第三章 门电路 3.1本章习题类型与解题方法 这一章的习题大致可以分为四种类型:双极型三极管工作状态的计算、集成 广」电路逻辑功能的分析、输入特性和输出特性的应用、OD门和OC门外接上拉 电阳的计算。下而结合例题说明它们的解题方法。 双极型三极管工作状态的计算 在三极管开关电路巾,为了使三极管作在开关状态,必须保证输入为低电 平时三极管T作在截止状态,而输入为高电平时三极管工作在饱和导通状态。 (当然,非饱和逻电路除外)。因此,这一类习题要求计算输人为高低电平下 三极管的⊥作状态,以判断电路参数的选择是否合理 解题方法和步骤: (1)利用戴维宁定理将输入电路(即接在三极管的基极和发射极之间的外 接电路)简化为等效的v与RE串联电路,如图3-1中所示。 (2)计算v1为低电平时的v值。若VVa,则二极管导通,表明电路参数的选择不合理。 Vn是三极管发射结的开启电压,硅管近似地取为0.7V,锗管近似地取为 0.3Ⅴ (3)计算1为高电平时的V值以及此时的i,并与临界饱和基极电流lBs 比较。若i>l2s,则三极管饱和导通,参数设计合理。若i<ls,则三极管不饱 和,说明参数设计不合理。 【例3-1】在图3-2(a)所示三极管开关电路中,已知Vc=10V,VBk -5V,Rc=1kg,R1=1k9,R2=3.3k,R3=18k。三极管的电流放大系数 β=30,饱和导通压降vMms=0.lV,饱和导通内阻Rc()=20Ω。输入高、低
3.1小章习题类型与解题方法71 B 图3-1输人电路化简后的三极管开关电路 电平分别为Vm=3.6V,VL=0.3V。试计算输人为高低电平下二极管的工作 状态,说明电路参数的设计是否合埋。 解:首先利用戴维宁定理将输入电跻化简。为清楚起见,把输入电路的完 整形式画于图3-2(b)中。根据戴维宁定埋,等效电压源V等于b-e两端开 路时的电压,等效内阻R等于将内部电压源短路后,从b-c两端看进去的电 阻,于是得到 U r +R R2 3.3+l8×3.3 =0.845v1-0.775V R2·R RE R +R 3.3×18 ko 3.3+18 2.8kΩ 当v1=V1t=0.3V时,v2=(0.845×0.3-0.775)V=-0.52V,故三极管 截止 当v1=Vm1=3.6V时,vg=(0.845×3.6-0.775)V=2.27V。此时的基极 电流为 v2.27-0.7 mA=0.56 mA R 2.8 而临界饱和基极电流为 CE f sal) 6(Rc+RcEm)30×1.02×10 A=0.33mA
72第:章门电路 可见,1>fms,故三极管饱和导通。 计算结果说明,为低电平时一极管截止,v1为高电平时二极管饱和导通 所以电路参数的设计是合理的。 c+10V i R,211kQ !ksSr R R1 R 3.3k9 Mb K3 →→① VEe-5V 图3-2例3-1的二极管开关电路和输人电路的等效电路 二、集成门电路逻辑功能的分析 这-类题日又介为两种情况,一种是给出∫门电路输入的电压波形或逻辑 状态求输出的电压波形或逻辑状态;另种是给出了集成门电路的内部电路结 构图,求它的逻辑功能。 解题方法和步骤: (1)对于前一种题日(即给出了门电路输入的电压波形或逻辑状态,求输 出的电压波形或逻辑状态),只需按照给定门电路的逻辑功能逐一找出母一种 输入状态下的输出就行了。需要注意的问题就是当输入端不是接高、低逻辑电 平,而是悬空、经过电阻接地或接电源电压时输人端逻辑状态的确定方法。 对CMOs门电路m官,通常是不允许输入端工作在悬空状态的。输入端经 过电阻接地时,与接逻辑低电平等效;经过电阻接电源电压时,与接逻辑高电平 等效。 而对TL电路而,输入端的悬空状态和接逻辑高巾平等效。输入端经过 电阻(通常取儿十千欧以内)接电源电压时,与接逻辑高电平等效。输入端经过 电阻接地时输入端的电平与电阻阻值的大小有关,当电阻阻值很小时(例如只 有几十欧姆),输入端相当于接逻辑低电平;当电阻阻值大到一定程度以后,输 入端电压将升高到逻辑高电平。例如在74系列门电路中,当这个电阻大于 2kQ以后,输入端也压将高于1.4V;在74LS系列门电路中,当这个电阻大于 9kΩ以后,输入端电压将高于1.4Ⅴ。这时输入端状态与接逻辑高电平等效。 (2)对于后一种题日(即给出了集成门电路的内部电路结构图,求它的逻
31本章习题类型与解题法73 辑功能),通常可以按如下步骤进行求解: ①首先将电路划分为若干个基本功能结构模块。 ②从输入到输出依次写出每个电路模块输出与输人的趔辑关系式,最后就 得到了整个电路逻辑功能的表达式 图3-3中给出了TTL集成门电路中的儿种基本的电路模块。 (A+B) -A+B (a)与结构 (b)或非结构 (c)倒相结构 安 (A D (A-07V 外 接 A (d}电平偏移结构 (e)推拉式输出结构(OC输出结构 图3-3TL集成门电路中的几种基本功能结构 这些基本功能电路模块有与结构、或非结构、倒相结构、电平偏移结构推拉 式输出结构和0C输出结构等儿种。电平偏移结构的功能在于实现电平的变 换。当输入A为高电平时,二极管D导通,输出也是高电平,但输出的高电平比 输入电平低一个二极管的压降。当输入A为低电平时,二极管工作在截止状 态,这时三极管T导通,为输出端提供一个低内阻的对地放电通路 图3-4是CMoS集成门电路的儿种基本电路结构模块。其中包含反相结 构、与非结构或非结构、传输门结构和OD输出结构。利用这几种电路模块能 很方便地组成各种逻辑功能的集成电路
74第章门电路 A (A B) a)反相结构 (b)与非结构 (c}或非结构 (d)传输门结构 ()OD输出结构 图3-4CMOS集成门电路中的几种基本功能结构 【例3-2】试分析图3-5电路的逻辑功能。 解:首先将电路划分为虚线彬內的六个基本功能模块:最左边的三个与结 构模块、中间的两个或非结构模块和最右边的推拉式输出模块,如图屮所示。 然后自左而右地逐个写出每个模块的逻辑关系式(如图中所示),最后得到 Y=(AB+(A+B))'=(AB+A'B)=AoB 因此,图3-5电路是异或门电路。 【例3-3】试分析图3-6电路的逻辑功能 解:这个电路可以划分成四个反相器和一个传输门共五个功能模块。传输 门的工作状态由B和B'控制,当B=0时传输门导通,输出等于输入的A';当B 1时传输门截止。电路图中间的一个反相器受B状态的控制,当B=0时(B 1)T1和T2同时截止,反相器不L作;当B=1时(B′=0)T,和们2同时导通,反 相器工作,输出等于A。再经过输出端反相器反相以后得到 (当B=0) A(当B=1) 把上式的真值表列出(表3-1)即可看到,Y=AB
3.1本章习題类型与解题方法75 a 愿 IiLw
76第三章门电路 表3-1图3-6电路的逻辑真值表 B 1A(当B= 14(当B=1) A当B=0) A当1B1) =AOB B 图3-6例3-3的电路 三、输入特性和输出特性的应用 这里所说的输入、输出特性的应用,是指应用数字集成电路的输人电气特性 和输出电气特性解决集成电路之间的互相连接、集成电路与输入端外接电路的 连接以及集成电路与输出端外接负载电路的连接问题 1.TTL电路扇出系数的计算 所谓扇出系数,是指一个门电路可以同时驱动某…种门电路的最大数月。 解题方法和步骤: ①首先需要知道驱动门的低电平输出电流最大值lo(m和高电平输出电 流最大值lom(mn负载门低电平输入电流最大值l1m和高电平输入电流最大 值mm、。这些参数可以从手册上查到,也可以是题目给出的。 ②计算在lm≤locm的条件下,驱动门能驱动负载门的数月N。由图 3-7(a)可知,这时应满足 lo-N,| kIu mas) I≤lom
31本章习题类型与解题方法77 M 负载为或/或非门时,等于每个门的并联输入端数;负载为与/与非门时,k等于1。 负 亚low 负 载 驱动门 驱动门 图3-7计算TTL电路扇出系数的简化电路 ③计算在lo≤lom(m的条件下,驱动门能驱动负载门的数目N2。由图 37(b)可知,这时应满足 :式巾的p是每个负载门的并联输入端个数 ④取M,中小的一个,即为所求的崩1>+D 出系数 【例3-4】在图3-8电路中,试计算2 输入或非门G1能驱动多少个同样的或非门电 路。已知或非门的低电平输出电流最大值 lom=16mA,高电平输出电流最大值 loIr,=-0.4mA,高电平输人电流最大值 m(m=40μA,低电平输入电流最大值 1.6mA 图38例3-4的电路 解:在保证lan≤lu(m)的条件下,设C1
78第章门电路 可驱动负载门的个数为N,因为每个负载门的两个或输入端并联,故有 Io. =N,I2IIL( ma )I<IoL. 16 N1≤ 6 5 若C;输出高电平吋能驱动的负载门个数为N2,则有 22l 0.4 2×0.04 综合C,输出高、低电平时的驱动能力后得到N=5 2.TT电路输入端串联电阻允许值的计算 由图3-9可知,当输人信号经过串联电阻R接到门电路的输人端时,由于 rL电路的高电平输入电流和低电平输入电流都不等于零所以在串联电阻R 上婁产生压降。当输入为高电平时,图3-9(a)可见,如果R,数值过大,则加 到门电路输入端的V将低于规定的VH(m这是不允许的。同理,当输入为低电 平时,由图3-9(b)可见如果R,选得过大,则V将高于规定的Vxm),这也是 不允许的。因此,需要计算出R,阻值的允许范围。 ybe y bes 图3-9TL电路输人端串联电阻允许值的计算 解题方法和步骤 (1)计算V=m时R2的最大允许值。为保证V4≥Vmm,即 =Vm-R2l1H(m,≥ 于是得到 Rp≤ 其中m、Vm(m、lmm的具体数值由题目给出,也可以从器件手册中查到
3.1本章习题类型与解题方法79 Im的值在v>Vmxm的范围内基本不变。如果V处有多个输入端并联,则 应以总的输入电流代替式(3-1)中的l1m(mx6 (2)计算V=V时R的最大允许值。由图3-9(b)可见,为了保让VA≤ Vn(m,R上的压降成小于Vnm-Vn。因为Rn与R1同处于一个联支路 中,所以它们的电阻值之比等于它们上面的压降之比,即 R1 IL( mux R IL max R,≤ -R, 式中的Vn、V1(m由题H给出,或从器件手册中查到。vBE1是T发射结的导通 压降,约0.7V。 如果v处有n个TL门电路并联,则可以利用戴维宁定理将这n个输入电 路等效为Vc、V和一个阻值为R1n的电阻串联的支路,并以R1n代替式(3 -2)中的R1 (3)取式(3-1)和式(3-2)的计算结果中阻值较小的…个作为R,的最大 允许值。 【例3-5】在图3-10电路屮,试求RC滤波电路中R的最大允许阻值是 多少。已知门G1输出的高、低电平分别为3.4V和0.2V,门C2和G3的高电 平输入电流最大值lm(m=40uA,输入高电平最小值Vm(mn)=2V,输人低电平 最大值V1nxm=0.8V。 解:当RC电路输入为高电平V=3.4V吋,式(3-1)得到 R≤ vH(min)3.4-2.0 kg=8.75k 4×0.04 而当RC电路输入为低电平Vou=0.2V时,由式(3-2)又得到 R v1n(mx-V1R10.8-0.24 35-0.7-0.83 kg=0.228kn 为同时满足RC电路输入高电平时和输入低电平时对R取值的限制,R的 阻值不应大于0.228k 3.三极管接凵电路的电路参数计算 在输入信号的高低电平与数字集成电路要求的输入电平不同,或者输入信 号不能提供数字集成电路所要求的输入电流时,就需要在输入信号与集成电路 之间接入接口电路,如图3-11(a)所示。同样,在数字集成电路输出的高、低电 平不符合负载电路的要求,或者数字集成电路不能提供负载所需要的输出电流 时,也需要在数字集成电路与负载之间接入接口电路,如图3-11(b)所示。 饣没有合适的接冂电路芯片可以选用的情况下,可以用三极管开关电路设