数字电子技术第二章门电路(ppt课件).ppt

第二章 门电路门电路是用以实现逻辑关系的电子电门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，路。与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门、或门、非门、与非门电路主要有：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。门、或非门、与或非门、异或门等。在数字电路中，一般用高电平代表在数字电路中，一般用高电平代表1 1、低点平代表低点平代表0 0，即所谓的正逻辑系统。，即所谓的正逻辑系统。高电平代表高电平代表0 0、低电平代表、低电平代表1 1，即所谓，即所谓的负逻辑系统。的负逻辑系统。2.1 概述正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1100VVcc只要能判断高只要能判断高低电平即可低电平即可K开开-Vo=1,输出高电平输出高电平K合合-Vo=0,输出低电平输出低电平可用三极可用三极管代替管代替 ViVoKVccR2.1半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性（Diode）二极管的结构：PN结+引线+封装构成PN2.1.1二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 VI=VIH D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V 2.二极管伏安特性的实用近似方法二极管伏安特性的实用近似方法+VON-+-VON=0.7V(硅管硅管)VON=0.2V(锗管锗管)3.2.2 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性VccRCRBvo-+vI-+iBiC 1.三极管的基本开关电路三极管的基本开关电路 截止条件截止条件:截止特点截止特点:导通特点导通特点:导通条件导通条件:一一.双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 2.三极管的开关等效电路三极管的开关等效电路 bec截止状态截止状态c be饱和导通状态饱和导通状态R1R2AF+uccuFt3.三极管的动态开关特性：三极管的动态开关特性：tuA+ucc0.3V2.1.2 二极管与门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为02.1.3 二极管或门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定2.3V以上为10V以下为0二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路vEE为负电源为负电源2.1.4 三极管非门三极管非门Rc(vo)R1AYVCCvEE(vi)R2R1DR2F+12V+3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门与非门与非门1、体积大、工作不可靠。、体积大、工作不可靠。2、需要不同电源。、需要不同电源。3、各种门的输入、输出电平不匹配。、各种门的输入、输出电平不匹配。2.3 CMOS门电路2.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结二、等效电路OFF，截止状态 ON，导通状态2.3.2 CMOS反相器工作原理反相器工作原理Complementary-Symmetery Metal-Oxide-SemiconductorNMOS管管PMOS管管CMOS电路电路UCCST2DT1uiuoui=0截止截止ugs2=UCC导通导通u=“”工作原理：工作原理：低电平输入低电平输入UCCST2DT1uiuoui=导通导通截止截止u=“”工作原理：工作原理：高电平输入高电平输入 CMOS反相器反相器PMOSNMOS 衬衬底底与与漏漏源源间间的的PNPN结结始始终终处处于于反反偏偏，NMOSNMOS管管的的衬衬底底总总是是接接到到电电路路的的最最低低电电位位，PMOSPMOS管管的的衬衬底底总是接到电路的总是接到电路的最高电位。最高电位。柵柵极极相相连连作输入端作输入端漏极相连漏极相连作输出端作输出端工作原理：工作原理：1.1.输入为低电平输入为低电平V VIL IL=0V=0V时，时，V VGS1GS1V VT1T1T T1 1管截止；管截止；|V|VGS2GS2|V VT2 T2 电电路路中中电电流流近近似似为为零零（忽忽略略T T1 1的的截截止止漏漏电电流流）,V,VDDDD主主要要降降落落在在T T1 1上，输出为高电平上，输出为高电平V VOHOHVVDDDD。T T2 2导通。导通。2.2.输输入入为为高高电电平平V VIHIH =V VDDDD时时，T T1 1通通T T2 2止止，V VDDDD主主要要降降在在T T2 2上上，输输出为低电平出为低电平V VOLOL0V0V。实现逻辑实现逻辑“非非”功能功能CMOS反相器工作原理反相器工作原理CMOSCMOS门的门的V VT T=0.5V=0.5VDD DD，TTLTTL门的门的V VT T一般在一般在1.01.01.4V1.4V。CMOSCMOS门输出：高电平为门输出：高电平为V VOHOH=V=VDD DD，低电平为，低电平为V VOLOL=0V=0V。TTLTTL门输出：高电平为门输出：高电平为V VOHOH=3.6V=3.6V，低电平为低电平为V VOLOL=0.3V=0.3V。二、二、CMOSCMOS门电路和门电路和TTLTTL门电路比较门电路比较对对CC4000CC4000系列门电路，通常系列门电路，通常输入高电平的值不能低于输入高电平的值不能低于0.7V0.7VDDDD，即，即V VIH(min)IH(min)0.7V 0.7VDDDD输入低电平的值不能大于输入低电平的值不能大于0.3V0.3VDDDD，即，即V VIL(max)IL(max)0.3V 0.3VDDDDCMOSCMOS传输特性矩型性比传输特性矩型性比TTLTTL好，且随好，且随V VDDDD按比例变化。按比例变化。2.3.3 其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门 2.或非门 3 带缓冲极的CMOS门与非门解决方法二 漏极开路的门电路（OD门）三、CMOS传输门及双向模拟开关1.传输门2.双向模拟开关四、三态输出门三态门的用途双极型三极管的开关特性（BJT,Bipolar Junction Transistor）2.2 TTL门电路2.2.1 半导体三极管的开关特性一、双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳二 特性曲线分三个部分放大区：条件VCE 0.7V,iB 0,iC随iB成正比变化，iC=iB。饱和区：条件VCE 0,VCE 很低，iC 随iB增加变缓，趋于“饱和”。截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,ce间“断开”。三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时，时，时，时，T T导通，导通，导通，导通，V VOO=V=VOLOL四、三极管的开关等效电路截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态五、动态开关特性从二极管已知，从二极管已知，PNPN结存在电容效结存在电容效应。应。在饱和与截止两个在饱和与截止两个状态之间转换时，状态之间转换时，i iC C的变化将滞后于的变化将滞后于V VI I，则，则V VOO的变化也的变化也滞后于滞后于V VI I。2.2.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设 PNNu0(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.2V)传输特性曲线传输特性曲线u0(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.2V)阈值阈值UT=1.4V理想的传输特性理想的传输特性输出高电平输出高电平输出低点平输出低点平二、电压传输特性二、电压传输特性二、电压传输特性二、电压传输特性需要说明的几个问题：1、输出高电平、输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。典型值典型值UOH=3.4V UOL 0.3V。2、阈值电压、阈值电压UTuiUT时，认为时，认为ui是高电平。是高电平。UT=1.4V三、输入噪声容限2.2.3 TTL反相器的静态反相器的静态输入特性和输出特性输入特性和输出特性一、输入特性一、输入特性仅考虑输入信号是高电平和和低电平而不是仅考虑输入信号是高电平和和低电平而不是某一个中间值，输入端的等效电路可画成上图。某一个中间值，输入端的等效电路可画成上图。当当VCC=5V，VI=VIL=0.2V时，输入低电平电流为时，输入低电平电流为VI=VIH=3.4V时，时，T1管处于倒置状态，所以高电平管处于倒置状态，所以高电平输入电流输入电流IIH很小。很小。系列门电路每个输入端的系列门电路每个输入端的IIH值在值在 A以下以下。输入特性曲线输入特性曲线二、输入端负载特性二、输入端负载特性“1”,“0”？+5VYvCCR4R2R1k T2R5R3T4T1T5b1c1A1.6k 130 1k D2D1(vI)Rui输入端接一电阻输入端接一电阻R接地接地Rui“1”,“0”？+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1R较小时较小时uiUT T2不导通，输出高电平。不导通，输出高电平。Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1R增大增大Ruiui=UT时，输出低电平。时，输出低电平。R临界临界=1.45K Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1VI随随RP变化的规律：变化的规律：当当VI上升到上升到1.4V以后，以后，T2和和T导通，导通，VB1钳在了钳在了2.1V左左右右,所以所以RP再增大，再增大，VI不会再升高了，趋近于不会再升高了，趋近于1.4V。1、悬空的输入端相当于接高电平。、悬空的输入端相当于接高电平。2、为了防止干扰，可将悬空的输入、为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。端接高电平。+5VR4R2R5T3T4R1T1+5V三、输出特性三、输出特性前级前级后级后级反偏反偏流出前级流出前级电流电流IOH（拉（拉电流）电流）.高电平输出特性高电平输出特性74系列门电路的运用条件规定，输系列门电路的运用条件规定，输出为高电平时，最大负载电流不能超出为高电平时，最大负载电流不能超过过0.4mA。+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1R1T1+5V前级前级后级后级流入前级的电流流入前级的电流IOL 约约 1.4mA(灌灌电流电流).低电平输出特性低电平输出特性为了保证反相器的低电平，负载电流应为了保证反相器的低电平，负载电流应小于一定值。小于一定值。扇出系数扇出系数:与门电路输出驱动同类门的个数与门电路输出驱动同类门的个数+5VR4R2R5T3T4T1前级前级T1T1IiH1IiH3IiH2IOH前级输出为前级输出为 高电平时高电平时后后级级+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为前级输出为 低电平时低电平时后后级级输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：与非门的扇出系数一般是与非门的扇出系数一般是10。关于电流的技术参数关于电流的技术参数2.2.4 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象二二.交流噪声容限交流噪声容限三三.电源的动态尖峰电流电源的动态尖峰电流 2.2.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门2.或非门3.与或非门4.异或门二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用 OC门 集电极开路的与非门（集电极开路的与非门（OC门）门）设计考虑设计考虑+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC集电极悬空集电极悬空T3无无T3,T4+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC应用时输出端要接一上拉负载电阻应用时输出端要接一上拉负载电阻RLRLUCC 集电极开路与非门的电路和图形符号集电极开路与非门的电路和图形符号 工作时需外接电阻和电源工作时需外接电阻和电源1、OC门可以实现门可以实现“线与线与”功能功能&UCCF1F2F3FF=F1F2F3RL输出级输出级UCCRLT5T5T5F=F1F2F3?UCCRLF1F2F3F任一导通任一导通F=0UCCRLF1F2F3F全部截止全部截止F=1F=F1F2F3?所以：所以：F=F1F2F3!OC门实现的线与3、外接负载电阻RL的计算3、外接负载电阻RL的计算3、外接负载电阻RL的计算三、三态输出门（Three state Output Gate,TS）EN=1:功能同与非门功能同与非门EN=0:高阻高阻控制端高电平有效控制端高电平有效功能表功能表三态门的用途一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL）1.电路的改进(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）(2)减少各电阻值2.性能特点速度提高 的同时功耗也增加 2.2.6 TTL电路的改进系列（改进指标)二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）1.电路改进(1)采用抗饱和三极管(2)用有源泄放电路代替74H系列中的R3(3)减小电阻值2.性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-Power Schottky TTL）四、74AS,74ALS（Advanced Low-Power Schottky TTL）2.5 其他类型的双极型数字集成电路*DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路 如：如：TTLTTL门电路芯片（门电路芯片（四四2 2输入与非门，输入与非门，型号型号74LS00 74LS00)地地GNDGNDTTLTTL门电路芯片简介门电路芯片简介外形外形&14141313121211111010 9 9 8 8 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7&管脚管脚电源电源V VCCCC（+5V+5V）4 4、常用、常用TTLTTL逻辑门电路逻辑门电路名称名称国际常用国际常用系列型号系列型号国产部标型号国产部标型号说明说明四四2 2输入与非门输入与非门74LS0074LS00T1000T1000四四2 2输入或门输入或门四四2 2异或门异或门四四2 2输入或非门输入或非门四四2 2输入与门输入与门双双4 4输入与非门输入与非门双双4 4输入与门输入与门六反相器六反相器8 8输入与非门输入与非门74LS3274LS3274LS0274LS0274LS0874LS0874LS8674LS8674LS2174LS2174LS2074LS2074LS3074LS3074LS0474LS04T186T186T1008T1008T1086T1086T1021T1021T1002T1002一个组件内部一个组件内部有四个门，每有四个门，每个门有两个输个门有两个输入端一个输出入端一个输出端。端。一个组件内有一个组件内有两个门，每个两个门，每个门有门有4 4个输入端。个输入端。只一个门，只一个门，8 8个个输入端。输入端。有有6 6个反相器。个反相器。TTLTTL门电路的主要技术参数门电路的主要技术参数1)1)输出高电平、低电平输出高电平、低电平高电平高电平:3.4V-4V:3.4V-4V 以上以上低电平低电平:0.3V-0.4V:0.3V-0.4V以下以下2)2)阈值电压：阈值电压：U UTHTH=1.4V=1.4V V VI IV VO O高电平高电平低电平低电平1 1V VO OV VI IU UTHTH=1.4V=1.4V3)3)扇出系数扇出系数:N=10:N=10&11TTLTTL门电路的主要参数门电路的主要参数扇出系数扇出系数 输出端允许驱动的门电路的最大数目。输出端允许驱动的门电路的最大数目。输入输入A A、B B波形如图所示波形如图所示,请画出与非门请画出与非门的输出（的输出（Y Y）波形。）波形。ABYY=AB课堂练习课堂练习:&A AB BY Y A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0真值表真值表