第九章 逻辑门电路9.4 TTL集成逻辑门9.1 数字电路的特点及
分析
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方法9.2 晶体管的开关特性9.3 逻辑门电路9.5 COMS集成逻辑门本章小结9.1 数字电路的特点及分析方法 1.数字信号的特点 电路中的数字信号在数值上是不连续的,不随时间连续变化,即为离散的电信号。 2.数字电路的特点 数字电路的基本工作信号是二进制的数字信号,即“0”和“1”,对应在电路上为低电平和高电平。所以电路简单,易于集成化。 3.数字电路的分析方法 数字电路主要是研究逻辑关系。通常,数字电路用逻辑代数、真值表、逻辑图等方法进行分析。9.2 晶体管的开关特性9.2.1 二极管的开关特性 (1)实验电路 ①开关S置A端,VD导通,它呈现的正向压降很小,相当于开关的接通状态。 当二极管的正向电阻和反相电阻有很大差别时,二极管即可作为开关使用。 (2)结论 ②开关S置B端,VD截止,它呈现的反向电阻很大,相当于开关的断开状态。9.2.2 二极管开关的应用 限幅电路又称削波电路。削波就是指将输入波形中不需要的部分去掉。 (1)串联型上限幅电路 1.限幅电路 R:泄放电阻,为电路中可能接入的电容提供放电回路。 ①电路9.2 晶体管的开关特性 ②工作过程 v1≥0→VD截止→vo=0 v1≤0→VD导通→vo=vI 限幅电平:把开始起限幅作用的电平称为限幅电平。 电路全称为“限幅电平为零的串联型上限幅电路”。9.2 晶体管的开关特性 (2)并联型下限幅电路①电路②工作过程v1≥VG→VD截止→vo=vIv1
>IBS IBS为临界饱和的基极电流。 也可表示为:9.2 晶体管的开关特性 关闭时间:三极管由饱和状态转换为截止状态所需要经历的一段时间,用表示toff。 2.截止条件及其特点 (1)三极管的截止条件为:VBE≤0 (2)特点 三极管的截止状态相当于开关的断开状态。 开通时间:三极管由截止状态转换为饱和状态所需要经历的一段时间,用表示ton。 开关时间:ton和toff总称为三极管的开关时间。9.2 晶体管的开关特性 3.三极管开关时间 三极管相当于一个由基极电流控制通断的无触点开关。9.2.4 晶体管反相器 (1)电路组成9.2 晶体管的开关特性 V ①输入为低电位时,即vI=0V时,三极管V截止,输出为高电位vOVCC=12V。 ②输入为高电位时,即vI=3V时,三极管V饱和导通,输出为低电位,vOVCES=0V。 (2)工作原理9.2 晶体管的开关特性 V (3)波形图9.2 晶体管的开关特性 9.2.5 加速电容器 在电路的输入电阻R1的两端并联一个适量的电容器,就可达到提高开关速度的效果,电容CS称为加速电容。9.2 晶体管的开关特性 9.3 逻辑门电路 9.3.1 与门电路 1.与逻辑关系 当决定一件事情的几个条件完全具备之后,这件事情才能发生,否则不发生。 能实现与逻辑功能的电路称为与门电路。 2.与门电路 (2)逻辑功能 有0出0。 全1出1。 Y=A·B (3)逻辑
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数式:9.3 逻辑门电路 (1)分析工作原理 当A、B两输入端均为高电平时,二极管VD1、VD2导通,Y为高电平(3V)。 当A、B两输入端均为低电平,或有一个输入端为低电平时,与低电平相连接的二极管导通,Y为低电平(0V)。 (4)真值表:表明逻辑门电路输入端状态和输出端状态逻辑对应关系的表格。 (5)符号:9.3 逻辑门电路 与逻辑关系真值表如下。9.3.2 或门电路 1.或逻辑关系: 当决定一件事情的几个条件中,只要有一个条件得到满足,这件事情就会发生。9.3 逻辑门电路 2.或门电路 (2)逻辑功能有1出1。 全0出0。 Y=A+B (3)逻辑函数数式:9.3 逻辑门电路 (1)分析工作原理 当A、B两输入端均为低电平时,二极管VD1、VD2截止,Y为低电平(0V)。 当A、B两输入端有一个输入端为高电平,或全为高电平时,与高电平相连接的二极管导通,Y为高电平(3V)。 (4)真值表: (5)符号:9.3 逻辑门电路 9.3.3 非门电路 1.非逻辑关系: 事情(输出信号)和条件(输入信号)总是呈相反状态。9.3 逻辑门电路 2.非门电路 有0出1。有1出0。 Y= (4)直值表 (3)逻辑函数数式: (2)逻辑功能 (3)逻辑函数式:9.3 逻辑门电路 输出信号与输入信号存在“反相”关系。即输入低电平,输出为高电平;输入高电平,输出为低电平。 (1)分析工作原理9.3.4 与非门 3.逻辑符号 Y= 将一个与门和一个非门联结起来,就构成了一个与非门。 2.逻辑函数数式 1.与非门9.3 逻辑门电路 4.真值表全1出0。有0出1。 5.逻辑功能9.3 逻辑门电路 ABA+BY=00110101000111109.3.5 或非门 1.或非门 在或门后面接一个非门,就构成或非门。 2.逻辑函数数式 3.逻辑符号 Y=9.3 逻辑门电路 4.真值表全0出1。有1出0。 5.逻辑功能9.3 逻辑门电路 ABA+BY=00110101011110009.3.6 与或非门 1.与或非门 与或非门是由多个基本门组合在一起所构成的复合逻辑门,一般由两个或多个与门和一个或门,再和一个非门串联而成。 2.逻辑函数数式: Y= 4.逻辑关系 3.逻辑符号 一组全1出0;各组有0出1。9.3 逻辑门电路 (5)真值表9.3 逻辑门电路 9.3.7 异或门 1.逻辑符号 2.逻辑函数数式: Y= 或9.3 逻辑门电路 3.真值表同出0。异出1。 4.逻辑功能9.3 逻辑门电路 9.3.8 同或门 1.逻辑函数数式: 2.真值表 同出1,异出0。 3.逻辑功能9.3 逻辑门电路 9.4 TTL集成逻辑门 9.4.1 TTL集成电路的产品系列和外形封装 常用的主要系列如表所示。 TTL集成电路大都采用双列直插式外形封装。 引线的编号判断方法:把标志置于左端,逆时针转向自下而上顺序读出序号。9.4 TTL集成逻辑门9.4.2 TTL集成门电路主要参数 1.输出高电平VOH和输出低电平VOL 输出高电平时,要求输出电压足够高,输出低电平时,要求输出电压足够低。 2.输入高电平VIH和输入低电平VIL VIH指输入高电平的最低值,VIL指输入低电平的最高值。 把这两个值的中间值称为输入的阈值电压VIT。 3.输出高电平电流IOH和输出低电平电流IOL IOH为输出为高电平时流出电流的极限值。IOL为输出为低电平时流入电流的极限值。9.4 TTL集成逻辑门 tPHL:入上50%-出下50%时间间隔。 tPLH:入下50%-出上50%时间间隔。 传输延时:tPHL和tPLH的平均值称为平均传输延迟时间。 4.传输延迟时间tPHL和tPLH 与非门输出端能驱动同类门的数目。 5.扇出系数No9.4 TTL集成逻辑门9.4.3 TTL与非门应用举例 用一只CT74LS00四2输入与非门,可以组成一个简易的电源电压监视器。9.4 TTL集成逻辑门 原理:接通电源,A点电压约5V左右,绿色LED1保持常亮。在电源正常时,调节电位器,使B点电位刚好处于与非门的门槛电压,此时黄色LED2和红色LED3均不亮。当电源电压偏低时,B点电位低于门槛电压,则门1输入为低电平,输出为高电平,故E点为高电平,F点为低电平,黄色LED2导通而发光,而红色LED3截止,不发光。当电源电压偏高时,B点电位上升,E点电位下降,F点电位上升,因而红色LED3导通而发光,黄色LED2因截止而不发光。9.4 TTL集成逻辑门9.5 CMOS集成逻辑门 9.5.1 CMOS反相器 1.电路结构 (1)当vI=VIL=0V时,V1截止;VGS2=-VDD,V2饱和,S2与D2极间相当于短路,所以vOVDD。 2.工作原理 (2)当vI=VIH=VDD时,V1的VGS1>VTN,V1饱和导通,VGS2=0V,因而V2截止,S2与D2极间相当于开路,S1与D1相当于短路,所以vO=0V。 CMOS反相器的电路结构。 当输入低电平时,输出为高电平;当输入为高电平时,输出为低电平,实现了逻辑反相功能。 3.特点9.5 CMOS集成逻辑门 (1)功耗低 CMOS反相器不论是输出高电平还是低电平,都只有一个管子导通,因此电源电流均是极小的漏电流,功耗极低。 由于管子导通时电阻都很小,这就大大缩短了负载端杂散电容的充放电时间,提高了开关速度。 (2)开关速度高 (3)抗干扰能力强 由于CMOS反相器的电压传输特性比较理想,特性曲线的转折区比TTL陡直,故抗干扰能力更强。 (4)输出幅度大 输出电压幅度大,电源利用率高。9.5 CMOS集成逻辑门9.5.2 CMOS与非门 当A、B端同时为高电平1时,V1、V2均导通,V3、V4均截止,输出端Y为低电平0,即“全1出0”。 2.工作原理 当A、B端有一个或两个为低电平时,串联的V1、V2有一个或两个截止,并联的V3、V4有一个或两个导通,输出端Y为高电平1,即“有0出1”。 CMOS与非门的电路结构。 1.电路结构9.5 CMOS集成逻辑门 3.真值表9.5 CMOS集成逻辑门9.5.3 CMOS或非门 当A、B端有高电平1时,驱动管V1或V2导通,输出端Y为低电平“0”,即“有1出0”; 2.工作原理 当A、B端都为低电平0时,驱动管V1或V2两个都截止,负载管V3和V4,同时导通,输出Y为高电平1,即“全0出1”。 CMOS或非门的电路结构。 1.电路结构9.5 CMOS集成逻辑门 3.真值表9.5 CMOS集成逻辑门9.5.4 CMOS传输门 CMOS传输门的电路结构。 1.电路结构9.5 CMOS集成逻辑门 (1)当控制端C加高电平,若输入信号vI在0~VDD之间变化,则V1和V2中至少有一个管子导通,传输门的输入和输出之间程低阻状态,传输门导通,相当于开关接通。vo=vI。 (2)当控制端C加低电平,只要vI在0~VDD变化,则两个管子均截止,即传输门截止,相当于开关断开。 3.功能 2.工作原理 传输门是一种传输信号的可控开关电路,由于MOS管结构对称,其源极与漏极可对调使用,因此,传输门具有双向性,也称双向开关。9.5 CMOS集成逻辑门9.5.5 CMOS电路的应用 CMOS集成电路的产品系列可参考表。 1.产品系列和外形封装 (2)电源不能接反,也不能超压。 (1)输入端不能悬空。 2.CMOS电路使用注意事项9.5 CMOS集成逻辑门本章小结 1.三极管处于饱和导通状态相当于开关的接通状态,三极管的截止状态相当于开关的断开状态。三极管相当于一个由基极电流控制通断的无触点开关。 2.晶体管反相器:晶体管的输出状态决定于输入信号状态,而且输出信号与输入信号反相,故称反相器。 3.TTL集成门电路主要参数:输出高电平和输出低电平;输入高电平和输入低电平;输出高电平电流IOH和输出低电平电流IOL;传输延迟时间tPHL和tPLH;扇出系数No。