第02章逻辑门电路PPT讲稿.ppt

第02章逻辑门电路第1页，共100页，编辑于2022年，星期一教学资源教学资源nQQ群n课程群：3643 7175(千人群)n班级群：5611 2577 n新浪微博 模电数电nhttp:/ 班级班级第2页，共100页，编辑于2022年，星期一教学资源教学资源n微信公众平台n查找公众号：模电数电公众平台二维码第3页，共100页，编辑于2022年，星期一历史回顾历史回顾 1956年，肖克利、巴丁、布拉坦获得年，肖克利、巴丁、布拉坦获得诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖，表彰他们在，表彰他们在半导体和晶体管研究领域的贡献。半导体和晶体管研究领域的贡献。晶体管的发明是晶体管的发明是20世纪中叶科学技术领域划时代的一件大事，它世纪中叶科学技术领域划时代的一件大事，它的诞生使电子学发生了根本性变革。的诞生使电子学发生了根本性变革。1962年，年，TTL集成逻辑电路诞生。集成逻辑电路诞生。1971年，年，Intel公司推出第一款公司推出第一款NMOS四位微处理四位微处理器器Intel 4004，主频，主频108kHz，支持，支持8位指令集及位指令集及12位地位地址集。址集。1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，开创了人类的硅文明时代。管，开创了人类的硅文明时代。随着半导体工艺的进步，随着半导体工艺的进步，CMOS集成电路逐渐称为主流。集成电路逐渐称为主流。第4页，共100页，编辑于2022年，星期一2.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 n二极管的开关特性二极管的开关特性n双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性第5页，共100页，编辑于2022年，星期一2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性 在数字电路中，二极管工作在在数字电路中，二极管工作在开关状态开关状态。由于结电容的存在，。由于结电容的存在，导通导通与与截止截止状态的转换需要一定的时间。状态的转换需要一定的时间。反向恢复时间：反向恢复时间：tR=ts+tf其中：其中：ts 存储时间存储时间 tf 下降时间下降时间电荷存储效应电荷存储效应第6页，共100页，编辑于2022年，星期一在放大状态：在放大状态：2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性n四种工作状态四种工作状态工作状态发射结集电结放 大正 偏反 偏饱 和正 偏正 偏截 止反 偏反 偏反 向反 偏正 偏第7页，共100页，编辑于2022年，星期一2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性晶体管反相器晶体管反相器n开关特性开关特性n延迟时间延迟时间 tdn上升时间上升时间 trn存储时间存储时间 tsn下降时间下降时间 tf第8页，共100页，编辑于2022年，星期一2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性n饱和深度饱和深度临界饱和状态：临界饱和状态：在深度饱和情况下：在深度饱和情况下：饱和深度：饱和深度：晶体管反相器晶体管反相器第9页，共100页，编辑于2022年，星期一2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性n肖特基晶体管肖特基晶体管：抗饱和晶体管：抗饱和晶体管抗饱和晶体管原理抗饱和晶体管原理肖特基晶体管符号肖特基晶体管符号 在晶体管的集电结上并联一个肖特基势垒二极管，以在晶体管的集电结上并联一个肖特基势垒二极管，以降低降低晶体管的饱和深度晶体管的饱和深度。肖特基二极管由金属和半导体接触形成，正向压降肖特基二极管由金属和半导体接触形成，正向压降0.3 0.4伏，伏，没有电荷存储效应。没有电荷存储效应。第10页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器利用二极管的开关特性，可构成二极管利用二极管的开关特性，可构成二极管与门电路与门电路和和或门电路或门电路。ABFLLLLHLHLLHHH二极管与门输入和输出电平关系二极管与门输入和输出电平关系二极管与门真值表二极管与门真值表ABF000010100111输出：输出：高电平高电平 5 V 低电平低电平 0.7 V输入：输入：高电平高电平 5 V 低电平低电平 0 VF=ABn二极管与门电路二极管与门电路第11页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器n二极管或门电路二极管或门电路输入：输入：高电平高电平 5 V 低电平低电平 0 V输出：输出：高电平高电平 4.3 V 低电平低电平 0 VABFLLLLHHHLHHHH二极管或门输入和输出电平关系二极管或门输入和输出电平关系二极管或门真值表二极管或门真值表ABF000011101111F=A+B第12页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器n二极管电路的缺点二极管电路的缺点F=ABC0.7V1.4V2.1V000V5V5V5V1.输入输入/输出电平不一致输出电平不一致.2.信号通过多级门电路时信号通过多级门电路时,会导致电平偏离会导致电平偏离.3.带负载能力低带负载能力低.第13页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器晶体管反相器晶体管反相器n反相器的工作原理反相器的工作原理输入低电平输入低电平0V时，时，晶体管截止晶体管截止 Vb=-0.92V 输出高电平输出高电平 3.7V输入高电平输入高电平3V时，时，晶体管饱和晶体管饱和 Ib=0.82mA，Ibs 0.4mA 输出低电平输出低电平 0.3V电路实现电路实现逻辑非逻辑非的功能。的功能。n输入为脉冲信号输入为脉冲信号n晶体管晶体管VT工作在开关状态工作在开关状态第14页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器晶体管反相器晶体管反相器n反相器的负载能力反相器的负载能力 负载就是反相器输出端所接的其它电路。n灌电流负载灌电流负载 (对反相器而言对反相器而言)n拉电流负载拉电流负载n晶体管输出低电平晶体管输出低电平n负载电流负载电流流入流入反相器反相器n灌电流降低了饱和深度灌电流降低了饱和深度n晶体管输出高电平晶体管输出高电平n负载电流负载电流流出流出反相器反相器n拉电流降低了输出电平拉电流降低了输出电平第15页，共100页，编辑于2022年，星期一反相器带灌电流负载反相器带灌电流负载18Eq2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器n灌电流负载灌电流负载 (对反相器而言对反相器而言)当晶体管当晶体管VT饱和饱和时，输出低电平，灌电流时，输出低电平，灌电流IL流入集电极流入集电极，其中：其中：三极管的饱和深度随着三极管的饱和深度随着 IL 的增加而减的增加而减小，当小，当VT退出饱和时，退出饱和时，VO将将不再不再保持低电保持低电平。平。灌电流负载能力是指三灌电流负载能力是指三极管从极管从饱和饱和退到退到临界饱和临界饱和时时所允许灌入的最大负载电流所允许灌入的最大负载电流ILMax。IbIbs集电极电流集电极电流 IC=IRc+IL第16页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器 例如，输入高电平例如，输入高电平ViH3V时，基极电流时，基极电流Ib0.82mA，晶体管饱和。，晶体管饱和。在临界饱和时，集电极电流在临界饱和时，集电极电流:为为保保证证VT饱饱和和，集集电电极极电电流流的的最最大大值值为为24.6mA.反相器带灌电流负载反相器带灌电流负载18Eq由于由于RC越大越大，带灌电流负载的能力越强。，带灌电流负载的能力越强。IC=IRc+IL第17页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器反相器带拉电流负载反相器带拉电流负载 当反相器输入低电平时，晶体管当反相器输入低电平时，晶体管截止截止，输出高电平，负载电流，输出高电平，负载电流IL从从反相器流出反相器流出，形成拉电流。，形成拉电流。流经电阻流经电阻RC的电流分为两部分：一部分为流入的电流分为两部分：一部分为流入钳位二极管的电流钳位二极管的电流Ig，另一部分为流入负载的电流，另一部分为流入负载的电流IL。n拉电流负载拉电流负载(对反相器而言对反相器而言)当负载电流当负载电流IL增加时，增加时，Iq将减小。为将减小。为保证输出高电平稳定，钳位二极管必须导保证输出高电平稳定，钳位二极管必须导通，通，极限情况为极限情况为Ig 0。Eq第18页，共100页，编辑于2022年，星期一Eq2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器反相器带拉电流负载反相器带拉电流负载 流过负载流过负载RL的最大允许电流的最大允许电流ILMax是是Iq 0 时的负载电流，即：时的负载电流，即：可见，可见，RC越小越小，带拉电流负载的能力越强。，带拉电流负载的能力越强。可见，可见，RC越大越大，带灌电流负载，带灌电流负载的能力越强。的能力越强。n灌电流负载灌电流负载 第19页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3 TTL集成逻辑门集成逻辑门n54系列：使用温度范围系列：使用温度范围-55+125 n74系列：使用温度范围系列：使用温度范围0+70 早期的集成逻辑门采用的是早期的集成逻辑门采用的是二极管二极管-三极管电路三极管电路(DTL)，速度较低，速度较低，以后发展成为以后发展成为晶体管晶体管-晶体管电路晶体管电路(TTL)。TTL系列分为标准系列、肖特系列分为标准系列、肖特基系列等，目前广泛使用的是肖特基系列。基系列等，目前广泛使用的是肖特基系列。n肖特基肖特基TTL：简称：简称STTLn低功耗肖特基低功耗肖特基TTL：简称：简称LSTTL74LS00第20页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.1 标准标准TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理n电路结构和工作原理电路结构和工作原理与非门与非门7400内部电路内部电路逻辑电平：逻辑电平：高电平高电平 3.6V 低电平低电平 0.3Vn输入有一个为低电平输入有一个为低电平n输出高电平输出高电平 YABFn输入全部为高电平输入全部为高电平n输出低电平输出低电平n实现实现与非逻辑与非逻辑功能功能+5V第21页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.1 标准标准TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理n电路结构和工作原理电路结构和工作原理与非门与非门7400内部电路内部电路逻辑电平：逻辑电平：高电平高电平 3.6V 低电平低电平 0.3V 提高工作速度的措施提高工作速度的措施n输入级采用多发射极晶体输入级采用多发射极晶体管管 某输入某输入 高高低低n缩短缩短T2、T5存储时间存储时间n输出级采用同类管推挽输出级采用同类管推挽输出电路输出电路 CL充放电快充放电快n改善边沿特性改善边沿特性第22页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数n电压传输特性及相关参数电压传输特性及相关参数AB段：段：vI0.6V，T1深度饱和，深度饱和，使使T2和和T4截止，截止，T3导通导通 输出高电平。输出高电平。BC段：段：0.6V vI1.3V，T1仍处仍处 于饱和状态，于饱和状态，T2开始导开始导 通，通，T4尚未导通。尚未导通。T2处处 于放大状态，其集电极于放大状态，其集电极 电压随输入电压的增加电压随输入电压的增加 下降，并通过下降，并通过T3、D3反反 映在输出端。映在输出端。7400与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 第23页，共100页，编辑于2022年，星期一CD段：段：1.3V vI1.4V，T4开开 始导通，输出电压迅速始导通，输出电压迅速 降低，降低，T3趋于截止。趋于截止。DE段：段：vI 1.4V，T1进入倒置放进入倒置放 大状态，其基极电流全部大状态，其基极电流全部 注入注入T2的基极，使的基极，使T2饱和，饱和，T4也饱和，也饱和，T3截止，输出截止，输出 低电平。低电平。2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数n电压传输特性及相关参数电压传输特性及相关参数7400与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 第24页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数(1)输出高电平输出高电平 VOH 典型值典型值VOH 3.4Vn电压传输特性及相关参数电压传输特性及相关参数7400与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 VOHmin是满足输出电流指标时，输出是满足输出电流指标时，输出高电平允许的最低值，一般要求高电平允许的最低值，一般要求 VOHmin 2.7V(2)输出低电平输出低电平 VOL 典型值典型值VOL 0.25VVOLmax是满足输出电流指标时，输是满足输出电流指标时，输出低电平允许的最高值，一般要求出低电平允许的最高值，一般要求 VOLmax 0.4V第25页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数(3)阈值电压阈值电压 VTH (门限电压门限电压)电电压压传传输输特特性性曲曲线线CD段段中中点点所对应的输入电压值所对应的输入电压值.n电压传输特性及相关参数电压传输特性及相关参数7400与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 VTH 1.4V(4)开门电平开门电平 VON 保保证证T4饱饱和和 输输出出低低电电平平时时,输入高电平的最小值输入高电平的最小值.VON 1.8V(5)关门电平关门电平 VOFF 保保证证T4截截止止 输输出出高高电电平平时时,输入低电平的最大值输入低电平的最大值.VOFF 0.8V第26页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数n电压传输特性及相关参数电压传输特性及相关参数7400与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性(6)输入低电平的最大值输入低电平的最大值 VILmax 典型值典型值VILmax=0.8V(7)输入高电平的最小值输入高电平的最小值 VIHmin 典型值典型值VIHmin=2V 器件手册给出的参数，与关器件手册给出的参数，与关门电平类似，但通常略小于门电平类似，但通常略小于VOFF。器件手册给出的参数，与开器件手册给出的参数，与开门电平类似，但通常略大于门电平类似，但通常略大于VON。第27页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数n电压传输特性及相关参数电压传输特性及相关参数(8)低电平噪声容限低电平噪声容限 (9)高电平噪声容限高电平噪声容限 VOLmaxVOHmin7400与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 保保证证输输出出高高电电平平时时,允允许许叠叠加加在在输输入低电平上的最大噪声电压入低电平上的最大噪声电压.保保证证输输出出低低电电平平时时,允允许许叠叠加加在在输输入入高高电电平平上上的的最最大大噪噪声声电电压压.VNL=VOFF VOLmaxG2G1VNH=VOHmin VONG1G2第28页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数静态输入特性曲线静态输入特性曲线(2)输入短路电流输入短路电流 IiS -1.075mA 当当vI=0 时的输入电流，时的输入电流，通常通常IiL IiS(1)输入漏电流输入漏电流 IiH =14.5 A 当当vi=ViH 时时,T1倒置工作的输入电流倒置工作的输入电流.n静态输入特性静态输入特性7400 TTL与非门电路与非门电路设电流流入发射极设电流流入发射极为正为正第29页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数n输入负载特性输入负载特性(1)输入端与电源之间接电阻输入端与电源之间接电阻RI 输输入入端端接接高高电电平平、接接电电源源、悬悬空空，都都相当于输入逻辑相当于输入逻辑“1”。通通过过上上拉拉电电阻阻RI接接电电源源时时，RI的的阻阻值值一般在一般在10k左右。左右。(2)输入端与地之间接电阻输入端与地之间接电阻RI第30页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数n输入负载特性输入负载特性(2)输入端与电源之间接电阻输入端与电源之间接电阻RI 关门电阻关门电阻ROFF:保证保证T4截止，输出高电平截止，输出高电平时，允许时，允许RI的最大的最大值值.开门电阻开门电阻RON:保证保证T4导通，输出低电平导通，输出低电平时，允许时，允许RI的最小的最小值值.注注:门电路的输入端悬空门电路的输入端悬空,相当于接高电平。相当于接高电平。为避免干扰为避免干扰,不用输入端应接合适电平。不用输入端应接合适电平。TTL与非门输入端负载特性曲线与非门输入端负载特性曲线 TTL与非门与非门输入端接电阻负载输入端接电阻负载 ROFF=300 ,RON=2 k 第31页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数n扇出系数扇出系数 No:推动同类门的个数，推动同类门的个数，通常通常 N 8.输出低电平时：输出低电平时：NOL=IOLmax/IiLmax输出高电平时：输出高电平时：NOH=IOHmax/IiHmax考虑最坏的情况，扇出系数：考虑最坏的情况，扇出系数：N=min(NL,NH)TTL与非门的灌电流与拉电流负载与非门的灌电流与拉电流负载第32页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数 n平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd=0.5(tpdL+tpdH)n输出信号略滞后于输入信号输出信号略滞后于输入信号.n典型值：纳秒级典型值：纳秒级问题问题：假设假设 tpd=20ns，现将三个反相，现将三个反相器首尾相连，会出现什么现象？器首尾相连，会出现什么现象？TTL或非门内部电路如何构或非门内部电路如何构成？成？第33页，共100页，编辑于2022年，星期一应用举例例：某逻辑电路如下图所示，门电路参数例：某逻辑电路如下图所示，门电路参数IOHmax=-0.4mA，IOLmax=4mA，IILmax=-0.4mA，IIHmax=20 A。试问与非门试问与非门G1最多可驱动多少个同样最多可驱动多少个同样 的逻辑门？的逻辑门？所以，与非门所以，与非门G1最多可以驱动最多可以驱动6个同样的逻辑门。个同样的逻辑门。第34页，共100页，编辑于2022年，星期一应用举例例：门电路的输入和输出特性曲线如下图所示。要求例：门电路的输入和输出特性曲线如下图所示。要求G1输出高电平满足输出高电平满足 VOH3.2V，输出低电平满足，输出低电平满足VOL0.2V。试问与非门。试问与非门G1最多可驱最多可驱 动几个非门？动几个非门？低电平输出电流 高电平输出电流 输入特性曲线 第35页，共100页，编辑于2022年，星期一应用举例试试说说明明在在下下列列情情况况下下，用用万万用用表表测测量量下下图图中中vI2的的电电压压各各为为多多少少？万万用用表表使使用用5V量程，等效内阻为量程，等效内阻为100K/V。(1)vI1悬空；悬空；(2)vI1=0.2V；(3)vI1=3.2V；(4)vI1经经100电阻接地；电阻接地；(5)vI1经经10K电阻接地。电阻接地。74系列系列TTL与非门电路与非门电路第36页，共100页，编辑于2022年，星期一TTL最基本的功能逻辑最基本的功能逻辑第37页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.3 或非、与非及异或门或非、与非及异或门n或非门或非门第38页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.3 或非、与非及异或门或非、与非及异或门n与或非门与或非门第39页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.3 或非、与非及异或门或非、与非及异或门n异或门异或门第40页，共100页，编辑于2022年，星期一问题思考问题思考n若实现如下功能：若实现如下功能：下面的电路是否可行？下面的电路是否可行？为什么？为什么？ABCDEF74H 系列系列TTL与非门电路与非门电路第41页，共100页，编辑于2022年，星期一注意注意nTTL门的输出端门的输出端不允许不允许直接相连，除非能保证这几个门的直接相连，除非能保证这几个门的输出完全一致。输出完全一致。F1F210第42页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.4 集电极开路门电路集电极开路门电路(OC门门)nOC门及门及线与线与逻辑功能逻辑功能 把把逻逻辑辑门门输输出出级级晶晶体体管管T4的的集集电电极极开开路路，构构成成集集电电极极开开路路门门电路，简称电路，简称OC门门。与非OC门7403的内部电路OC门的符号第43页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.4 集电极开路门电路集电极开路门电路(OC门门)nOC门及门及线与线与逻辑功能逻辑功能 OC门门的的线线连连接接逻逻辑辑：多多个个OC门门的的输输出出端端可可并并联联使使用用，实实现现逻逻辑辑与与功功能能，又又由由于于是是输输出出端端直直接接进进行行线线连连接接，因因此此称称为为线线与与(Wired-AND)。RL的取值范围?第44页，共100页，编辑于2022年，星期一OC门上拉电阻门上拉电阻RL的选取的选取例：假设有例：假设有n个个OC门并接在一起，输出推动门并接在一起，输出推动m 个个TTL反相器，门电路反相器，门电路 的参数均已知，试计算负载电阻的参数均已知，试计算负载电阻RL的取值范围。的取值范围。思路：思路：保证保证逻辑关系逻辑关系和和驱动能力驱动能力正确正确F(2)F为低电平时，要求为低电平时，要求 VOL VOLmax(1)F为高电平时，要求为高电平时，要求 VOH VOHmin 此时此时所有所有OC门均截止，负载越多，门均截止，负载越多，流过流过RL的电流越大，的电流越大，VOH下降得越多。下降得越多。考虑最坏情况，考虑最坏情况，有一个有一个OC门输出低电门输出低电平，电流全部灌入该平，电流全部灌入该OC门，门，此时此时要要求求 IOL IOLmax。第45页，共100页，编辑于2022年，星期一OC门负载电阻门负载电阻R的选取的选取为使为使必须必须VOH例：假设有例：假设有n个个OC门并接在一起，输出推动门并接在一起，输出推动m 个个TTL反相器，门电路反相器，门电路 的参数均已知，试计算上拉电阻的参数均已知，试计算上拉电阻RL的取值范围。的取值范围。(1)计算计算Rmax 输出高电平输出高电平VOH，所有所有OC门均截止门均截止第46页，共100页，编辑于2022年，星期一OC门负载电阻门负载电阻R的选取的选取为使为使必须必须例：假设有例：假设有n个个OC门并接在一起，输出推动门并接在一起，输出推动m 个个TTL反相器，反相器，试计算负载电阻试计算负载电阻RL的取值范围。的取值范围。VOL(2)计算计算Rmin 考虑最坏情况，只有一个考虑最坏情况，只有一个OC门输门输出低电平出低电平VOL，电流全部灌入该，电流全部灌入该OC门门第47页，共100页，编辑于2022年，星期一与非与非/或非门或非门 输入端并接使用的问题输入端并接使用的问题与非门与非门 输入高电平时输入高电平时，I入入=m IIH 总输入电流等于单端电流之和；总输入电流等于单端电流之和；输入低电平时输入低电平时，I入入=IIL 总输入电流等于单端电流；总输入电流等于单端电流；或非门或非门 总输入电流等于单端电流之和；总输入电流等于单端电流之和；输入高电平时输入高电平时，I入入=m IIH输入低电平时输入低电平时，I入入=m IIL第48页，共100页，编辑于2022年，星期一课后习题课后习题试试为为图图中中的的RL选选择择合合适适的的阻阻值值，已已知知OC门门输输出出管管的的截截止止漏漏电电流流为为IOH=150A，导导通通时时最最大大负负载载电电流流为为ILM=16mA；负负载载门门低低电电平平输输入入电电流流为为IIL=1mA，高高电电平平输输入入电电流流为为IIH=40A，VCC=5V，要要求求OC门门的的输输出出高高电电平平VOH3.0V，输出低电平输出低电平VOL0.3V。OC门输出门输出高电平高电平时时 OC门输出门输出低电平低电平时时 第49页，共100页，编辑于2022年，星期一OC门的几种主要应用门的几种主要应用n实现线与逻辑实现线与逻辑n实现电平转换实现电平转换n用作驱动电路用作驱动电路电路如右图所示，逻辑关系为电路如右图所示，逻辑关系为如下图所示，可使输出高电平变为如下图所示，可使输出高电平变为+12V右图是用来驱动发光二极管的电路。右图是用来驱动发光二极管的电路。第50页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.5 三态门三态门nTTL逻辑门逻辑门n输出端始终有信号 高电平：3.6V 低电平：0.3VTTL与非门与非门数据总线子系统子系统部件部件模块模块在数字系统中，广泛采在数字系统中，广泛采用总线结构。用总线结构。n总线结构总线结构第51页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.5 三态门三态门n使能端使能端EN1n实现反相功能n使能端使能端EN0n输出呈高阻TTL三态逻辑门三态逻辑门n三态门的输出有三种状态三态门的输出有三种状态n逻辑逻辑0 0 、逻辑逻辑1 1n高电阻状态高电阻状态 (禁止态禁止态)第52页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.5 三态门三态门n三态门的用途三态门的用途n实现总线的分时使用实现总线的分时使用n实现双向数据传输实现双向数据传输第53页，共100页，编辑于2022年，星期一应用举例应用举例试写出下列门电路的逻辑表达式。试写出下列门电路的逻辑表达式。(a)OC门电路门电路(b)三态门电路三态门电路 第54页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.6 TTL改进系列门电路简介改进系列门电路简介n高速高速TTL与非门与非门74H00 将7400中的D3换为晶体管T5和电阻R5，具有更好的电压跟随特性。电路中的电阻比7400更小，具有更强的驱动能力。第55页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.6 TTL改进系列门电路简介改进系列门电路简介n肖特基系列逻辑门肖特基系列逻辑门74S00 采用了肖特基抗饱和三极管，增加有源泄放电路，提高了电路的工作速度、改善了电压传输特性。第56页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.6 TTL改进系列门电路简介改进系列门电路简介n低功耗肖特基逻辑门低功耗肖特基逻辑门74LS00 提高了电路中的电阻值，使用了抗饱和晶体管和有源泄放电路，同时用肖特基二极管代替输入端的多发射极晶体管。tpd5ns功耗2mw第57页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3.7 TTL的选用及应注意的问题的选用及应注意的问题n除除OC门和门和三态门三态门外，输出端不能直接相连外，输出端不能直接相连n输出端不能直接接地或电源输出端不能直接接地或电源n多余输入端的处理多余输入端的处理nTTL门电路输入端接电阻的情况门电路输入端接电阻的情况nROFF=300 ,RON=2 kn驱动能力问题驱动能力问题第58页，共100页，编辑于2022年，星期一课后习题课后习题已已知知图图中中各各个个门门电电路路都都是是74H系系列列TTL电电路路，试试写写出出各各门门电电路路的的输输出出状状态态（0、1或或Z）。）。第59页，共100页，编辑于2022年，星期一2.4 ECL逻辑门逻辑门(发射极耦合逻辑门发射极耦合逻辑门)n电路特点：电路特点：n典型的非饱和电路n超高速电路n逻辑灵活性大n负电源供电n电路组成电路组成n电路的核心差分放大器n射极跟随器做输出级n参考电源n主要性能主要性能：n速度最快的逻辑门电路速度最快的逻辑门电路n输出阻抗低，带负载能力强输出阻抗低，带负载能力强n电路内部干扰小电路内部干扰小n功耗较大功耗较大n抗干扰能力低抗干扰能力低n功能扩展功能扩展：n便于扩展成多互补输出便于扩展成多互补输出n可实现可实现线或线或逻辑逻辑第60页，共100页，编辑于2022年，星期一2.4 ECL逻辑门逻辑门ABF1F2低低高高低高低高高低低低低高高高ECL或或/或非门电路的真值表或非门电路的真值表ECL或或/或非门逻辑符号或非门逻辑符号ECL或或/或非电路或非电路(10105)内部结构内部结构第61页，共100页，编辑于2022年，星期一2.4 ECL逻辑门逻辑门ECL或或/或非门内部结构或非门内部结构逻辑电平：逻辑电平：高电平高电平-0.8V 低电平低电平-1.6V第62页，共100页，编辑于2022年，星期一2.4 ECL逻辑门逻辑门ECL或或/或非门内部结构或非门内部结构逻辑电平：逻辑电平：高电平高电平-0.8V 低电平低电平-1.6VA、B 输入低电平输入低电平-1.6V-1.6V-2.0V0V-0.8V-1.6V-0.8V第63页，共100页，编辑于2022年，星期一2.4 ECL逻辑门逻辑门ECL或或/或非门内部结构或非门内部结构逻辑电平：逻辑电平：高电平高电平-0.8V 低电平低电平-1.6VA 输入高平输入高平-1.6V-0.8V-1.6V-0.8V0V-0.8V-1.6V第64页，共100页，编辑于2022年，星期一2.4 ECL逻辑门逻辑门用用ECL门实现线或逻辑门实现线或逻辑第65页，共100页，编辑于2022年，星期一2.4 ECL逻辑门逻辑门例：由例：由ECL或或/或非门或非门和和异或异或/同或门同或门组成的电路如下所示（使用芯片组成的电路如下所示（使用芯片 10105和和10107），试写出输出的逻辑），试写出输出的逻辑 表达式。表达式。第66页，共100页，编辑于2022年，星期一2.4 ECL逻辑门逻辑门例：例：ECLECL门的输出直接连接可以实现门的输出直接连接可以实现线或线或。试用两个试用两个ECLECL门门(每个门每个门 有两个有两个或或 /或非或非输出输出)，不增加任何门电路，在图上通过连接实，不增加任何门电路，在图上通过连接实 现四输出函数现四输出函数:2010年第67页，共100页，编辑于2022年，星期一2.5 I2L逻辑门电路逻辑门电路 集成注入逻辑集成注入逻辑(Integrated Inject Logic，I2L)逻辑门电路是逻辑门电路是20世纪世纪70年年代初发展起来的一种高集成密度、双极型逻辑电路，具有结构紧凑、不用电阻、代初发展起来的一种高集成密度、双极型逻辑电路，具有结构紧凑、不用电阻、工艺简单、集成密度高、低功耗和较高工作的速度等特点。工艺简单、集成密度高、低功耗和较高工作的速度等特点。第68页，共100页，编辑于2022年，星期一电子钟创意作品2.6 CMOS逻辑门逻辑门n场效应晶体管的特点场效应晶体管的特点n仅有一种载流子参与导电；nN沟道:载流子为电子；nP沟道:载流子为空穴。n输入电压控制输出电流；n输入阻抗高,易集成N沟道增强型沟道增强型MOS管管第69页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6 CMOS逻辑门逻辑门nN沟道增强型沟道增强型MOS管的特性管的特性n输出特性曲线输出特性曲线iD=f(vDS)vGS=constN沟道增强型沟道增强型MOS管管截止区截止区第70页，共100页，编辑于2022年，星期一2.7 CMOS反相器反相器nP沟道沟道MOS场效应管场效应管 P沟道沟道MOS管的工作原理与管的工作原理与 N 沟道沟道MOS管完全相同，只不过管完全相同，只不过导电的载流子不同，电压极性不同，如同双极型三极管有导电的载流子不同，电压极性不同，如同双极型三极管有 NPN 型和型和 PNP 型一样。型一样。第71页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6 CMOS逻辑门逻辑门n2.6.1 NMOS门电路门电路驱动管驱动管负载管负载管n输入低电平输入低电平0Vn输出高电平输出高电平3Vn输入高电平输入高电平3Vn输出低电平输出低电平0Vn实现实现非逻辑非逻辑功能功能NMOS反相器反相器+5V第72页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6 CMOS逻辑门逻辑门n2.6.1 NMOS门电路门电路NMOS与非门与非门NMOS或非门或非门第73页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6 CMOS逻辑门逻辑门n2.6.1 NMOS门电路门电路NMOS与或非门与或非门第74页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6 CMOS逻辑门逻辑门n2.6.2 CMOS非门非门1.输入低电平输入低电平VIL=0VVGS1VTNT1管截止；管截止；|VGS2|VTP|电电路路中中电电流流近近似似为为零零（忽忽略略T1的的截截止止漏漏电电流流）,VDD主主 要要 降降 落落 在在 T1上上，输输 出出 为为 高高 电电 平平VOHVDDT2导通导通2.输入高电平输入高电平VIH=VDD T1导通导通T2截止，截止，VDD主要降在主要降在T2上，上，输出为低电平输出为低电平VOL0V。电路电路实现逻辑实现逻辑非非功能功能CMOS非门非门第75页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6.2 CMOS非门非门CMOS反相器电压传输特性与电流特性反相器电压传输特性与电流特性I VIVTN，T1开始导通，开始导通，T2开始有压降，开始有压降，输出电平开始降低。输出电平开始降低。III VI达到达到VDD/2，T1、T2工作在饱和区，工作在饱和区，VI的微小变化，输出电平急剧变化。的微小变化，输出电平急剧变化。IV VI继续增加，继续增加，T2导电程度降低，导电程度降低，T1导导 电程度增加，输出电平继续下降。电程度增加，输出电平继续下降。V VIVDD-|VTP|，T2截止，截止，T1导通，电导通，电 流为流为0，输出低电平，输出低电平0V。第76页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6.2 CMOS非门非门nCMOS门电路的输入电流基本为零，门电路的输入电流基本为零，带同类门扇出系数较大；带同类门扇出系数较大；n输入端通过电阻接地时，对电阻值无输入端通过电阻接地时，对电阻值无限制；限制；n输入端悬空时，输出输入端悬空时，输出1/2VDD，CMOS门输入端不允许悬空门输入端不允许悬空。CC4000系列系列 CMOS非门的输入电路非门的输入电路 CMOS非门的输入特性非门的输入特性 第77页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6.3 CMOS与非门与非门CMOS与非门与非门 nCMOS与非门与非门通过驱动管(NMOS管)串联，实现与功能.电路实现电路实现与非与非逻辑功能逻辑功能n当当A和和B为高电平时为高电平时n输出低电平输出低电平n当当A和和B有有一一个个(以以上上)为为低低电平时电平时n输出高电平输出高电平第78页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6.4 CMOS或非门或非门nCMOS或非门或非门通过驱动管并联，实现或功能。电路实现电路实现或非或非逻辑功能逻辑功能CMOS或非门或非门 n当当A和和B为低电平时为低电平时n输出高电平输出高电平n当当A和和B有有一一个个(以以上上)为为高高电电平时平时n输出低电平输出低电平第79页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6.5 CMOS与或非门与或非门CMOS与或非门与或非门 第80页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6.6 CMOS漏极开路与非门电路漏极开路与非门电路(OD门门)输出为漏极开路的输出为漏极开路的N沟道增强型沟道增强型MOS管，用于输出缓冲或电平转管，用于输出缓冲或电平转换。换。OD门也可实现门也可实现线与线与逻辑，逻辑，外接上拉电阻的计算方法与外接上拉电阻的计算方法与TTL集电集电极开路门电路相同。极开路门电路相同。双双2输入与非缓冲电路输入与非缓冲电路 第81页，共100页，编辑于2022年，星期一2.6.6 CMOS漏极开路与非门电路漏极开路与非门电路(OD门门)输出为漏极开路的输出为漏极开路的N沟道增强型沟道增强型MOS管，用于输出缓冲或电平转管，用于输出缓冲或电平转换。换。OD门也可实现门也可实现线与线与逻辑，逻辑，外接上拉电阻的计算