第二模塊：門電路資料.doc

1、第二模塊:邏輯門電路一本模塊學習目標1掌握CMOSTTL集成門電路的外部特性與主要參數,了解它們的邏輯電路結構2熟練掌握幾種常用CMOSLSTTL和普通TTL集成芯片的邏輯功能及其應用二本模塊重點內容1半導體二極管和三極管的開關特性1)半導體二極管的單向導電特性和開關等效電路2)雙極性三極管的基本工作原理工作在截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)的條件和特性開關等效電路3)N溝道增強型和P溝道增強型MOS管的基本工作原理導通截止的條件開關等效電路2TTL門電路1)門電路的電壓傳輸特性及主要參數2)三態(tài)門和OC門的用法,OC門外接上拉電阻的計算3CMOS門電路1)CMOS反向器的電路結構和工作原理2)CMOS反向

2、器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性三本模塊問題釋疑1從工作條件偏置情況集電極電流管壓降等幾方面來說明晶體管飽和放大截止三種工作狀態(tài)的特點答:(1)放大狀態(tài):靜態(tài)工作點設置在線性放大區(qū),工作在小信號條件下發(fā)射結為正向偏置(對NPN管VBE0),集電結為反向偏置(對NPN管VBC0)集電極電流IC與基極電流IB成正比(IC=IB)管壓降VCE(sat)VCEVDC(2)飽和狀態(tài):靜態(tài)工作點處于飽和區(qū),工作在大脈沖信號條件下發(fā)射結和集電結均處于自向偏置管壓降VCC(sat)0(對NPN硅管VBE=0.7V,VCE(sat)0.3V)(3)截止狀態(tài):靜態(tài)工作點處于截止區(qū),對NPN硅管VBE0V發(fā)射結和集電結均

3、處于反向偏置IB0,ICICEO0VCEUCC影響二極管開關速度的主要因素是什么?解:影響二極管開關速度的主要因素是由荷存儲效應,反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間2a.數字電路中的BJT工作在何種工作狀態(tài)?它與放大電路中的BJT有何不同答:在數字電路中,BJT大多數工作在開關狀態(tài),即工作在截止區(qū)和飽和區(qū),相當于開關的“開通”和“關斷”在放大電路中BJT多數工作在放大區(qū)b.影響B(tài)JT開關速度的有哪些因素?答:BJT的開關時間即開通時間和關閉的時間限制了BJT開關速度開通時間就是建立基區(qū)電荷的時間關閉時間就是存儲電荷消散的時間3.集成門按內部有源器件可分為幾類?答:分為兩類,一類為雙極型晶

4、體管集成電路,另一類為單極型MOS集成電路4.門電路按集成度可分為幾類?答:門電路按集成度可分為小規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路5.什么是“線與”?答:在實際使用中,可直接將幾個邏輯門的輸出端相連,這種輸出直接相連,實現輸出與功能的方式稱為“線與”6.什么是三態(tài)門?答:所謂三態(tài)門,是指邏輯門的輸出除有高低電平兩種狀態(tài)外,還有第三種狀態(tài)高阻狀態(tài)的門電路7.TTL集成門電路使用注意事項?答:TTL集成門電路使用注意事項如下:(1)電源電壓應滿足在標準值5V+10%的范圍內;(2)TTL電路的輸出端所接負載,不能超過規(guī)定的扇出系數;(3)注意TTL門多余輸入端的處理方法8

5、.與非門多余端的處理方法?答:與非門多余端的處理的原則是以不破壞其邏輯關系為基礎其處理方法有三種:(1)多余端接電源;(2)通過R接電源;(3)與使用輸入端并聯9CMOS集成電路使用注意事項?答:CMOS集成電路使用注意事項如下:a) 避免靜電損失有放CMOS電路要用金屬將管腳短接起來或用金屬盒屏蔽;b) 多余輸入端的處理方法CMOS電路的輸入阻抗高,易受外界干擾,所以多余輸入端不允許是空,應根據邏輯要求接電源接地或與其它輸入端連接10TTL與非門可否實現線與?如何解決?答:TTL與非門有一條共同的禁忌,即不得將兩個或多個與非門的輸出端并聯使用,否則將會使器件損壞為了實現線與,提出了兩種新的器

6、件即集電極開路門及漏極開路門電路11當TTL門電路驅動CMOS門電路時,是否需要加接口電路?答:一般情況下,TTL門路驅動CMOS門由于電壓不兼容,需加接口電路但當TTL驅動CMOSHCT時,由于電壓參數兼容,不需另加接口電路12為什么說電壓電流參數為門電路之間主要接口參數?答:因為采用接口電路,要滿足:驅動器件對負載器件提供灌電流最大值以及足夠大的拉電流驅動器件的輸出電壓必須處在負載器件所要求的輸入電壓范圍13使用集成電路應注意什么?答:注意事項如下:a)對于各種集成電路,使用時一定要在推薦的工作條件范圍內,否則將導致性能下降或損壞器件b)數字集成電路中多余的輸入端在不改變邏輯關系的前提下可

7、以并聯起來使用,也可根據邏輯關系的要求接地或接高電平TTL電路多余的輸入端懸空表示輸入為高電平;但CMOS電路,多余的輸入端不允許懸空,否則電路將不能正常工作TTL電路和CMOS電路之間一般不能直接連接,而需利用接口電路進行電平轉換或電流變換才可進行連接,使前級器件的輸出電平及電流滿足后級器件對輸入電平及電流的要求,并不得對器件造成損害14CMOS邏輯門電路與TTL電路相比有哪些優(yōu)點?為什么說,從發(fā)展的觀點來看,CMOS器件有取代TTL電路的趨勢答:與TTL電路相比,CMOS邏輯門靜態(tài)功耗小;允許電源電壓范圍寬;扇出系數大;抗噪容限大;帶負載能力強;集成度等從發(fā)展趨勢來看,由于制造工藝的改進和

8、上述優(yōu)點,CMOS電路的性能有可能超越TTL而成為占主要地位的邏輯器件四本模塊例題詳解【例1】某TTL與非門電壓傳輸特性如圖2-1 (a)所示,輸入級電路如圖2-1(b)所示;輸出高電平時允許的最低高電平;輸出低電平時允許的最高低電平圖2-1(a) TTL與非門電壓傳輸特性圖2-1(b) TTL與非門輸入級電路(1)求該門的關門電平和開門電平各為多少?(2)當該TTL與非門驅動同類負載門時,求輸入高電平抗干擾容限和輸入低電平抗干擾容限;(3)當該TTL與非門有一個輸入端接電阻R,其余輸入端懸空時,求該門的開門電阻和關門電阻解:(1)根據關門電平的定義可知,是使與非門保持關門狀態(tài)的最大輸入電壓,

9、從圖2-1(a)所示電壓傳輸特性可看出,當時所對應的輸入電壓為1.3V,所以根據開門電平的定義可知,是使與非門保持開門狀態(tài)的最小輸入電壓,從圖2-1(a)所示特性圖可看出,當時所對應的輸入電壓為1.5V,所以(2)根據抗干擾容限的定義:與非門輸入高電平抗干擾容限與非門輸入低電平抗干擾容限(3)觀察圖2-1(b)所示,圖中與對電源構成分壓器,上的降壓就成為該門的輸入電壓為若,則與非門輸出低電平即處于開門狀態(tài),這時所對應的R臨界阻值就是開門電阻所以,求得(若需該與非門輸出低電平,則應使)若,則與非門輸出高電平即處于關門狀態(tài),這時所對應的R的臨界阻值就是關門電阻所以,求得(若需該非門輸出高電平,則應

10、使)注意:在上述兩種情況下代入公式的值是不同的討論與非門的開門狀態(tài)時為2.1V;討論與非門的關門狀態(tài)時為0.7V【例2】TTL與非門電路如圖2-2(a)所示,TTL與非門內部輸入級電路如圖2-2(b)所示,試問:(1)若使與非門輸出,R阻值應為多少?(2)若使與非門輸出,R阻值應為多少?解: (1)與非門內部輸入級電流幾乎全部流過外接電阻R,設電阻上的壓降為,因為要求,即要求與非門處于關門狀態(tài),所以(設關門電平)應有下式成立:即求得(2)設電路剛接上電源時,流過的電流仍然全部流過外接電阻R,因為要求,即要求與非門處于開門狀態(tài),所以(設開門電平)應有下式成立:即求得【例3】電路如圖2-3(a)(

11、b)(c)(d)所示,試找出電路中的錯誤,并說明為什么圖2-3 電路圖解:圖(a):電路中多余輸入端接“1”是錯誤的,或門有一個輸入為1,輸出即為1圖(b):電路中多余輸入端接“0”電平是錯誤的,與門輸入有一個為0,輸出即為0圖(c):電路中兩個與門輸出端并接是錯誤的,會燒壞器件因為當兩個與非門的輸出電平不相等時,兩個門的輸出級形成了低阻通道,使得電流過大,從而燒壞器件圖(d):電路中兩OC門輸出端雖能并接,但它們沒有外接電阻至電源,電路不會有任何輸出電壓,所以是錯誤的【例4】在圖2-4中有兩個接為線與的OC門它們的輸出驅動三個基本TTL門,接入的輸入端分別為223個設OC門輸出低電平時允許灌

12、入的最大電流為14mA,輸出高電平時輸出管截止的反向漏電流為0.25mA;TTL與非門的輸入短路電流為1.6mA,每個輸入端的反向漏電流為0.05mA試求外接負載電阻的取值范圍(要求)解:解題時要分OC門輸出是高電平和低電平兩種情況(1)OC門輸出為高電平此時流過電路中各種電流的方向如圖2-4(a)中箭頭所示負載電阻上的電流為(a)OC門輸出為高電平 (b)OC門輸出為低電平圖2-4 兩個OC門驅動三個與非門因為的增大會使輸出高電平下降,所以應為注意:在計算時,對接入電路的每一個輸入端的反向漏電流都要計算在內(2)OC門輸出為低電平此時流過電路中各種電流的方向如圖2-4(b)中箭頭所示負載電阻

13、上的電流為由于的減小會使輸出低電平抬高,所以應為故注意:在計算時,只考慮一個OC的輸出為低電平,因為這是輸出低電平時還負載的最不利的情況同時各個門的輸入短電流的大小與接入電路的輸入端個數無關【例5】用增強型NMOS管構成的電路如圖2-5(a)所示試寫出F的邏輯式;并用NMOS管畫出更加簡化而邏輯功能不變的電路解:解題時首先要分清哪些管子是負載管,哪些管子是開關管,只有在一個負載管的源極與開關管的漏極連接節(jié)點上才能輸出倒相的邏輯函數該題電路圖中只有是負載管,其余的都是開關管在開關管中再看哪些是串接的,哪些是并接的對于相互串接的開關管,它們柵極上所加的變量互為與邏輯;對于相互并接的開關管,它們柵極

14、上所加的變量互為或邏輯根據以上分析原則,可得函數所得簡化電路如圖2-5(b)所示(a)增強型NMOS管構成的電路圖 (b)簡化后的NMOS管構成的電路圖圖2-5 電路圖【例6】指出圖2.1所示電路的輸出邏輯電平是高電平低電平還是高阻態(tài)已知圖(a)中的門電路都是74系列的TTL門電路,圖(b)中的門電路為CC4000系列的CMOS門電路圖2.1 解: TTL門電路的輸入端懸空時,相當于高電平輸入,輸入端接有電阻時,其電阻阻值大于1.4K時,該端也相當于高電平,電阻值小于0.8K時,該端才是低電平而CMOS邏輯門電路,輸入端不管是接大電阻還是接小電阻,該端都相當于低電平(即地電位)所以有如下結論:(a) 為低電平狀態(tài);是低電平狀態(tài);是高電平狀態(tài);輸出為高阻狀態(tài);(b) 輸出為高電平;輸出是低電平狀態(tài);輸出是低電平狀態(tài);【例7】試畫出圖2.2三態(tài)門和TG門的輸出電壓波形其中AB電壓波形如圖題2.2所示圖2.2解:【例8】圖題2.3所示電路為CMOS門電路,試分析各電路輸出邏輯功能,并寫出各電路的輸出邏輯函數式設二極管正向導電時的壓降為0.7V圖2.3解:(a)是一個六輸入的與非邏輯關系;(b)是一個六輸入的或非邏輯關系(c)五輸入與非邏輯關系;(d)【例9】試畫出圖2.4所示電路輸出端的電壓波形其中輸入AB 的波形