单元12 门电路.docx

单元12 门电路.docx

《单元12 门电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单元12 门电路.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

单元12门电路

第十三单元门电路

（3学时——第39～41学时）

主要内容：

门电路的构成与逻辑功能分析

教学重点：

门电路的逻辑功能

教学难点：

门电路的逻辑功能分析

教学方法：

启发式教学、探究式教学

教学手段：

实验、理论、实际应用相结合

第一部分知识点

一、基本逻辑门电路

1、二极管与门

输入A、B、C有一个为低电平0时，低电平对应的二极管正偏导通，其余二极管反偏截止，使得输出Y为低电平0；只有全部输入A、B、C均为高电平1时，所有二极管均反偏截止，使得输出Y为高电平1。

2、二极管或门

输入A、B、C有一个为高电平1时，高电平对应的二极管正偏导通，其余二极管反偏截止，使得输出Y为高电平1；只有全部输入A、B、C均为低电平0时，所有二极管均正偏导通，使得输出Y为低电平0。

3、三极管非门

输入A为高电平1时，三极管处于饱和导通状态，输出Y为低电平0；输入A为低电平0时，三极管处于截止状态，输出Y为高电平1。

4、MOS管非门

输入A为低电平0时，栅源电压小于开启电压，场效应管处于截止状态，输出Y为高电平1；输入A为高电平1时（高于开启电压），场效应管处于导通状态，输出Y为低电平0。

二、CMOS集成门电路

CMOS集成门由P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管互补对称构成。

1、CMOS反相器

（1）基本点路

反相器即非门。

假设MOS管开启电压UTN＝－UTPN＝2V。

输入A为低电平0V时，UGSN＝0V＜UTN、TN截止，UGSP＝－10V＜UTP、TP导通，输出Y为高电平1；

输入A为高电平10V时,UGSN＝10V＞UTN、TN导通，UGSP＝0V＞UTP、TP截止，输出Y为低电平0。

（2）带输入端保护功能点路

栅极与沟道之间的SiO2绝缘层厚度约为10-8米，容易受干扰影响（所以输入端不得悬空）、电压超标时容易击穿损坏。

为此加入保护电路。

R、D1、D2、D3构成抗干扰电路。

若输入高于VDD＋UD或低于－UD时，相应二极管导通，使栅源电压控制在－UD～（UD＋VDD）之间。

R、C1、C2构成积分电路，消除输入干扰信号。

（3）静态特性

①输入特性

输入端所加电压uI与输入电流iI之间的关系。

当A在－UD～（UD＋VDD）时，iI≈0——MOS管输入电流为0；

当A＞（UD＋VDD）时，保护二级管D3导通，iI从输入端流入而流向VDD——相当于二级管正向导通特性；

当A＜－UD时，保护二级管D1导通，iI自D1、R流出输入端。

输入电流关系实际上是保护网络的电流关系——近似为二级管的正向特性。

CMOS电路的输入端不得悬空，否则TN、TP无法工作而导致逻辑混乱。

②输出特性

输出端电压uo与输出电流io之间的关系。

当A＝0时，输出为1，输出电流由门向外流向负载——此时负载为拉电流负载，反向器能输出的最大电流IOH称为“带拉电流负载的能力”；

当A＝1时，输出为0，输出电流由负载向内流入门——此时负载为灌电流负载，反向器能灌入的最大电流IOL称为“带灌电流负载的能力”。

若VDD降低，导电沟道变窄，使得UOH下降、UOL上升，带负载能力变差。

③传输特性

输入端电压与输出端电压之间的关系及输入端电压与漏极电流（由VDD经TP、TN流向地的电流）之间的关系。

AB段：

uI＜UTN，TN截止、TP导通，uO＝VDD、iD＝0；

BC段：

uI＞UTN，TN开始导通，但导通电阻较大，uO略有下降、iD开始增加；

CD段：

uI在0.5VDD附近，TN、TP均导通，uO急剧下降、iD增至最大；

DE、EF段与AB、BC段相反。

uI＝0.5VDD叫作反向器的转折电压或阈值电压，用UT表示。

（4）动态特性

①传输延迟时间

输入电压与输出电压之间的关系传输关系。

tPHL：

输出由高电平变为低电平的传输延迟时间；

tPLH：

输出由低电平变为高电平的传输延迟时间；

平均传输延迟时间：

。

②输出端状态转换时间

输入信号变化时，输出信号发生变化，输出电压高低转换时间称为输出端状态转换时间。

tTHL：

输出由高电平到低电平的转换时间；

tTLH：

输出由低电平到高电平的转换时间。

2、CMOS与门、或门、与非门、或非门

出逻辑功能外，其他性质类似非门。

3、CMOS传输门、三态门

（1）传输门

传输门是一种传送模拟信号的压控开关（可双向传送）。

靠控制信号

、

来控制传输情况：

（1）C=1、

=0，两MOS门均导通——传输门导通，uo=ui

（2）C=0、

=1，两MOS门均截止——传输门截至，输入与输出断开。

（2）三态门

三态门是一种具有使能控制端的逻辑门，具有高1、低0、高阻Z三种状态。

使能时电路具有正常逻辑功能，否则为高阻（相当于输出端悬空）。

低电平有效三态门具体逻辑功能如下：

，TP1、TN1导通，TP2、TN2构成反向器——

，TP1、TN1截止，TP2、TN2进一步也截止——

高电平有效三态门具体逻辑功能如下：

，

，

三态门分为三态非门（反向器）、三态与非门、三态缓冲门等。

（3）漏极开路门（OD门）

输出MOS管的漏极是开路的，使用时必须加上上拉电阻及电源（否则不能工作）。

OD门可以实现线与的逻辑门（但使用时必须加上上拉电阻及电源）。

4、CMOS集成逻辑门主要特点

（1）功耗极低（一般不超过100uW）；

（2）电源电压范围宽（可达几V～十几V之间）；

（3）高干扰能力强；

（4）逻辑电平差别大（低电平约为0V、高电平约为VDD）

（5）输入电阻极高（可达108Ω以上）；

（6）扇出系数（可带同类门的数目）大（可达几十）；

（7）集成度高；

（8）抗辐射能力强；

（9）成本低。

5、CMOS集成逻辑门使用注意事项

（1）输入端不可悬空；

（2）输入端接有电阻时，电阻可视为短路。

三、TTL与非门

1、TTL反向器（非门）

（1）电路构成

输入低电平0V时，T1基极电流流入发射极（电流自反向器输入端流出），使得IB2为0，则T2截止，进一步T4也截止，而T3和D饱和导通（因为流经R2的电流几乎全部流向T3），输出为高电平。

因为输出三极管T4截止，电路此时状态叫做截止状态（输入低电平、输出高电平）；

输入高电平3.6V时，T1处于倒置状态（发射极和集电极颠倒），电流自反向器输入端流入，进而较大电流流入T2基极，使得T2饱和导通，进一步T4也导通，而T3基极电位较低，使得T3和D截止（因为流经R2的电流几乎全部流向T2），输出为低电平。

因为输出三极管T4导通，电路此时状态叫做导通状态（输入高电平、输出低电平）；

由以上分析看出，电路为反向器（非门）。

（2）静态特性

①输入特性

输入伏安特性：

输入端电压和输入电流之间的关系。

当uI＝0（0V）时，

，称为输入端短路电流，由反向器输入端流出的电流；

当uI＝1（3.6V）时，iS＝ISH≈0.01mA，称为输入端漏电流，又叫输入高电平电流，流入反向器输入端的电流。

输入端负载特性：

输入端电阻和电压之间的关系。

当Ri＝∞时（输入端悬空），uO＝UOL≤0.3V，反向器处于导通状态。

实际上，只需Ri≥2.5k，既可保证反向器处于导通状态（输出低电平），常将2.5k称作开门电阻，记作Ron

当Ri＝0时，uO＝UOH＝3.6V，反向器处于截止状态或关断状态（输出高电平）。

实际上，只需Ri≤0.7k，既可保证反向器处于截止状态，常将0.7k称作关门电阻，记作Roff

若Roff≤Ri≤Ron，反向器处于不正常工作状态——逻辑混乱，要禁止。

②输出特性（输出伏安特性）

输出电压和输出电流之间的关系。

带灌电流负载特性（uI＝1，uO＝0）：

此时电路处于导通状态——T4导通、T3和D截止。

负载外加电源形成电流，流向反向器内部（灌入电流）。

带灌负载能力IOL可达16mA。

带灌电流负载时，输出低平有所上升（串联分压所致）。

带拉电流负载特性（uI＝0，uO＝1）：

此时电路处于截止状态——T4截止、T3和D导通。

在负载上形成电流，由反向器流向负载（拉出电流）。

带拉负载能力IOH一般为400uA。

当RL＝0（输出短路）时，IOH可达33mA，IOS＝33mA叫输出短路电流，但短路时间不得超过1s，否则烧坏器件。

带拉电流负载时，输出高电平有所下降（串联分压所致）。

③电压传输特性

输入电压和输出电压之间的关系。

AB段：

uI＜0.6V时，uB1＜1.3V，T2、T4截止，T3、D导通，输出高电平3.6V——截止区。

BC段：

uI＞0.6V后，uB1升高，T2导通、T4处于放大状态，输出随uI增加而线性下降——线性区。

CD段：

uI＞1.4V，T2导通、T4也导通，使得输出急剧下降——转折区。

转折区中心对应的电压称作反向器的阈值电压或门槛电压，用Uth表示。

Uth＝1.4V。

DE段：

uI＞1.5V后，T2、T4导通，，T3、D截止，输出低电平0.3V——饱和区。

（3）动态特性

传输延迟时间

输入电压和输出电压之间的关系。

tPHL：

输出有高电平变为低电平的传输延迟时间；

tPLH：

输出有低电平变为高电平的传输延迟时间；

：

平均传输延迟时间

产品规定典型值：

tPHL＝8ns、tPLH＝12ns，最大值tPHL＝15ns、tPLH＝22ns

2、TTL与非门、或非门等

（1）TTL与非门

输入A、B有一个（或全部）为低电平时，T1基极电流流入发射极（电流自反向器输入端流出），使得IB2为0，则T2截止，进一步T4也截止，而T3和D饱和导通，输出为高电平。

因为输出三极管T4截止，电路此时状态叫做截止状态（输入低电平、输出高电平）；

输入A、B均为高电平时，T1处于倒置状态（发射极和集电极颠倒），电流自反向器输入端流入，进而较大电流流入T2基极，使得T2饱和导通，进一步T4也导通，而T3基极电位较低，使得T3和D截止，输出为低电平。

因为输出三极管T4导通，电路此时状态叫做导通状态（输入高电平、输出低电平）；

由以上分析看出，电路为与非逻辑。

（2）TTL或非门

略。

（3）TTL集电极开路门（OC门）

输出三极管T4集电极开路，使用时必须外接负载和直流电源。

OC门可实现线与。

（4）TTL三态门

三态门是一种具有使能控制端的非门。

使能时电路具有正常逻辑功能，否则为高阻（相当于输出端开路悬空）。

三态门分为三态与非门、三态非门（反向器）、三态缓冲门等。

三态门应用举例：

①用作多路开关

根据

的取值，让G0或G1工作，使得数据A0或A1反向后传输到输出端。

②用于信号双向传输

根据

的取值，让G0或G1工作，使得数据

或

，实现数据双向传输。

③构成数据总线

工作时每次只传送一个数据。

为此只让某一个门Gi使能，使得数据Ai传送到数据总线上。

3、TTL集成逻辑门使用注意事项

（1）输入端可悬空，悬空时该输入端视为高电平（但一般不做悬空处理）；

（2）输入端可接电阻，但所接电阻应该是大电阻——大于Ron（约2.5k）或小电阻——小于Roff（约0.7k）。

且：

某输入端所接电阻大于Ron（约2.5k）时，该电阻可视为无限大，或输入端视为悬空，输入端为高电平；某输入端所接电阻小于Roff（约0.7k）时，，该电阻可视为0，该输入端视为短路，视为高电平；

输入端不可接中值，即若Roff≤Ri≤Ron，反向器处于不正常工作状态——逻辑混乱，要禁止。

第二部分题目分析

题1：

图中各电路均有TTL逻辑门构成，Ron＝1k、Roff＝0.7k。

分别写出各电路表达式；若a、d是COMS门，再写出其表达式（西安电子科技大学2005年试题）

解：

TTL门：

（a）门1对应3k输入端相当于高电平1、门2对应0.3k输入端相当于低电平0，故

（b）C＝0时，门1输出

、门2为高阻，仅有门1输出；C＝1时，门1为高阻、门2输出

，仅有门2输出。

故

（c）两个OC门线与，

（d）门2的3k输入端相当于悬空——高电平。

故

COMS门

（a）3k、0.3k对应输入端均为低电平。

故

（d）3k输入端相当于低电平。

故

要点：

TTL门输入端悬空或接大电阻（一般大于2.5k）相当于高电平；解小电阻（小于0.7k）相当于短路；COMS门接任意电阻均视为短路。

题2：

试问下列电路能否正常工作？

能正常工作者写出逻辑函数，不能正常工作者说明原因。

其中a、b为TTL门，c、d为COMS门。

（浙江大学2005年试题）

解：

（a）OC门线与时必须有上拉电阻和电源，故该电路有误。

（b）TTL与非门不可线与，故该电路有误。

（c）电路为三态门和传输门的连接。

当E＝1时，G1门和G3门为高阻，G1门为与非逻辑，故F3＝Z；

当E＝0时，G1门为与非逻辑，G2门为高阻，G3门导通，故

。

（d）当C＝1时，F4＝Z；

当E＝0时，F4＝A。

要点：

三态门、OC门、COMS门特性。