数电 逻辑门电路.pptx
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1、教教 学学 基基 本本 要要 求求1、了解半导体器件的开关特性。、了解半导体器件的开关特性。2、掌掌握握基基本本逻逻辑辑门门、三三态态门门、集集电电极极开开路路门门的的逻逻辑功能。辑功能。3、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。第1页/共70页0 概述1.逻辑门电路:用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门(反相器)、与非门、或基本和常用门电路有与门、或门、非门(反相器)、与非门、或非门、与或非门和异或门等。非门、与或非门和异或门等。本章重点介绍逻辑运算的物理实现电路。2.逻辑0和逻辑1:0和1在逻辑代数中代表的
2、两种不同的状态。在电子电路中用高、低电平来表示。正逻辑:正逻辑:1 1表示高电平,表示高电平,0 0表示低电平表示低电平 负逻辑:负逻辑:0 0表示高电平,表示高电平,1 1表示低电平表示低电平高/低电平都允许有一定的变化范围3.3.获得高、低电平的基本方法:利用半导体开关元件的导通、截止(即开、关)两种工作状态。第2页/共70页1 二极管逻辑门电路1.1 二极管的开关特性1.2 二极管与门1.3 二极管或门1.4 二极管门电路的优、缺点第3页/共70页1.1 二极管的开关特性1.二极管符号:2.二极管的伏安特性:当电压ui0.7V 二极管导通后,uD=0.7V iD=(ui-0.7)/R当电
3、压ui0.7V 二极管截止,处于断开状态 iD=0V正极负极 uD iD 限流电阻第4页/共70页3.二极管的开关电路的等效电路ui0V时,二极管截止,如时,二极管截止,如同开关断开,同开关断开,uo0V。ui5V时时,二二极极管管导导通通,如如同同0.7V的电压源,的电压源,uo5-0.7=4.3V。v当ui为低电平时 D截止,uo为低电平v当ui为高电平时 D导通,uo为高电平第5页/共70页1.2 二极管与门大于大于大于大于3V3V为高电平为高电平为高电平为高电平 逻辑逻辑逻辑逻辑1 1表示表示表示表示小于小于小于小于0.7V0.7V为低电平为低电平为低电平为低电平 逻辑逻辑逻辑逻辑0
4、0表示表示表示表示思考:Y如何和A、B构成与逻辑关系?ABY0V0V?5V0.7V0.7V第6页/共70页ABY0V0V0.7V5V0V?5V0.7V0.7V0V5V?0.7V第7页/共70页ABY0V0V0.7V5V0V0.7V0V5V0.7V5V5V?5V5V第8页/共70页Y=AB大于大于大于大于3V3V为高电平为高电平为高电平为高电平 逻辑逻辑逻辑逻辑1 1表示表示表示表示小于小于小于小于0.7V0.7V为低电平为低电平为低电平为低电平 逻辑逻辑逻辑逻辑0 0表示表示表示表示根据真值表,可以判断该电路为与门第9页/共70页Y=A+B1.3 二极管或门ABD1D2Y0V0V0V5V5V0
5、V5V5V截止截止0V导通截止4.3V截止导通4.3V导通导通4.3V第10页/共70页1.4 二极管门电路的缺点v电平有偏移,带负载能力差因此,二极管门电路通常只用于集成电路内部电路第11页/共70页2 TTL逻辑门电路2.1 三极管的开关特性2.2 三极管非门2.3 TTL反相器、与非门、或非门2.4 其他类型的TTL逻辑门 (三态门、集电极开路门)2.5 TTL电路常识2.6 小结由三极管和若干电阻构成的逻辑门Transistor-Transistor Transistor-Transistor LogicLogic第12页/共70页它有两种类型:NPN型和PNP型。在半导体中掺入五价杂
6、质元素,例如磷,可形成 N型半导体在半导体中掺入三价杂质元素,如硼、镓、铟等形成P型半导体 NPN型和PNP型三极管e-b间的PN结称为发射结发射结(Je)c-b间的PN结称为集电结集电结(Jc)中间部分称为基区,连上电极称为基极基极,用B或b表示(Base);一侧称为发射区,电极称为发射极发射极,用E或e表示(Emitter);另一侧称为集电区和集电极集电极,用C或c表示(Collector)。1.三极管的结构2.1三极管的开关特性第13页/共70页2.以NPN三极管为例,说明三极管的的工作原理及特性曲线ui iB e Rb b+VCCiC u Rc co发射结可以看成二极管RbRc+VCC
7、bce截止状态ui=UIL0.7VuoRbRc+VCCbce0.7ViB第15页/共70页饱和区饱和区条件:条件:ui大于大于0.7V发射结导通发射结导通此时集电极和发射极可以看成短路此时集电极和发射极可以看成短路ic=Ics=(VCC-UCES)/RC uo=UCES=0.2-0.3Vui iB e Rb b+VCCiC u Rc co饱和状态iBUi0.7Vuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V如何判断工作在饱和区还是放大区?可以通过UCES计算出临界集电极饱和电流ICS=(VCC-UCES)/RC 则临界基极饱和电流IBS=(VCC-UCES)/RC 当iB IBS 工作在
8、饱和区,否则工作在放大区。第16页/共70页 ui=0.3V时,因为uBE0.7V,iB=0,三极管工作在截止状态,ic=0。因为ic=0,所以输出电压:ui=1V时,三极管导通,基极电流:因为0iBIBS,三极管工作在饱和状态。输出电压:uoUCES0.3V3.以典型电路为例来分析开关特性第17页/共70页第18页/共70页通常在数电中,三极管主要工作在截止或饱和两个区内。截止状态cbe饱和状态Vb=0.7v,Vc=0.3vebc第19页/共70页2.2 三极管非门(反相器)uA0V时,三极管截止,iB0,iC0,输出电压uYVCC5VuA5V时,三极管饱和导通。输出电压uYUCES0.3V
9、。真值表真值表A =100+5V Y电路图1逻辑符号AY1k10kRBRCbecuA第20页/共70页性性 能能 分分 析析 vccRcTCL输入输入输出输出T状态状态电容电容高电平高电平(3.6v)低电平低电平(0.2V)饱和饱和导通导通少量电荷少量电荷(0.2V)低电平低电平(0.2v)高电平高电平(5V)截止截止状态状态大量电荷大量电荷(5V)电容充电电容放电第21页/共70页2.3 TTL反相器、与非门、或非门TTL反相器 Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1+vI T3+vO 负载 Re2 1K W VCC(5V)输入级 中间级 输出级 采
10、用输入采用输入级以提高级以提高工作速度工作速度采用推拉式输采用推拉式输出级以提高开出级以提高开关速度和带负关速度和带负载能力载能力第22页/共70页2.2.电路功能分析(1)当输入为低电平)当输入为低电平(I=0.2 V)0.5V 0.2V OVCCVBE4VD 50.70.7=3.6V I低电平低电平(0.2V)T1深饱和深饱和T2截止截止T3截止截止T4放大放大 O高电平高电平(3.6V)第23页/共70页(2)当输入为高电平当输入为高电平 (I=3.6 V)I全为高电平全为高电平(3.6V)T1倒置放大倒置放大T2饱和饱和T3饱和饱和T4截止截止 O低电平低电平(0.2V)3.6V 4.
11、3V 2.1V 1.4V 0.2V 第24页/共70页 2vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V.48 V 0.2V 1 2 E D C B A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V AB段段:I很低,很低,T1深深度饱和度饱和,T2、T3截止,截止,同时同时T4和和D导通。导通。O=3.6V。CD段:当段:当 I的值继续增加的值继续增加C点后,点后,使使T3饱和导通,饱和导通,O 0.2V I(D)=BE3+BE2 CES1 =(0.7+0.70.2)V=1.2V DE段:当段:当 I的值从的值从D点再继续增点再继续增加时,加时,T1将进入倒置放大状态,将进入倒置放大状态,T2、T3饱
12、和导通,保持饱和导通,保持 O=0.2V BC段段:T1仍仍保保持持为为饱饱和和状状态态。在在BC段段内内,T2处处于于放放大大状状态态,此此时时输输出出电电压压随随输输入入电电压压的的增增加加而而减减小小,但但处处于于线线性性关关系。系。I(D)=BE2 CES1 =(0.70.3)V=0.4V 3.3.电压的传输特性第25页/共70页 14 13 12 11 10 9 874LS04 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2 A 2Y 3 A 3Y GND6反相器74LS04的引脚排列图4.4.常用TTL反相器芯片逻辑函数表达式:第26页/共70
13、页TTL与非门1.TTL与非门电路多发射极多发射极BJT A B&BAL=T1 A B B A b b c c 只要A、B中有一个为低电平,则显示低电平的特性,若全部为高电平,则显示出高电平的特性;于是实现与的逻辑功能。第27页/共70页2.TTL与非门电路的工作原理 VCC(5V)Rc 4 130 Rc2 1.6k Rb 2 1.6k T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k D IT1T2T3T4 O输入全为高输入全为高电平电平(3.6V)放大状态放大状态饱和饱和饱和饱和截止截止低电平低电平 (0.2V)输入有低电输入有低电平平(0.2V)深饱和深饱和截止截止截止截止放大放大高电平高
14、电平(3.6V)第28页/共70页74LS00内含4个2输入与非门3.常用TTL与非门芯片74LS20内含2个4输入与非门第29页/共70页或非门R1A R1 R1B R4 VCC T1A T2A T2B B D T3 R3 T4 AT1BL第30页/共70页 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T4 TTL或非门的逻辑电路若二输入端为低电平 0.5 v0.2 v0.2 v0.5 v3.6V 第31页/共70页若A、B两输入端都为高电平 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T
15、4 2.1 v3.6 v3.6v2.1 v0.3V 问题:若问题:若A、B两输入端中有一个为高电平,输出两输入端中有一个为高电平,输出L=?第32页/共70页 14 13 12 11 10 9 874LS02 1 2 3 4 5 6 7VCC 3Y 3B 3A 4Y 4B 4A 1Y 1B 1 A 2Y 2 B 2A GND74LS02的引脚排列图2.常用芯片74LS02内含4个2输入或非门逻辑表达式:第33页/共70页 vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V 2.48 V 0.2V 1 2 E D CB A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V 各种类型的TTL门电路,其传输特性大同小
16、异。VOHVO(A)3.6V VOLVCES 0.2VVIL VI(B)0.4VVIH VI(D)1.2V1、TTL与非门传输特性2、输入、输出的高、低电压 与非门的特征与参数典型参数实际参数见附录C P463第34页/共70页3.TTL与非门噪声容限 噪声容限:高电平的噪声容限为 VNH=VOH(min)VIH(min)1 驱动门 vo 1 负载门 vI 噪声 1 输出 1 输入 0 输入 0 输出 vo vI+VDD 0 VNH VOH(min)VIH(min)VNL VOL(max)VIL(max)+VDD 0 低电平的噪声容限为 VNL=VIL(max)VOL(max)当电路受到干扰时
17、,在保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围。第35页/共70页 4.扇入与扇出系数 扇入数:取决于门的输入端的个数 扇出数:带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门0 VCC(5V)Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D 当负载门的个数增加时,总的当负载门的个数增加时,总的灌电流灌电流IIL将增加将增加,引起输出低引起输出低电压电压VOL的升高。的升高。灌电流负载:输出低电平时。灌电流负载:输出低电平时。IILIOL101&第36页/共70页1&4.扇入与扇出系数 扇入数:取决于门的输入端的个数 扇出数:带同类门的个数。有带灌
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