门电路概述和开关特性

1、第3章 门电路3.1 概述3.2 半导体二极管和 三极管的开关特性3.3 分立元件门电路3.4 TTL3.5 CMOS3.1 概述门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。门电路分立元件门电路集成门电路双极型集成门（DTL、TTL）MOS集成门 NMOSPMOSCMOSCMOS：Complementary Metal_Oxide_Semiconductor 金属-氧化物-半导体互补对称逻辑电路ECL：Emitter-Coupled Logic射极耦合逻辑门电路BiCMOS：Bipolar CMOS正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0 在数字系统

2、的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。一、正逻辑与负逻辑VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。 二、逻辑电平105V0V2V高电平下限低电平上限实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件逻辑电平高电平UH：输入高电平UIH输出高电平UOH低电平UL：输入低电平UIL输出低电平UOL逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。一、二

3、极管伏安特性3.2 半导体二极管和三极管的开关特性门坎电压Uth反向击穿电压二极管的单向导电性：外加正向电压（Uth），二极管导通，导通压降约为；外加反向电压，二极管截止。uD(V) iD(mA) 0.7V3.2.1 半导体二极管的开关特性 利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL 开关闭合二、二极管开关特性假定：UIH=VCC ，UIL=0当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH 开关断开 一、双极型三极管结构3.2.2 双极型三极管的开关特性 因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。NPN型PNP型二

4、、双极型三极管输入特性 双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流iB控制c,e间的电流iC实现其电路功能的。因此，以b,e间的回路作为输入回路，c,e间的回路作为输出回路。 输入回路实质是一个PN结，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。三、双极型三极管输出特性放大区：发射结正偏，集电结反偏；ubeuT， ubc0；起放大作用。截止区：发射结、集电极均反偏，ubc0V，ubeVT， ubcVT；深度饱和状态下，饱和压降UCEs 约为。四、双极型三极管开关特性 利用三极管的饱和与截止两种状态，合理选择电路参数，可产生类似于开关的闭合和断开的效果，用于输出高、低电平，即开关工作状态。当uI=

5、UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH 开关断开假定：UIH=VCC ，UIL=0当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=USEs=UOL 开关闭合 MOS管是金属氧化物半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。一、MOS管结构3.2.3 MOS管的开关特性NMOS管电路符号PMOS管电路符号二、MOS管开关特性NMOS管的基本开关电路当uI=UIL时，MOS管截止，uO=VDD=UOH 开关断开当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL 开关闭合 选择

6、合适的电路参数，则可以保证3.3 分立元件门电路一、二极管与门Y=AB二、二极管或门Y=A+B三、三极管非门输入为低，输出为高；输入为高，输出为低。利用二极管的压降为，保证输入电压在1V以下时，开关电路可靠地截止。3.4 TTL门电路一、TTL系列门电路74：标准系列；74H：高速系列；74S：肖特基系列；74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成为功耗延迟积较小的系列。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。 性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功耗延迟积)来评价门电路性能的优劣。功耗延迟积越

7、小，门电路的综合性能就越好。74AS：先进肖特基系列；74ALS：先进低功耗肖特基系列。 A R1 4kW T1 T2 T4 T5 R4 R3 1KW 130W +Vcc R2 1.6KW Y D1 D2 输入级中间级输出级TTL非门典型电路二、74系列门电路 1.非门推拉式输出级作用：降低功耗，提高带负载能力输入为低电平（）时不足以让T2、T5导通三个PN结导通需2.1V+5VYR4R2R1k T2R5R3T4T1T5b1c1A1.6k 1301k D2D1(vI)vCCuo=5-uR2-uD2-ube4高电平！PNN输入高电平（）时“1”全导通电位被嵌在1V截止+5VYR4R2R1k T2

8、R5R3T4T1T5b1c1A1.6k 1301k D2D1(vI)vCCuY低电平u0(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.2V)传输特性曲线u0(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.2V)阈值UT理想的传输特性输出高电平输出低电平电压传输特性AB段： VI 0.6V 截止区 所以 VB1，T2和T5截止故输出为高电平VOH VOH=VCC -VR2 -VBE4 -VD2 BCV VI 0.7V 线性区T2工作于放大区，T5截止随着VI的升高，VC2和VO线性下降CD段： VI 转折区 T2和T5 同时导通，输出电位急剧下降为低电平；转折区中点对应的输入电压称为阈值电压

9、用VI H 表示.DE段：饱和区 VI 继续升高时VO不再变化表示.+5VR4R2R5T3T4R1T1+5V前级后级反偏流出前级电流IOH（拉电流）A.高电平输出特性电压输出特性1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1R1T1+5V前级后级流入前级的电流IOL 约 1.4mA (灌电流)B.低电平输出特性0TTL与非门典型电路区别：T1改为多发射极三极管。2.与非门TTL或非门典型电路区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。VVVVV3.或非门4.与或非门11ABY0000110110VVVVVVVV5.异或门11ABY0000110110VVVVVVV三、74S系列门电路 7

10、4S系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管，或称肖特基晶体管，是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管SBD组合而成。SBD的正向压降约为，使晶体管不会进入深度饱和，其Ube限制在左右，从而缩短存储时间，提高了开关速度。抗饱和三极管四、74LS系列常用芯片与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+B异或门五、TTL门电路的重要参数1.电压传输特性：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。测试电路电压传输特性低电平输入电压UIL，max高电平输入电压UIH，min2V低电平输出电压UOL，max高电平输出电压UOH，min74LS系列门电路标准规定： 实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入

11、电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。 2.输入噪声容限 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用UNH表示： 低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示： UNL = UIL,maxUILUNH = UIHUIH,min1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO输入低电平噪声容限：UNL=UIL,maxUOL,max输入高电平噪声容限：UNH=UOH,minUIH,mi

12、n74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：UNLUNH5V0V5V2V0V3.扇出系数扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。 要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流IOH和IOL均大于或等于N个后级门的输入电流的总和。 计算：输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N1； 输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N2； 扇出系数min（N1，N2）。 低电平输入电流IIL，max高电平输入电流IIH，max20A低电平输出电流IOL，max8mA高电平输出电流IOH，max74LS系列门电路标准规定：关于电流的技术参数扇出系数:门电路输出驱动同类门的个数+5VR4R2R5T3T4T

13、1前级T1T1IiH1IiH3IiH2IOH前级输出为 高电平时后级+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为 低电平时后级输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：与非门的扇出系数一般是10。例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类门电路。解： G1输出为低电平时，可以驱动N1个同类门；应满足 IOL N1 |IIL| G1输出为高电平时，可以驱动N2个同类门； Nmin（N1,N2） 20N1 IOL / |IIL| 8mA/0.4mA 20应满足 |IOH| N2 IIHN2 |IOH|

14、 / IIH 20六、集电极开路的门电路（OC门）Y&AB&CD& Y&AB&CD“线与”推拉式输出级并联1.“线与”的概念 普通的TTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与。解决这个问题的方法就是把输出级改为集电极开路的三极管结构。 OC门电路在工作时需外接上拉电阻和电源。只要电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大。门的电路结构和逻辑符号+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABCOC应用时输出端要接一上拉负载电阻RLRLUCC3、OC门可以实现“线与”功能&UCCF1F2F3FF=F1F2F3RL输出级UCCRLT5T5

15、T5F=F1F2F3?UCCRLF1F2F3F任一导通F=0UCCRLF1F2F3F全部截止F=1F=F1F2F3?所以：F=F1F2F3!OC门的输出并联“线与”功能当n个前级门输出均为高电平，即所有OC门同时截止时，为保证输出的高电平不低于规定的UOH，min值，上拉电阻不能过大，其最大值计算公式：4.外接上拉电阻RU(RL)的计算方法RL当所有OC同时截止时，输出为高电平。为保证高电平不低于规定的VOH值，应满足：即：（n为OC门的输出端个数，m为TTL与非门的输入端个数）当n个前级门中有一个输出为低电平，即所有OC门中只有一个导通时，全部负载电流都流入导通的那个 OC门，为确保流入导通

16、OC门的电流不至于超过最大允许的IOL，max值，RL值不可太小，其最小值计算公式：RL当OC门中只有一个导通时。这时负载电流全部都流入导通的哪个OC门，所以RL不能太小。应满足：即：最后选定的RL介于最大值和最小值之间。LLL门的应用实现线与。可以简化电路，节省器件。实现电平转换。如图所示，可使输出高电平变为10V。用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。七、三态输出门电路（TS门）1.三态门的电路结构和逻辑符号功能表EN=0EN=1Y高阻态输出有三种状态： 高电平、低电平、高阻态。控制端或使能端高电平有效低电平有效两种控制模式：E1E2E3公用总线三态门主要作为TTL电路与总线间的接口

17、电路E1、E2、E3分时接入高电平2.三态门的应用数据总线结构 只要控制各个门的EN端轮流为1，且任何时刻仅有一个为1，就可以实现各个门分时地向总线传输。实现数据双向传输 EN=1，G1工作，G2高阻，A经G1反相送至总线； EN=0，G1高阻，G2工作，总线数据经G2反相从Y端送出。八、TTL门电路多余输入端的处理1.与非门的处理“1”悬空2.或非门、与或非门的处理“0”（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）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电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。3.5 CMOS门电路CMOS电路的特点：常用CMOS逻辑门器件系列： 4000系列； 74HC系列高速CMOS系列。 一、MOS管的开关特性输入低电平，NMOS管截止；输入高电平，NMOS管导通。输入低电平，PMOS管导通；输入高电平，PMOS管截止。二、CMOS非门CM