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杭州电子科技大学数电第三章门电路-PPT精品文档45页_图文


《脉冲与数字电路》
第三章 门电路
(张珣)
杭州电子科技大学电子信息学院
2019

1、二极管开关特性:
特性
正向导通 反向截止 反向击穿
VTH
硅管:0.7-0.8V 锗管:0.3V
IS Si 1μA
Ge 10 μ A VBR

2、理想二极管开关特性应用 1〉串联二极管限幅器
思考1:若Vi=7Sin(wt) V,则Vo=? 思考2:若D反接,则Vo=?

2〉并联二极管限幅器

3〉二极管钳位电路

3、非理想二极管开关特性
导通转向截止,由 于结电容影响存在 反向恢复时间Toff

3、非理想二极管开关特性(续) 1〉改进电路
2〉肖特基二极管
特点: 开关速度快 正向域值小,0.3v

4、三极管开关特性(工作状态)
截止:Ib=0,Ic=0, Uce=Vcc; 放大: IbS >Ib> 0, Ic=βIb; Uce=Vcc-IcRc 饱和: Ib> IbS, Ic = Vcc/Rc, Uce=0

4、三极管开关特性(分布电容)

5、三极管开关参数
接通时间 Ton 断开时间 Toff

5、场效应管开关

5、场效应管开关(总结)

6、二极管门电路

门电路结构(RTL,DTL,TTL) 1、电阻-晶体管逻辑门(RTL)
电路符号
特点:采用无源上拉电阻式输出电路,
输出高低电平时内阻不同,高电平负载能力差。 驱动同类门数目少;传输延迟大,已淘汰。

2、二极管-晶体管逻辑门(DTL)
电路符号
特点:输出高电平时,驱动的同类门输入二极管截止,
不影响负载能力。传输延迟也较大,已淘汰。

3、晶体管-晶体管逻辑门(TTL) 1>标准TTL门
低电平<0.8V 高电平〉2V
特点:可以提供较大的输出拉电流和灌电流。 传输延迟大,功耗大。

2〉改进型TTL逻辑门 a>低功耗L-TTL:(去掉D1D2,增大电阻阻值)
特点:功耗低,传输延迟变长。
b>快速型H-TTL:
(降低电阻提高速度, 采用达林顿输出,降 低输出内阻,提高负 载能力)
特点:延时小<6ns,功耗大。

2〉改进型TTL逻辑门(续1)
c>肖特基(SBD)型门电路(S-TTL)
SBD正向压降低(0.3V),无存储效应,与TTL兼 容,具有抗饱和特性,开关速度快。

2〉改进型TTL逻辑门(续2) d>低功耗型 肖特基门电路(LS-TTL)
开关速度较快,功耗低。

2〉改进型TTL逻辑门(续3) e>高速型 肖特基门电路(AS-TTL,ALS-TTL,F-TTL)
开关速度最快,功耗最低。

4、 TTL逻辑门外部特性和参数
1>域值电平: 1.0V(LS),1.3V(S),1.5V(F),1.4V(标准)
2>关门电平:VOFF=VILMAX=0.8V 3>开门电平: VON=VIHMIN=2.0V 4>高电平噪声容限:VNH= VOHMIN - VIHMIN 5>低电平噪声容限: VNL= VILMAX – VOLMAX 6>输入输出特性和参数(p88)
VILMAX, VIHMIN,VOLMAX, VOHMIN IILMAX,IIHMAX,IOLMAX,IOHMAX

4、 TTL逻辑门外部特性和参数(续1)
7>扇出系数: (反映负载能力强弱) 定义:门电路驱动同类门的数目。
N =I /I OL OLmax ILmax
N =I /I OH OHmax IHmax
取最小的作为标称 扇出系数No.
TTL: No=10 LS: No=20 F: No =33

4、 TTL逻辑门外部特性和参数(续2)
8>其他:
工作温度:军品(54系列) –55 ~ +125摄氏度 民品(74系列) 0 ~ +70摄氏度
工作电压:推荐值 5V 极限值+-0.5
功耗:PH=ICCHVCC P =I V L CCL CC
平均功耗P=(PL+ PH)/2

5、晶体管-晶体管逻辑门(TTL)
标准TTL门: 低电平<0.8V,高电平〉2V
结论:1.TTL电路的输入不能为负; 2.TTL门电路的输入端在输入低电平时
电流高于输入为高电平的电流。

6、TTL逻辑门外部特性和参数
转 移 特 性 曲 线
1>域值电平:1.0V(LS),1.4V(标准)
2>关门电平:VOFF=VILMAX=0.8V
3>开门电平: VON=VIHMIN=2.0V

6、TTL逻辑门外部特性和参数(续1)
抗 干 扰 性 能
4>高电平噪声容限:VNH= VOHMIN - VIHMIN 5>低电平噪声容限: VNL= VILMAX – VOLMAX 6>输入输出特性和参数 VILMAX, VIHMIN,VOLMAX, VOHMIN IILMAX,IIHMAX,IOLMAX,IOHMAX

6、TTL逻辑门外部特性和参数(续2)
输 入 负 载 特 性 曲 线
输入端接电阻到地时,其当电阻大于700欧姆时, 其输入端相当于高电平;
输入端可以悬空,悬空时相当于高电平。

6、TTL逻辑门外部特性和参数(续3)
输 出 负 载 特 性 曲 线

6、TTL逻辑门外部特性和参数(续4)
扇出系数: (反映负载能力强弱)
定义:门电路驱动同类门的数目。
N =I /I OL OLmax ILmax
N =I /I OH OHmax IHmax
1、标准输出高电平Vsh=2.4V,典型值Voh=3.2V 2、标准输出低电平Vsl=0.4V,典型值Vil=0.3V 3、输入短路电流Iis≤1.6mA 4、高电平输入电流Iih:一般Iih<50μ A 5、扇出系数:即带负载个数,典型值N0≥8

6、TTL逻辑门外部特性和参数(续5)
工作温度:军品(54系列) –55 ~ +125℃ 民品(74系列) 0 ~ +70 ℃
工作电压:推荐值 5V 极限值5 +/-0.5V
功耗:PH=ICCHVCC P =I V L CCL CC
平均功耗P=(PL+ PH)/2

集电级开路门(OC门)
它与普通TTL门的差别在于用外接电阻R代 替由复合管组成的有源负载。
当n个OC门输出端相连时,一般可共用一 个电阻R,实现与的逻辑(线与)。

集电级开路门(OC门)应用 线 与
F=AB C+D E 其 他 应 用

三态输出门(3S门)
它的输出除了具有一般与非门的两种状态,即输出 电阻较小的高、低电平外,还具有高输出阻抗的第 三状态,称为高阻态。其中E为使能端,A、B为数据 输入端。当E=1时,L=A·B,当E=0时,L为高阻态。

三态输出门(3S门) Example:三态总线驱动器

施密特输入结构
将缓慢变化的波形转换为标准数字电平。 回差特性用于消抖动和去干扰。

发射极耦合逻辑门(ECL)

OE

线





特点:非饱和逻辑电路,开关 速度快;CML,射极输出,抗干 扰,长线传输;功耗大

集成注入逻辑(IIL,I2L)
优点:集成度高、功耗低、工艺简单、适合制作大 规模集成的逻辑阵列; 缺点:开关速度慢,抗干扰性能差,不适合制作功 能部件。

金属-氧化物-半导体逻辑(MOSL)
1、互补MOS反相器(CMOS)
CMOS非门电路:
V1为N沟道增强型MOS管, V2为P沟道增强型MOS管 —CMOS(Complementary MOS互补型MOS)
阈值电压为1/2电源电压, 故CMOS具有较好的电源电压 适应性能。4000系列CMOS电 路的电源电压范围为3~18V, AC、HC系列为2-6V.

CMOS门的特点
*电路相当简单,每一时刻仅一个管子导通, 故其耗电相当节省,静态功耗可忽略;
*阈值为1/2电源处,Vnh、Vnl〉0.3Vdd,故具 有较高的抗干扰性能;
*电压型驱动,输入电流可忽略,扇出能力强, No>50;
*动态功耗与频率有关,频率越高功耗越大;
*开关速度比TTL较慢。

CMOS与非门、或非门
工作过程为: ◆当输入A、B皆为低电平时,V2、V4管子导通,而V1、V3管子处于
截止状态,故输出为高电平; ◆当输入A为高电平B为低电平时,V3导通、V4截止,而V1处于截止、
V2处于导通,故输出为高电平; ◆当输入A为低电平B为高电平时,V3截止、V4导通,而V1处于导通、
V2处于截止,故输出为高电平; ◆当输入A、B皆为高电平时,V1、V3管子处于截止状态,而V2、V4
处于导通,故输出为低电平。

CMOS传输门
左图(a)工作过程如下: ▲设控制信号C和/C分别为高电平和低电平时,输入电压较小
时下面管子导通;输入信号较大时上面管子导通,由于MOS管的源极 和漏极是完全对称的,故两边既然可以当输入又可以当输出,此时其 相当于一个合上的开关;
▲设控制信号C和/C分别为低电平和高电平时,输入电压在0~ VDD范围内其两个管子全部截止,故输入与输出之间相当于开中。 左图(b)为CMOS传输门的逻辑符号。

CMOS模拟开关电路
将这两个控制端用一个非门连接起来,如右图(a)所示, 现在的电路就变成了模拟开关了。这样其仅一个控制端,使 用相当方便,其逻辑符号如右图(b)所示。
模拟开关电路不仅可以通过数字信号,而且可以控制模 拟信号的通和断,广泛使用于模拟信号的接近领域。如电台、
电视台的音视频信号的切换。

CMOS OD门及三态反相器

门电路使用注意事项
电源要求 电源电压有两个电压:额定电源电压和极限电源电压; 额定电源电压指正常工作时电源电压的允许大小:TTL电路为5V±5%(54系
列5V±10%),CMOS电路为3~15V(4000B系列3~18V); 极限工作电源电压指超过该电源电压器件将永久损坏。TTL电路为7V;4000系
列CMOS电路为18V。 输入电压要求
输入高电平电压应大于VIHmin而小于电源电压;输入低电平电压应大于0V 而小于VILmax。输入电压小于0V或大于电源电压将有可能损坏集成电路。 输出负载要求
除OC门和三态门外普通门电路输出不能并接,否则可能烧坏器件; 门电路的输出带同类门的个数不得超过扇出系数,否则可能造成状态不稳定 ;在速度高时带负载数尽可能少; 门电路输出接普通负载时,其输出电流就小于IOLmax和IOHmax。
工作及运输环境问题
温度、湿度、静电会影响器件的正常工作。 74系列TTL可工作在0~70℃,而54系列为-40~125℃,这就是通常的军品工作 温度和民品工作温度的区别; 在工作时应注意静电对器件的影响,一般通过下面方法克服其影响:
在运输时采用防静电包装;使用时保证设备接地良好;测试器件是应先开机 再加信号、关机时先断开信号后关电源。

谢谢



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