数字电子技术第二章

第二章逻辑门电路内容概述第一节标准TTL与非门第二节其它类型TTL门电路第三节ECL逻辑门电路第四节I2L逻辑门电路第五节NMOS逻辑门电路第六节CMOS逻辑门电路第七节逻辑门的接口电路小结BJT:BipolarJunctionTransistorTTL:Transistor-TransistorLogicECL:Emitter-CoupledLogicCMOS:ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorI2L:IntegratedInjectionLogic第二章逻辑门电路1.数字电路中的BJT工作在何种工作状态?2.影响BJT开关速度的因素有哪些?3.各种逻辑门电路的优缺点是什么？4.TTL门电路驱动CMOS门电路是否需要加接口电路?内容概述双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门按器件类型分按集成度分SSI：＜100个等效门MSI：＜103个等效门LSI：＜104个等效门VLSI：＞104个以上等效门本章内容：集成逻辑门的基本结构、工作原理；集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。TTL、ECLI2L、HTLPMOSNMOSCMOS第一节标准TTL与非门TTL与非门电路组成TTL与非门工作原理TTL与非门工作速度TTL与非门外特性及主要参数TTL标准与非门的改进型TTL集成电路产品TTL与非门电路组成输出级由D3、T4、T5和电阻R4组成。T4与T5组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。输入级由多发射极晶体管T1、二极管D1、D2和电阻R1组成。实现输入变量A、B的与运算。中间级由T2、R2和R3组成。T2的集电极C2和发射极E2分别提供两个相位相反的电压信号。TTL与非门工作原理•输入端至少有一个（设A端）接低电平：0.3V3.6V1V3.6VT1管:A端发射结导通，UB1=UA+UBE1=1V，其它发射结反偏截止。≈（5-0.7-0.7）V=3.6V因为UB1=1V,所以T2、T5截止,UC2≈Ucc=5V。T4：工作在放大状态5V3D4be2RCCOHUUUUU−−−=电路输出高电平：•输入端全接高电平：3.6V2.1V0.3VT1:UB1=UBC1+UBE2+UBE5=0.7V×3=2.1V电路输出低电平：UOL=0.3V3.6VT1：发射结反偏，集电极正偏，工作在倒置放大状态且T2、T5导通。T2：工作在饱和状态T4：UC2=UCES2+UBE5≈1V，T4截止。T5：处于深饱和状态TTL与非门工作原理•输入端全接高电平，输出为低电平。•输入端至少有一个接低电平时，输出为高电平。由此可见，电路的输出与输入之间满足与非逻辑关系：BAF⋅=TTL与非门工作原理T1：倒置放大状态T2：饱和状态T4：截止状态T5：深度饱和状态T1：深度饱和状态T2：截止状态T4：放大状态T5：截止状态TTL与非门工作速度存在的问题：一是与非门内部晶体管工作在饱和状态对电路开关速度产生影响，二是与非门输出端接容性负载时对工作速度产生影响。采取的措施：1.采用多发射极晶体管T1，加速T2管脱离饱和状态。2.T4和T5同时导通，加速T5管脱离饱和状态。3.降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。TTL与非门的外特性及主要参数外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护和设计电路的重要依据。介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。TTL与非门的外特性及主要参数（一）电压传输特性TTL与非门输入电压UI与输出电压UO之间的关系曲线，即UO=f（UI）。截止区：当UI≤0.6V，Ub1≤1.3V时，T2、T5截止，输出高电平UOH=3.6V。线性区：当0.6V≤UI≤1.3V，0.7V≤Ub2＜1.4V时，T2导通，T5仍截止，UC2随Ub2升高而下降，经T4射随器使UO下降。转折区：当UI≥1.3V时，输入电压略微升高，输出电压急剧下降，因为T2、T4、T5均处于放大状态。饱和区：UI继续升高，T1进入倒置工作状态Ub1=2.1V，此时T2、T5饱和，T4截止，输出低电平UOL=0.3V，且UO不随UI的增大而变化。ABCDETTL与非门的外特性及主要参数根据电压传输特性，可以求出TTL与非门几个重要参数：输出高电平UOH和输出低电平UOL、阈值电压UTH、开门电平UON和关门电平UOFF、噪声容限等。1.输出高电平UOH和输出低电平UOL：AB段所对应的输出电压为UOH。DE段所对应的输出电压为UOL。一般要求UOH≥3V，UOL＜0.4V。3.开门电平UON：开门电平UON也称输入高电平电压UIH，指的是输出电平UO=0.3V时，允许输入高电平的最小值。UON典型值为1.4V，一般产品要求UON≤1.8V。4.关门电平UOFF：关门电平UOFF也称输入低电平电压UIL，指的是在保证输出电压为额定高电平UOH的90%时，允许输入低电平的最大值。一般产品要求UOFF≥0.8V。2.阈值电压UTH：CD段中点所对应的输入电压称为阈值电压UTH，也称门槛电压。UTH=1.3～1.4V。低电平噪声容限UNL：高电平噪声容限UNH：5.噪声容限TTL与非门的外特性及主要参数OLOFFNLUUU−=ONOHNHUUU−=噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。（二）输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f（UI）。1.输入短路电流IIS（输入低电平电流IIL）当UIL=0V时由输入端流出的电流。2.输入漏电流IIH（输入高电平电流）指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，流入该输入端的电流，约10μA左右。TTL与非门的外特性及主要参数mA11mA40007051BE1CCIS..RUUI−≈−−=−−=假定输入电流II流入T1发射极时方向为正，反之为负。前级驱动门导通时，IIS将灌入前级门，称为灌电流负载。前级驱动门截止时，IIH从前级门流出，称为拉电流负载。UI在一定范围内会随着Ri的增加而升高，形成Ui=f（Ri）变化曲线，称为输入负载特性。TTL与非门的外特性及主要参数（三）输入负载特性若要使与非门稳定在截止状态，输出高电平，应选择Ri＜ROFF。若要保证与非门可靠导通，输出低电平，应选择Ri≥RON。TTL与非门的外特性及主要参数（四）功耗功耗有静态功耗和动态功耗之分。动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有空载导通功耗PON和空载截止功耗POFF两个参数。1.空载导通功耗PON指的是输出端开路、输入端全部悬空、与非门导通时的功耗。标准TTL芯片PON≤50mW。2.空载截止功耗POFF指的是输出端开路、输入端接地、与非门截止时的功耗。标准TTL芯片POFF≤25mW。1.扇入系数NI是指合格输入端的个数。2.扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，NO表示可驱动同类门的个数。NO分为两种情况，一是灌电流负载NOL，二是拉电流负载NOH。NO=min（NOL，NOH）。IOLmax为驱动门的最大允许灌电流，IIL是一个负载门灌入本级的电流。IOHmax为驱动门的最大允许拉电流，IIH是负载门高电平输入电流。（五）扇入系数NI和扇出系数NOTTL与非门的外特性及主要参数IHOHmaxOH/IIN=ILOLmaxOL/IIN=（六）平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd：2PHLPLHpdttt+=TTL与非门的外特性及主要参数平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延迟了多少时间。导通延迟时间tPHL：输入波形上升沿的50%幅值处到输出波形下降沿50%幅值处所需要的时间。截止延迟时间tPLH：从输入波形下降沿50%幅值处到输出波形上升沿50%幅值处所需要的时间。通常tPLH＞tPHL，tpd越小，电路的开关速度越高。一般tpd=10ns～40ns。TTL标准与非门的改进型（一）高速系列（74H系列）高速74H系列电路对标准74系列电路进行了两项改进：一是在输出级采用了达林顿结构，将输出级的T4用复合管T3和T4代替，减小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对容性负载的充电速度。二是降低电路中所有电阻的阻值，加速三极管的开关速度。74H系列门电路的传输时间比74系列减小了一半，但是由于电源电流的增大，电路的功耗变大。TTL标准与非门的改进型（二）肖特基系列（74S系列）肖特基74S系列与标准74系列相比有两点改进。一是增加了有源泄放电路代替T2射极电阻R3。二是将标准门电路中所有可能工作在饱和区的晶体管都用肖特基三极管代替。由T6、R6和R3构成的有源泄放电路来代替原T2射极电阻R3。一是提高工作速度，二是提高抗干扰能力。工作速度和抗干扰能力提高。一般74S系列电路的tpd小于10ns。TTL标准与非门的改进型（三）低功耗肖特基系列（74LS系列）74LS系列与标准74系列相比，电路有多项改进措施,以达到缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。74LS系列具有较小的延迟-功耗积，具有较好的综合性能。为降低功耗，提高电路各电阻的阻值,将电阻R5原接地端改接到输出端，减小T3导通时电阻R5上的功耗。为缩短传输延迟时间，用肖特基管和有源泄放电路；还将输入级的多发射极管改用SBD代替。TTL集成电路产品系列名称特点54/74系列TTL通用标准系列TTL最早产品，中速器件，目前仍使用。54H/74H系列TTL快速系列74系列改进型，速度较74系列高，功耗大。54S/74S系列TTL肖特基系列采用肖特基晶体管和有源泄放回路，速度高，品种较74LS系列少。54LS/74LS系列TTL低功耗肖特基系列目前主要应用的产品，品种齐全，价格低廉。54AS/74AS系列TTL先进的肖特基系列74S系列的改进产品，速度和功耗得到改进。54ALS/74ALS系列TTL先进的低功耗肖特基系列74LS系列的改进产品，速度和功耗有较大改进，但品种少，价格略高。54F/74F系列TTL高速系列与74ALS及74AS产品相当，属高速型产品，品种较少。第二节其它类型TTL门电路集电极开路门（OC门）三态输出逻辑门（TSL门）或非门、与或非门和异或门集电极开路门（OC门）10普通TTL门输出端并联出现的问题两个TTL与非门输出端直接并联，设门1输出高电平、门2输出低电平，则产生一个大电流。门1输出高电平，T4导通、T5截止。门2输出低电平，T5导通。1.抬高门2输出低电平；2.会因功耗过大损坏门电路。注：普通TTL输出端不能直接并联使用。UCC→门1的R5、T4→门2的T5→产生一个大电流。×（一）OC门的电路结构当输入端全为高电平时，T2、T5导通，输出F为低电平；输入端有一个为低电平时，T2、T5截止，输出F高电平接近电源电压UC。∴OC门实现与非逻辑功能。集电极开路门（OC门）输出低电平0.3V高电平为UC（5~30V）ABF&逻辑符号：RLUC集电极开路与非门（OC门）（二）OC门实现线与逻辑21FFF⋅=_________CDAB⋅=___________CDAB+=负载电阻RL的选择（自学，且为考试内容。）集电极开路门（OC门）相当于与逻辑FRLUC等效逻辑符号（三）OC门应用--电平转换器OC门需外接电阻，所以电源UCC可以选5V～30V。OC门作为TTL电路可以和其它不同类型、不同电平的逻辑电路进行连接。集电极开路门（OC门）当UDD=UCC时，如CMOS电源电压UDD=5V，一般TTL门可以直接驱动CMOS门。TTL电路驱动CMOS电路图当UDD≠UCC时，如CMOS的UDD=5V～18V，特别是UDDUCC时，可以选用TTL的OC门电路实现电平变换。（三）OC门应用--驱动感性器件在数字设备中，常会碰到用门电路驱动大电流的情况，例如驱动感性器件，利用OC门可以实现大电流的驱动。合理选择UC，使驱动电流小于OC门中T5所能承受的最大值。集电极开路门（OC门）驱动干簧继电器的电路连接驱动脉冲变压器的电路连接三态输出逻辑门（TSL门）（一）三态门工