《szdl门电路》PPT课件.ppt
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1、数字电路与逻辑设计 第3章 门电路第三章第三章 门电路门电路n概述概述n分立元件门电路分立元件门电路nTTL门电路门电路nMOS门电路门电路nTTL门电路与门电路与CMOS门电路门电路n小结小结数字电路与逻辑设计 第3章 门电路3.1 概述概述n门电路门电路实现基本逻辑关系的电子电路n主要构成主要构成 n逻辑门电路的性能和特点逻辑门电路的性能和特点逻辑特性、电气特性n本章讨论:本章讨论:内部结构、工作原理、外部特性双极性逻辑门电路DTL二极管、三极管逻辑门电路TTL晶体管、晶体管逻辑门电路ECL发射极耦合逻辑门电路HTL高阈值逻辑门电路I2L高集成度逻辑门电路单极性逻辑门电路(场效应管)NMO
2、SPMOSCMOS互补对称型数字电路与逻辑设计 第3章 门电路3.2 分立元件门电路分立元件门电路n分立元件的开关特性分立元件的开关特性:*理想开关特性理想开关特性:开关K断开时,开关两端的电压为外部电压,通过开关的电流为0,开关等效电阻为。开关闭合时,开关两端电压为0,开关等效电阻为0*二极管开关特性二极管开关特性*三极管开关特性三极管开关特性*MOS管开关特性管开关特性*正负逻辑及其它正负逻辑及其它n分立元件门电路分立元件门电路*二极管与门二极管与门*二极管或门二极管或门*三极管反相器三极管反相器*DTL门电路门电路数字电路与逻辑设计 第3章 门电路3.2.1 3.2.1 二极管开关特性二
3、极管开关特性n二极管二极管*二极管符号二极管符号图a(加正向电压)图b(加反向电压)n结论结论二极管具有单向导电性(正向导通,反向截止)*二极管加正向电压和二极管加正向电压和伏安特性曲线及等效电路伏安特性曲线及等效电路 如图a所示:若VCCV0,二极管导通,二极管导通电压VD 硅管(VD 锗管)*二极管加反向电压二极管加反向电压 如图b所示:若VCC0V 二极管截止 i=0数字电路与逻辑设计 第3章 门电路二极管开关特性二极管开关特性等效电路等效电路n二极管二极管伏安特性曲线与等效电路伏安特性曲线与等效电路 三种等效电路三种等效电路:(a)-二极管正向导通压降和正向电阻不能忽略(b)-二极管正
4、向导通压降不能忽略和正向电阻忽略(c)-二极管正向导通压降和正向电阻都忽略数字电路与逻辑设计 第3章 门电路3.5.1 3.5.1 三极管开关特性三极管开关特性n三极管三极管电路结构电路结构与符号与符号(NPN型 和 PNP型)n三极管的工作状态三极管的工作状态 三极管的三个工作状态:截止状态、放大状态截止状态、放大状态和饱和状态饱和状态 分析分析n结论结论:在数字电路中三极管作为开关元件主要工作在 饱和状态饱和状态(“开”态)和截止状态截止状态(“关”态)当Vi=ViL(V BE)时,T截止 VO=VCC当Vi=ViH时(且iB iBS),T饱和导通 VO=VCESV集电极c发射极e基极b数
5、字电路与逻辑设计 第3章 门电路一一、双极型三极管的结构双极型三极管的结构管芯管芯+三个引出电极三个引出电极+外壳外壳数字电路与逻辑设计 第3章 门电路基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂*三极管电路结构*双极型三极管的结构双极型三极管的结构管芯管芯+三个引出电极三个引出电极+外壳外壳数字电路与逻辑设计 第3章 门电路*双极型三极管工作状态分析双极型三极管工作状态分析1.三极管基本开关电路只要参数合理:只要参数合理:V VI I=V=VILIL时,时,T T截止,截止,V VO O=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时,时,T T导通,导通,V VO O=V=VOLOL数字电路与逻辑设
6、计 第3章 门电路三极管工作状态三极管工作状态分析分析2.三极管的工作状态三极管的工作状态-截止状态截止状态*截止状态:截止状态:当输入电压Vi较小时,VBE 0.7 V,T截止 iB、iE、iC0,VRC =0;输出电压VCE VCC等效电路数字电路与逻辑设计 第3章 门电路三极管工作状态三极管工作状态分析分析2.三极管的工作状态-放大状态*放大状态:放大状态:当输入电压Vi V),T导通,有:iC=iB、iE=iC+iB,在放大状态下(iB iBS),输出电压VCE=VCC-iC RC等效电路数字电路与逻辑设计 第3章 门电路三极管工作状态三极管工作状态分析分析2.三极管的工作状态-饱和状
7、态*饱和状态:饱和状态:随着输入电压Vi继续上升,iB、iE、iC 增加,V CE=V CC i C RC 减小,三极管集电极正偏。i B i BS,输出电压V CE=V CES(0.3V 硅管)等效电路数字电路与逻辑设计 第3章 门电路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饱和导通状态饱和导通状态数字电路与逻辑设计 第3章 门电路3.3.1 MOS管开关特性管开关特性nMOS管管结构图结构图及逻辑符号及逻辑符号nNMOS管工作原理分析管工作原理分析 MOS管工作在截止截止与导通导通状态n结论结论:VGS V(thN)时,NMOS管截止,ROFF 很大 VGS V(t
8、hN)时,NMOS管导通,RON 较小 (V(thN)NMOS开启电压或阈值电压)nMOS管的四种类型管的四种类型数字电路与逻辑设计 第3章 门电路*MOS管结构图管结构图*MOS管的结构管的结构 (金属-氧化物-半导体场效应管)S(Source):源极G(Gate):栅极D(Drain):漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结NMOS管PMOS管数字电路与逻辑设计 第3章 门电路NMOS管工作原理管工作原理nNMOS管的工作原理管的工作原理*NMOS管的基本开关电路管的基本开关电路2.当VGS 电子,产生电子层N沟道.当VGSVTH,在外电场VDS作用下,iDS0。称
9、电阻区称电阻区。NMOS为导通状态。3.由于iDS,沿沟道D S有压降,当VDS VGD ,使VGD VTH 导电沟道处于断开临界状态,iDS 恒定。称称:恒流区恒流区.n分析分析 1.在栅_源极间加正向电压VGS,衬底感应出电子,当VGS较小时,感应的电子被衬底空穴中和,iDS=0(iDS:漏_源极电流)。称高阻区称高阻区(截止区)数字电路与逻辑设计 第3章 门电路NMOS管的基本开关电路管的基本开关电路nNMOS管的基本开关电路管的基本开关电路 OFF,截止状态,截止状态 ON,导通,导通状态状态数字电路与逻辑设计 第3章 门电路*MOS管的四种类型管的四种类型n增强型增强型n耗尽型耗尽型
10、大量正离子导电沟道数字电路与逻辑设计 第3章 门电路正负逻辑及其它正负逻辑及其它n数字电路中的高电平与低电平数字电路中的高电平与低电平 n数字电路中的正负逻辑问题数字电路中的正负逻辑问题*正负逻辑的定义:正负逻辑的定义:设定:低电平(VL)为0,高电平(VH)为1 正逻辑正逻辑 低电平(VL)为1,高电平(VH)为0 负逻辑负逻辑 *正负逻辑的描述正负逻辑的描述:电路中能区分高、低电平既可使门电路导通或截止。一般地,其取值有允许的范围由电路特性决定。数字电路与逻辑设计 第3章 门电路正负逻辑及其它正负逻辑及其它*正负逻辑的描述正负逻辑的描述:正与逻辑正与逻辑 *真值表:*真值表:*表达式:*表
11、达式:*逻辑图 *逻辑图A BY0 00 11 01 10001A B Y1 11 00 10 01110负或逻辑负或逻辑负逻辑负逻辑数字电路与逻辑设计 第3章 门电路3.2.2 二极管与门二极管与门n二极管与门二极管与门能实现与逻辑功能的电路称为与门n二极管与门电路二极管与门电路n分析分析n逻辑真值表、逻辑符号与表达式逻辑真值表、逻辑符号与表达式真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式逻辑符号逻辑符号A BY0 00 11 01 10001数字电路与逻辑设计 第3章 门电路二极管与门二极管与门_原理分析原理分析n二极管与门电路二极管与门电路 n分析:分析:设输入高电平为3V,输入低电平为0V。VCC
12、=5V*当VA、VB=0V,二极管DA、DB均导通,VY=VA+VDA*当VA=3V、VB=0V,二极管DB导通,VY=VB+VDB n结论:实现与关系结论:实现与关系*当VA=0V、VB=3V,二极管DA导通,VY=VA+VDA*当VA、VB=3V,二极管DA、DB均导通,VY=VA+VDA=3+0.7=3.7V 数字电路与逻辑设计 第3章 门电路3.2.3 二极管或门n二极管或门二极管或门能实现或逻辑功能的电路称为或门n二极管或门电路二极管或门电路n分析分析n逻辑真值表、逻辑符号与表达式逻辑真值表、逻辑符号与表达式逻辑符号逻辑表达式真值表01110 00 11 01 1YA B数字电路与逻
13、辑设计 第3章 门电路二极管或门_原理分析n二极管或门电路二极管或门电路n分析:分析:设输入高电平为3V,输入低电平为0V *当VA、VB=0V,二极管DA、DB均截止,VY=0V*当VA=3V、VB=0V,二极管DA导通,VY=VA-VDA n结论:实现或关系结论:实现或关系*当VA=0V、VB=3V,二极管DB导通,VY=VB-VDB*当VA、VB=3V,二极管DA、DB均导通,VY=VA-VDA 数字电路与逻辑设计 第3章 门电路三极管反相器三极管反相器n三极管反相器三极管反相器能实现非逻辑功能的电路称为非门,亦称反相器n非门电路非门电路n分析分析n三极管反相器之三极管反相器之2 2n逻
14、辑真值表、逻辑表达式和逻辑符号逻辑真值表、逻辑表达式和逻辑符号逻辑符号逻辑符号逻辑表达式逻辑表达式真值表真值表100 1YA 数字电路与逻辑设计 第3章 门电路三极管反相器三极管反相器_原理分析原理分析n非门电路非门电路n分析分析 *输入电压为低电平Vi=ViL*输入电压为高电平Vi=ViH教材P114 图数字电路与逻辑设计 第3章 门电路三极管反相器三极管反相器_之之2n三极管反相器之三极管反相器之2 2 非门电路如图:n分析分析:输出端加入:VQ、D 功能:使输出高电平钳位在:VY=VD+VQ数字电路与逻辑设计 第3章 门电路DTL门电路门电路nDTL与非门与非门 电路图:二极管与门+三极
15、管反相器实现逻辑功能:实现逻辑功能:实现与非功能实现与非功能nDTL或非门或非门 电路图:二极管或门+三极管反相器实现逻辑功能:实现逻辑功能:实现或非功能实现或非功能数字电路与逻辑设计 第3章 门电路3.5 TTL门电路nTTL反相器及电气特性反相器及电气特性n其他的其他的TTL门电路门电路n特殊的特殊的TTL门电路门电路nTTL门电路的改进门电路的改进n其他双极型门电路其他双极型门电路数字电路与逻辑设计 第3章 门电路3.5.2 TTL反相器nTTL反相器反相器nTTL反相器的电气特性反相器的电气特性 *传输特性传输特性 *输入特性输入特性 *输入负载特性输入负载特性 *输出特性输出特性nT
16、TL反相器的动态特性反相器的动态特性n例题例题(A)n例题例题(B)数字电路与逻辑设计 第3章 门电路TTL反相器_电路结构nTTLTTL反相器的结构反相器的结构nTTLTTL反相器的工作原理反相器的工作原理n结论:实现非功能结论:实现非功能T4、D2、T5、R4为输出级T2、R2、R3为中间级 (倒相级)T1、R1构成输入级数字电路与逻辑设计 第3章 门电路TTL反相器的工作原理nTTLTTL反相器的工作原理反相器的工作原理n当输入为高电平Vi=ViH时,T1倒置、T2导通、T5为深度饱和状态,n当输入为低电平Vi=ViL,T1导通、T2截止、T5截止,输出通路由T4、D2构成 ViL导通截
17、止截止导通ViH截止导通导通截止viLViHVOVO数字电路与逻辑设计 第3章 门电路TTL反相器的传输特性反相器的传输特性n电压传输特性电压传输特性n阈值电压:阈值电压:V VTHTH 典型参数:典型参数:*输入低电平的最大值ViL(max)0.8V -(又称关门电压VOFF :确保输出为高电平的输入信号)*输入高电平的最小值ViH(min)-(又称开门电压VON :确保输出为低电平的输入信号)简单分析:简单分析:输入低电平:Vi VTH Vi=ViL 输入高电平:Vi VTH Vi=ViH阈值电压阈值电压:V TH 1.4 VT2、T5截止,T4、D2导通T2放大导通、T5截止T4、D2导
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