数字电路讲义-第三章课件.ppt
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- 数字电路 讲义 第三 课件
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1、EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT3.1 概概 述述主要要求:主要要求:了解逻辑门电路的作用和常用类型。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。理解高电平信号和低电平信号的含义。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT TTL 即即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 一、门电路的作用和常用类型一、门电路的作用和常用类型 按功能特点不同分按功能特点不同分 普通门普通门(推拉式输出推拉式输出)CMOS传输门传输门 输出输出开路门开路门 三态门三态门 门电
2、路门电路(Gate Circuit)指用以实现基本逻辑关系和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。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是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分按逻辑功能不同分 与门与门 或门或门 非门非门 异或门异或门 与非门与非门 或非门或非门 与或非门与或非门 按电路结构不同分按电路结构不同分 TTL 集成门电路集成门电路 CMOS 集成门电路集成门电路 输入端和输出端都用输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。三极管的逻辑门电路。用互补对称用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。管构成的逻辑门电路。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT
3、二、高电平和低电平的含义二、高电平和低电平的含义 高电平和低电平为某高电平和低电平为某规定范围规定范围的电位值,而非一固定值。的电位值,而非一固定值。高电平信号是多大的信号?低高电平信号是多大的信号?低电平信号又是多大的信号?电平信号又是多大的信号?10高电平高电平低电平低电平01高电平高电平低电平低电平正逻辑体制正逻辑体制负逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定由门电路种类等决定 3.6V2.4V0.8V0VEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT主要要求:主要要求:理解理解三极管的开关特性。三极管的开关特性。掌握三极管开关工作的条件。掌握三极管开关工作的条件。3.2三极管的开关特性三极管的开关
4、特性EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITIC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区一、三极管的开关作用及其条件一、三极管的开关作用及其条件 截止区截止区uBE IB(sat)因为因为 iB=IHB 0.7 VURBBV.92V 7.06.3RR CCCB(sat)RVI mA 1.0k 150V 5 所以求得所以求得 RB ton二、三极管的动态开关特性二、三极管的动态开关特性 开关时间主要由于开关时间主要由于电电荷存储效应荷存储效应引起,要提高引起,要提高开关速度,必须降低三极开关速度,必须降低三极管饱和深度,加速基区
5、存管饱和深度,加速基区存储电荷的消散。储电荷的消散。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITC E B SBD B C E 在普通三极管的基极和集电极之间并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接一个肖特基势垒二极管(简称简称 SBD)。BCSBD抗饱和三极管的开关速度高抗饱和三极管的开关速度高 没有电荷存储效应没有电荷存储效应 SBD 的导通电压只有的导通电压只有 0.4 V 而非而非 0.7 V,因此因此 UBC=0.4 V 时,时,SBD 便导通,使便导通,使 UBC 钳在钳在 0.4 V 上,降低了饱和深度。上,降低了饱和深度。三、三、抗饱和三极管简介抗饱和三极管简介EX
6、IT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT主要要求:主要要求:了解了解 TTL 与非门的组成。与非门的组成。了解了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。集成逻辑门的主要参数和使用常识。3.3TTL 集成逻辑门集成逻辑门 掌握掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。基本门的逻辑功能和主要外特性。了解了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3R1R2R4R5RBRCB1C1C2E2YVCC+5V输入级输入级中间倒相级中间倒相级输出级输出级STTL系列与非门电路系列与非门电路逻
7、辑符号逻辑符号8.2 k 900 50 3.5 k 500 250 V1V2V3V5V6一、一、TTL 与非门的基本组成与外特性与非门的基本组成与外特性(一一)典型典型 TTL 与非门电路与非门电路 除除V4外,采外,采用了抗饱和三极用了抗饱和三极管,用以提高门管,用以提高门电路工作速度。电路工作速度。V4不会工作于饱不会工作于饱和状态,因此用和状态,因此用普通三极管。普通三极管。输入级主要由多发射极管输入级主要由多发射极管 V1 和基和基极电阻极电阻 R1 组成,用以实现输入变量组成,用以实现输入变量 A、B、C 的与运算。的与运算。VD1 VD3 为输入钳位二极管,用以为输入钳位二极管,用
8、以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时,号输入时,VD1 VD3不工作,当输入的不工作,当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时,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二极管导通,输入端负电压被钳在-0.7 V上,这不但抑制了输入端的负极性干上,这不但抑制了输入端的负极性干扰,对扰,对 V1 还有保护作用。还有保护作用。中间级起倒相放大作中间级起倒相放大作用,用,V2 集电极集电极 C2 和发射极和发射极 E2 同时输出两个逻辑电平同时输出两个逻辑电平相反的信号,分别驱动相反的信号,分别驱动 V3和和 V5。RB、RC 和和
9、 V6 构成有构成有源泄放电路,用以减小源泄放电路,用以减小 V5管开关时间,从而提高门管开关时间,从而提高门电路工作速度。电路工作速度。输出级输出级由由 V3、V4、R4、R5和和V5组成。其中组成。其中 V3 和和 V4 构构成复合管,成复合管,与与 V5 构成推构成推拉式输出结拉式输出结构,提高了构,提高了负载能力。负载能力。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT电压传输特性测试电路电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线(三三)TTL 与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及
10、主要参数 1.电压传输特性电压传输特性和噪声容限和噪声容限 输出电压随输入电压变化的特性输出电压随输入电压变化的特性 uI 较小时工作于较小时工作于AB 段,段,这时这时 V2、V5 截止,截止,V3、V4 导通,输出恒为高电平,导通,输出恒为高电平,UOH 3.6V,称与非门工,称与非门工作在截止区或处于关门状作在截止区或处于关门状态。态。uI 较大时工作于较大时工作于 BC 段,这时段,这时 V2、V5 工作于工作于放大区,放大区,uI 的微小增大的微小增大引起引起 uO 急剧下降,称与急剧下降,称与非门工作在转折区。非门工作在转折区。uI 很大时工作于很大时工作于 CD 段,段,这时这时
11、 V2、V5 饱和,输出恒为饱和,输出恒为低电平,低电平,UOL 0.3V,称与非,称与非门工作在饱和区或处于开门状门工作在饱和区或处于开门状态。态。电压传输特性测试电路电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线饱和区:与非门饱和区:与非门处于开门状态。处于开门状态。截止区:与非门截止区:与非门处于关门状态。处于关门状态。转折区转折区 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT下面介绍与下面介绍与电压传输特电压传输特性有关的主要参数:性有关的主要参数:有关参数有关参数 0uO/VuI/V0
12、.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线电压传输特性曲线标准高电平标准高电平 USH 当当 uO USH 时,则认为输出高时,则认为输出高电平,通常取电平,通常取 USH=3 V。标准低电平标准低电平 USL当当 uO USL 时,则认为输出低时,则认为输出低电平,通常取电平,通常取 USL=0.3 V。关门电平关门电平 UOFF保证输出保证输出不小于不小于标准高电平标准高电平USH 时时,允许的输入低电平的最大值。允许的输入低电平的最大值。开门电平开门电平 UON保证输出保证输出不高于不高于标准低电平标准低电平USL 时时,允许的输入高电平的最小值。允许的
13、输入高电平的最小值。阈值电压阈值电压 UTH转折区中点对应的输入电压,转折区中点对应的输入电压,又称门槛电平。又称门槛电平。USH=3VUSL=0.3VUOFFUONUTH近似分析时认为:近似分析时认为:uI UTH,则与非门开通,则与非门开通,输出低电平输出低电平UOL;uI UTH,则与非门关闭,则与非门关闭,输出高电平输出高电平UOH。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT噪声容限越大,抗干扰能力越强。噪声容限越大,抗干扰能力越强。指输入低电平时,允许的最大正向噪声电压。指输入低电平时,允许的最大正向噪声电压。UNL=UOFF UIL 指输入高电平时,允许的最大负向噪声电压。指输入高电平
14、时,允许的最大负向噪声电压。UNH=UIH UON 输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值,就不会影响电路的正常逻辑功能,这个允许值,就不会影响电路的正常逻辑功能,这个允许值称为值称为噪声容限噪声容限。输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限 UNH输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限 UNLEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT输入负载特性测试电路输入负载特性测试电路 输入负载特性输入负载特性曲线曲线0uI/VR1/k UOFF1.1FNROFFRON2.输入负载特性输入负载特性 ROFF 称关门电阻。称关门电阻。RI RON 时,相应输入端相当时,相应输
15、入端相当于输入高电平。对于输入高电平。对 STTL 系列,系列,RON 2.1 k。RONROFFUOFFEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT 例例 下图中,已知下图中,已知 ROFF 800 ,RON 3 k,试对应,试对应 输入波形定性画出输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。与非门的输出波形。(a)(b)tA0.3 V3.6 VO不同不同 TTL 系列,系列,RON、ROFF 不同。不同。相应输入端相当于输入低电平,相应输入端相当于输入低电平,也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 0。逻辑逻辑0因此因此 Ya 输出恒为高电平输出恒为高电平 UOH。相应输入端相当于输入高电平,相应输入
16、端相当于输入高电平,也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 1。逻辑逻辑1AAYb 1因此,可画出波形如图所示。因此,可画出波形如图所示。YbtOYatUOHO解:图解:图(a)中,中,RI=300 RON 3 k EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT3.输出输出负载特性负载特性 负载电流流入与负载电流流入与非门的输出端。非门的输出端。负载电流从与非门负载电流从与非门的输出端流向外负载。的输出端流向外负载。负载电流流入驱动门负载电流流入驱动门IOL负载电流流出驱动门负载电流流出驱动门IOH输入均为输入均为高电平高电平 输入有输入有低电平低电平 输出为低电平输出为低电平 输出为高电平输出为高电平
17、 灌电流负载灌电流负载拉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。电路不能正常工作,甚至烧坏门电路。实用中常用实用中常用扇出系数扇出系数 NOL、NOH表示电路负载能力。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。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。通常按照负通常按照负载电流的流向将载电流的流向将与非门负载分为与非门负载分为 灌电流负载灌电流负载 拉电流负载拉电流负载 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT 由
18、于三极管存在开关时间,元、器件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。形脉冲时,输出脉冲将延迟一定时间。输入信号输入信号UOm0.5 UOm0.5 UImUIm输出信号输出信号4.传输延迟时间传输延迟时间 输入电压波形下降沿输入电压波形下降沿 0.5 UIm 处到输出电压上升沿处到输出电压上升沿 0.5 Uom处间隔的时间称处间隔的时间称截止延迟时间截止延迟时间 tPLH。输入电压波形上升沿输入电压波形上升沿 0.5 UIm 处到输出电压下降沿处到输出电压下降沿 0.5 Uom处间隔的时间称处间隔
19、的时间称导通延迟时间导通延迟时间 tPHL L。平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd 2PLHPHLpdttt tPHLtPLHtpd 越小,则门电越小,则门电路开关速度越高,工路开关速度越高,工作频率越高。作频率越高。0.5 UIm0.5 UOmEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT5.功耗功耗-延迟积延迟积 常用功耗常用功耗 P 和平均传输延迟时间和平均传输延迟时间 tpd 的乘积的乘积(简称简称功耗功耗 延迟积延迟积)来来综合评价门电路的性能,即综合评价门电路的性能,即M=P tpd 性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的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
20、矛盾。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。又称品质因素,值越小,说明综合性能越好。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT 使用时需使用时需外接外接上拉电阻上拉电阻 RL 即即 Open collector gate,简称简称 OC 门。门。常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、与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。或非门和异或门等。它们都是在与非门基础上发展出来它们都是在与非门基础上发展出来的,的,TTL 与非门的上述特性对这些门电路大多适用。与非门的上述特性对这些门电路大多适用。二、其他功能的二、其他功能的 TTL 门电路门电路(一
21、一)集电极开路与非门集电极开路与非门 1.逻辑符号逻辑符号OC门门EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT 相当于与门作用。相当于与门作用。因为因为 Y1、Y2 中有低电中有低电平时,平时,Y 为低电平;只有为低电平;只有 Y1、Y2 均为高电平时,均为高电平时,Y才为高电平,故才为高电平,故 Y=Y1 Y2。2.应用应用 (1)实现线与实现线与两个或多个两个或多个 OC 门的输出端直接相连,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。相当于将这些输出信号相与,称为线与。Y只有只有 OC 门才能实现线与。普通门才能实现线与。普通 TTL 门输出端不能并联,否则可能损坏器件。门输出端不
22、能并联,否则可能损坏器件。注意注意CDABCDABY EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT(2)驱动显示器和继电器等驱动显示器和继电器等 例例 下图为用下图为用 OC 门驱动发光二极管门驱动发光二极管 LED 的显示电路。的显示电路。已知已知 LED 的正向导通压降的正向导通压降 UF=2V,正向工作电流,正向工作电流 IF=10 mA,为保证电路正常工作,试确定,为保证电路正常工作,试确定 RC 的值。的值。解解:为保证电路正常工作,应满足为保证电路正常工作,应满足FCOLFV5CIRUUIR mA 10V 3.0V 2V 5 C R即即因此因此RC=270 分析:分析:该电路只有在该电路
23、只有在 A、B 均为均为高电平,使输出高电平,使输出 uO 为低电平时,为低电平时,LED 才导通发光;否则才导通发光;否则 LED 中无电流流通,不发光。中无电流流通,不发光。要使要使 LED 发光,应满足发光,应满足IRc IF=10 mA。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITTTLCMOSRLVDD+5 V(3)实现电平转换实现电平转换 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。应用同种类门电路的高低电平标准不一样。应用 OC 门就门就可以适应负载门对电平的要求。可以适应负载门对电平的要求。OC 门的门的 UO
24、L 0.3V,UOH VDD,正好符合,正好符合 CMOS 电路电路 UIH VDD,UIL 0的要求。的要求。VDDRLEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT综上所述,可见:综上所述,可见:(二二)三态输出门三态输出门 1.逻辑符号逻辑符号只有当使能信号只有当使能信号 EN=0 时才允许三态门工作,故称时才允许三态门工作,故称 EN 低电平有效低电平有效。EN 称使能信号或控制信号,称使能信号或控制信号,A、B 称数据信号。称数据信号。当当 EN=0 时,时,Y=AB,三态门处于工作态;三态门处于工作态;当当 EN=1 时,三态门时,三态门输出呈输出呈现高阻态,又现高阻态,又称称禁止态禁止态
25、。即即 Tri-State Logic 门,门,简称简称 TSL 门。其输出有高门。其输出有高电平态、低电平态和高阻电平态、低电平态和高阻态三种状态。态三种状态。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITEN 即即 Enable功能表功能表Z0AB1YEN使能端的两种控制方式使能端的两种控制方式使能端低电平有效使能端低电平有效使能端高电平有效使能端高电平有效功能表功能表Z1AB0YENENEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT2.应用应用 任何时刻任何时刻 EN1、EN2、EN3 中只能有一个为有效电平,中只能有一个为有效电平,使相应三态门工作,而其他三使相应三态门工作,而其他三态输出门处于高阻状
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