2023學年完整公開課版門電路

第二章門電路2.1半導體器件的開關(guān)特性2.2分立元件門電路2.3TTL集成門電路2.4CMOS集成門電路退出獲得高、低電平的基本方法：利用半導體開關(guān)元件的導通、截止（即開、關(guān)）兩種工作狀態(tài)。邏輯0和1：電子電路中用高、低電平來表示。2.1半導體器件的開關(guān)特性1、二極管的開關(guān)特性邏輯門電路：用以實現(xiàn)基本和常用邏輯運算的電子電路。簡稱門電路?；竞统Ｓ瞄T電路有與門、或門、非門（反相器）、與非門、或非門、與或非門和異或門等。二極管符號：正極負極＋uD－uououi＝0V時，二極管截止，如同開關(guān)斷開，uo＝0V。ui＝5V時，二極管導通，如同0.7V的電壓源，uo＝4.3V。二極管的反向恢復時間限制了二極管的開關(guān)速度。Ui<0.5V時，二極管截止，iD=0。Ui>0.5V時，二極管導通。2、三極管的開關(guān)特性＋－RbRc+VCCbce＋－截止狀態(tài)飽和狀態(tài)iB≥IBSui=UIL<0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)②ui=0.3V時，因為uBE<0.5V，iB=0，三極管工作在截止狀態(tài)，ic=0。因為ic=0，所以輸出電壓：①ui=1V時，三極管導通，基極電流：因為0<iB<IBS，三極管工作在放大狀態(tài)。iC=βiB=50×0.03=1.5mA，輸出電壓：三極管臨界飽和時的基極電流：uo=uCE=UCC-iCRc=5-1.5×1=3.5Vuo=VCC=5V③ui＝3V時，三極管導通，基極電流：而因為iB>IBS，三極管工作在飽和狀態(tài)。輸出電壓：uo＝UCES＝0.3V3、場效應管的開關(guān)特性工作原理電路轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止狀態(tài)ui<UTuo=+VDD導通狀態(tài)ui>UTuo≈02.2分立元件門電路1、二極管與門Y=AB2、二極管或門Y=A+B3、三極管非門①uA＝0V時，三極管截止，iB＝0，iC＝0，輸出電壓uY＝VCC＝5V②uA＝5V時，三極管導通?；鶚O電流為：iB＞IBS，三極管工作在飽和狀態(tài)。輸出電壓uY＝UCES＝0.3V。三極管臨界飽和時的基極電流為：①當uA＝0V時，由于uGS＝uA＝0V，小于開啟電壓UT，所以MOS管截止。輸出電壓為uY＝VDD＝10V。②當uA＝10V時，由于uGS＝uA＝10V，大于開啟電壓UT，所以MOS管導通，且工作在可變電阻區(qū)，導通電阻很小，只有幾百歐姆。輸出電壓為uY≈0V。2.3TTL集成門電路1、TTL與非門①輸入信號不全為1：如uA=0.3V，uB=3.6V3.6V0.3V1V則uB1=0.3+0.7=1V，T2、T5截止，T3、T4導通忽略iB3，輸出端的電位為：輸出Y為高電平。uY≈5―0.7―0.7＝3.6V3.6V3.6V②輸入信號全為1：如uA=uB=3.6V2.1V則uB1=2.1V，T2、T5導通，T3、T4截止輸出端的電位為：uY=UCES＝0.3V輸出Y為低電平。功能表真值表邏輯表達式輸入有低，輸出為高；輸入全高，輸出為低。74LS00內(nèi)含4個2輸入與非門，74LS20內(nèi)含2個4輸入與非門。2、TTL非門、或非門、與或非門、與門、或門及異或門①A=0時，T2、T5截止，T3、T4導通，Y=1。②A=1時，T2、T5導通，T3、T4截止，Y=0。TTL非門①A、B中只要有一個為1，即高電平，如A＝1，則iB1就會經(jīng)過T1集電結(jié)流入T2基極，使T2、T5飽和導通，輸出為低電平，即Y＝0。②A＝B＝0時，iB1、i'B1均分別流入T1、T'1發(fā)射極，使T2、T'2、T5均截止，T3、T4導通，輸出為高電平，即Y＝1。TTL或非門①A和B都為高電平（T2導通）、或C和D都為高電平（T‘2導通）時，T5飽和導通、T4截止，輸出Y=0。②A和B不全為高電平、并且C和D也不全為高電平（T2和T‘2同時截止）時，T5截止、T4飽和導通，輸出Y=1。TTL與或非門與門Y=AB=AB或門Y=A+B=A+B異或門3、OC門及TSL門問題的提出：為解決一般TTL與非門不能線與而設計的。①A、B不全為1時，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接電阻R后：②A、B全為1時，uB1=2.1V，T2、T3飽和導通，Y=0。外接電阻R的取值范圍為：OC門TSL門①E＝0時，二極管D導通，T1基極和T2基極均被鉗制在低電平，因而T2～T5均截止，輸出端開路，電路處于高阻狀態(tài)。結(jié)論：電路的輸出有高阻態(tài)、高電平和低電平3種狀態(tài)。②E＝1時，二極管D截止，TSL門的輸出狀態(tài)完全取決于輸入信號A的狀態(tài)，電路輸出與輸入的邏輯關(guān)系和一般反相器相同，即：Y=A，A＝0時Y＝1，為高電平；A＝1時Y＝0，為低電平。TSL門的應用：①作多路開關(guān)：E=0時，門G1使能，G2禁止，Y=A；E=1時，門G2使能，G1禁止，Y=B。②信號雙向傳輸：E=0時信號向右傳送，B=A；E=1時信號向左傳送，A=B。③構(gòu)成數(shù)據(jù)總線：讓各門的控制端輪流處于低電平，即任何時刻只讓一個TSL門處于工作狀態(tài)，而其余TSL門均處于高阻狀態(tài)，這樣總線就會輪流接受各TSL門的輸出。4、TTL系列集成電路及主要參數(shù)TTL系列集成電路①74：標準系列，前面介紹的TTL門電路都屬于74系列，其典型電路與非門的平均傳輸時間tpd＝10ns，平均功耗P＝10mW。②74H：高速系列，是在74系列基礎(chǔ)上改進得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時間tpd＝6ns，平均功耗P＝22mW。③74S：肖特基系列，是在74H系列基礎(chǔ)上改進得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時間tpd＝3ns，平均功耗P＝19mW。④74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基礎(chǔ)上改進得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時間tpd＝9ns，平均功耗P＝2mW。74LS系列產(chǎn)品具有最佳的綜合性能，是TTL集成電路的主流，是應用最廣的系列。TTL與非門主要參數(shù)（1）輸出高電平UOH：TTL與非門的一個或幾個輸入為低電平時的輸出電平。產(chǎn)品規(guī)范值UOH≥2.4V，標準高電平USH＝2.4V。（2）高電平輸出電流IOH：輸出為高電平時，提供給外接負載的最大輸出電流，超過此值會使輸出高電平下降。IOH表示電路的拉電流負載能力。（3）輸出低電平UOL：TTL與非門的輸入全為高電平時的輸出電平。產(chǎn)品規(guī)范值UOL≤0.4V，標準低電平USL＝0.4V。（4）低電平輸出電流IOL：輸出為低電平時，外接負載的最大輸出電流，超過此值會使輸出低電平上升。IOL表示電路的灌電流負載能力。（5）扇出系數(shù)NO：指一個門電路能帶同類門的最大數(shù)目，它表示門電路的帶負載能力。一般TTL門電路NO≥8，功率驅(qū)動門的NO可達25。（6）最大工作頻率fmax：超過此頻率電路就不能正常工作。（7）輸入開門電平UON：是在額定負載下使與非門的輸出電平達到標準低電平USL的輸入電平。它表示使與非門開通的最小輸入電平。一般TTL門電路的UON≈1.8V。（8）輸入關(guān)門電平UOFF：使與非門的輸出電平達到標準高電平USH的輸入電平。它表示使與非門關(guān)斷所需的最大輸入電平。一般TTL門電路的UOFF≈0.8V。（9）高電平輸入電流IIH：輸入為高電平時的輸入電流，也即當前級輸出為高電平時，本級輸入電路造成的前級拉電流。（10）低電平輸入電流IIL：輸入為低電平時的輸出電流，也即當前級輸出為低電平時，本級輸入電路造成的前級灌電流。（11）平均傳輸時間tpd：信號通過與非門時所需的平均延遲時間。在工作頻率較高的數(shù)字電路中，信號經(jīng)過多級傳輸后造成的時間延遲，會影響電路的邏輯功能。（12）空載功耗：與非門空載時電源總電流ICC與電源電壓VCC的乘積。2.4CMOS集成門電路1、CMOS非門（1）uA＝0V時，TN截止，TP導通。輸出電壓uY＝VDD＝10V。（2）uA＝10V時，TN導通，TP截止。輸出電壓uY＝0V。2、CMOS與非門、或非門、與門、或門、與或非門和異或門CMOS與非門①A、B當中有一個或全為低電平時，TN1、TN2中有一個或全部截止，TP1、TP2中有一個或全部導通，輸出Y為高電平。②只有當輸入A、B全為高電平時，TN1和TN2才會都導通，TP1和TP2才會都截止，輸出Y才會為低電平。CMOS或非門①只要輸入A、B當中有一個或全為高電平，TP1、TP2中有一個或全部截止，TN1、TN2中有一個或全部導通，輸出Y為低電平。②只有當A、B全為低電平時，TP1和TP2才會都導通，TN1和TN2才會都截止，輸出Y才會為高電平。與門Y=AB=AB或門Y=A+B=A+BCMOS與或非門CMOS異或門3、CMOSOD門、TSL門及傳輸門CMOSOD門CMOSTSL門①E=1時，TP2、TN2均截止，Y與地和電源都斷開了，輸出端呈現(xiàn)為高阻態(tài)。②E=0時，TP2、TN2均導通，TP1、TN1構(gòu)成反相器。可見電路的輸出有高阻態(tài)、高電平和低電平3種狀態(tài)，是一種三態(tài)門。CMOS傳輸門①C＝0、，即C端為低電平（0V）、端為高電平（＋VDD）時，TN和TP都不具備開啟條件而截止，輸入和輸出之間相當于開關(guān)斷開一樣。②C＝1、，即C端為高電平（＋VDD）、端為低電平（0V）時，TN和TP都具備了導通條件，輸入和輸出之間相當于開關(guān)接通一樣，uo＝ui。4、CMOS數(shù)字電路的特點及使用時的注意事項（1）CMOS電路的工作速度比TTL電路的低。（2）CMOS帶負載的能力比TTL電路強。（3）CMOS電路的電源電壓允許范圍較大，約在3～18V，抗干擾能力比TTL電路強。（4）CMOS電路的功耗比TTL電路小得多。門電路的功耗只有幾個μW，中規(guī)模集成電路的功耗也不會超過100μW。（5）CMOS集成電路的集成度比TTL電路高。（6）CMOS電路適合于特殊環(huán)境下工作。（7）CMOS電路容易受靜電感應而擊穿，在使用和存放時應注意靜電屏蔽，焊接時電烙鐵應接地良好，尤其是CMOS電