門電路(簡)課件

1、數(shù)字電子技術賀付亮電子信息工程學院半導體二極管門電路1CMOS門電路2TTL門電路3 CMOS與TTL之間接口電路4第三章 門電路1. 門電路 是用以實現(xiàn)邏輯關系的電子電路，與基本邏輯關系相對應。 門電路主要有：與門、或門、與非門、或非門、異或門等。 門電路的兩種輸入，輸出電平：高電平、低電平。它們分別對應邏輯電路的1,0狀態(tài)。注意：各種門電路的工作原理，只要求一般掌握；而各種門電路的外部特性和應用是要求重點。3.1 概述3. 正負邏輯 正邏輯：用高電平代表1、低點平代表0。（數(shù)字電路中采用） 負邏輯：用高電平代表0、低點平代表1。2. 高低電平 高電平：數(shù)字電路中較高電平代數(shù)值的范圍。 低電

2、平：數(shù)字電路中較低電平代數(shù)值的范圍。tvVHVL正邏輯10tvVHVL負邏輯10高電平低電平3.1 概述4. 集成電路 IC（Integrated Circuits）：將元、器件制作在同一硅片上，以實現(xiàn)電路的某些功能。 SSI（Small-Scale Integration）： 10個門電路。 MSI（Medium-Scale Integration）：10100個門電路。 LSI（Large-Scale Integration）：100010000個門電路。 VLSI（Very Large-Scale Integration）： 10000個門電路。3.1 概述1961年美國德克薩斯儀器公司

3、首先制成集成電路。英文Integrated Circuit,簡稱IC。集成電路的優(yōu)點：體積小、重量輕、可靠性高，功耗低。目前單個集成電路上已能作出數(shù)千萬個三極管，而其面積只有數(shù)十平方毫米。1. 半導體二極管的開關特性二極管具有單向?qū)щ娦裕?正向?qū)ǎ聪蚪刂?，相當于一個受電壓控制的電子開關。門電路的實現(xiàn)電子開關，用來接通或斷開電路的開關器件。兩種工作狀態(tài)：1）接通（要求其阻抗很小，相當于短路）2）斷開（要求其阻抗很大，相當于開路）3.2 半導體二極管門電路2. 二極管與門3. 二極管或門ABY3.2 半導體二極管門電路由于這些電路有嚴重的缺點，在集成電路中并不使用，但可幫助理解集成門的工作原理

4、。 MOS門電路：以MOS管作為開關元件構成的門電路。 MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。當NMOS管和PMOS管成對出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補，稱為CMOS管(意為互補)。MOS管有增強型和耗盡型兩種。在數(shù)字電路中，多采用增強型。3.3 CMOS門電路3.3 CMOS門電路MOS門電路特點：對比TTL門電路1、控制信號：TTL為電流控制器件，MOS屬于電壓控制器件。 2、電路極性： TTL為雙極性電路， MOS屬于單極性電路。 雙極性電路：電源電壓對地為正，只有正邏輯； 單極性電路：包括正、負兩種邏輯 。3、功耗問題：TTL功耗大（15mA/門）， MOS管功耗較低。 4、驅(qū)動能力

5、： MOS管常用來電源開關，以及大電流地方開關電路。5、邏輯電平范圍：MOS電路高低電平相差大，抗干擾強，邏輯電平范圍在（515V）;TTL電路高低電平相差小，只能在5V下工作。CMOS反相器PMOS管NMOS管 工作特點：TP和VTN總是一管導通而另一管截止，流過VTP和VTN的靜態(tài)電流極?。{安數(shù)量級）。 因而CMOS反相器的靜態(tài)功耗極小。這是CMOS電路最突出的優(yōu)點之一。3.3 CMOS門電路AZ0110AZCMOS與非門AVDDZBQ1Q2Q3Q4ABQ1Q2Q3Q4ZLLHHLHLHoffoffononononoffoffoffonoffononoffonoffHHHLABZ0011

6、01011110ABZ3.3 CMOS門電路CMOS三態(tài)門 當EN= 0時，TG導通，F(xiàn)=A； 當EN= 1時，TG截止，F(xiàn)為高阻輸出。3.3 CMOS門電路Three-state gate是一種重要的總線接口電路。三態(tài): 指其輸出既可以是一般二值邏輯電路的正常的高電平或低電平，又可以保持特有的高阻抗狀態(tài)（Hi-Z）。處于高阻抗狀態(tài)時，輸出電阻很大，相當于開路，沒有任何邏輯控制功能。高阻態(tài)的意義:實際電路中在不斷開電路下實現(xiàn)功能性斷開。CMOS系列及命名方法74 FAM nn前綴系列助記符功能數(shù)字 前綴：74商用系列；54軍用系列。 助記符：以字母表示系列類型。 功能數(shù)字：以數(shù)字表示電路的邏輯

7、功能。3.3 CMOS門電路HC（ High-speed CMOS ，高速CMOS 系列）；HCT（High-speed CMOS, TTL compatible ，與TTL兼容的高速CMOS 系列）；VHC（Very High-speed CMOS，甚高速CMOS 系列）；VHCT: Very High-speed CMOS, TTL compatible，與TTL兼容的甚高速CMOS 系列）。 例：74HC04-商用高速CMOS 六反相器； 74HCT00-商用高速CMOS 四-二輸入與非門。CMOS電路的使用注意事項 輸入電路的靜電保護 CMOS電路的輸入端設置了保護電路，給使用者帶來很

8、大方便。但是，這種保護還是有限的。應注意以下幾點： （1）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。 （2）存儲和運輸CMOS電路，最好采用金屬屏蔽層做包裝材料。3.3 CMOS門電路 多余或暫時不用的輸入端的處理（1）多余或暫時不用的輸入端的不能懸空； （2）與其它輸入端并聯(lián)使用。3.3 CMOS門電路ABFC 多余或暫時不用的輸入端的處理3.3 CMOS門電路 （3）將不用的輸入端按照電路功能要求接電源或接地。比如將與門、與非門的多余輸入端接電源，將或門、或非門的多余輸入端接地。 一般，接電源時需接上拉電阻；接地時需接下拉電阻。典型值1-10k。ABFC+5V1k上拉電阻保持高

9、電平下拉電阻保持低電平ABFC1k 電路設計與安裝應盡量消除噪聲，保證電路穩(wěn)定工作。 （1）在每一塊插板的電源線上，并接幾十F的低頻去耦電容和0.010.047F的高頻去耦電容，以防止TTL電路的動態(tài)尖峰電流產(chǎn)生的干擾。 （2） 整機裝置應有良好的接地系統(tǒng)。3.3 CMOS門電路雙極性三極管的開關特性（靜態(tài)）在數(shù)字電路中，三極管作為開關元件，主要工作在飽和和截止兩種開關狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。3.4 TTL門電路TTL (Transistor-Transistor Logic):三極管三極管邏輯電路。TTL反相器（Transistor-Transistor Logic）電路結構3.4

10、 TTL門電路TTL與非門全1 輸出0有0輸出11V2.1V3.4 TTL門電路TTL三態(tài)門01截止YAB3.4 TTL門電路baseemittercollectorR2R1VINVOUTQ1VCC肖特基系列TTL門電路肖特基三極管（Schottky Transistors）3.4 TTL門電路華特肖特基博士發(fā)明，利用金屬與半導體接觸形成的金屬半導體結原理制作的。低功耗、大電流、超高速半導體器件。其反向恢復時間極短，正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流卻可達到幾千毫安。5. TTL系列 74S(Schottky TTL): 肖特基TTL系列，比普通74系列速度高，但功耗大。74LS(Low-

11、power Schottky TTL):低功耗肖特基TTL系列，比普通74系列速度高，功耗只有其1/5。74AS(Advanced Schottky TTL):改進型肖特基TTL系列，比普通肖特基系列速度高一倍，功耗相同。3.4 TTL門電路 74F(Fast TTL): 高速肖特基TTL系列，功耗、速度介于 74AS 和 74ALS 之間。 TTL集成電路多余或暫時不用的輸入端的處理 （1）多余或暫時不用的輸入端的一般不懸空，但可以懸空；懸空時相當于接高電平。 （2）與其它輸入端并聯(lián)使用。 （3）將不用的輸入端按照電路功能要求接電源或接地。一般，接電源時需接上拉電阻；接地時需接下拉電阻。典型

12、值1-10k。3.4 TTL門電路 （4）嚴禁帶電操作，要在電路切斷電源的時候，插拔和焊接集成電路塊，否則容易引起集成電路塊的損壞。3.5 TTL電路與CMOS電路的接口電路 TTL和CMOS電路的電壓和電流參數(shù)各不相同，需要采用接口電路。一般要考慮兩個問題：一是要求電平匹配，即驅(qū)動門要為負載門提供符合標準的輸出高電平和低電平；二是要求電流匹配，即驅(qū)動門要為負載門提供足夠大的驅(qū)動電流。3.5 TTL電路與CMOS電路的接口電路1. TTL門驅(qū)動CMOS門 （1）電平不匹配TTL門作為驅(qū)動門，它的UOH2.4V,UOL0.5V； CMOS門作為負載門，它的UIH3.5V，UIL1V?？梢?，TTL

13、門的UOH不符合要求。 （2）電流匹配CMOS電路輸入電流幾乎為零，所以不存在問題。3.5 TTL電路與CMOS電路的接口電路（3）解決電平匹配問題 TTL門驅(qū)動CMOS門 外接上拉電阻RP 在TTL門電路的輸出端外接一個上拉電阻RP，使TTL門電路的UOH5V。（當電源電壓相同時） 3.5 TTL電路與CMOS電路的接口電路選用電平轉(zhuǎn)換電路(如CC40109)若電源電壓不一致時可選用電平轉(zhuǎn)換電路。 CMOS電路的電源電壓可選318V； 而TTL電路的電源電壓只能為5V。 采用TTL的OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。若電源電壓不一致時也可選用OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。3.5 TTL電路與CMOS電路的接口電路2

14、. CMOS門驅(qū)動TTL門（1）電平匹配 CMOS門電路作為驅(qū)動門，UOH5V，UOL0V； TTL門電路作為負載門，UIH2.0V，UIL0.8V。 電平匹配是符合要求的。（2）電流不匹配 CMOS門電路4000系列最大允許灌電流為0.4mA， TTL門電路的IIS1.4 mA， CMOS4000系列驅(qū)動電流不足。3.5 TTL電路與CMOS電路的接口電路 （3）解決電流匹配問題 CMOS電路常用的是4000系列和54HC/74HC系列產(chǎn)品，后幾位的序號不同，邏輯功能也不同。 選用CMOS緩沖器 比如，CC4009的驅(qū)動電流可達4 mA。 選用高速CMOS系列產(chǎn)品選用CMOS的54HC/74HC系列產(chǎn)品可以直接驅(qū)動TTL電路。 表1 各種系列門電路的主要參數(shù)表2 常用集成門電路(TTL系列） 型 號名 稱主 要 功 能74LS00四2輸入與非門74LS02四2輸入或非門74LS04六反相器74LS05六反相器OC門74LS08四2輸入與門74LS13雙4輸入與非門施密特觸發(fā)74LS308輸入與非門74LS32四2輸入或門74LS644-2-3-2輸入與或非門74LS13313輸入與非門74LS136四異或門OC輸出74LS365六總線驅(qū)動器同相、三態(tài)、公共控