第06讲门电路及使用注意事项.ppt

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1、Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项第 6 讲n 课时授课计划n 课 程 内 容Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项内容：分立元件门电路 TTL集成逻辑门电路 CMOS传输门 门电路使用注意事项目的与要求：了解分立元件与门、或门、非门及与非门、或非门的工作原理和逻辑功能。了解TTL集成逻辑门电路的结构、工作原理和外部特性。掌握OC门和TTL三态门的工作原理及有关的逻辑概念。了解CMOS门的特点。掌握集成门电路的使用方法。重点与难点：重点：TTL集成逻辑门电路的外部特性。OC门和TTL三态门的应用。难点：TTL集成逻辑门电路的结

2、构、工作原理和外部特性 OC门和TTL三态门的工作原理。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项课堂讨论：高阻态的含义；OC门和TTL三态门的应用。现代教学方法与手段：投影 PowerPoint复习（提问）：与、或、非及与非、或非逻辑的运算口诀、逻辑 符号。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。它是一种逻辑单元电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门

3、（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。门电路Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项1 1、二极管与门二极管与门Y=ABuA uBuYD1 D20V 0V0V 5V5V 0V5V 5V0.7V0.7V0.7V5V导通 导通导通 截止截止 导通截止 截止Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项2 2、二极管或门二极管或门Y=A+BDigital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项3.三极管非门电路（三极管非门电路（BJT非门）非门）Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项CMO

4、S反相器Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项4.组合门电路组合门电路与非门Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项或非门Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项5.TTL（Transistor-Transistor Logic）集成与非门）集成与非门 了解工作原理，掌握主要外部特性和参数。门电路类型门电路类型国内系列编号国内系列编号国际系列编号国际系列编号通用系列/标准系列CT54/74SN54/74高速系列CT54H/74HSN54H/74H肖特基系列CT54S/74SSN54S/74S低功耗肖特基

5、系列CT54LS/74LSSN54LS/74LS国内外TTL电路系列编号对比Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项工作原理n电路的输入级由多发射极晶体管T1实现逻辑“与”的功能；中间级由T2的集电极和发射极输出两个相位相反的信号分别控制T3和T5；输出级中，T3,T4组成的复合管构成一个射级跟随器作为T5的有源负载，使得不论输出高电平还是低电平，电路的输出电阻都很小，从而提高了电路的带负载能力。演示Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项逻辑功能分析n设：输入信号A,B,C的高低电平分别为VIH=3.6vVIL=0.3v，PN结开启

6、电压为0.7vnA,B,C中只要有一个是低电平，则T1必有一个发射结导通，并将T1的基极电位钳在1v，该电压作用于T1的集电结和T2,T5的发射结上，显然不可能使T2和T5导通。由于T2截止，电源Vcc通过R2驱动T3和T4，使之工作在导通状态，电路输出为高电平（接拉电流负载）。等效电路如图：有0出1Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项逻辑功能分析n当A,B,C同时为高电平时，如果不考虑T2的存在，则应有Vb1=4.3v，因而T2和T5的发射结必然同时导通。此时，Vc2=Vce2+Vb5=0.3+0.7 =1v，因此，T3微导通，T4截止，Vo=Vc5=0.3

7、v，输出为低电平（接灌电流负载）。等效电路如图：全1出0Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项TTL与非门的主要外部特性n电压传输特性n抗干扰能力n输入特性n输入负载特性n输出特性n带负载能力n传输延迟特性n功耗指标Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项电压传输特性工作区：工作区：AB段（截止区）段（截止区）UI1.5V UO=UOL线性区：线性区：BC段段 0.6VUI1.3V UI UO转折区：转折区：CD段段 1.3VUI1.5V UI UO从电压传输特性可以看出TTL与非门的几个特性参数：输出逻辑高电平输出逻辑高电平VoH

8、和输出逻辑低电平和输出逻辑低电平VOL开门电平开门电平VON和关门电平和关门电平VOFF阈值电压阈值电压VTHvivoDigital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项nVOH：电压传输特性曲线的截止区的输出电压nVOL：电压传输特性曲线的饱和区的输出电压nVON：保证输出为高，输入低电平的上限值（图中查得约：2V）nVOFF：保证输出为低，输入高电平的下限值（图中查得约：0.8V）nVTH:转折区中点对应的输入电压Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项抗干扰能力TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一

9、个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。噪声容限越大，抗干扰能力越强。低电平噪声容限VNL：保证输出高电平，允许叠加在关门电平VOFF上的最大正向干扰电压。高电平噪声容限VNH：保证输出低电平，允许叠加在 开门电平上的最大负向干扰电压。Von反映门电路高电平抗干扰能力，VOFF反映门电路低电平抗干扰能力。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项带负载能力n扇出系数扇出系数No：在保证驱动门输出电平满足阈值要求的情况下，它所能驱动同类门的数量上限，它反映了门的带负载能力。一般No8。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项传

10、输延迟特性n平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd:n输出电压由高电平变为低电平的传输延迟时间称为导通传输延迟时间，记做tPHL；n输出电压由低电平变为高电平的传输延迟时间称为截止传输延迟时间，记做tPLH。定义与非门的传输延迟时间为tPLH 和tPHL 的算术平均值，记做tpd。tpd 的典型值一般为1020ns。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项功耗指标n空载功耗空载功耗P:n输出为低电平时的功耗称为空载导通功耗PONn输出为高电平时的功耗称为空载截止功耗POFFnPON总是比POFF大，定义空载功耗P=(PON+POFF)/2，一般P50mW。n浪涌电

11、流引起的动态功耗门电路输出从一个状态向另一个状态切换时，短时间内会出现尖峰电流（或浪涌电流），形成较大的动态功耗，此功耗随电路工作频率增大而增大。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项74LS00内含4个2输入与非门74LS20内含2个4输入与非门常用的TTL与非门集成芯片Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项A=0时，T2、

12、T5截止，T3、T4导通，Y=1。A=1时，T2、T5导通，T3、T4截止，Y=0。TTL非门Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项A、B中只要有一个为1，即高电平，如A1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y0。AB0时，iB1、iB1均分别流入T1、T1发射极，使T2、T2、T5均截止，T3、T4导通，输出为高电平，即Y1。TTL或非门Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T2导通）时，T5饱和导通、T4截止，输出Y=0。A和B不全为

13、高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T2同时截止）时，T5截止、T4饱和导通，输出Y=1。TTL与或非门Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项n线与连接：通过门电路的输出端并联实现的与运算6.集电极开路与非门（集电极开路与非门（OC门）门）问题的提出：一般TTL与非门不能作线与连接OCOCOCDigital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项普通TTL与非门为何不能做线与？n若门G1输出为高电平，则G1的T4为射级跟随电路，输出电阻r0很小；若门G2输出为低电平，则G2的T5为饱和导通，输出电阻r0很小。如果将G1和G2直接做线与，在电源

14、和地之间将形成地阻通路，从而形成很大的电流，此电流会烧毁门电路。n根源在于TTL门电路的推拉式输出级，总是一管导通，一管截止。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项普通TTL与非门为何不能做线与？Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T5截止，Y=1。接入外接电阻R后：A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T5饱和导通，Y=0。外接电阻R的取值范围为：集电极开路与非门（集电极开路与非门（OC门）门）Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项2）OC门驱动发光二极管

15、1）两个OC结构的与非门线与连接可实现与或非的逻辑功能。OC门的应用3）OC门实现电平变换（Ur为转换后的电平值）Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项7.三态门（三态门（TS门）门）当EN为高电平时，二极管D截止，电路工作在典型的与非门状态。当EN为低电平时，一方面使T2、T5截止，同时通过二极管D将T3的基极电位钳位在1V左右，从而又使T4截止。由于T4、T5同时截止，从输出端看，F端对地和对电源均相当于开路，呈现高阻状态。高阻态又叫禁止态或开路态。EN端控制着电路的输出状态，因此将其称为控制端（或称为使能端）。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状

16、态。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项TS门的应用作多路开关：E=0时，门G1使能，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2使能，G1禁止，Y=B。信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TS门处于工作状态，而其余TS门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TS门的输出。演示Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项8.CMOS门电路门电路（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

17、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电路适合于特殊环境下工作。（7）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。（8）输出范围大 VOH=VDD，VOL=0V（顶天立地）。CMOS数字电路的特点Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项TTL门电路使用注意事项

18、门电路使用注意事项 电源要求电源要求（1 1）电源电压范围为）电源电压范围为5 5V V10%10%，有的要求有的要求5 5V V5%5%。（2 2）电源入口处应接）电源入口处应接20502050F F的滤波电容以滤除纹波电压。的滤波电容以滤除纹波电压。（3 3）在芯片的电源引脚处接）在芯片的电源引脚处接0.010.10.010.1F F的滤波电容过滤高频干扰。的滤波电容过滤高频干扰。（4 4）逻辑电路和其他强电回路应分别接地。）逻辑电路和其他强电回路应分别接地。输入端的处理输入端的处理（1）输入端不能直接高于）输入端不能直接高于+5.5V和低于和低于-0.5V的低内阻电源。的低内阻电源。（2

19、）多余输入端允许悬空，悬空后代表逻辑多余输入端允许悬空，悬空后代表逻辑1，不允许带长线悬空。，不允许带长线悬空。TTL门电路的输出端不允许直接接门电路的输出端不允许直接接+VCC。9.门电路使用注意事项门电路使用注意事项Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项电源要求电源要求 （1 1）CMOSCMOS门电路工作电压范围较宽（门电路工作电压范围较宽（+3+18+3+18V V）一般取：一般取：V VDDDD降低将使门电路的工作频率下降。降低将使门电路的工作频率下降。（2 2）接线时电源极性必须正确，不能接反。）接线时电源极性必须正确，不能接反。CMOS门电路使用注

20、意事项门电路使用注意事项Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项n输入端的处理 （1）输入端不允许悬空，通常在输入端和地之间接保护电阻，以防止拔下电路板后造成输入端悬空。（2）输入高电平不能大于VDD+0.5V；输入低电平不得小于VSS-0.5V。且输入端电流一般应限制在1mA以内。（3）CMOS电路对输入脉冲的上升沿和下降沿有要求，通常当VDD=5V时，上升沿和下降沿应小于10S；VDD=10V时，上升沿和下降沿应小于5S；VDD=15V时，上升沿和下降沿应小于1S。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项输出端的处理输出端的处理（

21、1 1）普通普通CMOSCMOS门电路输出端不能线与门电路输出端不能线与。（2 2）总体上讲）总体上讲CMOSCMOS门电路的驱动能力要比门电路的驱动能力要比TTLTTL门电路小得多。但门电路小得多。但CMOSCMOS驱动驱动CMOSCMOS的能力却很强。的能力却很强。防静电措施防静电措施（1 1）不使用时，用导电材料屏蔽保存，或将全部引脚短路。）不使用时，用导电材料屏蔽保存，或将全部引脚短路。（2 2）焊接时断开电烙铁电源。）焊接时断开电烙铁电源。（3 3）开机时先加电源后加信号，关机时先断信号后断电源。）开机时先加电源后加信号，关机时先断信号后断电源。（4）不得带电插拔芯片。）不得带电插拔芯片。Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项不同类型逻辑门的配合问题Digital Logic Circuit第6讲 门电路及使用注意事项小结n分立元件门电路nTTL集成门电路n与非门工作原理n外特性参数n几种特殊的门电路nOC门nTS门n门电路使用注意事项