电子技术--数字电路部分 第二章 门电路.ppt

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1、电子技术电子技术数字电路部分数字电路部分第二章第二章 门电路门电路1第二章第二章 门电路门电路 2.1 概述概述 2.2 半导体二极管和三极管的半导体二极管和三极管的开关特性开关特性 2.3最简单的与、或、非门电路最简单的与、或、非门电路 2.4 TTL门电路门电路 2.6 CMOS门电路门电路2一、门电路一、门电路 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与与 或或 非非 与与 非非 或或 非非 异或异或与或非与或非2.12.1概概 述述与与 门门或或 门门非非 门门与与 非非 门门或或 非非 门门异或门异或门与或非门与或非门3二、逻辑变量与两

2、状态开关二、逻辑变量与两状态开关低低电平电平 高电平高电平 断开断开闭合闭合高电平高电平3V3V低低电平电平 0 V二值逻辑二值逻辑:所有逻辑变量只有两种取值所有逻辑变量只有两种取值(1(1 或或 0)0)。数字电路数字电路:通过电子开关通过电子开关 S S 的两种状态的两种状态(开或关开或关)获得高、低电平，用来表示获得高、低电平，用来表示 1 1 或或 0 0。3V3V逻辑状态逻辑状态1001S S 可由可由二极管二极管、三极管三极管或或 MOS MOS 管实现管实现41、定义、定义:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。的单元电路。2、分类分类二极管门电

3、路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门三、三、逻辑门逻辑门5四、高、低电平与正、负逻辑四、高、低电平与正、负逻辑负逻辑负逻辑正逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V 高电平和低电平是两个不同的可以截然区高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。别开来的电压范围。010V5V2.4V0.8V106五、数字集成电路的集成度五、数字集成电路的集成度一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数小规模集成电路小规模集成电路 SSI(S

4、mall Scale Integration)10 门门/片片或或 10 000 门门/片片或或 100 000 元器件元器件/片片72.1.12.1.1理想开关的开关特性理想开关的开关特性一、静态特性一、静态特性1.1.断开断开2.闭合闭合2.2 2.2 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管的开关特性的开关特性 SAK8二、动态特性二、动态特性1.1.开通时间：开通时间：2.2.关断时间关断时间：闭合）闭合）（断开断开断开断开）（闭合（闭合普通开关：普通开关：静态特性好，动态特性差静态特性好，动态特性差半导体开关：半导体开关：静态特性较差，动态特性好静态特性较差，动态特性好几百万几百万/

5、秒秒几千万几千万/秒秒SAK92.2.1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性一、静态特性一、静态特性1.1.外加正向电压外加正向电压(正偏正偏)二极管导通二极管导通(相当于开关闭合相当于开关闭合)2.2.外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)二极管截止二极管截止(相当于开关断开相当于开关断开)硅二极管伏安特性硅二极管伏安特性阴极阴极A阳极阳极KPNPN结结-AK+P区区N区区+-正向正向导通区导通区反向反向截止区截止区反向反向击穿区击穿区0.5 0.7/mA/V010D+-+-二极管的开关作用：二极管的开关作用：例例 uO=0 VuO=2.3 V电路如图所示，电路如图所示，试判别二极管

6、的工作试判别二极管的工作状态及输出电压。状态及输出电压。二极管截止二极管截止二极管导通二极管导通 解解 D0.7 V+-11二、动态特性二、动态特性1.1.二极管的电容效应二极管的电容效应结电容结电容 C j扩散电容扩散电容 C D2.2.二极管的开关时间二极管的开关时间电容效应使二极管电容效应使二极管的通断需要的通断需要一段延一段延迟时间才能完成迟时间才能完成tt00(反向恢复时间反向恢复时间)ton 开通时间开通时间toff 关断时间关断时间12一、静态特性一、静态特性NPN2.2.2 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性发射结发射结集电结集电结发射极发射极emitter基极基极b

7、ase集电极集电极collectorbiBiCec(电流控制型电流控制型)1.1.结构、符号和输入、输出特性结构、符号和输入、输出特性(2)(2)符号符号NNP(Transistor)(1)(1)结构结构13(3)(3)输入特性输入特性(4)(4)输出特性输出特性iC/mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB=00 2 4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区0uBE /ViB/A发射结正偏发射结正偏放大放大i C=iB集电结反偏集电结反偏饱和饱和 i C iB两个结正偏两个结正偏I CS=IBS临界临界截止截止iB 0,iC 0两个结反偏两个结反偏电流关系电

8、流关系状态状态 条条 件件142.2.开关应用举例开关应用举例发射结反偏发射结反偏 T T 截止截止发射结正偏发射结正偏 T T 导通导通+RcRb+VCC (12V)+uo iBiCTuI3V-2V2 k 2.3 k 放大还是放大还是饱和？饱和？15饱和导通条件：饱和导通条件：+RcRb+VCC +12V+uo iBiCTuI3V-2V2 k 2.3 k 因为因为所以所以16二、动态特性二、动态特性3-2t00.9ICS0.1ICSt030.3t0172.2.3 MOS 2.2.3 MOS 管的开关特性管的开关特性(电压控制型电压控制型)MOS（Mental Oxide Semiconduc

9、tor）金属金属 氧化物氧化物 半导体半导体场效应管场效应管一、一、静态特性静态特性1.1.结构和特性：结构和特性：(1)N(1)N 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 S3V4V5VuGS=6ViD/mA42643210uGS/ViD/mA43210246810uDS/V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区UTNiD开启电压开启电压UTN=2 V+-uGS+-uDS衬衬底底漏极特性漏极特性转移特性转移特性uDS=6V截止区截止区18P P 沟道增强型沟道增强型 MOS MOS 管与管与 N N 沟道有对偶沟道有对偶关系。关系。(2)P(2)P 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源

10、极源极 SiD+-uGS+-uDS衬衬底底iD/mAiD/mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2-3V-4V-5VuGS=-6V-1-2-3-4-6uGS/VuDS/V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区 漏极特性漏极特性 转移特性转移特性截止区截止区UTPuDS=-6V开启电压开启电压UTP=-2 V参考方向参考方向192.MOS.MOS管的开关作用：管的开关作用：(1)N(1)N 沟道增强型沟道增强型 MOS MOS 管管+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO+VDD+10VRD20 k GDSuIuO开启电压开启电压UTN=2 ViD+VDD+10VRD20 k GD

11、SuIuORONRD20(2)P(2)P 沟道增强型沟道增强型 MOS MOS 管管-VDD-10VRD20 k BGDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuO开启电压开启电压UTP=2 V-VDD-10VRD20 k GDSuIuOiD21uYuAuBR0D2D1+VCC+10V2.3最简单的与、或、非门电路最简单的与、或、非门电路2.3.1 2.3.1 二极管与门和或门二极管与门和或门3V0V符号符号:与门与门（AND gate)ABY&0 V0 VUD=0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 V真值表真值表A BY0 00 11 01 10001Y=AB电压关系表电压关

12、系表uA/VuB/VuY/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通0.7导通导通 截止截止0.7截止截止 导通导通0.7导通导通 导通导通3.722uY/V3V0V符号符号:或门或门（AND gate)ABY10 V0 VUD=0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表真值表A BY0 00 11 01 10111电压关系表电压关系表uA/VuB/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通 0.7截止截止 导通导通2.3导通导通 截止截止2.3导通导通 导通导通2.3Y=A+B2.3.2 2.3.2 二极管或门二极管或

13、门23正与门真值表正与门真值表正正逻辑和负逻辑的对应关系：逻辑和负逻辑的对应关系：A BY0 00 11 01 10001ABY=AB&负或门真值表负或门真值表A BY1 11 00 10 01110AB1同理：同理：正正或门或门负与门负与门241.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。分立元件门电路的缺点分立元件门电路的缺点只用于IC内部电路25一、半导体三极管非门一、半导体三极管非门T T 截止截止T T导通导通2.3.3 2.3.3 三极管非门（反相器）三极管非门（反相器）饱和导通条件饱和导

14、通条件:+VCC+5V1 k RcRbT+-+-uIuO4.3 k =30iBiCT T 饱和饱和因为因为所以所以26电压关系表电压关系表uI/VuO/V0550.3真值表真值表0110AY符号符号函数式函数式+VCC+5V1 k RcRbT+-+-uIuO4.3 k =30iBiC三极管非门三极管非门:AY1AY272.4 TTL 集成门电路集成门电路（TransistorTransistor Logic）1 1、电路结构、电路结构+VCC(5V)R1uIuo4k AD1T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1 保护二极管保护二极管 防

15、止输入电压过低。防止输入电压过低。当当 uI uB uE现在现在:uE uB uC ，即即 发射结反偏发射结反偏 集电结正偏集电结正偏 倒置放大倒置放大iii=i ib=(1+i)ib4.3Vc e 3.6 V1.4V0.7V2.1V301.4V+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 YT T1 1 倒置放大状态倒置放大状态假设假设 T T2 2 饱和导通饱和导通T3、D 均均截止截止(设设1 4=20)T T2 2 饱和的饱和的假设假设成立成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思考：思考：D 的作用？的作用？若若无无 D D，此

16、时此时 T T3 3 可以可以导通，电路将不能实现导通，电路将不能实现正常的逻辑运算正常的逻辑运算因为因为3.6 ViE131+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 YT T1 1 倒置放大状态倒置放大状态T T2 2 饱和，饱和，T T3 3、D D 均均截止截止3.6 2.1 1.4 0.7 1 T T4 4 的的工作状态：导通工作状态：导通放大还是放大还是饱和？饱和？iB2ICS2iB1iE1iE2iB4iR3又因为又因为 T T3 3、D D 均均截止，即截止，即 T T4 4 深度饱和深度饱和：uO=UCES4 0.3V（无外接负载）

17、无外接负载）若外接负载若外接负载 R RL L ：RL+VCC0.3 所以所以323.3.电压传输特性：电压传输特性：1+VCC+5VuI+-uO+-A B0uO/VuI/V12341234AB 段：段：uI 0.5 V，uB1 1.4 V ，T2、T4 饱和饱和导通，导通，T T3 3、D D 截止截止。uO=UOL 0.3 V阈值电压阈值电压334.输入端噪声容限输入端噪声容限uIuO1G1G21输出高电平输出高电平典型值典型值=3.6 V 输出低电平输出低电平典型值典型值=0.3 V 输入高电平输入高电平典型值典型值=3.6 V 输入低电平输入低电平典型值典型值=0.3 V UNH 允许

18、叠加的负向噪声电压的最大值允许叠加的负向噪声电压的最大值G2 输入高电平时的输入高电平时的噪声容限：噪声容限：UNL 允允许叠加的正向噪声电压的最大值许叠加的正向噪声电压的最大值G G2 2 输入低电平时的输入低电平时的噪声容限噪声容限：34输入短路电流输入短路电流 IIS2.4.2TTL2.4.2TTL反相器的静态特性和输出特性反相器的静态特性和输出特性一一、输入特性输入特性(1)(1)输入伏安特性输入伏安特性：1iI+VCC+5 VuI+-uoT1iIuI+-be2be4+VCC+5 VR14k IV/uImA/i012-1ISIILIUILUIHIHI低电平输入电流低电平输入电流 IIL

19、 高电平输入电流高电平输入电流或输入端漏电流或输入端漏电流 IIH35即：当即：当 Ri 为为 2.5 k 以上电阻时，输入由以上电阻时，输入由低电平低电平变为变为高电平高电平(2)(2)输入端负载特性：输入端负载特性：1+VCC+5VuI+-uoRiT1iB1uI+-be2be4+VCC+5 VR14k RiRi/026412uI/VT2、T4饱和导通饱和导通Ri=Ron 开门电阻开门电阻（2.5 k）RonT2、T4 截止截止Ri=Roff 关门电阻关门电阻（0.7 k）即：当即：当R Ri i为为0.7k0.7k 以下电阻时以下电阻时 ,输入端相当于低电平。输入端相当于低电平。Roff0

20、.7 V1.4 V362.2.输出特性输出特性uO1+VCC+5 VuI+-+-iOuO/ViO/mA0 10 20 30-10-20-30123在输出为低电平条件下，带在输出为低电平条件下，带灌灌电流负载能力电流负载能力 IOL 可达可达 16 mA0.3V受功耗限制，带拉电流负载能受功耗限制，带拉电流负载能力力 IOH 可一般为可一般为 400 A3.6V 注意：注意：输出短路电流输出短路电流 I IOS OS 可达可达 -33 33 mAmA，将将造成器件过热烧毁造成器件过热烧毁 ，故门电路，故门电路输出端不输出端不能接地能接地！372.4.2 TTL2.4.2 TTL反相器动态特性反相

21、器动态特性传输延迟时间传输延迟时间1uIuO 50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL 输出电压由高到输出电压由高到 低时的传输延迟低时的传输延迟 时间。时间。t tpdpd 平均传输延迟时间平均传输延迟时间tPLH 输出电压由低到输出电压由低到 高时的传输延迟高时的传输延迟 时间。时间。tPHLtPLH典型值典型值：tPHL=8 ns,tPLH=12 ns最大值最大值：tPHL=15 ns,tPLH=22 ns38+VCC+5VR14k AD2T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BT1 多发射极三极管多发射极三极

22、管e1e2bc等效电路：等效电路：1 1.A.A、B B 只要有一个为只要有一个为 0 0 0.3V1VT2、T4截止截止5VT3、D 导通导通2.4.4 2.4.4 其他类型的其他类型的TTLTTL辑门电路辑门电路一、一、TTL TTL 与非门与非门0.7VRL3.6V39+VCC+5V4k AD2T1T2T3T4D1.6k 1k 130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BR1R2R3R43.6V3.6V0.7V1V0.3V4.3V2.1V2.A、B 均为均为 1 理论：理论：实际：实际：T T2 2、T T4 4 导通导通T T3 3、D D 截止截止uO=UCES4 0.3VT

23、TL TTL 与非门与非门RL+VCC40+VCC+5V4k AD2T1T2T3T4D1.6k 1k 130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BR1R2R3R4TTL TTL 与非门与非门整理结果：整理结果：1110ABY00011011AB&41二、二、TTL TTL 或非门或非门+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 输入级输入级中间级中间级输出级输出级1.1.A A、B B只要有一个为只要有一个为 1 1 T2、T4 饱和饱和T2 、T3、D 截止截止uO=0.3V2.1V1V0.3V3.6V0.3VRL+VCC422.2.A A、B

24、B 均为均为 0 0 i iB1B1、i i B1B1分别流入分别流入T T1 1、T T 1 1 的发射极的发射极T T2 2、T T 2 2均截止均截止则则 T T4 4 截止截止T T3 3、D D 导通导通+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 0.3 V0.3 ViB1i B1RL输入级输入级中间级中间级输出级输出级TTL TTL 或非门或非门5V1V1V3.6V43整理结果：整理结果：1000ABY00011011AB1+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 输入级输入级中间级中间级输出级输出级TT

25、L TTL 或非门或非门44二、二、集电极开路门集电极开路门OC OC 门门(Open Collector Gate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B 1.1.电路组成及符号电路组成及符号+V CCRC外外接接YAB&+V CCRCOC OC 门必须外接负载电阻门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。和电源才能正常工作。可以线与连接可以线与连接V V CC CC 根据电路根据电路需要进行选择需要进行选择 2.OC 2.OC 门的主要特点门的主要特点45线与连接举例：线与连接举例：+VCCAT1T2T4Y1B+VCCCT 1T 2T 4Y2D+V CCRC+V CCRCY1AB

26、&G1Y2CD&G2线与线与YY46外接电阻外接电阻 R RC C 的估算：的估算：n OC OC 与非门的个数与非门的个数m 负载与非门的个数负载与非门的个数k k 每个与非门输入端的个数每个与非门输入端的个数IIH+V CCRC&1&2Y&12&n&m&1kIOHIOH：OCOC门截止时的反向漏电流门截止时的反向漏电流。IIH：与非门高电平输入电流与非门高电平输入电流(流入流入 接在线上的每个门的输入端接在线上的每个门的输入端)11.1.R RC C 最大值的估算最大值的估算iOiI UOH minRC 47外接电阻外接电阻 R RC C 的估算：的估算：+V CCRC&1&2Y&12&n

27、&m&1k2.2.R RC C 最小值的估算最小值的估算0最不利的情况：最不利的情况：只有一个只有一个 OC OC 门导通，门导通，i iR R 和和 i iI I 都流入该门。都流入该门。IOL：OC OC 门带灌电流负载的能力门带灌电流负载的能力。iIIILIOLIIL：与非门低电平输入电流与非门低电平输入电流(每个门每个门只有一个，与输入端的个数无关只有一个，与输入端的个数无关)IOLiR RC 48三、输出三态门三、输出三态门 TSLTSL门门(Three-State Logic)(1)(1)使能端低电平有效使能端低电平有效1.1.电路组成电路组成+VCC+5VR1AT1T2T3T4D

28、R2R3R4YB1D3使能端使能端(2)(2)使能端高电平有效使能端高电平有效1ENYA&BENYA&BENEN49以使能端低电平有效为例：以使能端低电平有效为例：2.2.三态门的工作原理三态门的工作原理PQP=1（高电平）高电平）电路处于正常工作电路处于正常工作状态：状态：D D3 3 截止截止，（Y=0 或或 1）+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3使能端使能端50P=0(低电平低电平)D3 导通导通 T2、T4截止截止uQ 1 VT3、D 截止截止输出端与上、下均断开输出端与上、下均断开+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3可能输出状态：可能

29、输出状态：0、1 或高阻态或高阻态QP 高阻态高阻态记做记做 Y=Z使能端使能端513.3.应用举例：应用举例：(1)(1)用做多路开关用做多路开关YA11EN1ENA21G1G2使能端使能端10禁止禁止使能使能01使能使能禁止禁止52(2)(2)用于信号双向传输用于信号双向传输A11EN1ENA21G1G201禁止禁止使能使能10使能使能禁止禁止53(3)(3)构成数据总线构成数据总线EN1EN1EN1G1G2GnA1A2An数据总线数据总线011101110 注意：注意：任何时刻，只允许一个三态门使能，任何时刻，只允许一个三态门使能，其余为高阻态。其余为高阻态。545 57474LSLS系

30、系列列为为低低功功耗耗肖肖特特基基系系列。列。6 67474ASAS系列系列为先进肖特基系列，为先进肖特基系列，它是它是7474S S系列的后继产品。系列的后继产品。7 77474ALSALS系列系列为先进低为先进低功耗肖特基系列，功耗肖特基系列，是是74LS74LS系列的后继产品。系列的后继产品。2.4.5 TTL2.4.5 TTL电路的改进系列电路的改进系列1 17474系列系列为为TTLTTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTLTTL器件。器件。2 27474L L系列系列为低功耗为低功耗TTLTTL系列，又称系列，又称LTTLLTTL系列。系列。3 37474H

31、H系列系列为高速为高速TTLTTL系列。系列。4 47474S S系列系列为肖特基为肖特基TTLTTL系列，进一步提高了速度。如图示。系列，进一步提高了速度。如图示。551.CMOS集成电路集成电路:广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 40004000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低(超

32、低超低)电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2.TTL 集成电路集成电路:广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路2.6 数字集成电路简介数字集成电路简介562.5 CMOS反相器反相器UCCST2DT1AFNMOS管管PMOS管管CMOS电路电路57+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP2.6 CMOS 门电路门电路2.6.1 CMOS2.6.1 CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理一、电路组成及工作原理一

33、、电路组成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0 V UTN UTN UTP导通导通截止截止0 VUTN=2 VUTP=2 V+10VRONPuY+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP58二、二、电压传输特性和电流传输电压传输特性和电流传输特性特性1.1.电压传输特性电压传输特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB 段：段：uI Ron（2.5 k ）输入由输入由 0 1在一定范围内，在一定范围内，R Ri i的改的改变不会影响输入电平变不会影响输入电平输入端输入端 悬空悬空即即 Ri=输入为输入为 “1”不允许不允许多余输入多余输入端的处理端的处理1.与门、与非门接电源；或门、或非门接地与门、与非门接电源；或门、或非门接地。2.与其它输入端并联。与其它输入端并联。78