第3章 门电路.ppt

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1、2019/10/19,第3章 门电路,数字电子技术 Digital Electronics Technology,海南大学数字电子技术课程组教学网址：http:/ ,2019/10/19,1. 门电路 是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,3.1 概述,3. 正负逻辑 正逻辑：用高电平代表1、低点平代表0。在数字电路中，一般采用正逻辑系统。 负逻辑：用高电平代表0、低点平代表1。,2. 高低电平 高电平：数字电路中较高电平代数值的范围。 低电平：数字电路中较低电平代数值的范围。,2019/10/19,4. 集成电路 IC（In

2、tegrated Circuits）：将元、器件制作在同一硅片上，以实现电路的某些功能。 SSI（Small-Scale Integration）： 10个门电路。 MSI（Medium-Scale Integration）：10100个门电路。 LSI（Large-Scale Integration）：100010000个门电路。 VLSI（Very Large-Scale Integration）： 10000个门电路。,t,v,VH,VL,Positive Logic,1,0,t,v,VH,VL,Negative Logic,1,0,3.1 概述,2019/10/19,3.2 半导体二极

3、管门电路,1. 半导体二极管的开关特性,用来接通或断开电路的开关器件应具有两种工作状态：一种是接通（要求其阻抗很小，相当于短路），另一种是断开（要求其阻抗很大，相当于开路）。 二极管具有单向导电性：正向导通，反向截止，相当于一个受电压控制的电子开关。,二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡、压降很小（硅管为0.7V，锗管为0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关。二极管加反向电压时截止，反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断开的开关。把uDUT=0.5V看成是硅二极管的截止条件。,2019/10/19,3.2 半导体二极管门电路,2019/10/19,3.2 半导体二极管门电路,在低速脉冲

4、电路中，二极管开关由接通到断开，或由断开到接通所需要的转换时间通常是可以忽略的。然而在数字电路中，二极管开关经常工作在高速通断状态。由于PN结中存储电荷的存在，二极管开关状态的转换不能瞬间完成，需经历一个过程。,tre=ts+tf 叫做反向恢复时间。该现象说明，二极管在输入负跳变电压作用下，开始仍然是导通的，只有经过一段反向恢复时间tre之后，才能进入截止状态。由于tre的存在，限制了二极管的开关速度 。,2019/10/19,3.2 半导体二极管门电路,2. 二极管与门,3. 二极管或门,2019/10/19,3.3 CMOS门电路,MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。 MOS

5、门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。,MOS管有NMOS管和PMOS管两种。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。,2019/10/19,1. MOS管的开关特性,3.3 CMOS门电路,D接正电源,（1）NMOS管的开关特性,Vgs=0 Rds 106 () I 10-6 (A) 0,Vgs Vgs(th) Rds 10 () ton 。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。,3.4 TTL门电路,

6、2019/10/19,3. TTL反相器（Transistor-Transistor Logic）,3.4 TTL门电路,当输入高电平时， uI=3.6V，VT1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏， uB1=0.7V3=2.1V IB2=(5-2.1)/4=0.725mA 假定 210，若T2工作于放大状态，则 IC27.25mA 所以 VC2VCC-IC2R2=-6.6V故T2不可能工作于放大状态和截止状态，只可能是饱和状态。 因VB4=VCES2+VBE5=1VVT4截止。VT5状态取决于外电路，在输出电流小于IOLmax时，输出为低电平uO=00.3V。,2.1V,0.3V,3.6

7、V,（1）电路结构和工作原理,2019/10/19,3.4 TTL门电路,当输入低电平时， uI=0.3V，VT1发射结导通， uB1=0.3V+0.7V=1VVT2和VT5均截止，VT4和VD导通。输出高电平 uO =VCC -UBE3-UD-IB4R2 5V-0.7V-0.7V=3.6V,1V,3.6V,0.3V,2019/10/19,3.4 TTL门电路,采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力,VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。 当输入高电平时，VT4饱和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载

8、。 当输入低电平时，VT4截止，VT3导通（为射极输出器），其输出电阻很小，带负载能力很强。 可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。,2019/10/19,3.4 TTL门电路,（2）TTL反相器的电压传输特性及参数,VT4截止，称关门,VT4饱和，称开门,2019/10/19,3.4 TTL门电路,输出高电平UOH 典型值为3V。,输出低电平UOL 典型值为0.3V。,2019/10/19,3.4 TTL门电路,返回,开门电平UON一般要求UON1.8V 关门电平UOFF一般要求UOFF0.8V,在保证输出为额定低电平的条件下，允许的

9、最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。,在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。,UOFF,UON,电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH 1.4V。,2019/10/19,3.4 TTL门电路,噪声容限（ UNL和UNH ）,噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。,2019/10/19,3.4 TTL门电路,（3）TTL反相器的输入特性和输出特性,输入伏安特性,2019/10/19,3.4 TTL门电路,两个重要参数：,(1)

10、输入短路电流IIS当uI = 0V时，iI从输入端流出。 iI =(VCCUBE1)/R1 =(50.7)/4 1.1mA,(2) 高电平输入电流IIH 当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数反很小(约在0.01以下)，所以 iI = IIH =反 iB2 IIH很小，约为10A左右。,2019/10/19,3.4 TTL门电路,TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随RI 的变化而变化的关系曲线。,输入负载特性,2019/10/19,3.4 TTL门电路,在一定范围内，uI随RI的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，

11、uB1 = 2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI = 1.4V也不变。这时VT2和VT4饱和导通，输出为低电平。,2019/10/19,3.4 TTL门电路,RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。,RI 较小时，关门，输出高电平；,RI 较大时，开门，输出低电平；,ROFF,RON,RI 悬空时？,2019/10/19,3.4 TTL门电路,(1) 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.7k。,(2) 开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门

12、电路RON 2k。 数字电路中要求输入负载电阻RI RON或RI ROFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。 振荡电路则令 ROFF RI RON使电路处于转折区。,2019/10/19,3.4 TTL门电路,输出特性,(a) 输出高电平时的输出特性,负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。,拉电流负载,2019/10/19,3.4 TTL门电路,(b) 输出低电平时的输出特性,负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。一般灌电流在20mA以下时，电路可以正常工作。典型TTL门电路的灌电流负载为12.8 mA。,灌电流负载,2019/10/19,3.4 TTL门电路,（4 ）TTL反

13、相器的动态特性,传输延迟时间tpd,平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。,tpd =（tpLH +tpHL）/2,2019/10/19,3.4 TTL门电路,（1） TTL与非门,4. 其他类型的TTL门电路,2.1V,2019/10/19,3.4 TTL门电路,每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三极管进入放大或饱和区。,多发射极三极管,2019/10/19,3.4 TTL门电路,（2）集电极开路门（OC门）,集电极开路,2019/10/19,3.4 TTL门电路,例：用OC门实现电平转换,2019/10/19,3.4 TTL门电路,（3）三态门,2019/10/19

14、,3.4 TTL门电路,1,0,导通,1.0V,1.0V,截止,截止,高阻,2019/10/19,3.4 TTL门电路,控制端高电平有效的三态门,控制端低电平有效的三态门,用“”表示输出为三态。,2019/10/19,3.4 TTL门电路,肖特基三极管（Schottky Transistors）,Why can propagation delay be reduced by using a Schottky transistor ?,（4）肖特基系列TTL门电路,2019/10/19,3.4 TTL门电路,返回,TTL与非门,Diode AND gate and input protectio

15、n,Phase splitter,Outputstage,Active load,What is the purpose of the 120- resistor R5?,2019/10/19,3.4 TTL门电路,返回,5. TTL系列,74 FAM nn,74S(Schottky TTL): 肖特基TTL系列，比普通74系列速度高，但功耗大。,74LS(Low-power Schottky TTL):低功耗肖特基TTL系列，比普通74系列速度高，功耗只有其1/5。,74AS(Advanced Schottky TTL):改进型肖特基TTL系列，比普通肖特基系列速度高一倍，功耗相同。,201

16、9/10/19,3.4 TTL门电路,返回,74ALS(Advanced Low-power Schottky TTL):改进型低功耗肖特基TTL系列，比74LS系列的功耗低、速度快。,74F(Fast TTL): 高速肖特基TTL系列，功耗、速度介于 74AS 和 74ALS 之间。,TTL集成电路多余或暂时不用的输入端的处理,（1）多余或暂时不用的输入端的一般不悬空，但可以悬空；悬空时相当于接高电平。,（2）与其它输入端并联使用。,（3）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。一般，接电源时需接上拉电阻；接地时需接下拉电阻。典型值1-10k。,2019/10/19,作业,P150-159 3.1-3.6；3.7的（a）、（c）；3.8-3.10；3.14-3.16；3.23,