第三章-逻辑门电路.pptx

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1、1第三章第三章 逻辑门电路逻辑门电路3.1 数字电路中的二极管与三极管数字电路中的二极管与三极管3.2 3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路3.3 TTL3.3 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.4 MOS3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.5 3.5 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用3.6 3.6 混合逻辑中逻辑符号的变换混合逻辑中逻辑符号的变换第1页/共62页2 3.1 3.1 数字电路中的二极管与三极管数字电路中的二极管与三极管(1)(1)加正向电压V VF F时，二极管导通，管压降V VD D可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。一、二极管的开关特性1 1二极管的静态特性第2页/共

2、62页3 可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。(2)(2)加反向电压V VR R时，二极管截止，反向电流I IS S可忽略。二极管相当于一个断开的开关。第3页/共62页4 2 2二极管开关的动态特性 给二极管电路加入一个方波信号，电流的波形怎样呢？ts为存储时间，tt称为渡越时间，trets十tt称为反向恢复时间反向恢复时间。第4页/共62页5 反向恢复时间：t treret ts s十t tt t产生反向恢复过程的原因：反向恢复时间t trere就是

3、存储电荷消散所需要的时间。同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般可以忽略不计。第5页/共62页6 二、三极管的开关特性1 1三极管的三种工作状态 （1 1）截止状态：当V VI I小于三极管发射结死区电压时，I IB BI ICBOCBO00，I IC CI ICEOCEO00，V VCECEV VCCCC，三极管工作在截止区，对应图1.4.51.4.5（b b）中的A A点。三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压第6页/共62页7 此时，若调节R Rb b，则I IB B，I IC C，V VCECE，工作点沿着负

4、载线由A A点B B点C C点D D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为I IC CIIB B。三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏 （2 2）放大状态：当V VI I为正值且大于死区电压时，三极管导通。有 第7页/共62页8（3 3）饱和状态：保持V VI I不变，继续减小R Rb b，当V VCECE 0.7V0.7V时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（b b）中的E E点。此时的集电极电流称为集电极饱和电流，用I ICSCS表示，基极电流称为基极临界饱和电流，用I IBSBS表示，有:第8页/共62页9 若再减小R Rb b，I IB B会继续增加

5、，但I IC C已接近于最大值V VCCCC/R RC C，不会再增加，三极管进入饱和状态。饱和时的V VCECE电压称为饱和压降V VCESCES，其典型值为：V VCESCES0.3V0.3V。三极管工作在饱和状态的电流条件为：I IB B I IBS BS 电压条件为：集电结和发射结均正偏第9页/共62页10第10页/共62页11解：解：根据饱和条件IBIBS解题。例例 电路及参数如图1.4.6所示，设输入电压VI=3V，三极管的VBE=0.7V。（1 1）若6060，试判断三极管是否饱和，并求出IC和VO的值。（2）将RC改为6.8kW W，重复以上计算。IBIBS 三极管饱和。IB不

6、变，仍为0.023mA IBIBS 三极管处在放大状态。第11页/共62页12（3）将RC改为6.8kW W，再将Rb改为60kW W，重复以上计算。由上例可见，Rb、RC、等参数都能决定三极管是否饱和。该电路的则饱和条件可写为：即在在VI一定（要保证发射结正偏）和一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，一定的条件下，Rb越小，越小，越大，越大，RC越大，三极管越容易饱和。越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。IBS0.029 mAIBIBS 三极管饱和。第12页/共62

7、页13 2 2三极管的动态特性（1 1）延迟时间t td d 从输入信号v vi i正跳变的 瞬间开始，到集电极电流i iC C上升到0.10.1I ICSCS所需的时间 （2 2）上升时间t tr r集电极电流从0.10.1I ICSCS上升到0.90.9I ICSCS所需的时间。（3 3）存储时间t ts s从输入信号v vi i下跳变的瞬间开始，到集电极电流i iC C下降到0.90.9I ICSCS所需的时间。（4 4）下降时间t tf f集电极电流从0.90.9I ICSCS下降到0.10.1I ICSCS所需的时间。第13页/共62页14一、二极管与门和或门电路1与门电路 3.2

8、3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路第14页/共62页15 2或门电路第15页/共62页16二、三极管非门电路第16页/共62页17二极管与门和或门电路的缺点：（1 1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。（2 2）负载能力差第17页/共62页18解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。第18页/共62页19三、DTL与非门电路工作原理：（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=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

9、，VL=VCC=5V，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：第19页/共62页203.3 TTL3.3 TTL逻辑门电路逻辑门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理1TTL与非门的基本结构+V3(+5V)CCABCTb1R1第20页/共62页21第21页/共62页222 2TTL与非门的逻辑关系（1 1）输入全为高电平3.63.6V时。T2 2、T3 3导通，VB1 1=0.73=2.1=0.73=2.1（V ），由于T3 3饱和导通，输出电压为：VO O=VCES3CES30.30.3V这时T2 2也饱和导通，故有VC2C2=VE2E2+VCE2CE2=1=1V。使T4 4和二极管

10、D都截止。实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。第22页/共62页23该发射结导通，VB1 1=1=1V。所以T2 2、T3 3都截止。由于T2 2截止，流过RC2 2的电流较小，可以忽略，所以VB4B4VCCCC=5=5V ，使T4 4和D导通，则有：VO OVC CC C-VBE4BE4-VD D=5-0.7-0.7=3.6=5-0.7-0.7=3.6（V）实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平输入有低电平时，输出为高电平。综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：（2 2）输入有低电平0.30.3V 时。第

11、23页/共62页24二、TTL与非门的开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。第24页/共62页25 （2 2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。第25页/共62页262 2TTL与非门传输延迟时间tpd导通延迟时间tPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。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是tPHL和tPLH的平均值。即 一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。第26页/共62页27三、TTL与非门的电压传

12、输特性及抗干扰能力1电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）第27页/共62页28（1 1）输输出出高高电电平平电电压压V VOHOH在正逻辑体制中代表逻辑“1 1”的输出电压。VOH的 理 论 值 为 3.63.6V，产 品 规 定 输 出 高 电 压 的 最 小 值VOH（min）=2.4=2.4V。（2 2）输输出出低低电电平平电电压压V VOLOL在正逻辑体制中代表逻辑“0 0”的输出电压。VOL的 理 论 值 为 0.30.3V，产 品 规 定 输 出 低 电 压 的 最 大 值VOL（max）=0.4=0.4V。（3 3）关关门门电电平平电电压压V VOFFOFF是指输出电压下降到VOH

13、（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输输入入低低电电平平电压电压，用VIL（max）表示。产品规定VIL（max）0.80.8V。（4 4）开开门门电电平平电电压压V VONON是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输输入入高高电电平平电压电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）2 2V。（5 5）阈阈值值电电压压V Vthth电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：VthVOFFVON 即ViVth，与非门关门，输出高电平；V

14、iVth，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为门门槛槛电电压压。Vth的值为1.31.3V1.1.V。2几个重要参数第28页/共62页29低电平噪声容限 VNLVOFF-VOL（max）0.80.8V-0.4-0.4V0.40.4V高电平噪声容限 VNHVOH（min）-VON2.42.4V-2.0-2.0V0.40.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，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，称为噪声容限噪声容限。3 3抗干扰能力第29页/共62页30四、TTL与非门的带负载能力1 1输入低电平电流IIL与输入高电平电流IIH（1 1）

15、输入低电平电流输入低电平电流I IILIL是指当负载门电路的输入端接低电平时，从负载门电路输入端流出的电流。可以算出：产品规定IIL1.61.6mA。第30页/共62页31（2 2）输入高电平电流输入高电平电流I IIHIH是指当负载门电路的输入端接高电平时，流入负载门电路输入端的电流。有两种情况。寄生三极管效应：如图（a）所示。这时IIH=P PIB1B1，P P为寄生三极管的电流放大系数。由于p和i的值都远小于1 1，所以IIH的数值比较小，产品规定：IIH4040uA。倒置的放大状态：如图（b）所示。这时IIH=iIB1B1，i为倒置放大的电流放大系数。第31页/共62页32（1 1）灌

16、电流负载2 2带负载能力当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3 3脱离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输输出出低低电电平平电电流流I IOLOL，产品规定IOL=16=16mA。由此可得出:N NOLOL称为输出低电平时的扇出系数。第32页/共62页33（2 2）拉电流负载。NOH称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定IOH=0.4=0.4mA。由此可得出：当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。拉电流增大时，RC4C4上的压降增大，会使输出高电平降低。因此，把允许拉出输出端的电流定

17、义为输输出出高高电电平平电电流流I IOHOH。一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。第33页/共62页34五、TTL与非门举例7400740074007400是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4 4个2 2输入端与非门，共有1414个引脚。引脚排列图如图所示。第34页/共62页35六、TTL门电路的其他类型1 1非门第35页/共62页362或非门 第36页/共62页373与或非门第37页/共62页38在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为线与线与。普通的TTL门电路不能进行线与。为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开路

18、门。4集电极开路门（OC门）第38页/共62页39（1 1）实现线与。电路如右图所示，逻辑关系为:OC门主要有以下几方面的应用：（2 2）实现电平转换。如图示，可使输出高电平变为1010V。（3 3）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。第39页/共62页40（1）当输出高电平时，RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：得：第40页/共62页41得：（2）当输出低电平时，RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由所以：RP（min）RPRP（max）第41页/共62页42（1 1）三态输出门的结构及工

19、作原理。当EN=0=0时，G输出为1 1，D1 1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。当EN=1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。5 5三态输出门第42页/共62页43三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（a）组成单向总线，实现信号的分时单向传送.（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。（2 2）三态门的应用第43页/共62页45所以输出为低电平。一、NMOS门电路1 1NMOS非门3.3.4 4 MOS逻辑门电路逻辑门电路逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1T1=VT2T2=4=4V，且gm1 1gm2 2）（

20、1 1）当输入Vi为高电平8 8V时，T1 1导通，T2 2也导通。因为gm1 1gm2 2，所以两管的导通电阻RDS1DS1RDS2DS2，输出电压为：第45页/共62页46（2 2）当输入Vi为低电平0 0V时，T1 1截止，T2 2导通。所以输出电压为VOH=VDD-VT=8=8V，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。2 2NMOS门电路（1 1）与非门（2）或非门第46页/共62页471 1逻辑关系：（设VDD（VTN+|+|VTP|），且VTN=|=|VTP|）（1 1）当Vi=0=0V时，TN截止，TP导通。输出VOVDD。（2 2）当Vi=VDD时，TN导通，TP截止，输出VO

21、00V。二、CMOS非门CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。第47页/共62页48（1 1）当Vi2 2V，TN截止，TP导通，输出VoVDD=10=10V。（2 2）当2 2VVi5 5V，TP工作在饱和区，TN工作在可 变电阻区。（3 3）当Vi=5=5V，两管都工作在饱和区，Vo=（VDD/2/2）=5=5V。（4 4）当5 5VVi8 8V，TN工作在饱和区，TP工作在可变电阻区。（5 5）当Vi8 8V，TP截止，TN导通，输出Vo=0=0V。可见：CMOS门电路的阈值电压 Vth=VDD/2/22电压传输特性：（设:VDD=10V，VTN=|VTP

22、|=2V）第48页/共62页493 3工作速度由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平均传输延迟时间约为1010ns。第49页/共62页50（2）或非门三、其他的CMOS门电路1 1CMOS与非门和或非门电路（1）与非门第50页/共62页51（3）带缓冲级的门电路 为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。L L=第51页/共62页52后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：2 2CMOS异或门电路由两级组成，前级为或非门，输出为第52页/共62页53当EN=1=1时，TP2

23、2和TN2 2同时截止，输出为高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。3 3 CMOS三态门工作原理：当EN=0=0时，TP2 2和TN2 2同时导通，为正常的非门，输出第53页/共62页544 CMOS传输门工作原理：（设两管的开启电压VTN=|=|VTP|）（1 1）当C接高电平VDD，接低电平0 0V时，若Vi在0 0VVDD的范围变化，至少有一管导通，相当于一闭合开关，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2 2）当C接低电平0 0V，接高电平VDD，Vi在0 0VVDD的范围变化时，TN和TP都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开。第54页/共62页551 1CMOS逻辑门电路的系列（

24、1 1）基本的CMOS40004000系列。（2 2）高速的CMOSHC系列。（3 3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。2 2CMOS逻辑门电路主要参数的特点（1 1）VOH（min）=0.9=0.9VDD；VOL（max）=0.01=0.01VDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2 2）阈值电压Vth约为VDD/2/2。（3 3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.450.45VDD，开门电平VON为0.550.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.450.45VDD。（4 4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；（5 5）因CMOS电路有极高

25、的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达5050。四、CMOS逻辑门电路的系列及主要参数第55页/共62页56一、TTL与CMOS器件之间的接口问题 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：驱动门的VOH（min）负载门的VIH（min）驱动门的VOL（max）负载门的VIL（max）驱动门的IOH（max）负载门的IIH（总）驱动门的IOL（max）负载门的IIL（总）3.3.5 5 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 第56页/共62页57（b）用TTL门电路驱动5 5V低电流继电器，其中二极管D作保护，用以防止过电压。

26、二、TTL和CMOS电路带负载时的接口问题1 1对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。（a a）用TTL门电路驱动发光二极管LED，这时只要在电路中串接一个约几百W W的限流电阻即可。第57页/共62页58 2 2带大电流负载（a a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（a）所示。（b b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（b）所示。第58页/共62页59（2 2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。三、多余输入端的处理（1 1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（1 1

27、3 3kW W）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。第59页/共62页603 3一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。2 2任一条线一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。3.3.6 6 混合逻辑中逻辑符号的变换1 1逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。第60页/共62页61 本章小结本章小结 1 1最最简简单单的的门门电电路路是是二二极极管管与与门门、或或门门和和三三极极管管非非门门。它它们们是是集集成成逻辑门电路的基础。逻辑门电路的基础。2 2目目前前普普遍遍使使用用的的数数字字集集成成电电路路主主要要有有两两大大类

28、类，一一类类由由NPNNPN型型三三极极管组成，简称管组成，简称TTLTTL集成电路；另一类由集成电路；另一类由MOSFETMOSFET构成，简称构成，简称MOSMOS集成电路。集成电路。3 3TTLTTL集集成成逻逻辑辑门门电电路路的的输输入入级级采采用用多多发发射射极极三三级级管管、输输出出级级采采用用达达林林顿顿结结构构，这这不不仅仅提提高高了了门门电电路路的的开开关关速速度度，也也使使电电路路有有较较强强的的驱驱动动负负载载的的能能力力。在在TTLTTL系系列列中中，除除了了有有实实现现各各种种基基本本逻逻辑辑功功能能的的门门电电路路以以外，还有集电极开路门和三态门。外，还有集电极开路

29、门和三态门。4 4MOSMOS集集成成电电路路常常用用的的是是两两种种结结构构。一一种种是是NMOSNMOS门门电电路路，另另一一类类是是CMOSCMOS门门电电路路。与与TTLTTL门门电电路路相相比比，它它的的优优点点是是功功耗耗低低，扇扇出出数数大大，噪噪声声容限大，开关速度与容限大，开关速度与TTLTTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。接近，已成为数字集成电路的发展方向。5 5为为了了更更好好地地使使用用数数字字集集成成芯芯片片，应应熟熟悉悉TTLTTL和和CMOSCMOS各各个个系系列列产产品品的的外外部部电电气气特特性性及及主主要要参参数数，还还应应能能正正确确处处理理多多余余输输入入端端，能能正正确确解解决决不不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。第61页/共62页62感谢您的观看！第62页/共62页