数字电路逻辑设计(第二版)清华大学出版社-朱正伟等编著-ch2

2门电路2.1基本门电路2.2TTL集成门电路2.5集成门电路的使用2.3其他类型的双极型集成电路2.4MOS集成门电路2.1基本门电路2.1.1半导体二极管和三极管的开关特性1．二极管的开关特性（1）当外加正向电压VI大于二极管的正向开启电压Vth时，二极管导通，此时二极管如同一个具有了一定电压降（管压降）的闭合了的开关。（2）当VI0V时，二极管截止，此时可以近似地认为ID=0，如同断开了的开关。2三极管的开关特性iB0，iC0，vO＝VCE≈VCC，c、e极之间近似于开路,vI=0V时:iB0，iC0，vO＝VCE≈0.2V，c、e极之间近似于短路,vI=5V时:三极管的开关时间从截止到导通开通时间ton(=td+tr)从导通到截止关闭时间toff(=ts+tf)三极管饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成。①.电路②.工作原理输入A、B、C全为“1”，输出Y为“1”。输入A、B、C不全为“1”，输出Y为“0”。0V0V0V0V0V3V+U12VRDADCABFDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABFC“与”门逻辑状态表0V3V1.二极管与门电路F=ABC逻辑表达式：2.1.2半导体二极管门电路1.二极管与门电路③.逻辑关系：“与”逻辑即：有“0”出“0”，全“1”出“1”逻辑符号：&ABFC00000010101011001000011001001111ABFC“与”门逻辑状态表2.二极管或门电路①.电路0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V00000011101111011001011101011111ABFC“或”门逻辑状态表3V3V-U-12VRDADCABFDBC②.工作原理输入A、B、C全为低电平“0”，输出Y为“0”。输入A、B、C有一个为“1”，输出Y为“1”。F=A+B+C逻辑表达式：2.二极管或门电路③.逻辑关系：“或”逻辑即：有“1”出“1”，全“0”出“0”逻辑符号：ABFC100000011101111011001011101011111ABFC“或”门逻辑状态表2.1.3.半导体三极管非门电路+UCC-UBBARKRBRCFT10截止饱和逻辑表达式：Y=A“0”10“1”①.电路“0”“1”AY“非”门逻辑状态表逻辑符号1AY2.1.4.DTL门电路逻辑表达式：Y=AB①.DTL与非门电路有“0”出“1”，全“1”出“0”“与”门&ABCF&ABC“与非”门00010011101111011001011101011110ABFC“与非”门逻辑状态表F=ABC逻辑表达式：1F“非”门①.DTL与非门电路2.1.4.DTL门电路逻辑表达式：Y=A+B②.DTL或非门电路有“1”出“0”，全“0”出“1”1F“非”门00010010101011001000011001001110ABFC“或非”门逻辑状态表“或”门ABC1“或非”门FABC1F=A+B+C逻辑表达式：②.DTL或非门电路输入级中间级输出级2.2.1TTL与非门1.电路T5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT1E2E3E1B等效电路C多发射极三极管T5FR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT12.工作原理1VT2、T5截止负载电流（拉电流）(1)输入端有任一低电平“0”(0.3V)(0.3V)“1”“0”输入有低“0”输出为高“1”流过E结的电流为正向电流VF5-0.7-0.7=3.6V5VT3、T4导通VF=UCC-R2IB3-UB3-UB4T5FR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT1“1”(3.6V)(2)输入全为高电平“1”(3.6V)时2.工作原理4.3VT2、T5饱和导通E结反偏截止“0”(0.3V)负载电流（灌电流）输入全高“1”,输出为低“0”1VVC2=UCE2+UBE50.3+0.7=1VVE31-0.7=0.3V有“0”出“1”全“1”出“0”“与非”逻辑关系00010011101111011001011101011110ABFC“与非”门逻辑状态表F=ABC逻辑表达式：F&ABC“与非”门1.电压传输特性：输出电压UO与输入电压Ui的关系。CDE2.2.2.TTL与非门的外部特性及其参数电压传输特性测试电路01231234Ui/VUO/V&+5VUiUoVVAB1.电压传输特性：电压传输特性输出电压UO与输入电压Ui的关系。ABCDEUO/V00.51.31.40.33.6Ui/V(1)Ui0.5VU0=3.6V(2)Ui=0.5~1.3VU0随Ui线性下降(3)Ui1.4VU00.3V(4)Ui1.4VU0=0.3V2.TTL“与非”门的几个主要参数典型值3.6V，2.4V为合格典型值0.3V，0.4V为合格输出高电平电压UOH输出低电平电压UOL1)输出逻辑高电平电压UOH和输出逻辑低电平电压UOLABCDEUO/V00.51.31.40.33.6Ui/V电压传输特性2)关门电平UOFF、开门电平UON和阈值电压Uth一般要求UON≥1.8V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。3)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。2)关门电平UOFF、开门电平UON和阈值电压Uth①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-UONUIH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.输入伏安特性输入电压和输入电流之间的关系曲线。(1)输入短路电流IISiI=(VCC－UBE1)/R1=(5－0.7)/3≈1.4mATTL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。4.输入端的负载特性VIVOIIRI+-&(1)当输入负载电阻RI较小时，VI也较低，使电路工作在关态。为了使电路可靠工作于关态，必须满足：VI≤VOFF，即1OFF1BECCOFFIRV2VVVR若VCC=5V，R1=3KΩ，VOFF=0.8V，则RI≤0.88KΩ。一般取标称值0.75KΩ作为关门电阻ROFF。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≈2.5kΩ。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。(2)当输入负载电阻RI较大时，VI也较大，使电路工作在开态。为了使电路可靠工作于开态，必须满足：VI≥VON5.输出特性指输出电压与输出电流之间的关系曲线。(1)拉电流工作情况负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。图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2-14输出低电平时的输出特性（a）电路（b）特性曲线(2)灌电流工作情况负载电流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。灌电流负载指一个“与非”门能带同类门的最大数目，它表示带负载的能力。对于TTL“与非”门NO8。1）输入高电平电流IIH和输入低电平电流IIL当某一输入端接高电平，其余输入端接低电平时，流入该输入端的电流，称为高电平输入电流IIH（A）。当某一输入端接低电平，其余输入端接高电平时，流出该输入端的电流，称为低电平输入电流IIL（mA）。6.带负载能力例：估算图示电路扇出系数NO&&&GPG1Gn已知门电路的参数如下：IoH/IoL=1.0mA/-20mAIiH/IiL=50A/-1.43mA试求门GP扇出系NO解：讨论这类问题时，要对GP门输出低电平和高电平情况，分别讨论，然后取两个数中较小的作为扇出系NO例：估算图示电路扇出系数NO已知门电路的参数如下：IoH/IoL=1.0mA/-20mAIiH/IiL=50A/-1.43mA试求门GP扇出系NOGP门输出高电平时，后接的每个门流入的电流为2IiH，则可带的同类门的个数NOH应为：+5VIiH100.0521IiHoHmaxoHIN例：估算图示电路扇出系数NO已知门电路的参数如下：IoH/IoL=1.0mA/-20mAIiH/IiL=50A/-1.43mA试求门GP扇出系NOGP门输出低电平时，负载门流入的电流为流出的灌电流，IiLIiS，因此IiL的大小与门输入端的并接数量无关，NOL应为：141.4320IiSoLmaxoLIN+5VIiL门GP扇出系NO=107.传输延迟特性50%50%tpd1tpd22pt2pt1pdtttTTL的tpd约在10ns~40ns，此值愈小愈好。输入波形ui输出波形uOTTL门电路主要参数的典型数据74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≤30nsvOHvOL输出为低电平的逻辑门输出级的损坏2.2.3其他类型的TTL门电路1.集电极开路门电路VCC(5V)Rb14kΩRc21.6kΩRc4130ΩT4ABCT1T2DRe21kΩT3VCC(5V)Rb14kΩRc21.6kΩRc4130ΩT4ABCT1T2DRe21kΩT3a）集电极开路与非门电路b）使用时的外电路连接C）逻辑功能F=ABOC门输出端连接实现线与VCCT1Re2Rc2Rc4Rb1T2T3T4DABLVCCT1Re2Rc2Rb1T2T3ABFVCCCDRPVDDFAB&&1.集电极开路门电路2.2.3其他类型的TTL门电路OC门主要有以下几方面的应用：（1）实现电平转换。如图示，可使输出高电平变为10V。（2）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。+10V&OV+5V&270ΩF(a)&ABEC&&ABCDECRLF(b)RL（3）实现线与。电路如右图所示，逻辑关系为:CDABF2.三态与非门(TSL)当EN=1时：EN数据输入端输出端FAB1001011101110三态与非门真值表二极管截止，相当于开路，三态门工作状态同一般与非门①结构与工作原理R1R2R4VCCT4FT3R3T1ABEDT21N二极管导通，T4截止，T2、T3也截止，输出端与门电路内部呈现高阻态。EN数据输入端输出端FAB10010111011100××高阻ABEN&EN当EN=0时：R1R2R4VCCT4FT3R3T1与非门ABENDT200逻辑符号真值表另一种形式的三态与非门：EN数据输入端输出端FAB00010111011101××高阻三态与非门真值表ABEN&F当EN=0时，门1工作，门2禁止，数据从A送到B；当EN=1时，门1禁止，门2工作，数据从B送到A。实现数据的双向传输：EN2.2.4TTL数字集成电路系列简介1.74系列74系列，又称标准TTL系列，属中速TTL器件，其平均传输延迟时间约为10ns，平均功耗约为10mW／每门。2.74L系列74L系列，为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。用增加电阻阻值的方法将电路的平均功耗降低为1mW／每门，但平均传输延迟时间较长，约为33ns。2.2.4TTL数字集成电路系列简介3.74H系列74H（High-spee