单元12 门电路.docx
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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。