数字电子技术基础简明教程第三版

概　述第2章　逻辑门电路三极管的开关特性TTL集成逻辑门CMOS集成逻辑门集成逻辑门的应用本章小结2.1概述主要要求：了解逻辑门电路的作用和常用类型。理解高电平信号和低电平信号的含义。TTL即Transistor-TransistorLogicCMOS即ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor一、门电路的作用和常用类型按功能特点不同分普通门(推拉式输出)CMOS传输门输出开路门三态门门电路(GateCircuit)指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分与门或门非门异或门与非门或非门与或非门按电路结构不同分TTL集成门电路CMOS集成门电路　　输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。　　用互补对称MOS管构成的逻辑门电路。二、高电平和低电平的含义高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？10高电平低电平01高电平低电平正逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定2.2　三极管的开关特性主要要求：理解三极管的开关特性。掌握三极管开关工作的条件。三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？当输入uI为低电平，使uBEUth时，三极管开始导通，iB>0，三极管工作于放大导通状态。IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线饱和区放大区一、三极管的开关作用及其条件截止区uBEIB(sat)因为iB=IHB-0.7VUR所以求得RB<29k，可取标称值27k。OuItUIHUIL+5V(2)对应输入波形画出输出波形OuItUIHUIL　　可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器。三极管截止时，iC0，uO+5V三极管饱和时，uOUCE(sat)0.3VOuO/Vt50.3IC(sat)OOOuIiCuOtttUIHUILVCCUCE(sat)　　上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为：　　uI从UIL正跳到UIH时，三极管将由截止转变为饱和，iC从0逐渐增大到IC(sat)，uC从VCC逐渐减小为UCE(sat)。　　uI从UIH负跳到时UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。二、三极管的动态开关特性IC(sat)OOOuIiCuOtttUIHUILVCCUCE(sat)0.9IC(sat)ton0.1IC(sat)toff　　uI正跳变到iC上升到0.9IC(sat)所需的时间ton称为三极管开通时间。通常工作频率不高时，可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是否合适，否则导致不能正常工作。　　uI负跳变到iC下降到0.1IC(sat)所需的时间toff称为三极管关断时间。通常toff>ton二、三极管的动态开关特性　　开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。CEBSBDBCE在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称SBD)。BCSBD抗饱和三极管的开关速度高①没有电荷存储效应②SBD的导通电压只有0.4V而非0.7V，因此UBC=0.4V时，SBD便导通，使UBC钳在0.4V上，降低了饱和深度。三、抗饱和三极管简介2.3　TTL集成逻辑门主要要求：了解TTL与非门的组成和工作原理。了解TTL集成逻辑门的主要参数和使用常识。掌握TTL基本门的逻辑功能和主要外特性。了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3R1R2R4R5RBRCB1C1C2E2YVCC+5V输入级中间倒相级输出级STTL系列与非门电路逻辑符号8.2k900503.5k500250V1V2V3V5V6一、TTL与非门的基本组成与外特性(一)典型TTL与非门电路除V4外，采用了抗饱和三极管，用以提高门电路工作速度。V4不会工作于饱和状态，因此用普通三极管。输入级主要由多发射极管V1和基极电阻R1组成，用以实现输入变量A、B、C的与运算。VD1~VD3为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，VD1~VD3不工作，当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时，二极管导通，输入端负电压被钳在-0.7V上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对V1还有保护作用。中间级起倒相放大作用，V2集电极C2和发射极E2同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动V3和V5。RB、RC和V6构成有源泄放电路，用以减小V5管开关时间，从而提高门电路工作速度。输出级由V3、V4、R4、R5和V5组成。其中V3和V4构成复合管，与V5构成推拉式输出结构，提高了负载能力。　　VD1~VD3在正常信号输入时不工作，因此下面的分析中不予考虑。RB、RC和V6所构成的有源泄放电路的作用是提高开关速度，它们不影响与非门的逻辑功能，因此下面的工作原理分析中也不予考虑。因为抗饱和三极管V1的集电结导通电压为0.4V，而V2、V5发射结导通电压为0.7V，因此要使V1集电结和V2、V5发射结导通，必须uB1≥1.8V。0.3V3.6V3.6V输入端有一个或数个为低电平时，输出高电平。输入低电平端对应的发射结导通，uB1=0.7V+0.3V=1VV1管其他发射结因反偏而截止。1V这时V2、V5截止。V2截止使V1集电极等效电阻很大，使IB1>>IB1(sat)，V1深度饱和。V2截止使uC2VCC=5V，5V因此，输入有低电平时，输出为高电平。截止截止深度饱和V3微饱和，V4放大工作。uY=5V-0.7V-0.7V=3.6V电路输出为高电平。微饱和放大(二)TTL与非门的工作原理综上所述,该电路实现了与非逻辑功能,即3.6V3.6V3.6V因此，V1发射结反偏而集电极正偏，称处于倒置放大状态。1.8V这时V2、V5饱和。uC2=UCE2(sat)+uBE5=0.3V+0.7V=1V使V3导通，而V4截止。1VuY=UCE5(sat)0.3V输出为低电平因此，输入均为高电平时，输出为低电平。0.3VV4截止使V5的等效集电极电阻很大，使IB5>>IB5(sat)，因此V5深度饱和。倒置放大饱和饱和截止导通　　TTL电路输入端悬空时相当于输入高电平。输入均为高电平时，输出低电平VCC经R1使V1集电结和V2、V5发射结导通，使uB1=1.8V。深注意2.TTL与非门的工作原理电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门电压传输特性曲线(三)TTL与非门的外特性及主要参数1.电压传输特性和噪声容限输出电压随输入电压变化的特性uI较小时工作于AB段，这时V2、V5截止，V3、V4导通，输出恒为高电平，UOH3.6V，称与非门工作在截止区或处于关门状态。uI较大时工作于BC段，这时V2、V5工作于放大区，uI的微小增大引起uO急剧下降，称与非门工作在转折区。uI很大时工作于CD段，这时V2、V5饱和，输出恒为低电平，UOL0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门电压传输特性曲线饱和区：与非门处于开门状态。截止区：与非门处于关门状态。转折区下面介绍与电压传输特性有关的主要参数：有关参数0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线标准高电平USH当uO≥USH时，则认为输出高电平，通常取USH=3V。标准低电平USL当uO≤USL时，则认为输出低电平，通常取USL=0.3V。关门电平UOFF保证输出不小于标准高电平USH时,允许的输入低电平的最大值。开门电平UON保证输出不高于标准低电平USL时,允许的输入高电平的最小值。阈值电压UTH转折区中点对应的输入电压，又称门槛电平。USH=3VUSL=0.3VUOFFUONUTH近似分析时认为：uI>UTH，则与非门开通，输出低电平UOL；uIRON时，相应输入端相当于输入高电平。对STTL系列，RON2.1k。RONROFFUOFF[例]下图中，已知ROFF800，RON3k，试对应输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。(a)(b)tA0.3V3.6VO不同TTL系列，RON、ROFF不同。相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑0。逻辑0因此Ya输出恒为高电平UOH。相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑1。逻辑1因此，可画出波形如图所示。YbtOYatUOHO解：图(a)中，RI=300RON3k3.负载能力　　负载电流流入与非门的输出端。　　负载电流从与非门的输出端流向外负载。负载电流流入驱动门IOL负载电流流出驱动门IOH输入均为高电平输入有低电平输出为低电平输出为高电平灌电流负载拉电流负载不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。实用中常用扇出系数NOL表示电路负载能力。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。　　通常按照负载电流的流向将与非门负载分为灌电流负载拉电流负载由于三极管存在开关时间，元、器件及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。输入信号UOm0.5UOm0.5UImUIm输出信号4.传输延迟时间输入电压波形下降沿0.5UIm处到输出电压上升沿0.5Uom处间隔的时间称截止延迟时间tPLH。输入电压波形上升沿0.5UIm处到输出电压下降沿0.5Uom处间隔的时间称导通延迟时间tPHL。平均传输延迟时间tpdtPHLtPLH　　tpd越小，则门电路开关速度越高，工作频率越高。0.5UIm0.5UOm5.功耗-延迟积　　常用功耗P和平均传输延迟时间tpd的乘积(简称功耗–延迟积)来综合评价门电路的性能，即M=Ptpd　　性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的特点，然而这两者矛盾。M又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。使用时需外接上拉电阻RL即Opencollectorgate，简称OC门。常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、与或非门和异或门等。它们都是在与非门基础上发展出来的，TTL与非门的上述特性对这些门电路大多适用。VC可以等于VCC也可不等于VCC二、其他功能的TTL门电路(一)集电极开路与非门1.电路、逻辑符号和工作原理　　输入都为高电平时，V2和V5饱和导通，输出为低电平UOL0.3V。　　输入有低电平时，V2和V5截止，输出为高电平UOHVC。因此具有与非功能。工作原理OC门相当于与门作用。因为Y1、Y2中有低电平时，Y为低电平；只有Y1、Y2均为高电平时，Y才为高电平，故Y=Y1·Y2。2.应用(1)实现线与　　两个或多个OC门的输出端直接相连，相当于将这些输出信号相与，称为线与。Y　　只有OC门才能实现线与。普通TTL门输出端不能并联，否则可能损坏器件。注意(2)驱动显示器和继电器等[例]下图为用OC门驱动发光二极管LED的显示电路。已知LED的正向导通压降UF=2V，正向工作电流IF=10mA，为保证电路正常工作，试确定RC的值。解：为保证电路正常工作，应满足因此　　　　　　RC=270分析：　　该电路只有在A、B均为高电平，使输出uO为低电平时，LED才导通发光；否则LED中无电流流通，不发光。要使LED发光，应满足IRcIF=10mA。TTLCMOSRLVDD+5V(3)实现电平转换　　TTL与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同种类门电路的高低电平标准不一样。应用OC门就可以适应负载门对电平的要求。　　OC门的UOL0.3V，UOHVDD，正好符合CMOS电路UIHVDD，UIL0的要求。VDDRL即Tri-StateLogic门，简称TSL门。其输出有高电平态、低电平态和高阻态三种状态。三态输出与非门电路EN=1时，P=0，uP=0.3V01100.3V1V导通截止截止另一方面，V1导通，uB1=0.3V+0.7V=1V,V2、V5截止。　　这时，从输出端Y看进去，对地和对电源VCC都相当于开路，输出端呈现高阻态，相当于输出端开路。Y=AB1V导通截止截止Z这时VD导通，使uC2=0.3V+0.7V=1V，使V4截止。(二)三态输出门1.电路、逻辑符号和工作原理工作原理EN=0时，P=1，VD截止电路等效为一个输入为A、B和1的TTL与非门。Y=AB综上所述，可见：(二)三态输出门1.电路、逻辑符号和工作原理　　只有当使能信号EN=0时才允许三态门工作，故称EN低电平有效。EN称使能信号或控制信号，A、B称数据信号。当EN=0时，Y=AB，三态门处于工作态；当EN=1时，三态门输出呈现高阻态，又称禁止态。EN即Enable功能表Z0AB1YEN使能端的两种控制方式使能端低电平有效使能端高电平有效功能表Z1AB0YENEN2.应用　　任何时刻EN1、EN2、EN3中只能有一个为有效电平，使相应三态门工作，而其他三态输出门处于高阻状态，从而实现了总线的复用。总线(1)构成单向总线DIDO/DIDO00高阻态工作DIEN=0时，总线上的数据DI经反相后在G2输出端输出。(2)构成双向总线DIDO/DIDO11工作DO高阻态EN=1时，数据DO经G1反相后传送到总线上。DIDO/DIDO11工作DO高阻态EN=1时，数据DO经G1反相后传送到总线上。DIDO/DIDOTTL集成门的类型很多,那么如何识别它们?各类型之间有何异同?如何选用合适的门?三、TTL集成门应用要点1.各系列TTL集成门的比较与选用用于民品用于军品　　具有完全相同的电路结构和电气性能参数，但CT54系列更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作。按工作温度和电源允许变化范围不同分为CT74系列CT54系列向高速发展向低功耗发展按平均传输延迟时间和平均功耗不同分向减小功耗-延迟积发展措施：增大电阻值措施：(1)采用SBD和抗饱和三极管；(2)采用有源泄放电路；(3)减小电路中的电阻值。　　其中，LSTTL系列综合性能优越、品种多、价格便宜；ALSTTL系列性能优于LSTTL，但品种少、价格较高，因此实用中多选用LSTTL。CT74系列(即标准TTL)CT74L系列(即低功耗TTL简称LTTL)CT74H系列(即高速TTL简称HTTL)CT74S系列(即肖特基TTL简称STTL)CT74AS系列(即先进肖特基TTL简称ASTTL)CT74LS系列(即低功耗肖特基TTL简称LSTTL)CT74ALS系列(即先进低功耗肖特基TTL简称LSTTL)集成门的选用要点(1)实际使用中的最高工作频率fm应不大于逻辑门最高工作频率fmax的一半。实物图片(2)不同系列TTL中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速度(平均传输延迟时间tpd)和平均功耗不同。实际使用时，高速门电路可以替换低速的；反之则不行。例如CT7400CT74L00CT74H00CT74S00CT74LS00CT74AS00CT74ALS00xx74xx00引脚图双列直插14引脚四2输入与非门2.TTL集成逻辑门的使用要点(1)电源电压用+5V，74系列应满足5V5%。(2)输出端的连接普通TTL门输出端不允许直接并联使用。三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他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。输出端不允许直接接电源VCC或直接接地。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。3.多余输入端的处理与门和与非门的多余输入端接逻辑1或者与有用输入端并接。接VCC通过1~10k电阻接VCC与有用输入端并接　　TTL电路输入端悬空时相当于输入高电平，做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。或门和或非门的多余输入端接逻辑0或者与有用输入端并接[例]欲用下列电路实现非运算，试改错。　　(ROFF700，RON2.1k)解：OC门输出端需外接上拉电阻RC5.1kΩY=1Y=0RI>RON，相应输入端为高电平。510ΩRIUGS(th)N+｜UGS(th)P｜且UGS(th)N=｜UGS(th)P｜UGS(th)N增强型NMOS管开启电压AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNBNMOS管的衬底接电路最低电位，PMOS管的衬底接最高电位，从而保证衬底与漏源间的PN结始终反偏。.uGSN+-增强型PMOS管开启电压uGSP+-UGS(th)PuGSN>UGS(th)N时，增强型NMOS管导通uGSNUGS(th)N,VN导通，VP截止，◎输入为低电平UIL=0V时，uGSN=0V