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任务1.3
门电路

逻辑门电路是构成各种数字电路的基本逻辑单元,掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性,对于正确使用数字集成电路是十分必要的。本任务主要介绍二极管和晶体管的开关特性、基本逻辑门电路、TTL门电路、CMOS门电路、TTL门电路和CMOS门电路的使用知识及连接等内容。

1.3.1 分立元器件门电路

用以实现各种基本逻辑关系的电子电路称为门电路,它是组成其他逻辑功能电路的基础。由于分立元器件门电路的结构简单,便于阐述有关工作原理,所以它是学习集成门电路的基础。

1.二极管与门
(1)电路组成及逻辑符号

图1-20a所示为二极管与门电路图,图1-20b所示为其逻辑符号。图中 A B 是输入信号, Y 是输出信号,输入高、低电平分别为3V和0V,二极管正向导通时电压降为0.7V。

图1-20 二极管与门

a)电路图 b)逻辑符号

(2)工作原理

1)当 A = B =0V时,二极管VD 1 和VD 2 都导通,输出 Y =0.7V,为低电平。

2)当 A =0V、 B =3V时,二极管VD 1 优先导通,输出 Y =0.7V,为低电平,此时VD 2 截止。

3)当 A =3V、 B =0V时,二极管VD 2 优先导通,输出 Y =0.7V,为低电平,此时VD 1 截止。

4)当 A = B =3V时,二极管VD 1 和VD 2 都导通,输出 Y =3.7V,为高电平。

(3)输入与输出电压关系及真值表

把上述分析结果归纳起来,很容易得出与门输入与输出电压关系,见表1-15。如果采用正逻辑(1表示高电平,0表示低电平),则可以列出与门的真值表(见表1-16)。由与门真值表可知,与门的逻辑表达式为 Y = A · B

表1-15 与门输入与输出电压关系表

表1-16 与门的真值表

在图1-20a电路基础上,增加一个输入端和一个二极管,就可变成三输入端与门。按此办法可构成更多输入端的与门。

2.二极管或门
(1)电路组成及逻辑符号

图1-21a所示为二极管或门电路,图1-21b所示为其逻辑符号。图中 A B 为输入信号, Y 为输出信号,输入低电平仍然为0V,高电平为3V。二极管导通时电压降为0.7V。

图1-21 二极管或门

a)电路图 b)逻辑符号

(2)工作原理

由图1-21a可知,当输入 A B 中有一个为高电平3V时,输出 Y 便为高电平2.3V;只有当 A B 都为低电平0V时,输出 Y 才为低电平0V。由此可得二极管或门输入与输出电压关系,见表1-17,二极管或门的真值表见表1-18。由真值表可知,或门的逻辑表达式为 Y = A + B

表1-17 或门输入与输出电压关系表

表1-18 或门的真值表

同样,可用增加输入端和二极管的方法,构成更多输入端的或门。

3.晶体管非门
(1)电路组成

图1-22a所示为晶体管非门电路,图1-22b所示为其逻辑符号。图中 A 为输入信号, Y 为输出信号。晶体管VT饱和导通时, U BE =0.7V、 U CES =0.3V,当 U BE <0.5V时,晶体管截止, I C =0A。

图1-22 晶体管非门

a)电路图 b)逻辑符号

(2)工作原理

1)当 A =0V时,晶体管的发射结电压小于死区电压,满足截止条件,所以晶体管截止, Y =5V。

2)当 A =5V时,晶体管的发射结正偏,晶体管导通, Y =0.3V≈0V。

把上述分析结果列入表1-19中,并得到表1-20所示的真值表。由此可见,输出电平正好和输入电平反相,所以是反相器。输出 Y 的逻辑表达式为

表1-19 非门输入与输出电压关系

表1-20 非门的真值表

1.3.2 TTL集成逻辑门电路

TTL电路是一种由双极型晶体管组成的集成电路,由于其输入级和输出级均采用了晶体管,所以又称之为晶体管-晶体管逻辑门电路。

1.TTL与非门
(1)TTL与非门的基本结构

三输入TTL与非门电路如图1-23a所示,逻辑符号如图1-23b所示。它由输入级、中间级和输出级3部分组成。

图1-23 三输入TTL与非门

a)电路图 b)逻辑符号

1)输入级。由多发射极晶体管VT 1 及电阻 R b1 组成。VT 1 的3个发射极与基极形成的3个发射结可等效为3只二极管,起与门的作用,故VT 1 用以实现与逻辑功能。用多发射极晶体管代替二极管作与门,有利于提高门电路的工作速度。

2)中间级。由VT 2 R c2 R e2 组成。VT 2 集电极和发射极输出两个逻辑电平相反的信号,分别用以驱动VT 3 和VT 4

3)输出级。由VT 3 、VT 4 及VD、 R c4 组成。VT 3 、VT 4 构成推拉式结构的输出级,两晶体管在不同输入信号作用下轮流导通,输出高低电平。

(2)工作原理

设输入 u I 的高电平 U IH =3.6V,低电平 U IL =0.3V,晶体管的正向电压降为0.7V。

1)当输入 A B C 中有一个或多个为低电平( U IL =0.3V)时,VT 1 的发射结正向导通,VT 1 的基极电压 u b1 =1V,使VT 2 和VT 4 截止。这时,VT 2 的集电极电压 u c2 V CC =5V,为高电平,使VT 3 和二极管VD导通,输出 u O 为高电平 U OH ,其值为 u O =3.6V。

2)当输入 A B C 都为高电平( U IH =3.6V)时,电源 V CC 通过 R b1 和VT 1 集电结向VT 2 和VT 4 提供基极电流,使VT 2 和VT 4 饱和,输出 u O 为低电平 U OL ,其值为 u O ≈0.3V。

可见,电路实现了反相器的逻辑功能:输入高电平,输出为低电平;输入低电平,输出为高电平。其输出与输入间具有与非逻辑关系,输出逻辑表达式为

(3)TTL与非门的电压传输特性及主要参数

1)电压传输特性曲线。电压传输特性曲线是指输出电压与输入电压之间的对应关系曲线,即 u O = f u I ),它反映了电路的静态特性。TTL与非门电压传输特性的测试方法如图1-24所示,其电压传输特性如图1-25所示。

TTL与非门的电压传输特性曲线可分为4段: AB 段(截止区)、 BC 段(线性区)、 CD 段(过渡区)、 DE 段(饱和区)。

图1-24 TTL与非门电压传输特性的测试方法

图1-25 TTL与非门的电压传输特性

AB 段:此时输入电压 u I 很低(<0.6V),VT 1 的发射结正向偏置。其基极电压 u b1 <1.3V,VT 2 和VT 3 截止,VT 2 集电极电压 u c2 为高电平,使VT 4 、VD导通,输出 u O 为高电平, U OH ≈3.6V。这时与非门工作在截止区。

BC 段:当输入电压 u I 增加,使VT 2 导通,但VT 3 仍处于截止状态时,由于VT 2 的放大作用,使得 u I ↑→ u b2 ↑→ i c2 ↑→ u c2 ↓, u O 将线性下降。故 BC 段称为线性区。

CD 段:当 u I 继续增加,VT 2 和VT 3 同时导通,由于VT 2 和VT 3 的放大作用,使得 u O 迅速下降。这时与非门工作在转折区,又称过渡区。

DE 段:由于 u I 继续增加,使得VT 2 和VT 3 均饱和、VT 4 截止,电路输出低电平。这时与非门工作在饱和区。

2)几个重要参数。从TTL与非门的电压传输特性曲线上,可以定义几个重要的电路指标:

输出高电平 U OH U OH 的理论值为3.6V,产品规定输出高电压的最小值 U OH(min) =2.4V,即大于2.4V的输出电压就可称为输出高电压 U OH

输出低电平 U OL U OL 的理论值为0.3V,产品规定输出低电压的最大值 U OL(max) =0.4V,即小于0.4V的输出电压就可称为输出低电压 U OL

由上述规定可以看出,TTL与非门电路的输出高低电压都不是一个固定值,而是一个电压范围。

关门电平 U OFF U OFF 就是保证输出为额定高电平时所允许输入低电平的最大值,一般要求 U OFF ≥0.8V。

开门电平 U ON :它是保证输出为额定低电平时所允许输入高电平的最小值,一般要求 U ON ≤1.8V。

阈值电压 U TH :它是指电压传输特性曲线上转折区中点所对应的输入电压值,也即是决定输出高、低电压的分界线。 U TH 的值为1.3~1.4V。

噪声容限:又称抗干扰能力,它是反映门电路抗干扰能力强弱的参数,即门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。

扇出系数 N 0 :它是指与非门正常工作时能驱动的同类门的个数。对于典型电路, N 0 ≥8。

2.其他功能的TTL门电路

TTL集成逻辑门电路除与非门外,常用的还有集电极开路与非门、或非门、与或非门、三态门和异或门等,它们的逻辑功能虽各不相同,但都是在与非门的基础上发展而来的。因此,前面讨论的TTL与非门的特性对这些门电路同样适用。

(1)集电极开路与非门(OC门)

1)OC门的电路结构及工作原理。在工程实践中,有时需要将几个门的输出端并联使用,以实现与逻辑,称为线与。如果将G 1 、G 2 两个TTL与非门的输出直接连接起来,如图1-26所示,当G 1 输出为高、G 2 输出为低时,从G 1 的电源 V CC 通过G 1 的VT 4 、VD到G 2 的VT 3 ,形成一个低阻通路,产生很大的电流,输出既不是高电平也不是低电平,逻辑功能将被破坏,还可能烧毁器件。所以普通的TTL门电路是不能进行线与的。

图1-26 普通TTL门电路的输出并联

为满足实际应用中实现线与的要求,专门生产了一种可以进行线与的门电路——集电极开路与非门(OC门),其电路结构及逻辑符号如图1-27所示。

OC门电路工作时,需要在输出级开路的集电极和电源之间加负载电阻,该负载电阻称为上拉电阻 R P 。只要 R P 的阻值选择得当,就能做到既保证输出高、低电平符合要求,又能做到输出级晶体管不过载。

图1-27 OC门

a)电路图 b)逻辑符号

电路工作原理如下:当输入 A B 都为高电平时,VT 2 和VT 3 饱和导通,输出低电平;当输入 A B 中有低电平时,VT 2 和VT 3 截止,输出高电平。因此,OC门具有与非功能。其逻辑表达式为

2)OC门的应用。OC门开关速度较低,但逻辑功能灵活,应用广泛。

① 实现线与。两个OC门实现线与时的电路如图1-28所示。

此时输出 Y 的逻辑表达式为

图1-28 OC门实现线与时的电路

注意:图1-28所示电路必须外接集电极负载电阻,只有这样,才能实现与非门的逻辑功能。

② 实现电平转换。当数字系统的接口部分(与外部设备相连接的地方)需要有电平转换时,常用OC门来完成。图1-29所示为上拉电阻接到10V电源上,这样在OC门输入普通的TTL电平时,输出高电平就可以变为10V。

图1-29 OC门实现电平转换的电路

③ 用作驱动器。可用OC门来驱动发光二极管、指示灯、继电器和脉冲变压器等。图1-30所示为用OC门驱动发光二极管的电路,该电路只有在输入都为高电平时,输出才为低电平,发光二极管导通发光;否则,输出高电平,发光二极管熄灭。

图1-30 OC门驱动发光二极管的电路

(2)三态输出门(TS门)

TS门是在普通门的基础上附加控制电路而构成的,是指不仅可输出高电平、低电平两个状态,而且输出还可呈高阻状态的门电路。图1-31所示为TS门的电路图及逻辑符号,逻辑符号中的“ ”表示输出为三态。

TS门的主要用途是实现总线传输。

3.TTL集成逻辑门电路
(1)CT54系列和CT74系列

CT54系列和CT74系列具有完全相同的电路结构和电气性能参数。所不同的是,CT54系列TTL集成逻辑门电路更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作,常用于军品;而CT74系列TTL集成逻辑门电路则适合在常规条件下工作,常用于民品。

图1-31 TS门

a)电路图 b)逻辑符号

(2)TTL集成逻辑门电路的子系列及比较

CT54系列和CT74系列的几个子系列的主要区别表现在它们的平均传输延迟时间 t pd 和平均功耗这两个参数上。下面以CT74系列为例说明其各子系列的主要区别。

1)CT74标准系列。为TTL集成逻辑门电路的早期产品,属中速TTL器件。

2)CT74H高速系列。为CT74标准系列的改进型产品,提高了工作速度和负载能力。

3)CT74L低功耗系列。电路的平均功耗很小,约为1mW/门,但平均传输延迟时间较长,约为33ns/门。

4)CT74S肖特基系列。电路中采用了抗饱和晶体管,有效地降低了晶体管的饱和深度,同时,电阻的阻值也不大,从而提高了电路的工作速度,在TTL集成逻辑门电路的各子系列中,它的工作速度是很高的,但电路的平均功耗较大,约为19mW/门。

5)CT74LS低功耗肖特基系列。电路既具有较高的工作速度,又有较低的平均功耗。

6)CT74AS先进肖特基系列。工作速度高,但平均功耗较大,约为8mW/门。

7)CT74ALS先进低功耗肖特基系列。电路的平均功耗低、工作速度高。

(3)TTL集成逻辑门电路的使用规则

1)电源电压及电源干扰的消除。CT54系列TTL集成逻辑门电路的电源电压可以在±10%的范围内变化,即应满足5×(1±10%)V;而CT74系列TTL集成逻辑电路的电源电压只能在±5%的范围内变化,即应满足5×(1±5%)V,且电源极性和地线不能接错。为了防止外来干扰通过电源串入电路,需要对电源进行滤波,通常在印制电路板的电源输入端接入10~100μF的电容进行滤波,在印制电路板上,每隔6~8个门加接一个0.01~0.1μF的电容对高频进行滤波。

2)输出端的连接。具有推拉输出结构的TTL集成逻辑门电路的输出端不允许直接并联使用。输出端不允许直接接电源 V CC 或直接接地。使用时,输出电流应小于产品手册上规定的最大值。TS门的输出端可并联使用,但在同一时刻只能有一个门正常工作,其余处于高阻状态。OC门输出端可以并联使用(线与),但输出端必须外接上拉电阻 R P 到电源。

3)闲置(多余)输入端的处理。TTL集成逻辑门电路在使用时,对于闲置(不用的)输入端,一般不悬空,主要是防止干扰信号从悬空输入端引入电路。闲置输入端的处理,应以不改变电路正常逻辑功能且稳定工作为原则,常用的有以下几种方法:

① 对于与非门的闲置输入端,可直接接电源或通过1~10kΩ的电阻接电源 V CC ,如图1-32所示。

图1-32 与非门闲置输入端的处理(1)

a)直接接电源 b)通过电阻接电源

② 如果前级驱动能力允许,可将闲置输入端与有用端并联使用,如图1-33a所示。

图1-33 与非门闲置输入端的处理(2)

a)并联使用 b)剪断或悬空使用

③ 在外界干扰很小时,与非门的闲置输入端可以剪断或悬空,如图1-33b所示。但不允许接开路长线,以免引入外界干扰而产生逻辑错误。

④ 或非门不使用的闲置输入端应接地,或通过较小电阻(1kΩ以下)接地,如图1-34a所示。

图1-34 或非门和与或非门闲置输入端的处理

a)或非门闲置输入端的处理 b)与或非门闲置输入端的处理

⑤ 对于与或非门中整个不用的与门,至少应有一个输入端接地;而对于要使用的与非门,其多余输入端应接电源(高电平),方法同①,如图1-34b所示。

4)电路安装接线和焊接时的注意事项如下:

① 连线要尽可能短,最好用绞合线。

② 整体接地要好,地线要粗且短。

③ 焊接时应使用功率不大于25W的电烙铁,并使用中性焊剂,如松香酒精溶液,不可使用腐蚀性较强的焊膏。

④ 由于集成电路外引脚之间距离很近,焊接时焊点要小,避免相邻引脚短路,且焊接时间要短。

⑤ 印制电路板焊接完毕后,不得浸泡在有机溶液中清洗,只能用少量酒精擦去外引脚上的助焊剂和污垢。

1.3.3 CMOS集成逻辑门电路

MOS集成逻辑门电路是采用单极型场效应晶体管(MOS管)作为开关器件的数字集成电路。它是继TTL集成逻辑门电路之后发展起来的另一种应用广泛的数字集成电路。就逻辑功能而言,它与TTL集成逻辑门电路并无区别,但突出的优点是功耗小、抗干扰能力强,此外还具有制造工艺简单、集成度高、价格便宜等优点,因此得到了十分迅速的发展。

MOS集成逻辑门电路有PMOS、NMOS和CMOS三种类型,其中CMOS门电路是由增强型PMOS管和增强型NMOS管组成的互补对称MOS门电路。它的突出优点是静态功耗小、抗干扰能力强、工作稳定性好、开关速度较高。国产CMOS数字集成电路主要有4000系列和高速系列。

1.CMOS反相器

CMOS门电路有非门(反相器)、与非门、或非门等多种电路。其中,反相器是MOS集成电路的基本组成部分,许多复杂的MOS电路都是由反相器演变而来的。

(1)MOS管的开关特性

MOS管属于电压控制的开关器件,MOS系列门电路有PMOS、NMOS和CMOS,而CMOS电路由于功耗小、对电源电压适应性广,以及与TTL电路兼容等特点,处于主导地位。

(2)CMOS反相器

1)电路组成。CMOS反相器的基本电路结构如图1-35a所示。

图1-35 CMOS反相器

a)基本电路结构 b)VF P 导通VF N 截止 c)VF N 导通VF P 截止

其中VF N 为增强型NMOS管,用作驱动管;VF P 为增强型PMOS管,用作负载管。两管栅极连接在一起用作输入端,漏极相连用作输出端,VF P 源极接电源 V DD ,VF N 源极接地。要求电源 V DD 大于两管开启电压绝对值之和,即 V DD U GSN +| U GSP |,设VF N 和VF P 的开启电压 U GSN =| U GSP |,且小于 V DD

2)工作原理。当输入为低电平,即 u I = U IL =0V时,NMOS管 u GSN =0V< U GSN ,VF N 截止,相当于开关S N 断开;而PMOS管| u GSP |=|0V -V DD |= V DD >| U GSP |,VF P 导通,可等效为一个小电阻 R ONP ,等效电路如图1-35b所示。此时,输出电压 u O = U OH V DD

当输入为高电平,即 u I = U IH = V DD 时, u GSN = V DD U GSN ,VF N 导通,可等效为一个小电阻 R ONN ,而| u GSP |=| V DD -V DD |=0V<| U GSP |,VF P 截止,相当于开关S P 断开,等效电路如图1-35c所示。此时,输出电压 u O = U OL ≈0V。

显然,在图1-35所示电路中,当输入为低电平时,输出高电平;当输入为高电平时,输出低电平,进而实现了反相器的功能。

通过以上分析可以看出,在CMOS反相器中,无论电路处于何种状态,VF N 、VF P 总是一管导通而另一管截止,即两管中总有一个截止,使静态电流为零,所以它的静态功耗极低,有微功耗电路之称。

2.其他功能的CMOS门电路
(1)CMOS传输门(TG门)

CMOS传输门是数字电路中用来传输信号的一种基本单元电路。它与CMOS反相器结合起来,可以组成各种功能的逻辑电路。

1)电路结构。将两个参数对称一致的增强型NMOS管VF N 和PMOS管VF P 并联可构成CMOS传输门,其电路和逻辑符号如图1-36所示。

图1-36 CMOS传输门

a)电路图 b)逻辑符号

2)工作原理。当控制电压 C = V DD 时,CMOS传输门相当于接通的开关, u O = u I ;当控制电压 C =0V、 时,传输门相当于断开的开关,输入电压不能传到输出端,输出呈高阻状态。

由于VF N 和VF P 在结构上对称,所以图中的输入端和输出端可以互换,故又将CMOS传输门称为双向开关。

可见,CMOS传输门实现了信号的可控传输。将CMOS传输门和一个CMOS反相器组合起来,由非门产生互补的控制信号,就可实现单刀单掷或单刀双掷开关的功能,如图1-37所示,称为CMOS模拟开关。

图1-37 CMOS模拟开关

(2)CMOS漏极开路与非门(OD门)

CMOS漏极开路与非门电路及逻辑符号如图1-38所示。由图可知,该电路具有与非功能,即 。注意:电路工作时,必须外接电源 V DD2 和负载电阻 R D

通常,电源电压 V DD1 V DD2 不同,因此它还可用于电平转换。当输入 A B 都为高电平( U IH = V DD1 )时,输出 Y 为低电平( U OL ≈0V);当输入 A B 中有低电平( U IL =0V)时,输出 Y 为高电平( U OH = V DD2 )。可见,该电路能将 V DD1 ~0V的输入电压转换为0V~ V DD2 的输出电压,从而实现了电平转换。

图1-38 CMOS漏极开路与非门

a)电路图 b)逻辑符号

3.CMOS数字集成电路系列及其特点
(1)CMOS数字集成电路系列

1)CMOS4000系列。这是早期的CMOS集成逻辑门产品,工作电源电压范围为3~18V,由于具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点,已得到普遍使用。缺点是工作速度较低,平均传输延迟时间为几十纳秒,且工作频率低,最高工作频率小于5MHz,驱动能力差,门电路的输出负载电流约为0.51mA/门,因此CMOS4000系列的使用受到一定的限制。

2)高速CMOS(HCMOS)电路系列。该系列电路主要从制造工艺上做了改进,大大提高了其工作速度,平均传输延迟时间小于10ns,最高工作频率可达50MHz。HCMOS电路主要有54系列和74系列两大类,其电源电压范围为2~6V。它们的主要区别是工作温度的不同,见表1-21。

表1-21 HCMOS电路54系列和74系列工作温度对比

由表1-21可知,HCMOS电路54系列更适合在温度条件恶劣的环境中使用,而74系列则适合在常规条件下使用。

3)CMOS4000系列和HCMOS系列的比较。CMOS4000系列和HCMOS电路系列的重要参数见表1-22。

表1-22 CMOS4000系列和HCMOS电路系列参数比较

由表1-22可见,HCMOS电路比CMOS4000系列具有更高的工作频率和更强的输出驱动负载的能力,同时还保留了CMOS4000系列的低功耗、强抗干扰能力的优点,已达到CT54LS/CT74LS的水平,它完全克服了CMOS4000系列存在的问题。因此,它是一种很有发展前途的CMOS器件。

(2)CMOS数字集成电路的特点

CMOS集成电路诞生于20世纪60年代末,随着制造工艺的不断改进,它在应用的广度上已与TTL平分秋色,从总体上说,其技术参数已经达到或接近TTL的水平,其中功耗、噪声容限、扇出系数等参数优于TTL。与TTL数字集成电路相比,CMOS数字集成电路主要有以下特点:

1)功耗低。CMOS数字集成电路的静态功耗极小。如HCMOS在电源电压为5V时,静态功耗为10μW,而LSTTL为2mW。

2)电源电压范围宽。CMOS4000系列的电源电压为3~18V,HCMOS电路为2~6V,这给电路电源电压的选择带来了方便。如果采用4.5~5.5V电压,则可以与LSTTL共用同一电源。

3)噪声容限大。CMOS非门的高、低电平噪声容限均达到0.45 V DD ,其他CMOS门电路的噪声容限一般也大于0.3 V DD ,且电源电压越大,其抗干扰能力越强。因此,CMOS电路的噪声容限比TTL电路大得多。

4)逻辑摆幅大。CMOS数字集成电路输出的高电平 U OH ≥0.9 V DD ,接近于电源电压 V DD ;而输出的低电平 U OL ≤0.01 V DD ,又接近于0V。因此,输出逻辑电平幅度的变化接近电源电压 V DD 。电源电压越高,逻辑摆幅(即高低电平之差)越大。

5)输入阻抗高。在正常工作电源电压范围内,输入阻抗可达10 10 ~10 12 Ω。

6)扇出系数大。因CMOS电路有极高的输入阻抗,故其扇出系数很大,一般额定扇出系数可达50。但必须指出的是,扇出系数是指驱动CMOS电路的个数,若就灌电流负载能力和拉电流负载能力而言,CMOS电路远远低于TTL电路。

4.CMOS集成逻辑门电路的使用规则
(1)电源电压

1)CMOS电路的电源电压极性不可接反,否则可能造成电路永久性失效。

2)CMOS4000系列的电源电压可在3~18V的范围内选择,但最大不能超过极限值18V。

3)HCMOS电路中HC系列的电源电压可在2~6V的范围内选择,HCT系列的电源电压在4.5~5.5V的范围内选用,但最大不允许超过极限值7V。

4)在进行CMOS电路实验或对CMOS数字系统进行调试、测量时,应先接入直流电源,后接信号源;使用结束时,应先关信号源,后关直流电源。

(2)输入电路的静电保护

CMOS电路的输入端设置了保护电路,这给使用者带来了很大方便。但是,这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高,极易产生感应较高的静电电压,从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层,造成器件永久损坏。为此,应注意以下几点:

1)所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。

2)存储和运输CMOS器件,最好采用金属屏蔽层作为包装材料。

(3)闲置输入端的处理

1)输入端悬空极易产生感应较高的静电电压,因此闲置输入端不能悬空。

2)对于与门和与非门,闲置输入端应接正电源或高电平;对于或门和或非门,闲置输入端应接地或低电平。

3)闲置输入端不宜与使用输入端并联使用,因为这样会增大输入电容,从而使电路的工作速度下降。但在工作速度要求不高的情况下,允许输入端并联使用。

(4)输出端的连接

1)输出端不允许直接与电源 V DD 或与地相连。因为电路的输出级通常为CMOS反相器结构,这会使输出级的NMOS管或PMOS管可能因电流过大而损坏。

2)为提高电路的驱动能力,可将同一集成芯片上相同门电路的输入端、输出端并联使用。

3)当CMOS电路输出端接大容量的负载电容时,流过管子的电流很大,有可能使管子损坏。因此,需在输出端和电容之间串接一个限流电阻,以保证流过管子的电流不超过允许值。

5.TTL电路与CMOS电路的接口

在数字系统中,经常遇到不同类型集成电路混合使用的情况,最常见的就是TTL和CMOS两种集成电路混合使用、相互连接的情况。由于两者的电压和电流参数各不相同,故它们之间不能直接耦合,需要加入合适的接口电路。

所谓接口电路,是指位于不同类型的逻辑电路之间或逻辑电路与外部电路之间,使两者可有效连接、正常工作的中间电路。

采用接口电路时一般要考虑两个问题:一是要求电平匹配,即驱动门为负载门提供合适(标准)的高低电平;二是要求电流匹配,即驱动门为负载门提供足够大的驱动电流。

(1)TTL电路驱动CMOS电路

用TTL电路驱动CMOS电路时,主要考虑TTL电路输出的电平是否符合CMOS电路输入电平的要求:

1)在TTL电路的电源电压 V CC 和CMOS电路的电源电压 V DD 都为5V时,可在TTL电路的输出端和电源之间接一个上拉电阻 R ,如图1-39a所示。

2)TTL电路输出的低电平 U OL ≤0.4V,而CMOS4000系列输入的低电平 U IL ≤1.5V,CC74HC输入的低电平 U IL ≤1V,显然0.4V明显小于1.5V和1V,因此它们之间可直接相连。

3)当TTL电路的电源电压 V CC 和CMOS电路的电源电压 V DD 不同时,仍需接上拉电阻,只是需要用OC门实现,如图1-39b所示。

TTL和CMOS电路之间的接口也可采用CMOS电平转换器来实现,如图1-39c所示。

图1-39 TTL电路驱动CMOS电路

a)接上拉电阻 R b)用OC门实现 c)用CMOS电平转换器实现

考虑了电平的匹配问题后,再看电流匹配,由于CMOS电路输入电流几乎为零,故不存在问题。

(2)CMOS电路驱动TTL电路

首先看电平是否匹配。CMOS电路作为驱动门,它的 U OH ≈5V、 U OL ≈0V;TTL电路作为负载门,它的 U IH ≥1.8V, U IL ≤0.8V。显然,电平匹配是符合要求的。

再看电流是否匹配。CMOS电路允许的最大灌电流为0.4mA,而TTL电路的输入短路电流 I IS ≈1.4mA,显然驱动电流不足。解决这个问题的办法通常有两种:

1)将同一芯片上的多个CMOS电路并联使用。图1-40a所示为用同一芯片上的多个CMOS与非门并联使用推动TTL电路的情况。此外,同一芯片上的多个CMOS或非门、多个非门同样也可并联使用。

2)在CMOS电路的输出端和TTL电路的输入端之间接入CMOS驱动器(缓冲器),如图1-40b所示。

6.TTL和CMOS电路带负载时的接口电路

实际中经常会遇到用TTL或CMOS电路驱动负载的情况。图1-41a所示为用TTL电路驱动发光二极管的实用电路。用TTL电路驱动5V低压继电器的电路如图1-41b所示。若用CMOS门或TTL电路驱动大电流负载,则需采用图1-41c所示的电路,VT 2 为大功率晶体管,用以提供较大的负载电流;如果负载电流不大,则VT 1 和VT 2 可用小功率晶体管代替。

图1-40 CMOS电路驱动TTL电路

a)多个CMOS与非门并联使用 b)接入CMOS驱动器

图1-41 TTL和CMOS电路的外接负载

a)TTL电路驱动发光二极管 b)TTL电路驱动低压继电器 c)TTL电路驱动大电流负载

技能训练 门电路逻辑功能测试

1.训练目的

1)熟悉门电路的逻辑功能、逻辑表达式、逻辑符号、等效逻辑图。

2)掌握数字电路实验箱及示波器的使用方法。

3)学会检测基本门电路的方法。

2.训练器材

1)仪器设备:双踪示波器、数字万用表、开发板。

2)器件:

74LS00 二输入端四与非门 2片

74LS20 四输入端双与非门 1片

74LS86 二输入端四异或门 1片

所用芯片引脚图如图1-42所示。

图1-42 芯片引脚图

3.训练内容及步骤

先检查电源是否正常,然后选择实验用的集成块芯片并插入开发板中对应的IC座,按自己设计的实验接线图接好连线。注意集成块芯片不能插反。线接好后经实验指导教师检查无误方可通电实验。实验中改动接线时必须先断开电源,接好线后再通电实验。

(1)与非门电路逻辑功能的测试

1)选用四输入端双与非门74LS20一片,按图1-43所示接线,输入端1、2、4、5分别接到S 1 ~S 4 的逻辑开关输出插口(相应输出为 S 1 S 4 ),输出端接电平显示发光二极管VL 1 ~VL 4 中任意一个。

图1-43 与非门电路

2)逻辑开关状态见表1-23,分别测出相应输出电压及逻辑状态。

表1-23 数据记录表(1)

(2)异或门逻辑功能的测试

1)选二输入端四异或门74LS86,按图1-44接线,输入端1、2、4、5接 S 1 S 4 逻辑开关(相应输出为 S 1 S 4 ),输出 A B Y 接电平显示发光二极管。

图1-44 异或门逻辑功能测试电路

2)逻辑开关状态见表1-24,将结果填入表中。

表1-24 数据记录表(2)

(3)逻辑电路的逻辑关系测试

1)选用二输入端四与非门74LS00按图1-45和图1-46连接电路,将测试所得输入/输出逻辑关系分别填入表1-25和表1-26中。

图1-45 测试电路(1)

图1-46 测试电路(2)

表1-25 数据记录表(3)

表1-26 数据记录表(4)

2)写出图1-45和图1-46两个电路的逻辑表达式,并画出等效逻辑图。

(4)利用与非门控制输出(选做)

用一片74LS00按图1-47所示接线, S 接任一电平开关,用示波器观察 S 对输出脉冲的控制作用。

图1-47 测试电路(3)

(5)用与非门组成其他逻辑门电路,并验证其逻辑功能

1)组成与门电路。由与门的逻辑表达式 Z = A · B = 得知,可以用两个与非门组成与门,其中一个与非门用作反相器。

① 将与门及其逻辑功能验证实验原理图画在表1-27中,按原理图连线,检查无误后接通电源。

② 当输入 A B 为表1-27的情况时,分别测出输出端 Y 的电压或用LED监视其逻辑状态,并将结果记录在表中,测试完毕后断开电源。

表1-27 用与非门组成与门电路实验数据

2)组成或门电路。根据德·摩根定理,或门的逻辑函数表达式 Z = A + B 可以写成 Z = ,因此,可以用3个与非门组成或门。

① 将或门及其逻辑功能验证实验原理图画在表1-28中,按原理图连线,检查无误后接通电源。

表1-28 用与非门组成或门电路实验数据

② 当输入 A B 为表1-28的情况时,分别测出输出 Y 的电压或用LED监视其逻辑状态,并将结果记录在表中,测试完毕后断开电源。

3)组成或非门电路。或非门的逻辑函数表达式 ,根据德·摩根定理,可以写成 ,因此,可以用4个与非门构成或非门。

① 将或非门及其逻辑功能验证实验原理图画在表1-29中,按原理图连线,检查无误后接通电源。

表1-29 用与非门组成或非门电路实验数据

② 当输入 A B 为表1-29的情况时,分别测出输出 Y 的电压或用LED监视其逻辑状态,并将结果记录在表中,测试完毕后断开电源。

4)组成异或门电路(选做)。异或门的逻辑表达式 ,由表达式得知,可以用5个与非门组成异或门。但根据没有输入反变量的逻辑函数的化简方法,有 ,同理有 ,因此 ,可由4个与非门组成。

① 将异或门及其逻辑功能验证实验原理图画在表1-30中,按原理图连线,检查无误后接通电源。

表1-30 用与非门组成异或门电路实验数据

② 当输入 A B 为表1-30的情况时,分别测出输出 Y 的电压或用LED监视其逻辑状态,并将结果记录在表中,测试完毕后断开电源。

4.思考与讨论

1)怎样判断门电路逻辑功能是否正常?

2)与非门一个输入接连续脉冲,其余端什么状态时允许脉冲通过?什么状态时禁止脉冲通过?

3)异或门又称可控反相门,为什么? 9hS8TfvrkNG357uCUCDbEBtDN0VkJdCs9DJyue3FJBu3x2SeJJKYQbg8u5LAkZIw

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