2V（2）高电平输出电流IOH：一般为-0.4mA（3）低电平输出电压UOL：0.2～0.5V，一般要求小于0.35V（4）低电平输出电流IOL：一般大于8mA（5）高电平输入电压UIH：一般为2V（6）高电平输入电流IIH：一般不超过70uA（7）低电平输入电压UIL：一般为0.8V（8）低电平输入电流IIL：一般不超过1.6mA（9）输出短路电流IOS（10）电源电流（11）传输延迟时间tPLH和tPHL（12）时钟脉冲fmax：74LS系列30MHzIOH和IOL反映芯片带载能力IIH和IIL反映其对前级集成电路的影响数字电子技术问题：普通的与非门输出端能否并联使用？1、OC门（或OD门）答：不能。当将两个TTL“与非”门输出端直接并联时，会产生一个大电流（前1个门输出高电平，后1个门输出低电平时），将导致：1、抬高门2的输出低电平（该电平不高不低）；2、会因功耗过大损坏门器件。注：TTL输出端不能直接并联数字电子技术表274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≤30ns数字电子技术（1）OC门的结构与符号①电路结构：输出级是集电极开路的。②逻辑符号：用“◇”表示集电极开路。图1集电极开路的TTL与非门（a）电路（b）逻辑符号数字电子技术①OC门的输出端并联，实现线与功能。RL为外接负载电阻。图2OC门的输出端并联实现线与功能CDABCDABYYY21（2）OC门的应用CDYABY21Y1Y2Y000010100111数字电子技术图3用OC门实现电平转换的电路②用OC门实现电平转换数字电子技术2、三态门（TSL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。数字电子技术控制端高电平有效的三态门(1)三态门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数字电子技术ENABY0××高阻态1001101111011110ENABY1××高阻态0001001101010110当EN=1时，门电路输出端处于悬空的高阻状态。当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。数字电子技术（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4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。数字电子技术数字电子技术（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5CMOS传输门（a）电路（b）逻辑符号数字电子技术（2）应用举例图6CMOS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。数字电子技术当EN=0时，TG导通，F=A；当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。②CMOS三态门图7CMOS三态门(a)电路(b)逻辑符号数字电子技术1、TTL门电路的使用注意事项（1）电源电压及电源干扰的消除电源电压的变化对54系列应满足5V×(1±10%)、对74系列应满足5V×(1±5%)的要求，电源的正极和地线不可接错。为了防止外来干扰通过电源串人电路，需要对电源进行滤波，通常在印制电路板的电源输入端接入10~100μF的电容进行滤波，在印制电路板上，每隔6-8个门加接一个0.01~0.1μF的电容对高频进行滤波。门电路关闭不接收输入信号时，允许输入低电平的最大值（如与、与非门）；或高电平的最小值（或、或非门）。数字电子技术具有推拉输出结构的TTL门电路的输出端不允许直接并联使用。输出端不允许直接接电源VCC或直接接地。使用时，输出电流应小于产品手册上规定的最大值。三态输出门的输出端可并联使用，但在同一时刻只能有一个门工作，其它门输出处于高阻状态。集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源VCC之间应接负载电阻RL。（2）输出端的连接（3）闲置输入端的处理TTL集成门电路使用时，对于闲置输入端(不用的输入端)一般不悬空，主要是防止干扰信号从悬空输入端引入电路。对于闲置输入端的处理以不改变电路逻辑状态及工作稳定为原则。常用的方法有以下几种：①对于与非门的闲置输入端可直接接电源电压VCC，或通过1~10kΩ的电阻接电源VCC，如图8(a)和(b)所示。②如前级驱动能力允许时，可将闲置输入端与有用输入端并联使用，如图8(c)所示。数字电子技术③在外界干扰很小时，与非门的闲置输入端可以剪断或悬空，如图8(d)所示。但不允许接开路长线，以免引人干扰而产生逻辑错误。④或非门不使用的闲置输入端应接地，对与或非门中不使用的与门至少要有一个输入端接地，如图8(e)和（f）所示。图8与非门和或非门闲置输入端的处理(a)直接接＋VCC；(b)通过电阻接VCC；(c)和有用输入端并联；(d)悬空或剪断；(e)接地；(f)接地数字电子技术（4）电路安装接线和焊接应注意的问题①连线要尽量短，最好用绞合线。②在电源接通时，不要移动或插入集成电路，因为电流的冲击可能会使其永久性损坏。③整体接地要好，地线要粗、短。④焊接用的烙铁最好不大于25W，使用中性焊剂，如松香酒精溶液。⑤由于集成电路外引线间距离很近，焊接时焊点要小，不得将相邻引线短路，焊接时间要短。⑥印制电路板焊接完毕后，不得浸泡在有机溶液中清洗，只能用少量酒精擦去外引线上的助焊剂和污垢。（5）调试中应注意的问题①对CT54/CT74和CT54H/CT74H系列的TTL电路，输出的高电平不小于2.4V，输出低电平不大于0.4V。对CT54S/CT74S和CT54LS/CT74LS系列的TTL电路，输出的高电平不小于2.7V，输出的低电平不大于0.5V。上述4个系列输入的高电平不小于2.4V，低电平不大于0.8V。②当输出高电平时，输出端不能碰地，不然会因电流过大而烧坏；输出低电平时，输出端不能碰电源VCC=5V，否则同样会烧坏。数字电子技术序号型号名称主要功能174LS00四2输入与非门274LS02四2输入或非门374LS04六反相器474LS05六反相器OC门574LS08四2输入与门674LS10三3输入与非门774LS14六反相器施密特触发874LS20双4输入与非门974LS21双4输入与门1074LS308输入与非门1174LS32四2输入或门1274LS644-2-3-2输入与或非门1374LS86四2输入异或门1474LS125四总线缓冲器三态输出表3常用集成门电路(TTL系列）数字电子技术2、CMOS电路的优点及使用注意事项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。（噪声容限大）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。（扇出系数大）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）数字电子技术CMOS电路的使用注意事项①CMOS电路的电源电压极性不可接反，否则，可能会造成电路永久性失效。②CC4000系列的电源电压可在3~15V的范围内选择，但最大不允许超过极限值18V。电源电压选择得越高，抗干扰能力也越强。③高速CMOS电路中HC系列的电源电压可在2~6V的范围内选用，HCT系列的电源电压在4.5~5.5V的范围内选用。但最大不允许超过极限值7V。④在进行CMOS电路实验或对CMOS数字系统进行调试、测量时，应先接入直流电源，后接信号源；使用结束时，应先关信号源，后关直流电源。（1）电源电压数字电子技术①闲置输入端不允许悬空。②对于与门和与非门，闲置输入端应接正电源或高电平；对于或门和或非门，闲置输入端应接地或低电平。③闲置输入端不宜与使用输入端并联使用，因为这样会增大输入电容，从而使电路的工作速度下降。但在工作速度很低的情况下，允许输入端并联使用。（2）闲置输入端的处理①输出端不允许直接与电源VDD或地(VSS)相连。因为电路的输出级通常为CMOS反相器结构，这会使输出级的NMOS管或PMOS管可能因电流过大而损坏。②为提高电路的驱动能力，可将同一集成芯片上相同门电路的输入端、输出端并联使用。③当CMOS电路输出端接大容量的负载电容时，流过管子的电流很大，有可能使管子损坏。因此，需在输出端和电容之间串接一个限流电阻，以保证流过管子的电流不超过允许值。(3)输出端的连接数字电子技术①焊接时，电烙铁必