门电路

第四章 门电路

内容提要

【熟悉】TTL与非门工作原理

【掌握】可以线与(或)的OC(集电极开路)门和三态门

【熟悉】门电路的主要特性参数及计算

【了解】COMS门电路与TTL门电路的差异及多余输入端的处理

1. 一．网上导学
2. 二．典型例题
3. 三．本章小结
4. 四．习题答案

网上导学

1. 1.      TTL与非门
   1. （1）    电路组成

二极管与门(p99 图4.2.1)＋三极管非门(p100 图4.2.2)→分立元件与非门(p101 图4.2.3)→与非门电路(p101图4.2.4)→TTL与非门(p102 图4.2.6,见下图)

           图中的与非门电路由三部分组成：

第一部分由多发射极晶体管T₁和电阻R₁组成电路的输入级，该级实现与功能；第二部分由T₂和电阻R₂、R₃组成中间级，从T₂的集电极和发射级同时输出两个相位相反的信号(实现倒相)，并分别送到T₃T₄管的基极；第三部分由T₃，D,T₄和R₄组成输出级(实现推拉式输出,具有较强的驱动能力和稳态时功耗极小)。第二部分和第三部分共同实现了非功能。

1. （2）    工作原理

当输出为高电位时T₃、D导通，T₄截止；输出为低电位时，T₃和D截止T₄饱和导通,即工作情况如下表：

输入全部为高电位(U_IH=3.6V)时,按理说T₁的基极应为3.6+0.7V,但由于T₁管的集电结和T₂、T₄发射结正向偏置而导通，假设每一个PN结导通压降均为0.7V,则T₁管基极电位U_B1为：

U_B1=U_BC1+U_BE2+U_BE4=O.7+0.7+0.7=2.1V,可以计算出此时T₂、T₄饱和导通,而T₃和D截止,输出低电平U_OL；

输入一个或多个为低电位U_IL时,则T₁管基极电位U_B1为：

U_B1=U_IL+U_BE1+0.2(0.3)+0.7=0.9V, U_B2则为0.3V,故T₂、T₄截止,而T₃和D导通,输出高电平U_OH；

   (3)主要参数

1. ①    空载功耗：指TTL门静态未带负载时单位时间所消耗的能量我们把输出为低电位时的功耗P_CL定为空载功耗。当TTL门输出为低电位时电源提供的总电流为：  I_EL=i_R1+i_R2=0.73+2.5=3.23ma

低电位的功耗P_CL为  P_CL=R_EL*U_CC=3.23*5=16mw

当输出为高电位时，电源提供总电流I_EH为：I_EH=i_R1=1ma

高电位的功耗为  P_CH= I_EH*U_CC=1*5=5mW

通常把P_CL定为空载功耗(取功耗大的)。

②传输特性:指TTL与非门的电压传输特性它描述了输入电压从0V电位逐渐上升到高电位时，输出电压u₀的变化情况

从图中可以看出：输出高电位的下限U_OH(min),输出低电位的上限U_OL(max)；输入高电位的下限U_IH(min)输入低电位的上限U_IL(max).

噪声容限：U_NH= U_OH(min)- U_IH(min)         U_NL= U_IL(max)- U_OL(max)

通常将传输特性曲线中输出电压随输入电压改变而急剧变换的部分叫转折区，转折区中点对应的输入电压为阈值电压U_TH,图中的阈值电压为1.4V.

③传输延时t_pd和速度功耗积

传输延时t_pd：是指与非门输出波形相对于输入波形的延时。它主要受晶体管开关时间的影响

输出波形的下降沿的50%相对输入波形上升沿的50%之间的时间间隔叫导通延时时间t_PHL，输出波形的上升沿的50%相对输入波形下降沿的50%之间的时间间隔叫关闭延时时间t_PLH。t_pd=(t_PHL+t_PLH)/2

速度功耗积：指门的传输延时t_pd和空载功耗p的乘积,它是衡量器件性能的一个指标，速度功耗积越小越好。TTL门的速度功耗积为几十皮焦耳

④扇出系数N₀：指一个门能够驱动同类门的个数。

TTL门输出为高电位时，可带动的门的个数为：输出为高电位时的输出电流I_OH与输入为高电位时的流入电流I_IH之比,即N_OH=∣I_OH/I_IH∣; TTL们输出为低电位是，可带动的门的个数为集：输出为低电位灌入电流I_IL与输入为低电位时的流出电流I_OL之比,即N_OL=∣I_OL/I_IL∣

2. 2.      集电极开路门：又称OC门，电路及符号如图：

1. （1）    与非门: 与普通TTL门的区别在于没有T₃和D管，

1. （2）    工作情况

1. （3）    特点及用途

常用于驱动高电压大电流的负载。输出不是图腾柱式，则输出静态功耗高，驱动能力弱, R_L的阻值在几百欧到几千欧范围内

3. 3.      三态TTL门

普通逻辑门只有两种状态：逻辑0和逻辑1这两种状态都是低阻输出。而三态门除了上述两种状态外还有第三种状态高阻状态。

1. （1）        组成：其中A为输入端，F为输出端,G为阻塞信号输入端（该信号的反相EN称为“使能信号”,低电平有效）

1. （2）    工作原理

当G为逻辑0时，T₆T₇管截止，三态门和普通的TTL三态门一样，F=A,并为图腾柱式输出，有很强的驱能力，当G为逻辑1时T₆T₇管饱和，T₇集电极为低电位。这个低电位经T₁管的作用，使T₂管的基极为低电位，T₂和T₄管截止。同时，T₇管集电极的低电位经电平偏移二极管后使T₃管基极也为低电位，T₃管截止。因此，当G为1时，不论输入A为何值,输出端皆处于输出高阻的第三态，如表：

1. （3）    三态门特点及用途：

除了上述逻辑0和逻辑1这两种状态外还有第三种状态高阻状态,

多用于数据总线结构和完成数据的双向传输