教案第六讲常用cmos逻辑门电路及74ls系列ttl逻辑门电路.docx

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教案第六讲常用cmos逻辑门电路及74ls系列ttl逻辑门电路

第六讲常用CMOS逻辑门电路及74LS系列TTL逻辑门电路

本讲重点

与非及或非逻辑门电路原理；

2.漏极开路CMOS门电路结构及应用方法；

传输门及异或逻辑门电路原理；

系列TTL逻辑门电路原理及特性。

本讲难点

1.漏极开路OD门电路原理及“线与”逻辑概念与应用原则；

传输门构成逻辑门电路工作原理；

系列TTL逻辑门电路原理及应用特点。

教学手段

本讲宜教师主导讲授，用多媒体演示为主、板书为辅。

教学步骤

教学内容

设计意图

表达方式

1．回顾上一讲CMOS反相器内容为本次课做准备。

上一讲内容回顾：

CMOS反相器结构和工作原理

电压传输特性和电流传输特性

为了与前次课内容衔接，需要进行复习与回顾，加深学生印象。

之后，引入新内容，如此处理教学效果会更好。

为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。

2．提出问题，导入常用CMOS及TTL门电路问题的讨论。

1）CMOS构成常用逻辑门结构是什么样的，工作原理如何；

2）两个CMOS门的输出是否可以并联使用；

3）CMOS异或门是如何构成的，电路工作原理又如何；

4）用双极性三极管构成的集成逻辑门电路结构是什么样的，工作原理又如何

用问题激发学生听课的兴趣。

3．对上述问题的逐一讲解、解答。

讲解常用逻辑功能的CMOS门电路。

3.1.1讲解CMOS逻辑与非门和或非门电路结构及工作原理。

3.1.2讲解CMOS漏极开路输出门电路OD门结构、工作原理及其应用。

3.1.3讲解CMOS传输门和双向模拟开关以及异或门结构与工作原理。

3.1.4讲解三态输出CMOS门电路结构与工作原理及其应用。

3.1.5介绍CMOS电路的特点与使用注意问题。

讲解74LS系列TTL门电路结构与工作原理。

3.2.1讲解LSTTL非门结构与工作原理。

3.2.2讲解LSTTL门电路的特性曲线和一些规定参数。

3.2.3讲解TTL功耗问题。

3.2.4讲解LSTTL与非门结构和原理。

3.2.5介绍CMOS门电路与TTL门电路两者特点比较。

1.常用逻辑功能的CMOS门电路

（一）CMOS逻辑与非和或非门电路

①与非门

②或非门

（二）CMOS漏极开路输出门电路（OD门）

为什么需要OD门能否将普通2个及以上的CMOS门电路的输出直接连在一起，进而实现“线与”！

是否可以如此连接与应用

漏极开路输出CMOS门电路（OD门）

用途：

输出缓冲/驱动器；输出电平的变换；满足大功率负载电流的需要；实现线与逻辑。

应用举例

RL的选择

（三）CMOS传输门和双向模拟开关及CMOS异或门

传输门的一个用途可作模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。

C=1时开关接通；C=0时开关截止。

利用CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，如：

异或门、同或门、触发器等。

用反相器和传输门构成异或门电路

（四）三态输出CMOS门电路

三态输出的CMOS反相器

控制端低电平有效三态门：

控制端高电平有效三态门：

三态门有三种状态：

高电平、低电平、高阻态。

注意：

高阻状态不是逻辑状态！

三态输出反相器应用举例

（五）CMOS电路的特点与使用注意问题

①CMOS电路的优点

•静态功耗小；允许电源电压范围宽20V）；扇出系数大，噪声容限大。

②CMOS电路的正确使用

输入电路的静电保护

•所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。

•存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。

多余的输入端不能悬空

•可以按功能要求接电源或接地，或与其它输入端并联使用。

输入电路需过流保护

•低内阻信号源时，输入端与信号源之间串进保护电阻；

•输入端接有大电容时，应在输入端和电容之间串联接入保护电阻；

•输入端接长线时，应在门电路的输入端串联接入保护电阻。

2.74LS系列TTL门电路

（一）LSTTL非门结构与工作原理

TTL集成门电路发展主要经历了四个系列，74系列、74H系列、74S系列、74LS系列。

前三个系列已经被淘汰，74LS系列虽面临淘汰，但是目前仍有使用，故课程仅简单介绍74LS系列原理。

利用肖特基管的低导通电压~和多数载流子形成电流特性抗深饱和提高速度。

D2、D3的作用

D2在T5导通的瞬间起作用，可抽取T4的基区电荷，加速其截止过程。

D3在T5导通的过程中起作用，此时T2的集电极电位比T5的集电极电位低，可以通过D3给负载电容放电，而这个放电电流又去驱动T5，减小了电路的导通延迟。

T6电路的作用

T2由截止变导通，先驱动T5饱和导通，然后T6才导通，对T5进行分流，饱和度将变浅。

使其从饱和变截止时更加迅速。

T5变截止的瞬态，由于T6比T5晚截止，使T5有很好的泄放回路而很快脱离饱和，提高了电路工作速度。

（二）LSTTL门电路的特性曲线和一些规定参数

注意：

TTL门电路悬空的输入端相当于接高电平。

为了防止干扰，一般应将定义为高电平的悬空输入引脚，通过一个几千欧的电阻接电源。

也可以根据逻辑情况与其它输入引脚接在一起使用。

（三）TTL功耗问题

TTL功耗有静态功耗PD和动态功耗PT。

由于静态时TTL工作需要的电流很大，所以说对于TTL电路静态功耗是主要的。

但是动态工作时电流会出现很大的尖峰干扰和电源瞬态大电流输出，应用时必须加大电源功率，一般为2~3倍平均功率!

平均功耗=PD+PT=VCC×IccAV。

其中，电源平均电流IccAV约为：

IccAV=（IccH+IccL）/2+f·tPLH·（IccM-IccL）/2

（四）LSTTL与非门74LS00

（五）CMOS门电路与TTL门电路两者特点比较

•CMOS工作速度一般比TTL低，HCMOS与TTL相当。

•CMOS扇出系数比TTL电路大。

•CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在～20V，抗干扰能力比TTL电路强。

•CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。

TTL功耗几mW、CMOS的功耗只有几个μW。

•CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。

•CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。

多余输入端的处理措施

处理原则：

不能影响输入与输出之间的逻辑关系。

①可并联起来使用；

②可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。

•TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平。

一般可根据门电路逻辑功能将多余的输入端通过上拉电阻（1~3K）接电源正端（逻辑1的处理）；直接把多余端接地（逻辑0的处理）。

尽量把多余的输入端并联使用；虽然可以通过大电阻接地（逻辑1的处理），但最好不要采用。

•CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。

对于CMOS电路对多余输入端，尽量根据门电路逻辑功能并联使用，或者根据需要直接接地（逻辑0的处理）；或直接接VDD（逻辑1的处理）。

此处提醒：

了解常用逻辑功能的CMOS门电路结构及电路中晶体管开关方式工作原理。

为了节约课时，提高信息量，采用课件PPT演示方式组织教学。

此处强调：

普通门输出不能直接连在一起！

不仅不能达到效果，而且输出端产生的持续大电流还会损坏电路。

此处提示：

可以考虑去掉输出电路中的PMOS管，使NMOS漏极开路构成门，再考虑输出并联使用问题。

此处提醒：

OD门不仅有实现线与逻辑作用，而且可实现输出电平的变换作用。

此处提示：

传输门或模拟开关控制端作用以及符号含义（若控制端输入的逻辑0与符号中○对应，逻辑1与直线对应，则传输门闭合，否则传输门将关断）。

此处提示：

三态门控制端作用以及符号含义（若控制端输入的逻辑0与符号中○对应，逻辑1与直线对应，则三态门被打开按照门电路逻辑工作，否则三态门将关断输出为高阻状态）。

此处强调：

加入肖特基管主要是抗深饱和提高速度作用。

此处提醒：

D2、D3以及T6电路作用是提电路动作高速度，并不影响逻辑功能。

此处提醒：

①LSTTL门电路的阈值电压为，通过分析电路即可得到结论；

②根据输入负载电阻特性，TTL门电路悬空或者输入端所接电阻大于10k时，输入端相当于接高电平，应用时必须注意。

此处强调：

动态工作时电流会出现很大的尖峰干扰和电源瞬态大电流输出，应用时必须加大电源功率，一般为2~3倍平均功率!

同时要考虑芯片电源加入滤波电容。

此处提示：

LSTTL与非门实质上是利用二极管完成的逻辑与，三极管完成的逻辑非。

此处强调：

若去掉T3、T4、D5、D6及电阻R4、R5等，则构成集电极开路OC门，其应用方法与CMOS的OD门相似。

LSTTL也有三态门其特点和应用方法与CMOS的三态门相似。

6.小结常用CMOS逻辑门及74LS系列TTL逻辑门电路内容

1）门电路是构成各种复杂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；

2）介绍了目前应用最为广泛使用的CMOS和曾被广泛使用74LS系列TTL两类集成逻辑门电路；

3）在学习这些集成电路时，应把重点放在它们的外部特性上。

外部特性包含两个内容：

一是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；

二是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。

4）该部分介绍一些集成电路内部结构和工作原理，目的是帮助各位加深对器件外特性的理解，以便更好地利用这些器件。

通过课堂总结，可使学生加深对本节课有关常用CMOS逻辑门电路及74LS系列TTL逻辑门电路等内容的印象。

7.课后讨论与思考

问题：

电路如图所示。

①若为CMOS门，分析各电路是否合理，并写出输出表达式；

②若为74LS系列TTL门，分析各电路并写出输出表达式。

让学生思考，利于对该节课内容的掌握。