第1章数字电路基础知识-CMOS反相器.课件.ppt

1、2022-5-3112022-5-312为什么要用OC门？OC门的工作条件？OC门有何应用？三态门有哪三态？三态门有何应用？2022-5-313MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。 MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。2022-5-3141MOS管的开关特性 MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。 在数字电路中，多采用增强型。2022-5-315图2-24 NMOS管的电路符

2、号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小 （1）NMOS管的开关特性 2022-5-316图2-25 PMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特性D接负电源 （2）PMOS管的开关特性 导通导通电阻相当小截止2022-5-317图2-26 CMOS反相器 PMOS管负载管NMOS管驱动管 开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。 2CMOS反相器的工作原理 （1）基本电路结构2022-5-318 （2）工作原理图2-26 CMOS反相器 UIL=0V截止导通UOHVDD当uI= UIL=0V时，VTN截止，VTP导通， uO = UO

3、HVDD 2022-5-319图2-26 CMOS反相器 UIH= VDD截止UOL 0V当uI =UIH = VDD ，VTN导通，VTP截止， uO =UOL0V导通2022-5-3110 （3）逻辑功能实现反相器功能（非逻辑）。 （4）工作特点VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。2022-5-3111图2-27 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性 3 电压传输特性和电流传输特性AB段：截止区i iD D为0BC段：转折区阈值电压UTHVDD/2转折区中点：电流最

4、大CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。CD段：导通区2022-5-31124. 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。 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318V的电源电压范围 内正常工作。 （4）输入阻抗高。 （5）负载能力强。 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 ）2022-5-3113 负载管串联（串联开关）1 CMOS或非门 驱动管并联（并联开关）图2-28 CMOS或非门 A、B有高电平，则驱动管导通、负载管截止，输出

5、为低电平。 10截止导通2022-5-3114 该电路具有或非逻辑功能,即Y=A+B 当输入全为低电平，两个驱动管均截止，两个负载管均导通，输出为高电平。00截止导通12022-5-3115图2-29 CMOS与非门 该电路具有与非逻辑功能，即 Y=AB2 CMOS与非门 负载管并联（并联开关） 驱动管串联（串联开关）2022-5-3116 （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2-30 CMOS传输门（a）电路 （b）逻辑符号2022-5-3117若 C =1（接VDD )、C =0（接地

6、），当0uI(VDD|UT|)时，VTN导通；当|UT|uIVDD 时，VTP导通； uI在0VDD之间变化时，VTP和VTN至少有一管导通，使传输门TG导通。 （2） 工作原理（了解）若 C = 0（接地)、C = 1（接VDD ），uI在0VDD 之间变化时，VTP和VTN均截止，即传输门TG截止。2022-5-3118 （3） 应用举例 图2-31 CMOS模拟开关 CMOS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。2022-5-3119图2-32 CMOS三态门(a)电路 (b)

7、 逻辑符号 当EN= 0时，TG导通，F=A； 当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。 CMOS三态门2022-5-3120 1输入电路的静电保护 CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点： 2022-5-3121 （1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。 （2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。2多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久

8、损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。2022-5-31221多余或暂时不用的输入端不能悬空，可按以下方法处理：（1）与其它输入端并联使用。 （2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。2022-5-3123 (1) 在每一块插板的电源线上，并接几十F的低频去耦电容和0.010.047F的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。 (2) 整机装置应有良好的接地系统。2 电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。2022-5-3124 TTL和CMOS电路

9、的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。一般要考虑两个问题：一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。2022-5-31251. TTL门驱动CMOS门门 （1）电平不匹配TTL门作为驱动门，它的UOH2.4V,UOL0.5V； CMOS门作为负载门，它的UIH3.5V，UIL1V。可见，TTL门的UOH不符合要求。 （2）电流匹配CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。2022-5-3126 （3）解决电平匹配问题 图2-33 TTL门驱动CMOS门 外接上拉电阻RP在TTL门电路的输出端外接一个

10、上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH5V。（当电源电压相同时） 2022-5-3127选用电平转换电路(如CC40109)若电源电压不一致时可选用电平转换电路。 CMOS电路的电源电压可选318V； 而TTL电路的电源电压只能为5V。 采用TTL的OC门实现电平转换。若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。2022-5-31282. CMOS门驱动TTL门（1）电平匹配 CMOS门电路作为驱动门，UOH5V，UOL0V； TTL门电路作为负载门，UIH2.0V，UIL0.8V。 电平匹配是符合要求的。（2）电流不匹配 CMOS门电路4000系列系列最大允许灌电流为0.4mA， TTL门电

11、路的IIS1.4 mA， CMOS4000系列驱动电流不足。2022-5-3129 （3）解决电流匹配问题 CMOS电路常用的是4000系列和54HC/74HC系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。 选用CMOS缓冲器 比如，CC4009的驱动电流可达4 mA。 选用高速CMOS系列产品选用CMOS的54HC/74HC系列产品可以直接驱动TTL电路。 2022-5-3130表2-7 各种系列门电路的主要参数2022-5-3131表2-8 常用集成门电路(TTL系列） 型 号名 称主 要 功 能74LS00四2输入与非门 74LS02四2输入或非门 74LS04六反相器 74LS05六反相

12、器OC门74LS08四2输入与门 74LS13双4输入与非门施密特触发74LS308输入与非门 74LS32四2输入或门 74LS644-2-3-2输入与或非门 74LS13313输入与非门 74LS136四异或门OC输出74LS365六总线驱动器同相、三态、公共控制74LS368六总线驱动器反相、三态、两组控制2022-5-3132表2-8 常用集成门电路(CMOS系列） 型 号名 称主 要 功 能CC4001四2输入或非门 CC4011四2输入与非门 CC4030四异或门 CC4049六反相器 CC4066四双向开关 CC4071四2输入或门 CC4073三3输入与门 CC4077四异或非

13、门 CC40788输入或 / 或非门 CC40862-2-2-2输入与或非门可扩展CC4097双8选1模拟开关 CC4502六反相器 / 缓冲器三态、有选通端2022-5-3133门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。本章介绍了目前应用最广泛的TTL和CMOS两类集成逻辑门电路。在学习这些集成电路时，应把重点放在它们的外部特性上。外部特性包含两个内容，一个是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理，但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解，以便更好地利用这些器件。2022-5-31341、2-42、2-7