第3章門電路湘潭大學(xué)數(shù)字電路基礎(chǔ)

1、第第3 3章章 門電路門電路3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路3.3 CMOS3.3 CMOS門電路門電路3.4 3.4 其它類型的其它類型的MOSMOS集成電路集成電路3.5TTL3.5TTL門電路門電路3.6 3.6 其它類型的雙極型數(shù)字集成電路其它類型的雙極型數(shù)字集成電路3.1概 述 門電路是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路。門電路是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路。 常用的門電路在邏輯功能上有與門、或門、非門、與非常用的門電路在邏輯功能上有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等幾種。門、或非門、與或非門、異或門等幾種。正邏輯：用高電平表示邏輯

2、正邏輯：用高電平表示邏輯1 1，用低電平表示邏輯，用低電平表示邏輯0 0負(fù)邏輯：用低電平表示邏輯負(fù)邏輯：用低電平表示邏輯1 1，用高電平表示邏輯，用高電平表示邏輯0 0 在數(shù)字系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)中，若采用在數(shù)字系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)中，若采用NPNNPN晶體管和晶體管和NMOSNMOS管，電源電壓是正值，一般采用正邏輯。若采管，電源電壓是正值，一般采用正邏輯。若采用的是用的是PNPPNP管和管和PMOSPMOS管，電源電壓為負(fù)值，則采用管，電源電壓為負(fù)值，則采用負(fù)邏輯比較方便。負(fù)邏輯比較方便。今后除非特別說明，一律采用正邏輯。今后除非特別說明，一律采用正邏輯。一、正邏輯與負(fù)邏輯一、正邏輯與負(fù)邏輯二、邏輯電

3、平 在電子電路中，用高低電平分別表示二值邏輯的1和0兩種邏輯狀態(tài)，其原理如下圖所示。VISVccVo（a）單開關(guān)電路 （b）互補(bǔ)開關(guān)電路用來獲得高、低電平的基本開關(guān)電路R R減少功耗減少功耗V VI I控制開關(guān)控制開關(guān)S S的斷、通情況。的斷、通情況。S S斷開，斷開，V VO O為高電平；為高電平；S S接通，接通，V VO O為低電平。為低電平。 VISVccVo1 10 05V0V0.8V2V高電平下限高電平下限低電平上限低電平上限實(shí)際開關(guān)為晶體二極實(shí)際開關(guān)為晶體二極管、三極管以及場(chǎng)效管、三極管以及場(chǎng)效應(yīng)管等電子器件應(yīng)管等電子器件 高電平UH： 輸入高電平UIH 輸出高電平UOH 低電平

4、UL： 輸入低電平UIL 輸出低電平UOL 邏輯“0”和邏輯“1”對(duì)應(yīng)的電壓范圍寬，因此在數(shù)字電路中，對(duì)電子元件、器件參數(shù)精度的要求及其電源的穩(wěn)定度的要求比模擬電路要低。門電路門電路分立元件門電路分立元件門電路集成門電路集成門電路雙極型集成門（雙極型集成門（DTLDTL、TTLTTL）MOSMOS集成門集成門 NMOSNMOSPMOSPMOSCMOSCMOS3.2.1 3.2.1 半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性一、二極管伏安特性一、二極管伏安特性3.2半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路1/TVvseIiivqnkTVTkqn流過二極管的電流加到二極管兩端的電壓 波爾茲曼常數(shù)T熱

5、力學(xué)溫度電子電荷 修正系數(shù)Is反向飽和電流 0.5 0.7 iD(mA) uD(V) 硅硅 PNPN 結(jié)伏安特性結(jié)伏安特性 UBR 0 反向擊穿電壓門坎電壓U Uthth二極管的近似伏安特性和對(duì)應(yīng)的等效電路+ +- -+ +- -V VCCCCR RL L0 0ONVivvONVi0 0ivrDiiv0 0+ +- -DrONV+ +- -ONV+ +- -ONV正向?qū)▔航岛驼螂娮瓒疾荒芎雎哉驅(qū)▔航岛驼螂娮瓒疾荒芎雎耘c外接電阻比正向電阻可以忽略與外接電阻比正向電阻可以忽略與與電源電壓和外接電阻相比，電源電壓和外接電阻相比，正向電壓和正向電阻均可以忽略正向電壓和正向電阻均可以忽略二極管

6、的單向?qū)щ娦裕憾O管的單向?qū)щ娦裕和饧诱螂妷海ㄍ饧诱螂妷海║Uthth），二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通），二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降約為壓降約為0.7V0.7V；外加反向電壓，二極管截止。外加反向電壓，二極管截止。uD(V) iD(mA) 0.7V0.7V 利用二極管的單向?qū)щ娎枚O管的單向?qū)щ娦裕喈?dāng)于一個(gè)受外加電壓性，相當(dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制的開關(guān)。極性控制的開關(guān)。當(dāng)當(dāng)u uI I=U=UILIL時(shí)，時(shí)，D D導(dǎo)通，導(dǎo)通，u uO O=0.7=U=0.7=UOLOL 開關(guān)閉合開關(guān)閉合 uI 二極管開關(guān)電路二極管開關(guān)電路 Vcc uo D R 二、二極管開關(guān)特性二、二極管開關(guān)特性假定：假定：U UI

7、HIH=V=VCC CC ，U UILIL=0=0當(dāng)當(dāng)u uI I=U=UIHIH時(shí)，時(shí)，D D截止，截止，u uo o=V=VCCCC=U=UOHOH 開關(guān)斷開開關(guān)斷開 3.2.2 二極管與門與門與門：實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算的電路。 電路及其邏輯符號(hào)如圖所示，只要輸入A、B當(dāng)中有一個(gè)為低電平時(shí)，則其支路中二極管導(dǎo)通，使輸出端F為低電平。只有A、B全為高電平時(shí)，輸出端F才為高電平。 電路的邏輯電平如下所示，當(dāng)A 、B、F為高電平時(shí)用邏輯1表示，低電平時(shí)則用邏輯0表示。真值表為： 其邏輯表達(dá)式為 。 此與門電路一般僅作集成電路內(nèi)部的邏輯單元，而不直接去驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路。ABF 或門或門：實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算的電路。電路及

8、其邏輯符號(hào)如圖所示。 輸入A、B當(dāng)中只要有一個(gè)為高電平時(shí)，則其支路中二極管導(dǎo)通，使輸出端F為高電平。只有A、B全為低電平時(shí)，輸出端F才為低電平。 3.2.33.2.3二極管或門二極管或門 電路邏輯電平和真值表為：邏輯表達(dá)式為： 和與門電路一樣，只用于集成電路的內(nèi)部邏輯單元。 FAB 由于二極管的電平偏移問題，只用于集成電路內(nèi)部的邏輯單元，因此，僅僅用二極管門電路無法制作具有標(biāo)準(zhǔn)輸出電平的集成電路。3.3 CMOS門電路3.3.1MOS管的開關(guān)特性3.3.2 CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理3.3.3 CMOS反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性3.3.4 CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性3.3.5 其它類型的

9、CMOS門電路3.3.6 CMOS電路的正確使用3.3.7CMOS數(shù)字集成電路的各種系列 MOSMOS管是金屬管是金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)稱。半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)稱。（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect TransistorMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）由于只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，故也稱為由于只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，故也稱為單極型三極管單極型三極管。一、MOS管結(jié)構(gòu)和工作原理3.3.1 MOS3.3.1 MOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性NMOSNMOS管電路符號(hào)管電路符號(hào)PMO

10、SPMOS管電路符號(hào)管電路符號(hào) b N NP PN N 型型三三極極管管 c e NN- V- VDSDS + +-V-VGSGS+ +S SG GD DDiSiOSiO2 2P P型襯底型襯底MOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)二、二、MOSMOS管的輸入和輸出特性管的輸入和輸出特性共源接法中，加入VGS不會(huì)有柵極電流流通。共源接法的輸出特性曲線（也叫MOS管的漏極特性曲線）+ +V VGSGS- -i iD D+ +V VDSDS- -MOSMOS管共源接法及其輸出特性曲線管共源接法及其輸出特性曲線i iD Dv vDSDS0 0v vGSGS=2V=2V3v3v4v4v5v5v當(dāng) 時(shí)，工作在截止區(qū)；當(dāng)

11、時(shí)，可分為兩個(gè)區(qū)域如圖：1.可變電阻區(qū)2.恒流區(qū) thGSGSVv thGSGSVv thGSGSvONVvKRDS21021thGSGSDSDVvIii iD DthGSVGSVMOSMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線三、三、MOSMOS管的基本開關(guān)電路管的基本開關(guān)電路NMOSNMOS管的基本開關(guān)電路管的基本開關(guān)電路當(dāng) 時(shí)，工作在截止區(qū)， ,MOS管相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)；當(dāng) 時(shí)，MOS管工作在恒流區(qū)，只要到 ,則 MOS管相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)；thGSGSIVvv thGSGSIVvvDDOHVVONDRR 0OLV選擇合適的電路參數(shù)，則可以保證:1.當(dāng)uI=UIH時(shí)，MOS管導(dǎo)通，uo=0

12、=UOL 開關(guān)閉合 2.當(dāng)uI=UIL時(shí)，MOS管截止，uO=VDD=UOH 開關(guān)斷開四、MOS管的開關(guān)等效電路G GC C1 1S SD D截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)G GC C1 1S SD DR RONON導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)五、MOS管的四種類型1.N溝道增強(qiáng)型 2.P溝道增強(qiáng)型3.N溝道耗盡型 4. P溝道耗盡型 NMOSNMOS管電路符號(hào)管電路符號(hào)PMOSPMOS管電路符號(hào)管電路符號(hào)四種類型的CMOS管的比較MOS管類型襯底材料導(dǎo)電溝道開啟電壓夾斷電壓電壓極性標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)簡(jiǎn)化符號(hào)vDSvGSN溝道增強(qiáng)型P型N型+P溝道增強(qiáng)型N型P型-N溝道耗盡型P型N型-+-P溝道耗盡型N型P型+-+3.3.2CM

13、OS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)是CMOS 電路的基本結(jié)構(gòu)形式。構(gòu)成復(fù)雜CMOS邏輯電路的兩種基本模塊是：CMOS反相器和CMOS傳輸門。一、CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)CMOSCMOS反相器的結(jié)構(gòu)示意圖和電路圖反相器的結(jié)構(gòu)示意圖和電路圖互補(bǔ)對(duì)稱式金屬氧化物半導(dǎo)體電路互補(bǔ)對(duì)稱式金屬氧化物半導(dǎo)體電路(CMOS(CMOS電路）電路）（Complementar-Symmetery Metal-Oxide-Semiconductor Circuit)Complementar-Symmetery Metal-Oxide-Semiconductor Circuit) CMOS反相器的基本

14、電路結(jié)構(gòu)形式為圖所示的有源負(fù)載反相器。其中Tl是P溝道增強(qiáng)型MOS管，T2是N溝道增強(qiáng)型MOS管。二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性電壓傳輸特性曲線如圖和截止內(nèi)阻同樣的導(dǎo)通內(nèi)阻具有和，且設(shè),21OFFONPthGSNthGSPthGSNthGSDDRRTTVVVVV 從電壓傳輸特性中可以看到，不僅閾值電壓 ，而且轉(zhuǎn)折區(qū)變化率很大，更接近于理想開關(guān)特性。DDTHVV213.輸入端噪聲容限定義：在保證高、低電平基本不變（變化的大小不超過規(guī)定的允許限度）的條件下，允許輸入信號(hào)的高、低電平有一個(gè)波動(dòng)范圍，這個(gè)波動(dòng)范圍就是輸入端的噪聲容限。DDV0V0V輸入端噪聲容限示意圖輸入端噪聲容限示意圖輸入噪聲容限的

15、計(jì)算：輸入噪聲容限的計(jì)算：maxmaxmin1minOLILNLHOHNHVVVVVV低電平的噪聲容限為：高電平的噪聲容限為：CMOSCMOS反相器輸入噪聲容限與反相器輸入噪聲容限與V VDDDD的關(guān)系的關(guān)系不同不同V VDDDD下的電壓傳輸特性下的電壓傳輸特性V VNHNH、V VNLNL隨隨V VDDDD變化的曲線變化的曲線3.3.3 CMOS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性 因?yàn)镸OS管的柵極和襯底之間存在著以SiO2為介質(zhì)的輸入電容，而絕緣介質(zhì)又非常薄(約1000)極易被擊穿(耐壓約100v)，所以必須采取保護(hù)措施。 在目前生產(chǎn)的CMOS集成電路中都采用了各種形式的輸入保護(hù)電路，下圖所示

16、的保護(hù)電路就是常用的兩種。40004000系列輸入保護(hù)電路系列輸入保護(hù)電路 74HC74HC系列輸入保護(hù)電路系列輸入保護(hù)電路CMOSCMOS反相器的輸入特性反相器的輸入特性輸入特性是指從反相器輸入端看進(jìn)去的輸入電壓和輸入電流的關(guān)系輸出特性是指從反相器輸出端看進(jìn)去輸出電壓和輸入電流的關(guān)系輸出特性是指從反相器輸出端看進(jìn)去輸出電壓和輸入電流的關(guān)系低電平輸出特性低電平輸出特性高電平輸出特性3.3.4 CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延時(shí)時(shí)間V VDDDDV Vo oV VI IC CL LPLHPHLtt、v vI Iv vo ot tPHLPHLt tPLHPLHv vOHOHv vOLOLv vO

17、HOHv vOLOL50%v50%vOHOH50%v50%vOHOHCMOSCMOS反相器傳輸延時(shí)時(shí)間的定義反相器傳輸延時(shí)時(shí)間的定義傳輸延時(shí)時(shí)間：輸出電壓變化落后于輸入電壓變化的時(shí)間。高電平跳變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)間為tPHL低電平跳變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)間為tPLH二、交流噪聲容限V VNANA/V/Vt tw w/ns/ns0 05 51 110102 23 34 45 515152020V VDDDD=5V=5VV VDDDD=3V=3V 交流噪聲容限：反相器對(duì)輸入窄脈沖的噪聲容限； 傳輸時(shí)間越長(zhǎng)，交流噪聲容限越大； 噪聲電壓作用時(shí)間越短、電源電壓越高，則交流噪聲容限越大。三、動(dòng)態(tài)功耗三、動(dòng)態(tài)功耗動(dòng)態(tài)功

18、耗：CMOS反相器從一種穩(wěn)定的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，將產(chǎn)生的附加功耗。動(dòng)態(tài)功耗分為兩部分：PC對(duì)負(fù)載電容充、放電所消耗的功率；PT由于兩個(gè)MOS管T1和T2在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通所消耗的瞬時(shí)導(dǎo)通功耗。CMOSCMOS反相器對(duì)負(fù)載電容的充、放電電流波形反相器對(duì)負(fù)載電容的充、放電電流波形22202,1DDLDDLCoDDLoLpoLNTTToDDpoNcPNfVCTVCPdtvVdCdtdvCidtdvCidtvVidtviTPii因而，而所產(chǎn)生的平均功耗為：和由圖知， 瞬時(shí)導(dǎo)通電流iT流過T1和T2,瞬時(shí)導(dǎo)通功耗PT和電源電壓VDD、輸入信號(hào)的重復(fù)頻率f以及電路內(nèi)部參數(shù)有關(guān)。2DDP

19、DTfVCP CPD是功耗電容，具體數(shù)值由器件制造商給出。注意： CPD不是一個(gè)實(shí)際的電容，而僅僅是用來計(jì)算空載瞬時(shí)導(dǎo)通功耗的等效參數(shù)，而且只有輸入信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間小于器件手冊(cè)中規(guī)定的最大值時(shí)，參數(shù)才有效。CMOSCMOS反相器的靜態(tài)漏電流反相器的靜態(tài)漏電流CMOS反相器的工作時(shí)的全部功耗PTOT等于動(dòng)態(tài)功耗PD和靜態(tài)功耗PS之和。靜態(tài)功耗PS隨溫度的改變而改變，通常時(shí)以指定電源電壓下的靜態(tài)漏電流的形式給出。例題例：計(jì)算CMOS反相器的總功率PTOT。已知電源電壓VDD=5V,靜態(tài)電源電流IDD=1A,負(fù)載電容CL=100pF,功耗電容CPD=20pF。輸入信號(hào)近似于理想的矩形波，重復(fù)

20、頻率f=100kHz。解：mWWfVCCPDDPDLD3 . 0510100102010023122mWWVIPDDDDS005. 05106mWPPPSDTOT305. 0自己做練習(xí)已知已知CMOSCMOS門電路的電源電壓門電路的電源電壓VDD=10V,VDD=10V,靜態(tài)電源電流靜態(tài)電源電流IDD=2uA,IDD=2uA,輸入信號(hào)為輸入信號(hào)為100KHz100KHz的方波（上升時(shí)間和下降時(shí)間可忽略不計(jì)），負(fù)載電容的方波（上升時(shí)間和下降時(shí)間可忽略不計(jì)），負(fù)載電容CL=200pF,CL=200pF,試試計(jì)算它的靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗、總功率和電源平均功率。計(jì)算它的靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗、總功率和電源平

21、均功率。一、其它邏輯功能的CMOS門電路 在CMOS門電路的系列產(chǎn)品中，除反相器外常用的還有或非門、與非門、或門、與門、與或非門、異或門等幾種。3.3.5其它類型的CMOS門電路A AB BT3T3T1T1T2T2T4T4A AB BV VDDDDT3T3T1T1T4T4T2T2Y YCMOSCMOS或非門（或非門（P P串串N N并）并）CMOSCMOS與非門（與非門（P P并并N N串）串）特點(diǎn)：需外接上拉電阻。特點(diǎn)：需外接上拉電阻。應(yīng)用：滿足輸出電平轉(zhuǎn)換、吸收大負(fù)載電流應(yīng)用：滿足輸出電平轉(zhuǎn)換、吸收大負(fù)載電流以及輸出端可以并接，實(shí)現(xiàn)以及輸出端可以并接，實(shí)現(xiàn)“線與線與”功能。功能。二、漏極開

22、路的二、漏極開路的CMOSCMOS門電路（門電路（ODOD）)( ABYA AB BY YOD門的應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)線與邏輯V VDDDDA AB BY Y2 2C CD DY Y2 2G G2 2G G1 1R RL LY Y線與符號(hào)線與符號(hào) 上拉電阻RL的計(jì)算： 如每個(gè)OD門輸出管截止時(shí)的漏電流為IOH，負(fù)載門每個(gè)輸入端的高電平輸入電流為IIH,要求輸出高電平不低于VOH,則可得到RL的最大容許值：其中n時(shí)并聯(lián)OD門的數(shù)目，m是負(fù)載門電路高電平輸入電流的數(shù)目。保證流過只有一個(gè)MOS管門輸出， 不超過其最大電流，RL的最小容許值：maxLIHOHOHDDLOHLIHOHDDRmInIVVRVRmIn

23、IVminmaxminmaxmaxLLLLILOLOLDDLOLILLOLDDRRRmmCMOSmRImIVVRIImRVV路能夠正常工作，應(yīng)取為了保證線與連接后電相等。和門電路的情況下，為入電流的數(shù)目。在負(fù)載是負(fù)載門電路低電平輸 uI/uo uo/uI VDD C TN TP C TG uI/uo uo/uI C C C C0 0、 ，T TN N和和T TP P截止，相當(dāng)于截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開開關(guān)斷開。C C1 1、 ，T TN N和和T TP P導(dǎo)通，相當(dāng)于導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)接通開關(guān)接通，u uo ou ui i。1C0C 由于由于T T1 1、T T2 2管的結(jié)構(gòu)形式是對(duì)稱的，即漏極和源

24、極管的結(jié)構(gòu)形式是對(duì)稱的，即漏極和源極可互易使用，因而可互易使用，因而CMOSCMOS傳輸門屬于雙向器件，它的輸入傳輸門屬于雙向器件，它的輸入端和輸出端也可互易使用端和輸出端也可互易使用。三、CMOS傳輸門 利用P溝道MOS管和N溝道MOS管的互補(bǔ)性接成CMOS傳輸門。 CMOS傳輸門和CMOS反相器一樣，也是構(gòu)成各種邏輯電路一種基本單元電路。 利用CMOS傳輸門和CMOS反相器可以組合成各種復(fù)雜的邏輯電路，如異或門、數(shù)據(jù)選擇器、寄存器、計(jì)數(shù)器等。 傳輸門的另外一個(gè)重要用途：作模擬開關(guān)，用來傳輸連續(xù)變化的模擬電壓信號(hào)。TGTGC CV VI I/V/VO OV VO O/V/VI ISWSWV

25、VO O/V/VI IV VI I/V/VO OC CCMOSCMOS雙向模擬開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和符號(hào)雙向模擬開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和符號(hào)四、三態(tài)輸出的四、三態(tài)輸出的CMOSCMOS門電路門電路電路的輸出有電路的輸出有高阻態(tài)、高電平和低電平高阻態(tài)、高電平和低電平3 3種狀態(tài)，是一種三態(tài)門。種狀態(tài)，是一種三態(tài)門。 時(shí)，時(shí)，T TP2P2、T TN2N2均均截止，截止，Y Y與地和電源都斷開與地和電源都斷開了，輸出端呈現(xiàn)為高阻態(tài)。了，輸出端呈現(xiàn)為高阻態(tài)。 時(shí)，時(shí)，T TP2P2、T TN2N2均均導(dǎo)通，導(dǎo)通，T TP1P1、T TN1N1構(gòu)成反相器。構(gòu)成反相器。1)(EN0)(ENAY A (EN) TP2

26、TP1 Y TN1 TN2 A 1 Y +VDD (a) CMOS三態(tài)門電路 (b) 邏輯符號(hào) (EN)2. 2.三態(tài)門的應(yīng)用三態(tài)門的應(yīng)用數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu) 只要控制各個(gè)門的只要控制各個(gè)門的ENEN端輪端輪流為流為1 1，且任何時(shí)刻僅有一個(gè)，且任何時(shí)刻僅有一個(gè)為為1 1，就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)門，就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)門分時(shí)分時(shí)地向總線傳輸。地向總線傳輸。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸 EN=1EN=1，G1G1工作，工作，G2G2高阻，高阻，A A經(jīng)經(jīng)G1G1反相送至總線；反相送至總線； EN=0EN=0，G1G1高阻，高阻，G2G2工作，總工作，總線數(shù)據(jù)經(jīng)線數(shù)據(jù)經(jīng)G2G2反相從反相從Y Y端送出端

27、送出。3.3.6CMOS電路的正確使用一、輸入電路的靜電防護(hù) 1.在儲(chǔ)存和運(yùn)輸CMOS器件時(shí)不要使用易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料和化纖織物包裝，最好采用金屬屏蔽層作包裝材料。2.組裝、調(diào)試時(shí)，應(yīng)使電烙鐵和其他工具、儀表、工作臺(tái)臺(tái)面等良好接地，操作人員的服裝和手套等應(yīng)該選用無靜電的原料制作。3.不用的輸入端不應(yīng)懸空。二、輸入電路的過流保護(hù)1.輸入端接低電阻信號(hào)源時(shí)，應(yīng)在輸入端與信號(hào)源之間串進(jìn)保護(hù)電阻，保證輸入保護(hù)電路中的二極管導(dǎo)通時(shí)電流不超過1mA。2.輸入端接有大電容時(shí)，亦應(yīng)在輸入端與電容之間接入保護(hù)電阻。3.輸入端接長(zhǎng)線時(shí)，應(yīng)在門電路的輸入端接入保護(hù)電阻。三、CMOS電路鎖定效應(yīng)的防護(hù)。3.3.

28、7CMOS數(shù)字集成電路的各種系列主要有： 4000系列、HC/HCT系列、AHC/AHCT系列、 VHC/VHCT系列、 LVC系列、ALVC系列等3.4其它類型的MOS集成電路PMOS電路NMOS電路3.5 TTL門電路3.5.1雙極型三極管的開關(guān)特性3.5.2TTL反相器的結(jié)構(gòu)和工作原理3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性3.5.4TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性3.5.5其他類型的TTL門電路3.5.6TTL數(shù)字集成電路的各種系列77773.5.1雙極型三極管的開關(guān)特性一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu) 一個(gè)獨(dú)立的雙極型三極管由管芯、三個(gè)引出電極和外殼組成。 二、雙極型三極管的輸入特性和輸出特性V

29、VONON0 0v vBEBEi iB B輸入特性曲線輸入特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線三、雙極型三極管的基本開關(guān)電路選擇合適的電路參數(shù)，則可以保證：1.當(dāng)vI=VIL時(shí)，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，Vo=VOH 開關(guān)斷開2.當(dāng)vI=VIH時(shí)，三極管工作在飽和狀態(tài)， Vo=VOL 開關(guān)閉合四、雙極型三極管的開關(guān)等效電路截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài) 飽和導(dǎo)通狀態(tài)飽和導(dǎo)通狀態(tài)五、雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性v vI Iv vO Oi iC C0 00 00 0t tt tt t六、三極管反相器由前面分析可得，三極管實(shí)際相當(dāng)于一個(gè)反相器（非門）由前面分析可得，三極管實(shí)際相當(dāng)于一個(gè)反相器（非門）, ,在實(shí)際應(yīng)用的電在實(shí)

30、際應(yīng)用的電路中，輸入為低電平時(shí)，接入電阻路中，輸入為低電平時(shí)，接入電阻R R2 2和負(fù)電源和負(fù)電源V VEEEE, ,使三極管能可靠地截止，輸出使三極管能可靠地截止，輸出為高電平。輸入為高電平時(shí)，三極管工作在深度飽和狀態(tài)，使輸出電平接近于零。為高電平。輸入為高電平時(shí)，三極管工作在深度飽和狀態(tài)，使輸出電平接近于零。例題例題3.5.13.5.1+ +- -R R1 1R R2 2V VEEEEb be eR RB B+ +- -V VB Bb be ev vI I自己做計(jì)算所示電路中，當(dāng)輸入端分別接0V，5V和懸空時(shí)輸出電壓Vo的數(shù)值，并指出三極管工作在什么狀態(tài)。假定三極管導(dǎo)通以后vBE約為0.7

31、V,電路參數(shù)如圖。 A R1 4kW W T1 T2 T4 T5 R4 R3 1KW W 130W W +Vcc R2 1.6KW W Y D1 D2 輸入級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)TTLTTL非門典型電路非門典型電路 b T1等等效效電電路路 c e AY0110AY推拉式輸出級(jí)作用：推拉式輸出級(jí)作用：降低功耗，提高帶降低功耗，提高帶負(fù)載能力負(fù)載能力3.5.2 TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)鉗位二極管鉗位二極管二、電壓傳輸特性v vo o/V/V0 01.01.02.02.03.03.00.50.51.01.01.51.5A AB BC CD DE Ev vI I/V/V

32、AB段，T2和T5截止而T4導(dǎo)通，輸出高電平截止區(qū)；BC段，T2導(dǎo)通而T5仍然截止，T2工作在放大區(qū)線性區(qū)；CD段，T2和T5同時(shí)導(dǎo)通，T4截止，輸出電位急劇下降為低電平轉(zhuǎn)折區(qū)；DE段，輸出低電平飽和區(qū)。 A R1 4k W W T1 T2 T4 T5 R4 R3 1K W W 130 W W +Vcc R2 1.6K W W Y D1 D2 輸入級(jí)輸入級(jí) 中間級(jí)中間級(jí) 輸出級(jí)輸出級(jí)1 1輸出輸出0 0輸出輸出1 1輸入輸入0 0輸入輸入U(xiǎn) UOH,minOH,minU UIH,minIH,minU UNHNHU UIL,maxIL,maxU UOL,maxOL,maxU UNLNL輸入低電平

33、噪聲容限：輸入低電平噪聲容限：U UNLNL=U=UIL,maxIL,maxU UOL,maxOL,max輸入高電平噪聲容限：輸入高電平噪聲容限：U UNHNH=U=UOH,minOH,minU UIH,minIH,min74LS74LS系列門電路前后級(jí)系列門電路前后級(jí)聯(lián)時(shí)的輸入噪聲容限為：聯(lián)時(shí)的輸入噪聲容限為：UNL=0.8V0.4V=0.4VUNH=2.4V2.0V=0.4V5V2.4V0.4V0V5V2V0.8V0V三、輸入端噪聲容限三、輸入端噪聲容限u uI Iu uO O3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性一、輸入特性v vI Ii iI ID D1 1T T1 1be2b

34、e2be5be5V VCCCCR R1 1-1.0-1.0-0.5-0.5-1.0-1.0-1.5-1.5-0.5-0.50 0-2.0-2.00.50.5i i1 1/mA/mA1.51.52.02.01.01.0v vi i/V/V40uA40uATTLTTL反相器的輸入等效電路反相器的輸入等效電路 TTLTTL反相器的輸入特性反相器的輸入特性二、輸出特性1.高電平輸出特性2.低電平輸出特性扇出系數(shù)扇出系數(shù)扇出系數(shù)扇出系數(shù)N N是指門電路能夠驅(qū)動(dòng)是指門電路能夠驅(qū)動(dòng)同類門同類門的數(shù)量。的數(shù)量。 要求：前級(jí)門在輸出高、低電平時(shí)，要滿足其輸出電流要求：前級(jí)門在輸出高、低電平時(shí)，要滿足其輸出電流I

35、 IOHOH和和I IOLOL均大于或等于均大于或等于N N個(gè)后級(jí)門的輸入電流的總和。個(gè)后級(jí)門的輸入電流的總和。 計(jì)算：計(jì)算：輸出為高電平時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)同類門的數(shù)目輸出為高電平時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)同類門的數(shù)目N N1 1； 輸出為低電平時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)同類門的數(shù)目輸出為低電平時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)同類門的數(shù)目N N2 2； 扇出系數(shù)扇出系數(shù)minmin（N N1 1，N N2 2）。）。 低電平輸入電流低電平輸入電流I IILIL，maxmax-0.4mA-0.4mA高電平輸入電流高電平輸入電流I IIHIH，maxmax2020A A低電平輸出電流低電平輸出電流I IOLOL，maxmax8mA8mA高電平輸出電流

36、高電平輸出電流I IOHOH，maxmax-0.4mA-0.4mA74LS74LS系列門電路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：系列門電路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：例：如圖，試計(jì)算例：如圖，試計(jì)算74LS74LS系列非門電路系列非門電路G G1 1最多可驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同類門電路。最多可驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同類門電路。解：解： G G1 1輸出為低電平時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)輸出為低電平時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)N N1 1個(gè)同類門；個(gè)同類門；應(yīng)滿足應(yīng)滿足 I IOLOL N N1 1 |I|IILIL| | G G1 1輸出為高電平時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)輸出為高電平時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)N N2 2個(gè)同類門；個(gè)同類門； N Nminmin（N N1 1,N,N2 2） 2020N N1 1 I

37、 IOLOL / |I|IILIL| | 8mA/0.4mA 8mA/0.4mA 2020應(yīng)滿足應(yīng)滿足 |I|IOHOH| | N N2 2 I IIHIHN N2 2 | |I IOHOH| | / I IIHIH 0.4mA/20A 0.4mA/20A 2020三、輸入端負(fù)載特性V VI I隨隨RpRp變化的特性即輸入端負(fù)載特性：變化的特性即輸入端負(fù)載特性：11BECCppIvVRRRv見見p122p122例例3.5.33.5.3在具體使用門電路的時(shí)，有時(shí)需要在輸入端與地或者輸入端與信號(hào)的低電平之間接入電阻Rp3.5.4TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延時(shí)時(shí)間v vI Iv vO O0 00

38、 0-1.5V-1.5V-1.5V-1.5Vt tt tt tPHLPHLt tPLHPLH一般tPHL和tPLH的數(shù)值最后都是通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。例如，TI公司生產(chǎn)的六反相器SN7404的典型參數(shù)為tPHL8ns； tPLH12ns二、交流噪聲容限二、交流噪聲容限0 05 51010 1515202025250.60.61.21.21.81.82.42.4tw/nstw/nsV VNANA/V/VV VNANAt tw wV VOHOH2.0V2.0V0 05 51010 1515202025250.60.61.21.21.81.82.42.4tw/nstw/nsV VNANA/V/VV VN

39、ANAt tw wV VOLOL0.8V0.8V正脈沖噪聲容限正脈沖噪聲容限 負(fù)脈沖噪聲容限負(fù)脈沖噪聲容限三、電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流帶來的影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：1）使電源的平均電流增加了；2）尖峰電流通過電源線和地線以及電源的內(nèi)阻形成一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲源。尖峰電流的計(jì)算例3.5.4TTL電路的主要參數(shù)TTL門電路的主要參數(shù)已經(jīng)在它的電氣特性中給出，現(xiàn)歸納如下：(1)輸人高電平的下限值UIHmin；(2)輸入低電平的上限值UIHmax ；(3)輸出高電平的下限值UOHmin ；(4)輸出低電平的下限值UOHmax ；(5)輸入高電平電流IIH；(6)輸入低電平電流IIL；(7)輸

40、出高電平最大輸出電流IOH(8)輸出低電平最大輸出電流IOL(9)閾值電壓UT；(10)傳愉延遲時(shí)間tPHL、tPLH 或平均傳輸延遲時(shí)間tpd(11)最高工作頻率fmax. b 多發(fā)射極等效電路多發(fā)射極等效電路 c e2 e1 TTLTTL與非門典型電路與非門典型電路1.1.與非門與非門與與TTLTTL反相器的區(qū)別：反相器的區(qū)別：T T1 1改為改為多發(fā)射極三極管多發(fā)射極三極管。 ABY3.5.5其它類型的TTL門電路一、其它邏輯功能的一、其它邏輯功能的TTLTTL門電路門電路TTLTTL或非門典型電路或非門典型電路2.2.或非門或非門區(qū)別：有各自的輸入級(jí)和倒相級(jí)，并聯(lián)使用共同的輸出級(jí)。區(qū)別

41、：有各自的輸入級(jí)和倒相級(jí)，并聯(lián)使用共同的輸出級(jí)。BAY3.與或非門 把或非門里的每個(gè)輸入端改為多發(fā)射極三極管，就是與或非電路。4.異或門 見書p130圖3.5.31二、集電極開路輸出的門電路（二、集電極開路輸出的門電路（OCOC門）門） CDABY“線與線與”推拉式輸出級(jí)并聯(lián)推拉式輸出級(jí)并聯(lián)1.“1.“線與線與”的概念的概念YABCDYABCD 普通的普通的TTLTTL門電路不能將輸出端直接并聯(lián)，進(jìn)行線與。門電路不能將輸出端直接并聯(lián)，進(jìn)行線與。解決這個(gè)問題的方法就是把輸出極改為解決這個(gè)問題的方法就是把輸出極改為集電極開路集電極開路的三的三極管結(jié)構(gòu)。極管結(jié)構(gòu)。 OCOC門電路在工作時(shí)需外接上拉電

42、阻和電源門電路在工作時(shí)需外接上拉電阻和電源。只要電阻。只要電阻的阻值和電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就可保證輸出的高、的阻值和電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就可保證輸出的高、低電平符合要求，輸出三極管的負(fù)載電流又不至于過大。低電平符合要求，輸出三極管的負(fù)載電流又不至于過大。2.OC2.OC門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)A AB BY Y3.OC3.OC門的門的“線與線與”功能功能 CDABYY21Y當(dāng)當(dāng)n n個(gè)前級(jí)門輸出均為個(gè)前級(jí)門輸出均為高電平，即所有高電平，即所有OCOC門同門同時(shí)截止時(shí)，為保證輸出時(shí)截止時(shí)，為保證輸出的高電平不低于規(guī)定的的高電平不低于規(guī)定的U UOHOH，minmin值

43、，上拉電阻不能值，上拉電阻不能過大，其最大值計(jì)算公過大，其最大值計(jì)算公式：式：HIOHminOHCCUmInIUVR ，(max)4. 4.外接上拉電阻外接上拉電阻R RU U的計(jì)算方法的計(jì)算方法當(dāng)n個(gè)前級(jí)門中有一個(gè)輸出為低電平，即所有OC門中只有一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，全部負(fù)載電流都流入導(dǎo)通的那個(gè) OC門，為確保流入導(dǎo)通OC門的電流不至于超過最大允許的IOL，max值，RU值不可太小，其最小值計(jì)算公式：ILmaxOLmaxOLCCUImIUVR ，(min)(min)maxUUURRR 5.OC門的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)線與。實(shí)現(xiàn)線與。可以簡(jiǎn)化電路，節(jié)省器件。可以簡(jiǎn)化電路，節(jié)省器件。實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。如圖所

44、示，可使輸出高電平變?yōu)槿鐖D所示，可使輸出高電平變?yōu)?0V10V。用做驅(qū)動(dòng)器。用做驅(qū)動(dòng)器。如圖是用來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的電路。如圖是用來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的電路。+10VOV+5V270三、三態(tài)輸出門電路（三、三態(tài)輸出門電路（TSTS門）門） 國(guó)標(biāo)符號(hào) T4 A R1 3k T3 T2 T1 Y R4 100 +VCC(+5V) T5 R2 750 R3 360 R5 3k A EN 1 EN Y EN D 三三態(tài)態(tài)輸輸出出非非門門（高高電電平平有有效效）電電路路結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 1.1.三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)功能表功能表EN=0EN=0EN=1EN=1AYY高阻態(tài)輸出有三種狀態(tài)：輸出有三種狀態(tài)： 高電平、低電平、高阻態(tài)。高電平、低電平、高阻態(tài)?？刂贫嘶蚩刂贫嘶蚴鼓芏耸鼓芏烁唠娖接行Ц唠娖接行У碗娖接行У碗娖接行煞N控制模式：兩種控制模式：3.5.6TTL3.5.6TTL數(shù)字集成電路的各種系列數(shù)字集成電路的各種系列7474：標(biāo)準(zhǔn)系列；：標(biāo)準(zhǔn)系列；74H74H：高速系列；：高速系列；74S74S：肖特基系列；：肖特基系列；74LS74LS：低功耗肖特基系列；：低功耗肖特基系列；74LS74LS系列成為功耗延遲積較系列成為功耗延遲積較小的系列。小的系列。74LS74LS系列產(chǎn)品具有最佳的綜合