数字电子技术之门电路概要(1).ppt

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1、第二章第二章 门电路门电路2.1 2.1 概述概述门电路中以高门电路中以高门电路中以高门电路中以高/低电平表低电平表低电平表低电平表示逻辑状态的示逻辑状态的示逻辑状态的示逻辑状态的1/01/0门电路：实现基本运算、复合运算的单元电门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如路，如与与门、门、与非与非门、门、或或门门 获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理高高高高/低电平都允许低电平都允许低电平都允许低电平都允许有一定的变化范有一定的变化范有一定的变化范有一定的变化范围围围围正逻辑正逻辑正逻辑正逻辑：高电平表示为高电平表示为高电平表示为高

2、电平表示为1 1，低电平表示为，低电平表示为，低电平表示为，低电平表示为0 0高电平表示为高电平表示为高电平表示为高电平表示为0 0，低电平表示为，低电平表示为，低电平表示为，低电平表示为1 1负逻辑：负逻辑：负逻辑：负逻辑：3V（1.8V以上）以上）0.3V（0.8V以下）以下）2.2 二极管、三极管的开关特性二极管、三极管的开关特性数字电路中，二极管、三极管工作在开关状态：数字电路中，二极管、三极管工作在开关状态：正向导通时：导通电阻正向导通时：导通电阻很小，两端相当于短路；很小，两端相当于短路；反向截止时：反向截止时：等效电阻很大，两端相当于开路。等效电阻很大，两端相当于开路。当脉冲信号

3、的频率很高时，开关状态的变化速度很快，当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速度很快，每秒可达百万次，这就要求器件的每秒可达百万次，这就要求器件的开关转换速度开关转换速度要在微秒要在微秒甚至纳秒内完成。甚至纳秒内完成。管子开关特性表现在正向导通和反向截止状态之管子开关特性表现在正向导通和反向截止状态之 间的转换过程（即动态特性）：间的转换过程（即动态特性）：2.2.12.2.1半导体二极管开关特性半导体二极管开关特性二极管的结构：PN结+引线+封装构成PN半导体二极管的结构和外特性（半导体二极管的结构和外特性（DiodeDiode）2.2.1二极管的开关特性：二极管的开关特性：V VI I=V

4、=VIHIH D D截止，截止，截止，截止，V VO O=V=VOHOH=V=VCCCCV VI I=V=VILIL D D导通，导通，导通，导通，V VO O=V=VOLOL=0.7V=0.7V高电平：高电平：VIH=VCC低电平：低电平：VIL=0 R导通导通截止截止相当于相当于相当于相当于开关断开开关断开开关断开开关断开相当于相当于相当于相当于开关闭合开关闭合开关闭合开关闭合S3V0VSRRD3V0V2.2.1二极管的开关特性：二极管的开关特性：2.2.2 BJT的开关特性的开关特性1.三极管的基本开关电路三极管的基本开关电路只要参数合理：只要参数合理：VI=VIL时，时，T截止，截止，

5、VO=VOH;VI=VIH时，时，T导通，导通，VO=VOL.3、三极管的开关等效电路、三极管的开关等效电路截止状态截止状态截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态饱和导通状态饱和导通状态简化等效电路简化等效电路饱和导通饱和导通饱和导通饱和导通等效电路等效电路截止状态截止状态截止状态截止状态等效电路等效电路4、动态开关特性、动态开关特性 从二极管已知，从二极管已知，PN结存在电容效应。结存在电容效应。在饱和与截止两个状在饱和与截止两个状态之间转换时，态之间转换时，iC的的变化将滞后于变化将滞后于VI，则，则VO的变化也滞后于的变化也滞后于VI。A AB BY YA AB BY Y0 00 00

6、 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1规定规定3V左右为左右为10V左右为左右为02.3.12.3.1二极管与门二极管与门0V0V3V3V0.7V0.7V3V3V0V0V0.7V0.7V3V3V3V3V3.7V3.7V0V0V0V0V0.7V0.7V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=0.7VABY=AB&2.3.2.二极管或二极管或门门设设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=0.7VA AB BY Y0V0V0V0V0V0V0V0V3V3V2.3V2.3V3

7、V3V0V0V2.3V2.3V3V3V3V3V2.3V2.3VA AB BY Y0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 11 11 1规定规定2.3V2.3V以上为以上为1 10V左右为左右为0Y=A+B二极管构成的门电路的缺点二极管构成的门电路的缺点二极管构成的门电路的缺点二极管构成的门电路的缺点电平有偏移电平有偏移电平有偏移电平有偏移只用于IC内部电路带负载能力差带负载能力差带负载能力差带负载能力差ABYVL VLVLVLVHVL1 11ABY1 00 10 00000ABY0 10 01 01 1111VL VHVH VLVH VH电平关系电平关系正逻辑正逻辑负逻辑负逻

8、辑正与正与=负或负或正或正或=负与负与正与非正与非=负或非负或非正或非正或非=负与非负与非（与门）（与门）（或门）（或门）正逻辑正逻辑与与负逻辑负逻辑高高电电平平VH用用逻逻辑辑1表表示示，低低电电平平VL用逻辑用逻辑0表示表示高高电电平平VH用用逻逻辑辑0表表示示，低低电电平平VL用逻辑用逻辑1表示表示当输入为当输入为逻辑逻辑0 0时时:0 vcc1输入输入A A输出输出Y Y非逻辑真值表非逻辑真值表 012.3.3 三极管反相器三极管反相器当输入为逻辑当输入为逻辑1 1时时:1 0.3v0输入输入输入输入A A输出输出输出输出Y Y非逻辑真值表非逻辑真值表 2.3.3 非门电路非门电路 三

9、极管反相器三极管反相器01102.3.3、三极管、三极管反相器反相器 实际应用中，为保证实际应用中，为保证实际应用中，为保证实际应用中，为保证V VI I=V=VILIL时时时时T T可靠截止，常可靠截止，常可靠截止，常可靠截止，常在在在在 输入接入负压。输入接入负压。输入接入负压。输入接入负压。非逻辑符号非逻辑符号只要电路参数合理只要电路参数合理，VI=VIL时，时，T截止，截止，VO=VOH。VI=VIH时，时，T饱和，饱和，VO=VOL2.4 TTL门电路门电路TTL:TTL:双极型三极管输入双极型三极管输出的逻辑电路。双极型三极管输入双极型三极管输出的逻辑电路。（Transister-

10、Transister-Logic的缩写）的缩写）一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理1.1.电路组成电路组成输入级输入级中间级中间级输出级输出级2.4.1 TTL反相器反相器2.TTL TTL反相器的工作原理反相器的工作原理反相器的工作原理反相器的工作原理 0.2V0.9V3.6V（1）当输入为低电平）当输入为低电平 vI低电平低电平(0.2V)T1导通导通T2截止截止T3截止截止T4导通导通vO高电平高电平（3.6V）2.TTL反相器的工作原理反相器的工作原理 当输入为高电平（当输入为高电平（vI=3.6 V）3.6V 2.1V 4.3V 1.4V 0.2V vI全为高电平全为高电平

11、(3.6V)T1倒置放大倒置放大T2导通导通T3导通导通T4截止截止vO低电平低电平0.2V）VT 时，管子导通，时，管子导通，导通电阻很小，相当于开导通电阻很小，相当于开关闭合关闭合 。当当VGSVT 时，管子截止，时，管子截止，相当于开关断开；相当于开关断开；同样，对同样，对P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管来说：管来说：当当|VGS|VT|时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。2.6.1 CMOS2.6.1 CMOS反相器反相器反相器反相器1.CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理2.CMOS反相器的特点反相器的特点3.CMOS反

12、相器的传输特性反相器的传输特性4.CMOS反相器的工作速度反相器的工作速度 2.6.1 CMOS2.6.1 CMOS反相器反相器反相器反相器图图2.6.1P-93 电路结构电路结构 逻辑符号逻辑符号当当vI=0V时时 VGS=0 VTNT2管管截止截止；|VGSP|=VDDVTP 电电路路中中电电流流近近似似为为零零（忽忽略略TN的的截截止止漏漏电电流流）,VDD主主要要降降落落在在TN上上，输输出出为高电平为高电平VOH。T1管管导通导通。VDD1.CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理 令管子的导通等效电阻为令管子的导通等效电阻为RON，截，截止等效电阻为止等效电阻为ROFF,则有则有：

13、当当vI=VOH=VDD时时 1.CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理VGS=VDD VTNT2管管导通导通；|VGSP|=0 VTP T1管管截止截止。此时，此时，VDD主要降在主要降在T1管上，管上，输出为低电平输出为低电平VOL:AY2.CMOS2.CMOS反相器的特点反相器的特点反相器的特点反相器的特点 因而因而CMOS反相器的静态反相器的静态功耗极小（微瓦数量级）。功耗极小（微瓦数量级）。T1和和T2只有一个是工作的，只有一个是工作的，AY3 3、电压、电流传输特性、电压、电流传输特性、电压、电流传输特性、电压、电流传输特性、电压传输特性、电压传输特性:vo=f(vi)电流传输特

14、性：电流传输特性：iD=f(vi)4、输入噪声容限、输入噪声容限结论结论结论结论：可以通过提高可以通过提高可以通过提高可以通过提高V VDDDD来提高噪声容限，来提高噪声容限，来提高噪声容限，来提高噪声容限，CMOSCMOS电路电源电压常大于电路电源电压常大于电路电源电压常大于电路电源电压常大于5V5V。VDD与噪声容限关系与噪声容限关系2.6.2 CMOS 2.6.2 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性图图33.16 (a)74HC系列输入保护电路与输入特性系列输入保护电路与输入特性1、输入特性、输入特性0viV

15、DD+0.7VVi0 当当vi=vih 或或vi=vhL时时，iI只只有很小漏电流。有很小漏电流。2 2、输出特性、输出特性、输出特性、输出特性:v vo o=f f(i io o)2 2、输出特性、输出特性、输出特性、输出特性1 1、组成组成2、工作原理A B0 00 11 01 1 T3 T1 T2 T4Y功能功能特点：特点：1110通通通通通通通通止止止止止止止止T T1 1T T3 3+VDDYT T2 2T T4 4ABY=AB一、一、CMOS与非门与非门2.6.4 其他类型的其他类型的CMOS门电路门电路3、输出逻辑表达式、输出逻辑表达式（以二输入为例）（以二输入为例）两两TN管在

16、下，管在下，串联串联；两两TP管在上，管在上，并联并联；输输0出出1，全，全1出出0（以二输入为例）（以二输入为例）3 3、输出逻辑表达式：、输出逻辑表达式：1 1、组成组成两两两两两两T T TP PP管在上，管在上，管在上，管在上，管在上，管在上，串联串联串联串联串联串联；两两两两两两T T TN NN管在下，管在下，管在下，管在下，管在下，管在下，并联并联并联并联并联并联；2 2、工作原理、工作原理输输1出出0，全，全0出出1.功能功能特点：特点：A B0 00 11 01 1T3 T1 T2 T4Y通止通止通通止止止止通通止通止通1000BAT T3 3T1T2T4VDDY二、二、CM

17、OS或非门或非门带缓冲极的带缓冲极的带缓冲极的带缓冲极的CMOSCMOS门门门门1 1 1 1、与非门、与非门、与非门、与非门2.解决方法解决方法图图2.6.20 带缓冲级的带缓冲级的CMOS与非门电路与非门电路 P-105三、漏极开路的门电路（三、漏极开路的门电路（OD门）门）图2.6.22 P-106OD与非门符号与非门符号ABY 这个电阻叫这个电阻叫上拉电阻上拉电阻,取取值需计算。值需计算。1.1.CMOS传输门（传输门（TG）组成和逻辑符号组成和逻辑符号当当C=0时，时，C=1时时，当当C=1，时，时C=0时，时，T1、T2总有一个导电，传输门导通。总有一个导电，传输门导通。工作时，要

18、求工作时，要求UI在在0 VDD之间变化。之间变化。CMOS传输门是双向输入和输出器件，两端可以互易使用。传输门是双向输入和输出器件，两端可以互易使用。CT2T1VDDVI/VOVO/VICTGCVI/VOVO/VICT1、T2截止，传输门截止。截止，传输门截止。四四.CMOS传输门传输门2.2.CMOS传输门应用举例传输门应用举例利用CMOS传输门和CMOS非门可以组成各种复杂的逻辑电路。当当C=0时，时，SW截止；截止；CMOS双向模拟开关的组成和符号：双向模拟开关的组成和符号：例如做例如做模拟开关，模拟开关，用来传输模拟信号，用来传输模拟信号，这是一般的逻辑门无法实现的。这是一般的逻辑门

19、无法实现的。TGCVI/VOVO/VI1SWCVI/VOVO/VI当当C=1时，时，SW导通。导通。2、工作原理、工作原理输出逻辑表达式和图形符号：Y=A高阻高阻 0 01 01 1 T1 T1 T2 T2 1 0高阻高阻YEN A通止通止止通止通通通止止通通止止（EN=0 时）（EN=1时）0 1五五、CMOS三态输出门（三态输出门（TS门）门）1、电路结构电路结构 CMOSCMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数系列系列系列系列参数参数参数参数基本的基本的基本的基本的CMOSCMOS(4000/4000B(4000/4000B系列系列系列系列

20、)高速高速高速高速CMOSCMOS(74HC(74HC系列系列系列系列)与与与与TTLTTL兼容的兼容的兼容的兼容的高速高速高速高速MOS MOS(74HCT(74HCT系列系列系列系列)与与与与TTLTTL兼容的兼容的兼容的兼容的高速高速高速高速BiCMOSBiCMOS (74BCT)(74BCT)系列系列系列系列t tpdpd/ns/ns(C(CL L=15pF)=15pF)7575101013132.92.9P PD D/mw/mw0.0020.0021.551.551.0021.0020.00037.50.00037.5DPDP/pJpJ0.150.1515.515.513.02613

21、.0260.00087220.0008722CMOS门电路的性能比较门电路的性能比较课堂练习题课堂练习题1.三态门输出高阻状态时，三态门输出高阻状态时，是正确的说法。是正确的说法。A.测不出电压数值测不出电压数值 B.测得电压较低测得电压较低 C.测得电压较高测得电压较高 D.测得电阻很大测得电阻很大2.以下电路中不可以实现输出端并联的有以下电路中不可以实现输出端并联的有 。A.普通门电路普通门电路 B.三态门三态门 C.OC门门 D.OD门门3TTL门电路在正逻辑系统中，以下各种输入端的接法门电路在正逻辑系统中，以下各种输入端的接法 相当于相当于 输输 入逻辑入逻辑“1”的是的是 。A.悬空

22、悬空 B.通过电阻通过电阻10k接到接到VCC C.通过电阻通过电阻10k接地接地 D.通过电阻通过电阻100接地接地DA4.指出下列门电路的输出：指出下列门电路的输出：A、B、C15CMOS数字集成电路与数字集成电路与TTL数字集成电路相比数字集成电路相比 的优点是的优点是 。A.微功耗微功耗 B.高速度高速度 C.高抗干扰能力高抗干扰能力 D.电源范围宽电源范围宽6CMOS电路在正逻辑系统中，以下各种输入中电路在正逻辑系统中，以下各种输入中 相相 当于当于 输输 入逻辑入逻辑“1”。A.悬空悬空 B.通过电阻通过电阻2.7k接电源接电源 C.通过电阻通过电阻2.7k接地接地 D.通过电阻通

23、过电阻510接地接地A、C、DB7.TTL系列的门电路系列的门电路,当当VI为多少时为多少时,VO发生跳变？此值与发生跳变？此值与直流电源有关吗？直流电源有关吗？8.CMOS系列的门电路系列的门电路,当当VI为多少时为多少时,VO发生跳变？此值与发生跳变？此值与直流电源有关吗？直流电源有关吗？(1)(1)TTL的的 电源电压应满足在标准值电源电压应满足在标准值5V5%的的范围内，为防干扰，电源与地之间可接滤波电容范围内，为防干扰，电源与地之间可接滤波电容。CMOS门的电源在门的电源在518V。六、数字集成电路使用中应注意的问题六、数字集成电路使用中应注意的问题 (2)(2)TTL门电路的输出端

24、所接负载，不能超过规门电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数，负载较大时，宜选用灌电流方式。而定的扇出系数，负载较大时，宜选用灌电流方式。而CMOS门拉灌负载能力差不多门拉灌负载能力差不多。(3)(3)普通门输出端一般不允许直接接电源或地，普通门输出端一般不允许直接接电源或地，也不可并接（特殊电路如也不可并接（特殊电路如OC、OD门和三态门除外）。门和三态门除外）。(4)(4)注意门电路多余输入端的处理方法。注意门电路多余输入端的处理方法。接电源接电源接电源接电源通过通过通过通过R R接电源接电源接电源接电源输入端并联与使用输入端并联与使用输入端并联与使用输入端并联与使用 七七.门电路多

25、余路多余输入端的入端的处理方法理方法接地接地接地接地通过通过通过通过R R接地接地接地接地与使用输入端并联与使用输入端并联与使用输入端并联与使用输入端并联对对TTL门门,R的值有无要的值有无要求求?七七.门电路多余输入端的处理方法门电路多余输入端的处理方法本章小结本章小结 1、门电路的不同逻辑功能和符号的区别：与、门电路的不同逻辑功能和符号的区别：与、或或、非非、与非与非、或非或非、异或等门电路。异或等门电路。2、门电路的不同结构和用途：普通、门电路的不同结构和用途：普通、OC、OD、三态和、三态和传输门等。传输门等。3、门电路的外部电气特性：输入、门电路的外部电气特性：输入(高高、低低)，输出，输出(高高、低低)，输入负载特性等。，输入负载特性等。4、TTL和和CMOS门的逻辑功能相同和电气特性的不同。门的逻辑功能相同和电气特性的不同。5、计算扇出系数和负载电流的不同情况处理：、计算扇出系数和负载电流的不同情况处理：负载是或门负载是或门：IIH 和和IIL一律要乘以总输入端数一律要乘以总输入端数,负载是与门：负载是与门：IIH要乘以总输入端数，要乘以总输入端数，IIL要乘以总门数。要乘以总门数。本章作业本章作业自我检测题自我检测题:（二）；（三）；（四）；（二）；（三）；（四）；习题：习题：2.4；2.5；2.10；2.18；2.21；