集成门电路及其应用.ppt

集成门电路及其应用 一 TTL门电路的特性及参数1 开门电平 关门电平 阈值电压 2 开门电阻和关门电阻 3 输入噪声容限 4 扇出系数 5 传输延迟时间 二 OC门 三态门 传输门及应用三 门电路的使用注意事项1 TTL门电路的使用注意事项 2 CMOS门电路的使用注意事项 3 TTL电路和CMOS电路的接口 四 组合逻辑电路的分析和设计1 组合逻辑电路的定义及特点 2 组合逻辑电路的分析 3 组合逻辑电路的设计 五 门电路的综合应用 教学内容 思考讨论 1 电路设计的过程包括几部分 2 电路设计中应注意哪些问题 任务引入 1 开门电平 关门电平 阈值电压 一 TTL门电路的特性及主要参数 1 开门电平UON 门电路打开能够接收输入信号时 允许输入高电平的最小值 如与 与非门 或低电平时的最大值 或 或非门 2 关门电平UOFF 门电路关闭不接收输入信号时 允许输入低电平的最大值 如与 与非门 或高电平的最小值 或 或非门 3 阈值电压UTH 门电路的输出状态发生跳转时对应的输入电压 RI不大不小时 工作性区或转折区 RI较小时 关门 输出高电平 RI较大时 开门 输出低电平 ROFF RON RI 悬空时 2 开门电阻 关门电阻 以与非门为例 1 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下 所允许RI的最大值称为关门电阻 典型的TTL门电路ROFF 0 7k 2 开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下 所允许RI的最小值称为开门电阻 典型的TTL门电路RON 2 3k 数字电路中要求输入负载电阻RI RON或RI ROFF 否则输入信号将不在高低电平范围内 振荡电路则令ROFF RI RON使电路处于转折区 1 输入低电平噪声容限 在保证输入为低电平时允许在输入信号上叠加的正向噪声电压 用UNL表示 3 输入噪声容限 UNL UOFF UIL 与非门 2 输入高电平噪声容限 在保证输入为高电平时允许在输入信号上叠加的负向噪声电压 用UNH表示 UNH UIH UON 与非门 UNL越大 说明门电路输入低电平时 抗正向干扰的能力越强 UNH越大 说明门电路输入高电平时 抗负向干扰的能力越强 1 扇入系数Ni 门电路输入端能够接的输入端的个数 4 扇入系数和扇出系数 2 扇出系数No NI越大 说明门电路输入端携带同类门的个数越多 门电路输出端能够接的负载个数 NO越大 说明门电路输出端携带负载的个数越多 Ni越大 说明门电路输入端携带同类门的个数越多 1 上升沿延迟时间tPLH 5 传输延迟时间 2 下降沿延迟时间tPHL tpd越大 说明门电路开关速度越低 3 平均延迟时间tpd TTL系列数字电路的主要参数指标 1 高电平输出电压UOH 2 7 3 4V 一般要求大于3 2V 2 高电平输出电流IOH 一般为 0 4mA 3 低电平输出电压UOL 0 2 0 5V 一般要求小于0 35V 4 低电平输出电流IOL 一般大于8mA 5 高电平输入电压UIH 一般为2V 6 高电平输入电流IIH 一般不超过70uA 7 低电平输入电压UIL 一般为0 8V 8 低电平输入电流IIL 一般不超过1 6mA 9 输出短路电流IOS 10 电源电流 11 传输延迟时间tPLH和tPHL 12 时钟脉冲fmax 74LS系列30MHz IOH和IOL反映芯片带载能力IIH和IIL反映其对前级集成电路的影响 二 OC门 三态门 传输门及应用 问题 普通的与非门输出端能否并联使用 1 OC门 或OD门 答 不能 当将两个TTL 与非 门输出端直接并联时 会产生一个大电流 前1个门输出高电平 后1个门输出低电平时 将导致 1 抬高门2的输出低电平 该电平不高不低 2 会因功耗过大损坏门器件 注 TTL输出端不能直接并联 表274系列TTL门电路主要参数的典型数据 1 OC门的结构与符号 电路结构 输出级是集电极开路的 逻辑符号 用 表示集电极开路 图1集电极开路的TTL与非门 a 电路 b 逻辑符号 OC门的输出端并联 实现线与功能 RL为外接负载电阻 图2OC门的输出端并联实现线与功能 2 OC门的应用 图3用OC门实现电平转换的电路 用OC门实现电平转换 2 三态门 TSL门 三态门电路的输出有三种可能出现的状态 高电平 低电平 高阻 何为高阻状态 悬空 悬浮状态 又称为禁止状态 测电阻为 故称为高阻状态 测电压为0V 但不是接地 因为悬空 所以测其电流为0A 控制端高电平有效的三态门 1 三态门逻辑符号 控制端低电平有效的三态门 用 表示输出为三态 当EN 1时 门电路输出端处于悬空的高阻状态 当EN 0时 电路为正常的与非工作状态 所以称控制端低电平有效 2 三态门的主要应用 实现总线传输 要求各门的控制端EN轮流为高电平 且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平 图4用三态门实现总线传输 如有8个门 则8个EN端的波形应依次为高电平 如下页所示 1 电路结构C和C是一对互补的控制信号 由于VTP和VTN在结构上对称 所以图中的输入和输出端可以互换 又称双向开关 3 CMOS传输门 图5CMOS传输门 a 电路 b 逻辑符号 2 应用举例 图6CMOS模拟开关 CMOS模拟开关 实现单刀双掷开关的功能 C 0时 TG1导通 TG2截止 uO uI1 C 1时 TG1截止 TG2导通 uO uI2 当EN 0时 TG导通 F A 当EN 1时 TG截止 F为高阻输出 CMOS三态门 图7CMOS三态门 a 电路 b 逻辑符号 1 TTL门电路的使用注意事项 三 门电路的使用注意事项 1 电源电压及电源干扰的消除 电源电压的变化对54系列应满足5V 1 10 对74系列应满足5V 1 5 的要求 电源的正极和地线不可接错 为了防止外来干扰通过电源串人电路 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10 100 F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 1 F的电容对高频进行滤波 门电路关闭不接收输入信号时 允许输入低电平的最大值 如与 与非门 或高电平的最小值 或 或非门 具有推拉输出结构的TTL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VCC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 三态输出门的输出端可并联使用 但在同一时刻只能有一个门工作 其它门输出处于高阻状态 集电极开路门输出端可并联使用 但公共输出端和电源VCC之间应接负载电阻RL 2 输出端的连接 3 闲置输入端的处理 TTL集成门电路使用时 对于闲置输入端 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 对于闲置输入端的处理以不改变电路逻辑状态及工作稳定为原则 常用的方法有以下几种 对于与非门的闲置输入端可直接接电源电压VCC 或通过1 10k 的电阻接电源VCC 如图8 a 和 b 所示 如前级驱动能力允许时 可将闲置输入端与有用输入端并联使用 如图8 c 所示 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8 d 所示 但不允许接开路长线 以免引人干扰而产生逻辑错误 或非门不使用的闲置输入端应接地 对与或非门中不使用的与门至少要有一个输入端接地 如图8 e 和 f 所示 图8与非门和或非门闲置输入端的处理 a 直接接 VCC b 通过电阻接VCC c 和有用输入端并联 d 悬空或剪断 e 接地 f 接地 4 电路安装接线和焊接应注意的问题 连线要尽量短 最好用绞合线 在电源接通时 不要移动或插入集成电路 因为电流的冲击可能会使其永久性损坏 整体接地要好 地线要粗 短 焊接用的烙铁最好不大于25W 使用中性焊剂 如松香酒精溶液 由于集成电路外引线间距离很近 焊接时焊点要小 不得将相邻引线短路 焊接时间要短 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线上的助焊剂和污垢 5 调试中应注意的问题 对CT54 CT74和CT54H CT74H系列的TTL电路 输出的高电平不小于2 4V 输出低电平不大于0 4V 对CT54S CT74S和CT54LS CT74LS系列的TTL电路 输出的高电平不小于2 7V 输出的低电平不大于0 5V 上述4个系列输入的高电平不小于2 4V 低电平不大于0 8V 当输出高电平时 输出端不能碰地 不然会因电流过大而烧坏 输出低电平时 输出端不能碰电源VCC 5V 否则同样会烧坏 表3常用集成门电路 TTL系列 2 CMOS电路的优点及使用注意事项 CMOS电路的优点 微功耗 CMOS电路静态电流很小 约为纳安数量级 抗干扰能力很强 噪声容限大 输入噪声容限可达到VDD 2 电源电压范围宽 多数CMOS电路可在3 18V的电源电压范围内正常工作 输入阻抗高 负载能力强 扇出系数大 CMOS电路可以带50个同类门以上 逻辑摆幅大 低电平0V 高电平VDD CMOS电路的使用注意事项 CMOS电路的电源电压极性不可接反 否则 可能会造成电路永久性失效 CC4000系列的电源电压可在3 15V的范围内选择 但最大不允许超过极限值18V 电源电压选择得越高 抗干扰能力也越强 高速CMOS电路中HC系列的电源电压可在2 6V的范围内选用 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 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 1 电源电压 闲置输入端不允许悬空 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 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 但在工作速度很低的情况下 允许输入端并联使用 2 闲置输入端的处理 输出端不允许直接与电源VDD或地 VSS 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 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 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 3 输出端的连接 焊接时 电烙铁必须接地良好 必要时 可将电烙铁的电源插头拔下 利用余热焊接 集成电路在存放和运输时 应放在导电容器或金属容器内 组装 调试时 应使所有的仪表 工作台面等有良好的接地 4 其它注意事项 表4常用集成门电路 CMOS系列 TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同 需要采用接口电路 一般要考虑两个问题 一是要求电平匹配 即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平 二是要求电流匹配 即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流 3 TTL和CMOS电路的接口 电平不匹配TTL门作为驱动门 它的UOH 2 4V UOL 0 5V CMOS门作为负载门 它的UIH 3 5V UIL 1V 可见 TTL门的UOH不符合要求 电流匹配CMOS电路输入电流几乎为零 所以不存在问题 解决电平匹配问题 1 TTL门驱动CMOS门 TTL门驱动CMOS门 a 外接上拉电阻RP在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP 使TTL门电路的UOH 5V 当电源电压相同时 b 选用电平转换电路 如CC40109 若电源电压不一致时可选用电平转换电路 CMOS电路的电源电压可选3 18V 而TTL电路的电源电压只能为5V C 采用TTL的OC门实现电平转换若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换 2 CMOS门驱动TTL门 电平匹配CMOS门电路作为驱动门 UOH 5V UOL 0V TTL门电路作为负载门 UIH 2 0V UIL 0 8V 电平匹配是符合要求的 电流不匹配CMOS门电路4000系列最大允许灌电流0 4mA TTL门电路的IIS 1 4mA CMOS4000系列驱动电流不足。