模板@3_门电路

2020 4 6 第3章门电路 数字电子技术DigitalElectronicsTechnology 河南科技大学 数字电子技术 课程组授课教师 牛新闻E mail niuxinwen888 2020 4 6 1 门电路是用以实现逻辑关系的电子电路 与基本逻辑关系相对应 门电路主要有 与门 或门 与非门 或非门 异或门等 3 1概述 3 正负逻辑正逻辑 用高电平代表1 低点平代表0 在数字电路中 一般采用正逻辑系统 负逻辑 用高电平代表0 低点平代表1 2 高低电平高电平 数字电路中较高电平代数值的范围 低电平 数字电路中较低电平代数值的范围 2020 4 6 4 集成电路IC IntegratedCircuits 将元 器件制作在同一硅片上 以实现电路的某些功能 SSI Small ScaleIntegration 10个门电路 MSI Medium ScaleIntegration 10 100个门电路 LSI Large ScaleIntegration 1000 10000个门电路 VLSI VeryLarge ScaleIntegration 10000个门电路 t v VH VL PositiveLogic 1 0 t v VH VL NegativeLogic 1 0 3 1概述 2020 4 6 3 2半导体二极管门电路 1 半导体二极管的开关特性 用来接通或断开电路的开关器件应具有两种工作状态 一种是接通 要求其阻抗很小 相当于短路 另一种是断开 要求其阻抗很大 相当于开路 二极管具有单向导电性 正向导通 反向截止 相当于一个受电压控制的电子开关 二极管加正向电压时导通 伏安特性很陡 压降很小 硅管为0 7V 锗管为0 3V 可以近似看作是一个闭合的开关 二极管加反向电压时截止 反向电流很小 nA级 可以近似看作是一个断开的开关 把uD UT 0 5V看成是硅二极管的截止条件 2020 4 6 3 2半导体二极管门电路 2020 4 6 3 2半导体二极管门电路 在低速脉冲电路中 二极管开关由接通到断开 或由断开到接通所需要的转换时间通常是可以忽略的 然而在数字电路中 二极管开关经常工作在高速通断状态 由于PN结中存储电荷的存在 二极管开关状态的转换不能瞬间完成 需经历一个过程 tre ts tf叫做反向恢复时间 该现象说明 二极管在输入负跳变电压作用下 开始仍然是导通的 只有经过一段反向恢复时间tre之后 才能进入截止状态 由于tre的存在 限制了二极管的开关速度 2020 4 6 3 2半导体二极管门电路 2 二极管与门 3 二极管或门 2020 4 6 3 3CMOS门电路 MOS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 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 2020 4 6 1 MOS管的开关特性 3 3CMOS门电路 D接正电源 1 NMOS管的开关特性 Vgs 0 Rds 106 I 10 6 A 0 Vgs Vgs th Rds 10 RL VRds 0 2020 4 6 3 3CMOS门电路 2 PMOS管的开关特性 D接负电源 2020 4 6 3 3CMOS门电路 2 CMOS反相器 PMOS管 NMOS管 工作特点 TP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 2020 4 6 3 3CMOS门电路 5 0 H onoff0 0 L 2020 4 6 3 3CMOS门电路 3 CMOS反相器的静态特性 AB段 截止区iD为0 BC段 转折区阈值电压UTH VDD 2转折区中点 电流最大 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 电压传输特性和电流传输特性 2020 4 6 3 3CMOS门电路 CMOS逻辑电平和噪声容限 VOLmax 0 1V VOHmin VDD 0 1V VIHmin 0 7VDD VILmax 0 3VDD VNH VOHmin VIHmin VNL VILmax VOLmax 2020 4 6 3 3CMOS门电路 扇出系数 总的扇出系数是高 低电平状态下扇出系数中较小的一个 逻辑门所能够驱动同类门 输入端 的个数 IOLmax 保证输出不高于VOLmax的低电平最大灌电流 IOHmax 保证输出不低于VOHmin的高电平最大拉电流 2020 4 6 3 3CMOS门电路 4 CMOS反相器的动态特性 转换时间 逻辑电路的输出从一个状态转换到另一个状态所需的时间 a idealcase b approximation C actualcase 上升时间tr 输出从低电平转换到高电平所需的时间 下降时间tf 输出从高电平转换到低电平所需的时间 2020 4 6 3 3CMOS门电路 传输延迟 逻辑电路的输入变化到其输出发生相应变化所间隔的时间 CMOS反相器的传输延迟 tpHL 输入变化导致输出从高电平到低电平变化所间隔的时间 tpLH 输入变化导致输出从低电平到高电平变化所间隔的时间 2020 4 6 3 3CMOS门电路 功耗 静态功耗 逻辑电路输出状态不发生变化时的功耗 大多数CMOS电路具有很低的静态功耗 所以在很多低功耗的场合采用CMOS集成电路 动态功耗 逻辑电路输出状态发生变化时的功耗 其值比静态功耗大得多 PC 平均功耗 PT 瞬时导通功耗 PD 总的动态功耗 CPD 功耗电容 CL 负载电容 VDD 电源电压 f 信号频率 2020 4 6 3 3CMOS门电路 与非门 5 其它类型的CMOS门电路 2020 4 6 3 3CMOS门电路 或非门 2020 4 6 3 3CMOS门电路 扇入系数 逻辑门输入端的个数 Ni Inprinciple youcoulddesignaCMOSNANDorNORgatewithalargenumberofinputs Whycouldn taCMOSgatehaslargenumberofinputs 2020 4 6 3 3CMOS门电路 传输门 若C 1 接VDD C 0 接地 当uI 1时 VTN导通 uI 0时 VTP导通 所以VTP和VTN至少有一管导通 使传输门TG导通 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 若C 0 接VDD C 1 接地 VTP和VTN都截止 使传输门TG截止 2020 4 6 3 3CMOS门电路 3 应用举例 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 2020 4 6 3 3CMOS门电路 CMOS三态门 2020 4 6 3 3CMOS门电路 漏极开路门 上拉电阻 2020 4 6 3 3CMOS门电路 Pull upresistorcalculation Open draingatescanbeusefulindrivinglight emittingdiodes LEDs andotherdevices performingwiredlogic anddrivingmultisourcebuses 2020 4 6 3 3CMOS门电路 施密特触发器 Voltageofhysteresis VT VT 2020 4 6 3 3CMOS门电路 6 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3 18V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 2020 4 6 3 3CMOS门电路 7 CMOS系列及命名方法 74FAMnn 最早的商用CMOS集成电路为4000系列 现以下列方法命名 前缀 74 商用系列 54 军用系列 助记符 以字母表示系列类型 功能数字 以数字表示电路的逻辑功能 2020 4 6 3 3CMOS门电路 助记符 HC High speedCMOS 高速CMOS系列 例 74HC04 商用高速CMOS六反相器 74HCT00 商用高速CMOS四 二输入与非门 HCT High speedCMOS TTLcompatible 与TTL兼容的高速CMOS系列 VHC VeryHigh speedCMOS 甚高速CMOS系列 VHCT VeryHigh speedCMOS TTLcompatible 与TTL兼容的甚高速CMOS系列 2020 4 6 3 3CMOS门电路 8 CMOS电路的使用注意事项 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 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 2020 4 6 3 3CMOS门电路 8 CMOS电路的使用注意事项 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 多余或暂时不用的输入端的处理 1 多余或暂时不用的输入端的不能悬空 2 与其它输入端并联使用 2020 4 6 3 3CMOS门电路 3 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 一般 接电源时需接上拉电阻 接地时需接下拉电阻 典型值1 10k 电路设计与安装应尽量消除噪声 保证电路稳定工作 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 01 0 047 F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 2020 4 6 3 3CMOS门电路 例 AnunusedANDorNANDinputcanbetiedtologic1 Anunusedinputscanbetiedtoanother pull upresistor pull downresistor AnunusedORorNORinputcanbetiedtologic0 2020 4 6 3 4TTL门电路 1 双极性三极管的开关特性 静态 在数字电路中 三极管作为开关元件 主要工作在饱和和截止两种开关状态 放大区只是极短暂的过渡状态 2020 4 6 2 三极管的开关时间 动态特性 开启时间ton 上升时间tr 延迟时间td 关闭时间toff 下降时间tf 存储时间ts 3 4TTL门电路 2020 4 6 1 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间 ton td trtd 延迟时间tr 上升时间 2 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间 toff ts tfts 存储时间 几个参数中最长的 饱和越深越长 tf 下降时间 toff ton 开关时间一般在纳秒数量级 高频应用时需考虑 3 4TTL门电路 2020 4 6 3 TTL反相器 Transistor TransistorLogic 3 4TTL门电路 当输入高电平时 uI 3 6V VT1处于倒置工作状态 集电结正偏 发射结反偏 uB1 0 7V 3 2 1VIB2 5 2 1 4 0 725mA假定 2 10 若T2工作于放大状态 则IC2 7 25mA所以VC2 VCC IC2R2 6 6V故T2不可能工作于放大状态和截止状态 只可能是饱和状态 因VB4 VCES2 VBE5 1VVT4截止 VT5状态取决于外电路 在输出电流小于IOLmax时 输出为低电平uO 0 0 3V 2 1V 0 3V 3 6V 1 电路结构和工作原理 2020 4 6 3 4TTL门电路 当输入低电平时 uI 0 3V VT1发射结导通 uB1 0 3V 0 7V 1VVT2和VT5均截止 VT4和VD导通 输出高电平uO VCC UBE3 UD IB4R2 5V 0 7V 0 7V 3 6V 1V 3 6V 0 3V 2020 4 6 3 4TTL门电路 采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力 VT3组成射极输出器 优点是既能提高开关速度 又能提高负载能力 当输入高电平时 VT4饱和 uB3 uC2 0 3V 0 7V 1V VT3和VD截止 VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载 当输入低电平时 VT4截止 VT3导通 为射极输出器 其输出电阻很小 带负载能力很强 可见 无论输入如何 VT3和VT4总是一管导通而另一管截止 这种推拉式工作方式 带负载能力很强 2020 4 6 3 4TTL门电路 2 TTL反相器的电压传输特性及参数 VT4截止 称关门 VT4饱和 称开门 2020 4 6 3 4TTL门电路 输出高电平UOH典型值为3V 输出低电平UOL典型值为0 3V 2020 4 6 3 4TTL门电路 返回 开门电平UON一般要求UON 1 8V关门电平UOFF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 UOFF UON 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 2020 4 6 3 4TTL门电路 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 2020 4 6 3 4TTL门电路 3 TTL反相器的输入特性和输出特性 输入伏安特性 2020 4 6 3 4TTL门电路 两个重要参数 1 输入短路电流IIS当uI 0V时 iI从输入端流出 iI VCC UBE1 R1 5 0 7 4 1 1mA 2 高电平输入电流IIH当输入为高电平时 VT1的发射结反偏 集电结正偏 处于倒置工作状态 倒置工作的三极管电流放大系数 反很小 约在0 01以下 所以iI IIH 反iB2IIH很小 约为10 A左右 2020 4 6 3 4TTL门电路 TTL反相器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 输入负载特性 2020 4 6 3 4TTL门电路 在一定范围内 uI随RI的增大而升高 但当输入电压uI达到1 4V以后 uB1 2 1V RI增大 由于uB1不变 故uI 1 4V也不变 这时VT2和VT4饱和导通 输出为低电平 2020 4 6 3 4TTL门电路 RI不大不小时 工作在线性区或转折区 RI较小时 关门 输出高电平 RI较大时 开门 输出低电平 ROFF RON RI 悬空时 2020 4 6 3 4TTL门电路 1 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下 所允许RI的最大值称为关门电阻 典型的TTL门电路ROFF 0 7k 2 开门电阻RON 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 2k 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 2020 4 6 3 4TTL门电路 输出特性 a 输出高电平时的输出特性 负载电流iL不可过大 否则输出高电平会降低 拉电流负载 2020 4 6 3 4TTL门电路 b 输出低电平时的输出特性 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 2020 4 6 3 4TTL门电路 4 TTL反相器的动态特性 传输延迟时间tpd 平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度 tpd tpLH tpHL 2 2020 4 6 3 4TTL门电路 1 TTL与非门 4 其他类型的TTL门电路 2 1V 2020 4 6 3 4TTL门电路 每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结 并可使三极管进入放大或饱和区 多发射极三极管 2020 4 6 3 4TTL门电路 2 集电极开路门 OC门 集电极开路 2020 4 6 3 4TTL门电路 例 用OC门实现电平转换 2020 4 6 3 4TTL门电路 3 三态门 2020 4 6 3 4TTL门电路 1 0 导通 1 0V 1 0V 截止 截止 高阻 2020 4 6 3 4TTL门电路 控制端