数字电路与逻辑设计第3章学习教案.pptx
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1、数字电路与逻辑设计第数字电路与逻辑设计第3章章第一页,共48页。第三章 逻辑(lu j)门电路3.1 半导体器件的开关(kigun)特性3.3 TTL逻辑(lu j)门电路3.4 MOS逻辑门电路3.2 基本逻辑门电路第1页/共48页第二页,共48页。PNPN结的构成结的构成结的构成结的构成(guchng)(guchng)半导体材料半导体材料(cilio)经不同掺经不同掺杂过程,可使其内部的电子和空杂过程,可使其内部的电子和空穴的浓度各不相同。穴的浓度各不相同。浓度大的称浓度大的称为多数载流子,浓度小为多数载流子,浓度小的称为少数载流子。的称为少数载流子。多子为电子的是多子为电子的是N型材料型
2、材料(cilio);多子为空穴的是;多子为空穴的是P型型材料材料(cilio)。晶体二极管和三极管由晶体二极管和三极管由P型和型和N型半导体材料型半导体材料(cilio)复合而复合而成,成,P型和型和N型半导体材料型半导体材料(cilio)贴在一起,其接合部称贴在一起,其接合部称为结。为结。二极管有一个结,三极管有两个结。二极管有一个结,三极管有两个结。3.1 半导体器件的开关(kigun)特性第2页/共48页第三页,共48页。1、二极管的开关(kigun)特性3.1 半导体器件的开关(kigun)特性ui0V时,二极管截止(jizh),如同开关断开,uo0V。ui5V时,二极管导通,如同0.
3、7V的电压源,uo4.3V。Ui0.5V时,二极管导通。iD=Is(e q v/k T -1)第3页/共48页第四页,共48页。二极管的瞬态开关二极管的瞬态开关二极管的瞬态开关二极管的瞬态开关(kigun)(kigun)特性特性特性特性反向恢复时间是影响二极管开关(kigun)特性的主要因素第4页/共48页第五页,共48页。2、三极管的开关(kigun)特性3.1 半导体器件的开关(kigun)特性三极管的符号及结构图如图所示:三个极基极(j j)(b)、发射极(e)、集电极(c)。两个PN结发射结、集电结。UBE=VI-RBIBVO=UCE=VCC-RCIC第5页/共48页第六页,共48页。
4、第6页/共48页第七页,共48页。RbRc+VCCbce截止(jizh)状态饱和状态iBIBSui=0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V饱和(boh)区截止(jizh)区放大区第7页/共48页第八页,共48页。ui=0.3V时,因为uBE0.5V,iB=0,三极管工作在截止状态(zhungti),ic=0。因为ic=0,所以输出电压:ui=1V时,三极管导通,基极(j j)电流:因为(yn wi)0iBIBS,三极管工作在饱和状态。输出电压:uoUCES0.3V第8页/共48页第九页,共48页。三极管瞬态开关(kigun)特性延迟时间上升时间存
5、储(cn ch)时间下降时间 对上升沿:三极管从截止到导通,称为开通时间TON它包括:TON=Td+Tr 延迟时间TD,主要对应位垒电容(dinrng)的充电过程。上升时间TR,主要对应扩散电容(dinrng)的充电过程。对下降沿:三极管从导通到截止,称为关断时间TOFF它包括:TOFF=TS+Tf 存储时间TS,主要对应扩散电容的放电过程。下降时间Tf,主要对应位垒电容的放电过程。第9页/共48页第十页,共48页。一、二极管与门和或门电路1与门电路 3.2 基本(jbn)逻辑门电路输输 入入输出输出VA(V)VB(V)VL(V)0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0
6、011输 入0001输出 与逻辑真值表第10页/共48页第十一页,共48页。2 2或门电路或门电路或门电路或门电路输输 入入输出输出VA(V)VB(V)VL(V)0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5V0101BLA0011输 入0111输出 或逻辑真值表第11页/共48页第十二页,共48页。二、三极管非门电路二、三极管非门电路二、三极管非门电路二、三极管非门电路输输 入入输输 出出VA(V)VL(V)0V5V5V0VLA01输 入10输 出非逻辑真值表第12页/共48页第十三页,共48页。二极管与门和或门电路的缺点(qudin):(1)在多个门串接使用时,会出现低电平偏离标准数值(s
7、hz)的情况。(2)负载能力差。第13页/共48页第十四页,共48页。解决办法:将二极管与门(或门)电路(dinl)和三极管非门电路(dinl)组合起来。第14页/共48页第十五页,共48页。三、三、三、三、DTLDTL与非门电路与非门电路与非门电路与非门电路(dinl)(dinl)工作原理(yunl):(1)当A、B、C全接为高电平5V时,二极管D1D3都截止,而D4、D5和T导通,且T为饱和导通,VL=0.3V,即输出低电平。(2)A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时,则VP1V,从而使D4、D5和T都截止,VL=VCC=5V,即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系,即:第15页/共
8、48页第十六页,共48页。3.3 TTL3.3 TTL3.3 TTL3.3 TTL集成集成集成集成(j chn)(j chn)(j chn)(j chn)逻辑门电路逻辑门电路逻辑门电路逻辑门电路一、TTL与非门的基本(jbn)结构及工作原理1TTL与非门的基本(jbn)结构第16页/共48页第十七页,共48页。TTL与非门的基本(jbn)结构第17页/共48页第十八页,共48页。一TTL与非门的工作(gngzu)原理(1)输入(shr)全为高电平3.6V时。T2、T3饱和导通,实现了与非门的逻辑功能之一:输入(shr)全为高电平时,输出为低电平。由于T2饱和导通,VC2=1V。T4和二极管D都
9、截止。由于T3饱和导通,输出电压为:VO=VCES30.3V第18页/共48页第十九页,共48页。该发射结导通,VB1=1V。T2、T3都截止(jizh)。(2)输入(shr)有低电平0.3V 时。实现了与非门的逻辑(lu j)功能的另一方面:输入有低电平时,输出为高电平。忽略流过RC2的电流,VB4VCC=5V。由于T4和D导通,所以:VOVCC-VBE4-VD =5-0.7-0.7=3.6(V)综合上述两种情况,该电路满足与非的逻辑功能,即:第19页/共48页第二十页,共48页。二、二、二、二、TTLTTL与非门的开关与非门的开关与非门的开关与非门的开关(kigun)(kigun)速度速度
10、速度速度1TTL与非门提高工作速度(sd)的原理(1)采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。第20页/共48页第二十一页,共48页。(2 2 2 2)采采采采用用用用了了了了推推推推拉拉拉拉式式式式输输输输出出出出(shch)(shch)(shch)(shch)级级级级,输输输输出出出出(shch)(shch)(shch)(shch)阻阻阻阻抗抗抗抗比比比比较小,可迅速给负载电容充放电。较小,可迅速给负载电容充放电。较小,可迅速给负载电容充放电。较小,可迅速给负载电容充放电。第21页/共48页第二十二页,共48页。2TTL与非门传输(chun sh)延迟时间tpd导通延迟时间tPHL从输
11、入波形上升沿的中点到输出(shch)波形下降沿的中点所经历的时间。一般(ybn)TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间tpd:第22页/共48页第二十三页,共48页。三、TTL与非门的电压(diny)传输特性及抗干扰能力1电压传输特性(txng)曲线:Vo=f(Vi)ABCDEabab段:截止段:截止(jizh)(jizh)区区 Vi0.6v T1 Vi1.3v VI1.3v以后,以后,T4T4开始导通,开始导通,V0V0加速下降。加速下降。dede段:饱和区段:饱和区 VI VI
12、增大,增大,T4T4饱和。饱和。第23页/共48页第二十四页,共48页。(1 1 1 1)输输输输出出出出高高高高电电电电平平平平电电电电压压压压VOHVOHVOHVOH在在在在正正正正逻逻逻逻辑辑辑辑体体体体制制制制(tzh)(tzh)(tzh)(tzh)中中中中代代代代表表表表逻逻逻逻辑辑辑辑“1”“1”“1”“1”的的的的输输输输出出出出 电电电电 压压压压。VOHVOHVOHVOH的的的的 理理理理 论论论论 值值值值 为为为为 3.6V3.6V3.6V3.6V,产产产产 品品品品 规规规规 定定定定 输输输输 出出出出 高高高高 电电电电 压压压压 的的的的 最最最最 小小小小 值值
13、值值VOHVOHVOHVOH(minminminmin)=2.4V=2.4V=2.4V=2.4V。(2 2 2 2)输输输输出出出出低低低低电电电电平平平平电电电电压压压压VOLVOLVOLVOL在在在在正正正正逻逻逻逻辑辑辑辑体体体体制制制制(tzh)(tzh)(tzh)(tzh)中中中中代代代代表表表表逻逻逻逻辑辑辑辑“0”“0”“0”“0”的的的的输输输输出出出出 电电电电 压压压压。VOLVOLVOLVOL的的的的 理理理理 论论论论 值值值值 为为为为 0.3V0.3V0.3V0.3V,产产产产 品品品品 规规规规 定定定定 输输输输 出出出出 低低低低 电电电电 压压压压 的的的的
14、 最最最最 大大大大 值值值值VOLVOLVOLVOL(maxmaxmaxmax)=0.4V=0.4V=0.4V=0.4V。(3 3 3 3)关关关关门门门门电电电电平平平平电电电电压压压压VOFFVOFFVOFFVOFF是是是是指指指指输输输输出出出出电电电电压压压压下下下下降降降降到到到到VOHVOHVOHVOH(minminminmin)时时时时对对对对应应应应的的的的输输输输入入入入电电电电压压压压。即即即即输输输输入入入入低低低低电电电电压压压压的的的的最最最最大大大大值值值值。在在在在产产产产品品品品手手手手册册册册中中中中常常常常称称称称为为为为输输输输入入入入低低低低电电电电平
15、平平平电电电电压,用压,用压,用压,用VILVILVILVIL(maxmaxmaxmax)表示。产品规定)表示。产品规定)表示。产品规定)表示。产品规定VILVILVILVIL(maxmaxmaxmax)=0.8V=0.8V=0.8V=0.8V。2 2几个几个几个几个(j)(j)重要参数重要参数重要参数重要参数第24页/共48页第二十五页,共48页。(4)开门电平电压(diny)VON是指输出电压(diny)下降到VOL(max)时对应的输入电压(diny)。即输入高电压(diny)的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压(diny),用VIH(min)表示。产品规定VIH(min)=2V。
16、(5)阈值电压(diny)Vth电压(diny)传输特性的过渡区所对应的输入电压(diny),即决定电路截止和导通的分界线,也是决定输出高、低电压(diny)的分界线。近似地:Vth(VOFF+VON)/2 即ViVth,与非门关门,输出高电平;ViVth,与非门开门,输出低电平。Vth又常被形象化地称为门槛电压(diny)。Vth的值为1.3V1.V。第25页/共48页第二十六页,共48页。低电平噪声容限低电平噪声容限低电平噪声容限低电平噪声容限 V VNLNLV VOFFOFF-V VOLOL(maxmax)0.80.80.80.8V V-0.4-0.4-0.4-0.4V V0.40.40
17、.40.4V V高电平噪声容限高电平噪声容限高电平噪声容限高电平噪声容限 V VNHNHV VOHOH(minmin)-V VONON2.42.42.42.4V V-2.0-2.0-2.0-2.0V V0.40.40.40.4V VTTL门电路的输出(shch)高低电平不是一个值,而是一个范围。3 3 3 3抗干扰能力抗干扰能力抗干扰能力抗干扰能力同样(tngyng),它的输入高低电平也有一个范围,即它的输入信号允许一定的容差,称为噪声容限。由表达式可见(kjin),Voff越大,Von越小(或两者越接近)噪声容限越大,抗干扰能力越强。第26页/共48页第二十七页,共48页。四、四、四、四、T
18、TLTTL与非门输入与非门输入与非门输入与非门输入(shr)(shr)特性特性特性特性 1 1、输入输入输入输入(shr)(shr)电压与输入电压与输入电压与输入电压与输入(shr)(shr)电流的关系电流的关系电流的关系电流的关系 VI=0 VI=0 时,时,时,时,I i=I IS,I i=I IS,称为输入短路电流。与非门的称为输入短路电流。与非门的称为输入短路电流。与非门的称为输入短路电流。与非门的IIS IIS 是前级的负载灌电是前级的负载灌电是前级的负载灌电是前级的负载灌电流,约流,约流,约流,约1.6mA 1.6mA AB AB段:段:段:段:T4T4截止,截止,截止,截止,T1
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