《电工电子技术基础与应用》教案 第15课 逻辑门电路与组合逻辑电路（二）

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课题逻辑门电路与组合逻辑电路（二）——认识逻辑门电路课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）掌握分立元件门电路和TTL集成门电路的电路结构和特性（2）掌握直流电路常用的分析方法（3）能够正确测试TTL集成门电路的逻辑功能素质目标：（1）培养逻辑严谨、辩证统一的科学思维（2）树立科技成才、技能报国的人生理想教学重难点教学重点：分立元件门电路和TTL集成门电路的电路结构和特性，直流电路常用的分析方法教学难点：正确测试TTL集成门电路的逻辑功能教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——测试TTL集成门电路的逻辑功能”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，了解逻辑门电路的相关知识【学生】完成课前任务考勤【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】班干部报请假人员及原因任务导入【教师】提出以下问题：什么是逻辑门电路？其作用是什么？传授新知【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍分立元件门电路、TTL集成门电路等内容6.2.1分立元件门电路1．分立元件的开关特性1）二极管的开关特性在逻辑代数中，逻辑函数各个逻辑变量的取值只能是“0”或“1”，这里的“0”和“1”表示的是两种不同的逻辑状态，如真和假、开和关、导通和截止、高电平和低电平等。输入电压可以控制开关S的断开与闭合。当开关S断开时，输出电压为高电平，表示一种逻辑状态；当开关S闭合时，输出电压为低电平，表示另外一种逻辑状态。✈【教师】通过多媒体展示“获得高、低电平的电路结构”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识利用二极管的单向导通性，可用二极管代替开关S。一般情况下，当加在二极管两端的正向电压大于等于0.7V时，二极管处于导通状态，此时的二极管相当于一个具有0.7V电压降的闭合开关；当加在二极管两端的正向电压小于0.7V，或者加在二极管两端的是反向电压时，二极管处于截止状态，此时的二极管相当于处于断开状态的开关。2）三极管的开关特性在数字电路中，三极管的偏置电路应尽量使三极管处于非放大状态，即要求三极管工作在饱和导通状态或截止状态。一般情况下，当三极管发射结电压大于等于0.7V时，三极管处于饱和导通状态，此时的发射结相当于具有0.7V电压降的闭合开关，而集电结相当于具有0.3V电压降的闭合开关。当三极管发射结电压小于0.7V时，三极管处于截止状态，此时三极管各极之间是断开的。【场效应管的开关特性】绝大多数大规模及超大规模数字集成电路是由场效应管集成的CMOS集成电路。CMOS集成电路主要由N沟道增强型MOS管（简称NMOS管）和P沟道增强型MOS管（简称PMOS管）组成。对于NMOS管，当栅极电压为较大的正向电压时，NMOS管饱和导通，此时源极S和漏极D导通，它们之间有导通电阻存在；当栅极电压较小或为反向电压时，NMOS管截止，此时源极S与漏极D之间不导通。对于PMOS管，当栅极电压为较大的反向电压时，PMOS管饱和导通，此时源极S和漏极D导通，它们之间仍然有导通电阻存在；当栅极电压为较小的反向电压或为正向电压时，PMOS管截止，此时源极S与漏极D之间不导通。2．与门电路✈【教师】通过多媒体展示“二极管与门电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识其中，A、B为输入变量，Y为输出变量。设，A、B的高、低电平分别为3V和0V，二极管在正向导通时的电压降为0.7V。当、时，二极管和均导通。由于二极管在正向导通时具有钳位作用，因此。当、时，二极管导通，，此时二极管因承受反向电压而截止。当、时，二极管导通，，此时二极管因承受反向电压而截止。当、时，二极管和均导通，。上述分析结果可以以表格的形式列出，如表6-20所示。其中，若规定3V及以上为高电平，用逻辑1表示；0.7V及以下为低电平，用逻辑0表示，则由表6-20可得二极管与门电路的真值表，如表6-21所示。表6-20二极管与门电路的输入、输出电平表6-21二极管与门电路的真值表A/VB/VY/VABY000.7000030.7010300.7100333.7111由表6-21可列出与门电路的逻辑式，即若在二极管与门电路中增加一个输入端和一个二极管，则该电路可变成三个输入端的与门电路。按此方法可组成更多输入端的与门电路。3．或门电路✈【教师】通过多媒体展示“二极管或门电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识二极管或门电路，其输入、输出电平如表6-22所示，其真值表如表6-23所示。表6-22二极管或门电路的输入、输出电平表6-23二极管或门电路的真值表A/VB/VY/VABY000000032.3011302.3101332.3111由表6-23可列出或门电路的逻辑式，即同样，或门电路也可通过增加输入端和二极管的方法，组成更多输入端的或门电路。4．非门电路✈【教师】通过多媒体展示“三极管非门电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识三极管非门电路，基于该电路制得的电子器件称为反相器。设A端输入的高、低电平分别为5V和0V。当时，三极管VT的发射结电压小于开启电压，满足截止条件，此时三极管VT截止，有。当时，三极管VT的发射结正向偏置且导通，此时只要该电路的参数设计合理并满足饱和条件（临界饱和电流），则可使三极管VT工作在饱和状态，有。由上述分析可得三极管非门电路的输入、输出电平以及真值表，分别如表6-24和表6-25所示。表6-24三极管非门电路的输入、输出电平表6-25三极管非门电路的真值表A/VY/VAY050150.310由表6-25可列出非门电路的逻辑式，即【经验传承】二极管与门电路和或门电路的优点是结构简单，其缺点是存在电平漂移，而且带负载能力和抗干扰能力都比较差。三极管非门电路的优点则是没有电平漂移，带负载能力和抗干扰能力也比较强。因此，常将两者连接在一起组成组合逻辑门电路。6.2.2TTL集成门电路如果把分立元件门电路中的所有元件，如二极管、三极管、电阻及导线等都制作在一块半导体芯片上，再把它们封装在一个管壳内，则可制得集成门电路。与分立元件门电路相比，集成门电路具有体积小、可靠性高等优点，应用非常广泛。根据内部有源器件的类型不同，集成门电路可以分为双极型集成门电路和单极型集成门电路两大类。其中，最为常见的双极型集成门电路为晶体管-晶体管逻辑（transistor-transistorlogic）集成门电路，简称TTL集成门电路。下面以TTL与非门电路为例，介绍TTL集成门电路的相关知识。1．电路结构✈【教师】通过多媒体展示“TTL与非门电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识TTL与非门电路的电路结构中，输入级是一个多发射极三极管，它的作用同二极管与门电路的作用相似；中间级的作用同三极管非门电路的作用相同；、、是输出级，它们的作用是提高输出端的带负载能力和抗干扰能力。2．电压传输特性✈【教师】通过多媒体展示“TTL与非门电路的测试电路及电压传输特性曲线”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识在TTL集成门电路中，输出电压随输入电压变化的特性称为电压传输特性。描述输出电压与输入电压关系的曲线称为电压传输特性曲线。✈【教师】组织学生扫码观看“TTL集成门电路的应用”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解TTL与非门电路的电压传输特性曲线可分为以下四段。（1）在曲线的AB段，当输入电压时，工作在深度饱和状态。此时，，，因此、截止，而、导通。输出电压，为高电平。曲线的AB段称为截止区。（2）在曲线的BC段，当时，，导通而依然截止，、处于发射极输出状态。此时，工作在放大区，随着的增大，增大，减小，也随之减小。由于基本上随的增大而线性减小，因此曲线的BC段称为线性区。（3）在曲线的CD段，当时，开始导通，并随着的增大而趋于饱和，从而使截止，急剧减小为低电平。曲线的CD段称为转折区或过渡区。（4）在曲线的DE段，、饱和导通，、截止，继续增大，但不再变化。曲线的DE段称为饱和区。3．主要参数（1）输出高电平和输出低电平。输出高电平是指电压传输特性曲线截止区的输出电压。输出低电平是指饱和区的输出电压。一般情况下，TTL与非门电路要求。（2）阈值电压。阈值电压又称门槛电压，是指电压传输特性曲线转折区中点所对应的输入电压。一般情况下，在TTL与非门电路中，。（3）开门电平和关门电平。开门电平是指为保证输出电平为额定低电平（0.3V左右），输入高电平所允许的最小电压值。一般情况下，在TTL与非门电路中，。关门电平是指为保证输出高电平为额定高电平的90%（2.7V左右），输入低电平所允许的最大电压值。一般情况下，在TTL与非门电路中，。（4）噪声容限。噪声容限是指在保持输出高、低电平基本不变，或者变化的大小不超过允许范围的前提下，输入电平所允许的波动范围。噪声容限反映了TTL与非门电路的抗干扰能力。（5）扇出系数。扇出系数是指TTL与非门电路中与输出端连接同类门的最多个数，它反映了TTL与非门电路的带负载能力。【学生】聆听、思考、理解、记录课堂实践【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作1）测试与非门电路的逻辑功能（1）74LS00型芯片的引脚分布如图所示。将该芯片插入芯片底座，并将其引脚14接5V直流稳压电源，引脚7接地。（2）按表6-17所示A、B的逻辑值，在74LS00型芯片中选取一组输入端，输入逻辑电平，测量相应输出端的逻辑电平，将结果填入表6-17中，结果应符合逻辑式。表6-17与非门逻辑功能测试真值表ABY000110112）测试或非门电路的逻辑功能74LS02型芯片的引脚分布如图所示。该芯片逻辑功能的测试方法与74LS00型芯片的相同，但要注意它与74LS00型芯片输入端和输出端的引脚不同。将结果填入表6-18中，结果应符合逻辑式。……（详见教材）【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——测试TTL集成门电路的逻辑功能”【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表探索活动【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务：请分析操作规范对企业