教案.第六讲 常用CMOS逻辑门电路及74LS系列TTL逻辑门电路

第六讲 常用CMOS逻辑门电路及74LS系列TTL逻辑门电路本讲重点1.CMOS与非及或非逻辑门电路原理；2.漏极开路CMOS门电路结构及应用方法；3.CMOS传输门及异或逻辑门电路原理；4.74LS系列TTL逻辑门电路原理及特性。本讲难点1.漏极开路OD门电路原理及“线与”逻辑概念与应用原则；2.CMOS传输门构成逻辑门电路工作原理；3.74LS系列TTL逻辑门电路原理及应用特点。教学手段本讲宜教师主导讲授，用多媒体演示为主、板书为辅。教学步骤教学内容设计意图表达方式1回顾上一讲CMOS反相器内容为本次课做准备。上一讲内容回顾： CMOS反相器结构和工作原理 电压传输特性和电流传输特性为了与前次课内容衔接，需要进行复习与回顾，加深学生印象。之后，引入新内容，如此处理教学效果会更好。为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。2提出问题，导入常用CMOS及TTL门电路问题的讨论。1）CMOS构成常用逻辑门结构是什么样的，工作原理如何；2）两个CMOS门的输出是否可以并联使用；3）CMOS异或门是如何构成的，电路工作原理又如何；4）用双极性三极管构成的集成逻辑门电路结构是什么样的，工作原理又如何？用问题激发学生听课的兴趣。3对上述问题的逐一讲解、解答。3.1讲解常用逻辑功能的CMOS门电路。3.1.1讲解CMOS逻辑与非门和或非门电路结构及工作原理。3.1.2讲解CMOS漏极开路输出门电路OD门结构、工作原理及其应用。3.1.3讲解CMOS传输门和双向模拟开关以及异或门结构与工作原理。3.1.4讲解三态输出CMOS门电路结构与工作原理及其应用。3.1.5介绍CMOS电路的特点与使用注意问题。3.2讲解74LS系列TTL门电路结构与工作原理。3.2.1讲解LSTTL非门结构与工作原理。3.2.2讲解LSTTL门电路的特性曲线和一些规定参数。3.2.3讲解TTL功耗问题。3.2.4讲解LSTTL与非门结构和原理。3.2.5介绍CMOS门电路与TTL门电路两者特点比较。1. 常用逻辑功能的CMOS门电路（一）CMOS逻辑与非和或非门电路与非门或非门（二）CMOS漏极开路输出门电路（OD门）为什么需要OD门？能否将普通2个及以上的CMOS门电路的输出直接连在一起，进而实现“线与”！是否可以如此连接与应用？ 漏极开路输出CMOS门电路（OD门）用途：输出缓冲/驱动器；输出电平的变换；满足大功率负载电流的需要；实现线与逻辑。F 应用举例F RL的选择（三）CMOS传输门和双向模拟开关及CMOS异或门传输门的一个用途可作模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。C=1时开关接通；C=0时开关截止。利用CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，如：异或门、同或门、触发器等。F 用反相器和传输门构成异或门电路（四）三态输出CMOS门电路 三态输出的CMOS反相器控制端低电平有效三态门：控制端高电平有效三态门：三态门有三种状态：高电平、低电平、高阻态。注意：高阻状态不是逻辑状态！F 三态输出反相器应用举例（五）CMOS电路的特点与使用注意问题CMOS电路的优点 静态功耗小；允许电源电压范围宽(1.520V)；扇出系数大，噪声容限大。CMOS电路的正确使用F 输入电路的静电保护 所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。 存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。F 多余的输入端不能悬空 可以按功能要求接电源或接地，或与其它输入端并联使用。F 输入电路需过流保护 低内阻信号源时，输入端与信号源之间串进保护电阻； 输入端接有大电容时，应在输入端和电容之间串联接入保护电阻； 输入端接长线时，应在门电路的输入端串联接入保护电阻。2. 74LS系列TTL门电路（一）LSTTL非门结构与工作原理TTL集成门电路发展主要经历了四个系列，74系列、74H系列、74S系列、74LS系列。前三个系列已经被淘汰，74LS系列虽面临淘汰，但是目前仍有使用，故课程仅简单介绍74LS系列原理。利用肖特基管的低导通电压(0.3V0.4V)和多数载流子形成电流特性抗深饱和提高速度。F D2、D3的作用D2在T5导通的瞬间起作用，可抽取T4的基区电荷，加速其截止过程。D3在T5导通的过程中起作用，此时T2的集电极电位比T5的集电极电位低，可以通过D3给负载电容放电，而这个放电电流又去驱动T5，减小了电路的导通延迟。F T6电路的作用T2由截止变导通，先驱动T5饱和导通，然后T6才导通，对T5进行分流，饱和度将变浅。使其从饱和变截止时更加迅速。T5变截止的瞬态，由于T6比T5晚截止，使T5有很好的泄放回路而很快脱离饱和，提高了电路工作速度。（二）LSTTL门电路的特性曲线和一些规定参数注意：TTL门电路悬空的输入端相当于接高电平。为了防止干扰，一般应将定义为高电平的悬空输入引脚，通过一个几千欧的电阻接电源。也可以根据逻辑情况与其它输入引脚接在一起使用。（三）TTL功耗问题TTL功耗有静态功耗PD和动态功耗PT。由于静态时TTL工作需要的电流很大，所以说对于TTL电路静态功耗是主要的。但是动态工作时电流会出现很大的尖峰干扰和电源瞬态大电流输出，应用时必须加大电源功率，一般为23倍平均功率!平均功耗=PD+PT=VCCIccAV。其中，电源平均电流IccAV约为：IccAV=(IccH+IccL)/2+ftPLH(IccM-IccL)/2（四）LSTTL与非门74LS00（五）CMOS门电路与TTL门电路两者特点比较 CMOS工作速度一般比TTL低，HCMOS与TTL相当。 CMOS扇出系数比TTL电路大。 CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在1.520V，抗干扰能力比TTL电路强。 CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。TTL功耗几mW、 CMOS的功耗只有几个W。 CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。 CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。F 多余输入端的处理措施处理原则：不能影响输入与输出之间的逻辑关系。可并联起来使用；可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。 TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平。一般可根据门电路逻辑功能将多余的输入端通过上拉电阻(13KW)接电源正端(逻辑1的处理)；直接把多余端接地(逻辑0的处理)。尽量把多余的输入端并联使用；虽然可以通过大电阻接地(逻辑1的处理)，但最好不要采用。 CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。对于CMOS电路对多余输入端，尽量根据门电路逻辑功能并联使用，或者根据需要直接接地(逻辑0的处理)；或直接接VDD(逻辑1的处理)。此处提醒：了解常用逻辑功能的CMOS门电路结构及电路中晶体管开关方式工作原理。为了节约课时，提高信息量，采用课件PPT演示方式组织教学。此处强调：普通门输出不能直接连在一起！不仅不能达到效果，而且输出端产生的持续大电流还会损坏电路。此处提示：可以考虑去掉输出电路中的PMOS管，使NMOS漏极开路构成门，再考虑输出并联使用问题。此处提醒：OD门不仅有实现线与逻辑作用，而且可实现输出电平的变换作用。此处提示：传输门或模拟开关控制端作用以及符号含义（若控制端输入的逻辑0与符号中对应，逻辑1与直线对应，则传输门闭合，否则传输门将关断）。此处提示：三态门控制端作用以及符号含义（若控制端输入的逻辑0与符号中对应，逻辑1与直线对应，则三态门被打开按照门电路逻辑工作，否则三态门将关断输出为高阻状态）。此处强调：加入肖特基管主要是抗深饱和提高速度作用。此处提醒：D2、D3以及T6电路作用是提电路动作高速度，并不影响逻辑功能。此处提醒：LSTTL门电路的阈值电压为1.1V，通过分析电路即可得到结论；根据输入负载电阻特性，TTL门电路悬空或者输入端所接电阻大于10k时，输入端相当于接高电平，应用时必须注意。此处强调：动态工作时电流会出现很大的尖峰干扰和电源瞬态大电流输出，应用时必须加大电源功率，一般为23倍平均功率!同时要考虑芯片电源加入滤波电容。此处提示：LSTTL与非门实质上是利用二极管完成的逻辑与，三极管完成的逻辑非。此处强调：若去掉T3、T4、D5、D6及电阻R4、R5等，则构成集电极开路OC门，其应用方法与CMOS的OD门相似。LSTTL也有三态门其特点和应用方法与CMOS的三态门相似。6.小结常用CMOS逻辑门及74LS系列TTL逻辑门电路内容1）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；2）介绍了目前应用最为广泛使用的CMOS和曾被广泛使用74LS系列TTL两类集成逻辑门电路；3）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：一是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；二是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。4