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与门电路和与非门电路原理
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3秒自动关闭窗口与非门的基础知识
与非门的应用
与非门电路原理
&&& (1)结构及工作原理
&&& TTL与非门是TTL逻辑门的基本形式,典型的TTL与非门电路结构如图8-16所示.该电路由输入级、倒相级、输出级三部分组成.
&&& 输入级由多发射极T1和R1构成.可以把T1的集电结看成一个,而把发射结看成与前者背靠背的两个二极管.这样,T1的作用和二极管与门的作用完全相同.
&&& 倒相级由三极管T2和电阻R2、R3构成.通过T2的集电极和发射极,提供两个相位相反的信号,以满足输出级互补工作的要求.
&&& 输出级是由三极管T3、T4,二极管D和电阻R4构成的"推拉式"电路.当T3导通时,T4和D截止;反之T3截止时,T4和D导通.倒相级和输出级的作用等效于逻辑非的功能.
&&& 输入端A、B中至少有一个为0.设A端为0,其电位约0.3 V;其余为l,其电位约为3.6 V.T1对应于输入端接低电位的发射结导通,设发射结的正向导通电压为0.7 V,此时T1的基极电位为:
&&& 该电压作用于T1管的集电结和T2、T3的发射结,显然不可能使T2和T3导通,所以T2和T3均处于截止状态.由于T2截止,其集电极电位接近于电压UCC,因而使T4和D导通,所以输出端Y的电位为:
&&& 它实现了"输入有低,输出为高"的逻辑关系.
&&& 输入端A、B全为1(设电位约为3.6 V).UCC通过R1、T1的集电结向T2提供基极电流,使T2饱和,从而进一步使T3饱和导通.输出端Y的电位为:
&&& 它实现了"输入全高,输出为低"的逻辑功能.此时T2的集电极电位为:
&&& T4、D必然截止.
&&& 综上所述,当T1发射极中有任一输入为0时,Y端输出为1;当T1发射极输入全1时,Y端输出为0.实现了与非门的功能.在使用TTL电路时要注意输入端悬空问题.当T1发射极全部悬空时,电源UCC仍能通过R1和T1集电结向T2提供基极电流,致使T2和T3导通、T4和D截止,Y端输出为0.当T1发射极中有0输入,其余悬空时,则仍由0输入的发射极决定了T2和T3截止、T4和D导通,Y端输出为1.由此可见,TTL电路输入端悬空相当于1.
&&& (2).主要外部特性参数
&&& 参数是我们了解TTL电路性能并正确使用的依据,下面仅就反映TTL与非门电路主要性能的几个参数作简单介绍.
&&& 10输出高电平UOH .
&&& 与非门至少有一个输入端接低电平时,输出电压的值称为输出高电平UOH.产品规范值为UOH≥2.4 V.
&&& 20 输出低电平UOL .
&&& 与非门所有输入端都接高电平时,输出电压的值称为输出低电平UOL.产品规范值为UOL≤0.4 V.
&&& 30 扇出系数No .
&&& 门电路的输出端所能连接的下一级门电路输入端的个数,称为该门电路的扇出系数No,也称负载能力.一般No≥8.
&&& 40 平均传输延迟时间tpd .
&&& 在与非门输入端加上一个脉冲电压,则输出电压将对输入电压有一定的时间延迟,从输入脉冲上升沿的50%处起到输出脉冲下降沿的50%处的时间叫做上升延迟时间tpd1;从输入脉冲下降沿的50%处到输出脉冲上升沿的50%处的时间叫做下降延迟时间tpd2.平均传输延迟时间tpd定义为tpd1与tpd2的平均值,即:
&&& 平均传输延迟时间是衡量与非门速度的一个重要参数,此参数值愈小愈好.除了与非门外,TTL门电路还有与门、或门、非门、或非门、异或门等多种不同功能的产品.如图8-17所示介绍的是几种常用的TTL门电路.
最简单的TTL与非门电路
与非门逻辑符号图
与非门实验
&&& 一、实验目的
&&& 1.学习测试"与非"门的电压传输特性和逻辑功能.
&&& 2.了解"与非"门组成的其它逻辑门.
&&& 二、实验原理
&&& "与非"门是门电路中应用较多的一种,它的逻辑功能是:全"1"出"0",有"0"出"1".即只有当全部输入端都接高电平"1"时,输出端才是低电平"0",否则,输出端为高电平"1".图1-1是一个具有3个输入端的"与非"门逻辑图.根据手册规定,"与非"门的高低电平和其他电参数有一定的规范值,(见表1-1).若不符合,则表明该"与非"门不能使用.
&&& 检验"与非"门应按表达1-1规定的测试条件进行.在实际使用时,有时可用万表对"与非"门进行简易检验.以TTL"与非"门为例,当接通用5V后,先让各个输入端接高电平,用测量其输出端的电压.然后把各个输入端依次接地,测量输出端的电压,根据测量数据是否符合规范值则可判别这个"与非"门好否.
&&& 集成"与非"门的电压传输特,指的是"与非"门输出电压uo随输入电压ui变化的关系曲线,如图1-2所示.图中A点相应的输入电压称为关门电平Uoff,B点相应的输入电压称为开门电平Uon.
&&& 传输特性的测量方法很多,最简单的方法是把直流电压通过分压加在与非门的输入端,如图1-4所示,用万用表逐点测出对应的输入,输出电压,然后绘制成曲线.为了读数容易,在调节ui过程中即可先监视输出电压的变化,再读出Ui来,否则在开门电平和关门电平之间变化的电压不易读出来.
&&& 为了在上观察到电压传输特性,可按图1-3接线,可把输出电压u0的y输入端,输入电压Ui可由函数输出的100Hz正弦波通过半波整流后得到,同时把这个输入信号送入示波器的x轴,作为扫描电压,调节ui大小可在示波器上观察到一条完整的电压传输特性曲线.(注意,这时示波器的x轴选择开放在"外接x")
&&& "与非"门可以组成其他基本.图1-5是由三个"与非"门组成的"或"门电路,它的逻辑表达式为:
&&& 图1-6是由四个"与非"门组成的"异或"门电路,它的逻辑表达式为
&&& 本实验使用的集成"与非"门的型号为74LS00,它包含四个"与非"门,每个"与非"门有2个输入端,其外引线及内部示意图如图1-7.Ucc为+5V.
&&& 用与非门组成的多谐电路如图1-8所示.它是一个非对称微分型多谐振荡电路.与非门G1的输出作为与非门G2的输入,与非门G2的输出又通过电容C反馈到与非门G1的输入形成正反馈.与非门G1的输出电压对C反复充放电,同时又使与非门G1不断翻转,周而复始,产生了振荡波形,其振荡周期
&&& 式中UOH为高电平值,Uth为门槛电压.
&&& 当 时,
&&& 若在图中接入R′,可使易于起振.通常R取1KΩ,R′取几千欧至十千欧.
&&& 三、设备及所选用组件箱
&&& 四、预习思考题
&&& 1.根据74LS00二输入四"与非"门管脚排列,画出实际实验线路.
&&& 2.TTL"与非"门的输出高低电平,一般在什么范围?什么是开门电平和关门电平,一般为何值?
&&& 3.如何根据"与非"门的逻辑功能及其范围值用万用表检查与非门?
&&& 4.如何使用示波器观察"与非"门的电压传输特性?
&&& 5.在观察门电路的输出波形时,y轴输入的交直流选择应放在哪个位置?在观察时如果出现不稳定的波形或者只有一个亮点,应调节哪个旋钮,如何调节?
&&& 6.与非门中多余输入端应作如何处理?
&&& 五、实验内容及步骤
&&& 1.测试与非门的逻辑功能
&&& 将与非门输出端接电平指示,将逻辑电平(由数据开关提供)接入与非门输入端,接通与非门的+5V,观察与非门的逻辑功能是否符合真值表内容.逐一74LS00中四只与非门,这种方法是判断与非门好坏的一种简便方法.
&&& 2.取任一"与非"门做电压传输特性的一直流法:用74LS00中一只与非门,电路如图1-4,用万用表逐点测试,(正确处理不用的输入端).为了读数容易,在调节Ui时,可先监视输出电压的变化,再读出Ui来,否则在开门电平和关门电平之间变化的电压不易读出来.将读数一一记入表1-1中,画出电压传输特性曲线,求出关门电平Uoff和开门电平Uon,输出高电平UOH, 输出低电平UOL.
&&& 表1-1& 直流法测与非门电压传输特性
&&& 3.观察与非门控制特性
&&& 如图1-9连接电路,将频率等于1KHz,幅度等于5V的方波,送入与非六输入端ui,当控制端Y分别加上逻辑0和逻辑1电平(Y接至数据开关),用双踪示波器同时观察ui、uo波形,比较两者的相位,体会控制端作用.将结果记入表1-2.
&&& 4.*观察与非门电压传输特性一交流法
&&& 选用一只与非门按图1-3接线,将频率为1KHZ的正弦波经二极管半流整流后的半波电压加入与非门输入端,同时作为示波器X轴扫描电压.与非门的输出信号送入Y轴输入通道.Y轴输入耦合方式开关置于"DC".从零开始逐渐加大ui信号,观察并记录电压传输特性曲线.如果需要从电压传输特性曲线上求得各项参数值,则必须事先确定X轴座标原点及X轴灵敏度;X轴不加信号时的光点位置即为坐标原点.将校准信号1V(或2V),1KHz方波送入X轴,根据光点的横轴偏移量可求出X轴的灵敏度.例如:当光点在X轴方向的偏移量为6div,则灵敏度为 .
&&& 5." 或"门的逻辑功能
&&& 按图1-5接线,用三个与非门组成了"或"门电路,同样将"或"门的二个输入端接至数据开关,改变两个输入端的电平,看输入与输出之间是否符合"或"逻辑.
&&& 6."异或"门的逻辑功能
&&& 按图1-6接线,四个与非门组成部分了"异或"门,将它的两个输入端A、B接至数据开关,改变两输入端电平,测输出电平的变化规律.
&&& 7.记录上述三种门电路,在一输入端接1KHz,幅值为4V的方波信号(在数字技术实验箱右下方有1KHz时钟脉冲,将下面小开关投向右侧即可),另一端输入端接"1"或接"0"时,输出端F的波形,记入相应逻辑门的表格中.
&&& 六、实验报告
&&& 1.整理实验数据驻描绘波形.
&&& 2.根据实验数据在坐标纸上按比例画出电压传输特性,并在图上求得开门电平及关门电平.
&&& 3.总结"与非"门、"或"门和"异或"门的逻辑功能.
&&& 4.对实验所观察到的波形进行分析讨论.
DTL与非门电路原理解释
&&& 常将与门和或门与非门组合起来组成与非门和或非门,以消除在串接时产生的电平偏离,并提高带负载能力.
&&& 图2.1.5所示就是由三输入端的二极管与门和三极管非门组合而成的与非门电路.其中,作了两处必要的修正:
&&& (1)一将Rb换成两个二极管D4、D5,作用是提高输入低电平的抗干扰能力,即当输入低电平有波动时,保证三极管可靠截止,以输出高电平.
&&& (2)二是增加了R1,目的是当三极管从饱和向截止转换时,给基区存储电荷提供一个泻放回路.
&&& 该电路的逻辑关系为:
&&& (1)当三输入端都接高电平时(即VA=VB=VC=5V),二极管D1～D3都截止,而D4、D5和T导通.可以验证,此时三极管饱和,VL=VCES≈0.3V,即输出低电平.
&&& (2)在三输入端中只要有一个为低电平0.3V时,则阴极接低电平的二极管导通,由于二极管正向导通时的钳位作用,VP≈1V,从而使D4、D5和T都截止,VL=VCC=5V,即输出高电平.
&&& 可见该电路满足与非逻辑关系,即
&&& 把一个电路中的所有元件,包括二极管、三极管、电阻及等都制作在一片半导体上,封装在一个管壳内,就是.图2.1.5就是早期的简单集成与非门电路,称为二极管-三极管逻辑门电路,简称DTL电路.
&&& TTL逻辑门电路:
&&& DTL电路虽然结构简单,但因工作速度低而很少应用.由此改进而成的TTL电路,问世几十年来,经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善,至今仍广泛应用,几乎占据着数字集成电路领域的半壁江山.
&&& TTL与非门的基本结构及工作原理
&&& 1.TTL与非门的基本结构
&&& 我们以DTL与非门电路为基础,根据提高电路功能的需要,从以下几个方面加以改进,从而引出TTL与非门的电路结构.
&&& 首先考虑输入级,DTL是用二极管与门做输入级,速度较低.仔细分析我们发现电路中的Dl、D2、D3、D4的P区是相连的.我们可用集成工艺将它们做成-个多发射极三极管.这样它既是四个PN结,不改变原来的逻辑关系,又具有三极管的特性.一旦满足了放大的外部条件,它就具有放大作用,为迅速消散T2饱和时的超量存储电荷提供足够大的反向基极电流,从而大大提高了关闭速度.详细情况后面再讲.
&&& 第二,为提高输出管的开通速度,可将二极管D5改换成三极管T2,逻辑关系不变.同时在电路的开通过程中利用T2的放大作用,为输出管T3提供较大的基极电流,加速了输出管的导通.另外T2和电阻RC2、RE2组成的有两个反相的输出端VC2和VE2,以产生两个互补的信号去驱动T3、T4组成的推拉式输出级.
&&& 第三,再分析输出级.输出级应有较强的负载能力,为此将三极管的集电极RC换成由三极管T4、二极管D和RC4组成的有源负载.由于T3和T4受两个互补信号Ve2和Vc2的驱动,所以在稳态时,它们总是一个导通,另一个截止.这种结构,称为推拉式输出级.
&&& 2.TTL与非门的逻辑关系
&&& 因为该电路的输出高低电平分别为和0.3V ,所以在下面的分析中假设输入高低电平也分别为和0.3V.
&&& (1)输入全为高电平时.T2 、T3导通,VB1=0.7×3=2.1(V),从而使T1的发射结因反偏而截止.此时T1的发射结反偏,而集电结正偏,称为倒置放大工作状态.
&&& 由于T3饱和导通,输出电压为:VO=VCES3≈0.3V
&&& 这时VE2=VB3=0.7V,而VCE2=0.3V,故有VC2=VE2+ VCE2=1V.1V的电压作用于T4的基极,使T4和二极管D都截止.
&&& 可见实现了与非门的逻辑功能之一:输入全为高电平时,输出为低电平.
&&& (2)输入有低电平0.3V时.
&&& 该发射结导通,T1的基极电位被钳位到VB1=1V.T2、T3都截止.由于T2截止,流过RC2的电流仅为T4的基极电流,这个电流较小,在RC2上产生的压降也较小,可以忽略,所以VB4≈VCC=5V ,使T4和D导通,则有:
&&& VO≈VCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6(V)
&&& 可见实现了与非门的逻辑功能的另一方面:输入有低电平时,输出为高电平.
&&& 综合上述两种情况,该电路满足与非的逻辑功能,是一个与非门.
&&& TTL与非门的速度:
&&& 1.TTL与非门提高工作速度的原理
&&& (1)采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程.设电路原来输出低电平,当电路的某一输入端突然由高电平变为低电平,T1的一个发射结导通,VB1变为1V.由于T2、T3原来是饱和的,基区中的超量存贮电荷还来不及消散,VB2仍维持1.4V.在这个瞬间,T1为发射结正偏,集电结反偏,工作于放大状态,其基极电流iB1=(VCC-VB1)/Rb1
&&& 图2.2.5 多发射极三极管消散T2存储电荷的过程
&&& 集电极电流iC1=β1iB1.这个iC1正好是T2的反向基极电流iB2,可将T2的存贮电荷迅速地拉走,促使T2管迅速截止.T2管迅速截止又使T4管迅速导通,而使T3管的集电极电流加大,使T3的超量存贮电荷从集电极消散而达到截止.
&&& (2)采用了推拉式输出级,输出阻抗比较小,可迅速给负载电容充放电.
&&& 2.TTL与非门传输延迟时间tpd
&&& 当与非门输入一个脉冲波形时,其输出波形有一定的延迟,如图所示.定义了以下两个延迟时间:
&&& 导通延迟时间tPHL--从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间.
&&& 截止延迟时间tPLH--从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间.
&&& 与非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值.即
&&& 一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒.
&&& TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力
&&& 1.电压传输特性曲线
&&& 与非门的电压传输特性曲线是指与非门的输出电压与输入电压之间的对应关系曲线,即V=f(Vi),它反映了电路的静态特性.
&&& (1)AB段(截止区).
&&& (2)BC段(线性区).
&&& (3)CD段(过渡区).
&&& (4)DE段(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,我们可以定义几个重要的电路指标.
&&& (1)输出高电平电压VOH--VOH的理论值为,产品规定输出高电压的最小值VOH(min)=2.4V,即大于2.4V的输出电压就可称为输出高电压VOH.
&&& (2)输出低电平电压VOL--VOL的理论值为0.3V,产品规定输出低电压的最大值VOL(max)=0.4V,即小于0.4V的输出电压就可称为输出低电压VOL.
&&& 由上述规定可以看出,TTL门电路的输出高低电压都不是一个值,而是一个范围.
&&& (3)关门电平电压VOFF--是指输出电压下降到VOH(min)时对应的输入电压.显然只要Vi<VOFF,VO就是高电压,所以VOFF就是输入低电压的最大值,在产品手册中常称为输入低电平电压,用VIL(MAX)表示.从电压传输特性曲线上看VIL(MAX)(VOFF)≈1.3V,产品规定VIL(MAX)=0.8V.
&&& (4)开门电平电压V--是指输出电压下降到VOL(max)时对应的输入电压.显然只要Vi&VON,Vo就是低电压,所以VON就是输入高电压的最小值,在产品手册中常称为输入高电平电压,用VIH(min)表示.从电压传输特性曲线上看VIH(min)(VON)略大于1.3V,产品规定VIH(min)=2V.
&&& (5)阈值电压Vth--决定电路截止和导通的分界线,也是决定输出高、低电压的分界线.从电压传输特性曲线上看,Vth的值界于VOFF与VON之间,而VOFF与VON的实际值又差别不大,所以,近似为Vth≈VOFF≈VON.Vth是一个很重要的参数,在近似分析和估算时,常把它作为决定与非门工作状态的关键值,即ViVth,与非门关门,输出高电平.Vth又常被形象化地称为门槛电压.Vth的值为1.3V～1.4V.
&&& 3.抗干扰能力
&&& TTL门电路的输出高低电平不是一个值,而是一个范围.同样,它的输入高低电平也有一个范围,即它的输入信号允许一定的容差,称为噪声容限.
&&& 在图2.2.11中若前一个门G1输出为低电压,则后一个门G2输入也为低电压.如果由于某种干扰,使G2的输入低电压高于了输出低电压的最大值VOL(max),从电压传输特性曲线上看,只要这个值不大于VOFF,G2的输出电压仍大于VOH(min),即逻辑关系仍是正确的.因此在输入低电压时,把关门电压VOFF 与VOL(max)之差称为低电平噪声容限,用VNL来表示,即低电平噪声容限 VNL=VOFF-VOL(max)=0.8V-0.4V=0.4V
&&& 若前一个门G1输出为高电压,则后一个门G2输入也为高电压.如果由于某种干扰,使G2的输入低电压低于了输出高电压的最小值VOH(min),从电压传输特性曲线上看,只要这个值不小于VON,G2的输出电压仍小于VOL(max),逻辑关系仍是正确的.因此在输入高电压时,把VOH(min)与开门电压VON与之差称为高电平噪声容限,用VNH来表示,即高电平噪声容限 VNH=VOH(min)-VON=2.4V-2.0V=0.4V
&&& 噪声容限表示门电路的抗干扰能力.显然,噪声容限越大,电路的抗干扰能力越强.通过这一段的讨论,也可看出二值数字逻辑中的"0"和"1"都是允许有一定的容差的,这也是数字电路的一个突出的特点.
&&& TTL与非门的带负载能力:
&&& 在数字系统中,门电路的输出端一般都要与其他门电路的输入端相连,称为带负载.一个门电路最多允许带几个同类的负载门?就是这一部分要讨论的问题.
&&& 1.输入低电平电流IIL与输入高电平电流IIH
&&& 这是两个与带负载能力有关的电路参数.
&&& (1)输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低电平时,从门电路输入端流出的电流.
&&& (2)输入高电平电流IIH是指当门电路的输入端接高电平时,流入输入端的电流.有两种情况.
&&& ①寄生三极管效应.当与非门一个输入端(如A端)接高电平,其它输入端接低电平,这时IIH=βPIB1,βP为寄生三极管的电流放大系数.
&&& ②倒置工作状态.当与非门的输入端全接高电平,这时,T1的发射结反偏,集电结正偏,工作于倒置的放大状态.这时IIH=βiIB1,βi为倒置放大的电流放大系数.
&&& 由于βp和βi的值都远小于1,所以IIH的数值比较小,产品规定IIH&40uA.
&&& 2.带负载能力
&&& (1)灌电流负载.当驱动门输出低电平时,驱动门的T4、D截止,T3导通.这时有电流从负载门的输入端灌入驱动门的T3管,"灌电流"由此得名.灌电流的来源是负载门的输入低电平电流IIL,如图2.2.15所示.很显然,负载门的个数增加,灌电流增大,即驱动门的T3管集电极电流IC3增加.当IC3&βIB3时,T3脱离饱和,输出低电平升高.前面提到过输出低电平不得高于VOL(max)=0.4V.因此,把输出低电平时允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL,这是门电路的一个参数,产品规定IOL=16mA.由此可得出,输出低电平时所能驱动同类门的个数为:
&&& (2)拉电流负载.当驱动门输出高电平时,驱动门的T4、D导通,T3截止.这时有电流从驱动门的T4、D拉出而流至负载门的输入端,"拉电流"由此得名.由于拉电流是驱动门T4的发射极电流IE4,同时又是负载门的输入高电平电流IIH,如图2.2.16所示,所以负载门的个数增加,拉电流增大,即驱动门的T4管发射极电流IE4增加,RC4上的压降增加.当IE4增加到一定的数值时,T4进入饱和,输出高电平降低.前面提到过输出高电平不得低于VOH(min)=2.4V.因此,把输出高电平时允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH,这也是门电路的一个参数,产品规定IOH=0.4mA.由此可得出,输出高电平时所能驱动同类门的个数为:
&&& 一般NOL≠NOH,常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数,用NO表示.
输入端CMOS与非门电路
&&& 2输入端C与非门,其中包括两个串联的N沟道增强型MOS管和两个并联的P沟道增强型MOS管.每个输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极.当输入端A、B中只要有一个为低电平时,就会使与它相连的NMOS管截止,与它相连的PMOS管导通,输出为高电平;仅当A、B全为高电平时,才会使两个串联的NMOS管都导通,使两个并联的PMOS管都截止,输出为低电平.
&&& 因此,这种电路具有与非的逻辑功能,即
&&& n个输入端的与非门必须有n个NMOS管串联和n个PMOS管并联.
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与门电路和与非门电路原理
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