数字电子技术机械工业出社张建华主编.pptx

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1、2.1 概概 述述主要要求：主要要求：了解逻辑门电路的作用和常用类型。理解高电平信号和低电平信号的含义。第1页/共56页2.1 2.1 概述门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。门电路分立元件门电路集成门电路双极型集成门（DTL、TTL）MOS集成门 NMOSPMOSCMOS第2页/共56页正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0 在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。2.1 2.1 概述一、

2、正逻辑与负逻辑第3页/共56页VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。2.1 2.1 概述二、逻辑电平1 10 05V0V0.8V2V高电平下限高电平下限低电平上限低电平上限实际开关为晶体二极管、三极实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件管以及场效应管等电子器件第4页/共56页逻辑电平高电平UH：输入高电平UIH输出高电平UOH低电平UL：输入低电平UIL输出低电平UOL逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。2.1 2.1 概述第5页/共56页主要要求：主要要求：

3、理解二极管、三极管的开关特性。掌握二极管、三极管开关工作的条件。2.2二极管和二极管和三极管的开关特性三极管的开关特性第6页/共56页一、二极管伏安特性2.2 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性门坎电压Uth反向击穿电压二极管的单向导电性：外加正向电压（UUthth），二极管导通，导通压降约为0.7V0.7V；外加反向电压，二极管截止。uD(V)iD(mA)0.7V0.7V2.2.1 2.2.1 半导体二极管的开关特性第7页/共56页 利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。当u uI I=U=UILIL时，D D导通，u uO O=0.7=U=0.7=UOLOL 开关

4、闭合二、二极管开关特性2.2 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性假定：U UIHIH=V=VCC CC，U UILIL=0=0当u uI I=U=UIHIH时，D D截止，u uo o=V=VCCCC=U=UOHOH 开关断开 第8页/共56页2.2 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性一、双极型三极管结构2.2.2 2.2.2 双极型三极管的开关特性 因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。管。NPNNPN型PNPPNP型第9页/共56页2.2 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性二、双极型三极管输入特性 双极型

5、三极管的应用中，通常是通过b,eb,e间的电流i iB B控制c,ec,e间的电流i iC C实现其电路功能的。因此，以b,eb,e间的回路作为输入回路，c,ec,e间的回路作为输出回路。输入回路实质是一个PNPN结，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。第10页/共56页2.2 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性三、双极型三极管输出特性放大区：发射结正偏，集电结反偏；u ubebeuuT T，u ubcbc00；起放大作用。截止区：发射结、集电极均反偏，u ubcbc0V0V，u ubebe0V0V；一般地，u ubebe0.7VVVT T，u ubcbcVVT T；深度饱和状态下，饱和

6、压降U UCEs CEs 约为0.2V0.2V。第11页/共56页2.2 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性四、双极型三极管开关特性 利用三极管的饱和与截止两种状态，合理选择电路参数，可产生类似于开关的闭合和断开的效果，用于输出高、低电平，即开关工作状态。当u uI I=U=UILIL时，三极管截止，u uO O=V=Vcccc=U=UOHOH 开关断开假定：U UIHIH=V=VCC CC，U UILIL=0=0当u uI I=U=UIHIH时，三极管深度饱和，u uo o=U=USEsSEs=U=UOLOL 开关闭合 第12页/共56页 MOS管是金属氧化物半导体场效应管的简称。（Me

7、tal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。2.2 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性一、MOS管结构2.2.3 MOS2.2.3 MOS管的开关特性NMOSNMOS管电路符号PMOSPMOS管电路符号第13页/共56页2.2 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性二、MOS管开关特性NMOSNMOS管的基本开关电路当u uI I=U=UILIL时，MOSMOS管截止，u uO O=V=VDDDD=U=UOHOH 开关断开当u uI I=U=UIHIH时，MOSMOS管导通，u uo o=

8、0=U=0=UOLOL 开关闭合 选择合适的电路参数，则可以保证第14页/共56页2.3 2.3 最简单的与、或、非门电路一、二极管与门Y=AB第15页/共56页二、二极管或门Y=A+B2.3 2.3 最简单的与、或、非门电路第16页/共56页第17页/共56页主要要求：主要要求：了解 TTL 非门的组成和工作原理。了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。2.4TTL 集成逻辑门集成逻辑门 掌握集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。第18页/共56页 A R1 4kW W T1 T2 T4 T5 R4 R3 1KW W 130W W+Vcc R

9、2 1.6KW W Y D1 D2 输入级中间级输出级2.4 TTL2.4 TTL集成门电路TTLTTL非门典型电路一、7474系列门电路推拉式输出级作用：降低功耗，提高带负载能力第19页/共56页TTLTTL与非门典型电路区别：T T1 1改为多发射极三极管。2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第20页/共56页TTLTTL或非门典型电路区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第21页/共56页二、74S74S系列门电路 74S74S系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管，或称肖特基晶体管，是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管SBDSB

10、D组合而成。SBDSBD的正向压降约为0.3V0.3V，使晶体管不会进入深度饱和，其U Ubebe限制在0.3V0.3V左右，从而缩短存储时间，提高了开关速度。抗饱和三极管2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第22页/共56页三、TTLTTL系列门电路74：标准系列；74H：高速系列；74S：肖特基系列；74LS74LS：低功耗肖特基系列；74LS74LS系列成为功耗延迟积较小的系列。74LS74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTLTTL集成电路的主流，是应用最广的系列。性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功耗延迟积)来评价门

11、电路性能的优劣。功耗延迟积越小，门电路的综合性能就越好。74AS：先进肖特基系列；74ALS74ALS：先进低功耗肖特基系列。2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第23页/共56页第24页/共56页与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+B异或门2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第25页/共56页四、TTLTTL门电路的重要参数1.1.电压传输特性：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。测试电路电压传输特性低电平输入电压U UILIL，maxmax0.8V0.8V高电平输入电压U UIHIH，minmin2V2V低电平输出电压U UOLOL，maxmax0.5V0.5V高电平输出电压U UO

12、HOH，minmin2.7V2.7V74LS74LS系列门电路标准规定：2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第26页/共56页 实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平U UI I偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。2.2.输入噪声容限 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用U UNHNH表示：低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用U UNLNL表示：U UNL NL=U=UIL,maxIL,maxU UILILU UNH

13、NH=U=UIHIHU UIH,minIH,min2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第27页/共56页1 1输出输出0 0输出输出1 1输入输入0 0输入输入U UOH,minOH,minU UIH,minIH,minU UNHNHU UIL,maxIL,maxU UOL,maxOL,maxU UNLNL11u uI Iu uO O输入低电平噪声容限：UNL=UIL,maxUOL,max输入高电平噪声容限：UNH=UOH,minUIH,min74LS74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：UNL=0.8V0.5V=0.3VUNH=2.7V2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V

14、2V0.8V0V2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第28页/共56页3.3.扇出系数扇出系数N N是指门电路能够驱动同类门的数量。要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流I IOHOH和I IOLOL均大于或等于N N个后级门的输入电流的总和。计算：输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N N1 1；输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N N2 2；扇出系数minmin（N N1 1，N N2 2）。低电平输入电流I IILIL，maxmax-0.4mA-0.4mA高电平输入电流I IIHIH，maxmax20A20A低电平输出电流I IOLOL，maxmax8mA8mA高电平输出电

15、流I IOHOH，maxmax-0.4mA-0.4mA74LS74LS系列门电路标准规定：2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第29页/共56页例：如图，试计算74LS74LS系列非门电路G G1 1最多可驱动多少个同类门电路。解：G G1 1输出为低电平时，可以驱动N N1 1个同类门；应满足 I IOLOL N N1 1|I|IILIL|G G1 1输出为高电平时，可以驱动N N2 2个同类门；N Nminmin（N N1 1,N,N2 2）2020N N1 1 I IOLOL /|I|IILIL|8mA/0.4mA 8mA/0.4mA 2020应满足|I|IOHOH|N N2 2 I

16、IIHIHN N2 2|I IOHOH|/I IIHIH 0.4mA/20A 0.4mA/20A 20202.4 TTL2.4 TTL集成门电路第30页/共56页五、集电极开路的门电路（OCOC门）Y&AB&CD&Y&AB&CD“线与”推拉式输出级并联1.“1.“线与”的概念2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第31页/共56页 普通的TTLTTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与。解决这个问题的方法就是把输出极改为集电极开路的三极管结构。OC OC门电路在工作时需外接上拉电阻和电源。只要电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大

17、。2.OC2.OC门的电路结构和逻辑符号2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第32页/共56页3.OC3.OC门的“线与”功能2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第33页/共56页当n个前级门输出均为高电平，即所有OC门同时截止时，为保证输出的高电平不低于规定的UOH，min值，上拉电阻不能过大，其最大值计算公式：4.4.外接上拉电阻R RU U的计算方法2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第34页/共56页第35页/共56页5.OC5.OC门的应用实现线与。可以简化电路，节省器件。实现电平转换。如图所示，可使输出高电平变为10V10V。用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。2.4

18、 TTL2.4 TTL集成门电路第36页/共56页六、三态输出门电路（TSTS门）1.1.三态门的电路结构和逻辑符号功能表EN=0EN=0EN=1EN=1Y高阻态输出有三种状态：高电平、低电平、高阻态。控制端或使能端2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第37页/共56页高电平有效低电平有效两种控制模式：2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第38页/共56页2.2.三态门的应用数据总线结构 只要控制各个门的ENEN端轮流为1 1，且任何时刻仅有一个为1 1，就可以实现各个门分时地向总线传输。实现数据双向传输 EN=1EN=1，G1G1工作，G2G2高阻，A A经G1G1反相送至总线；EN=0

19、EN=0，G1G1高阻，G2G2工作，总线数据经G2G2反相从Y Y端送出。2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第39页/共56页七、TTLTTL门电路多余输入端的处理1.1.与非门的处理“1”“1”悬空2.2.或非门、与或非门的处理“0”“0”2.4 TTL2.4 TTL集成门电路第40页/共56页（1 1）CMOSCMOS电路的工作速度比TTLTTL电路的低。（2 2）CMOSCMOS带负载的能力比TTLTTL电路强。（3 3）CMOSCMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3 318V18V，抗干扰能力比TTLTTL电路强。（4 4）CMOSCMOS电路的功耗比TTLTTL电路小得多。

20、门电路的功耗只有几个WW，中规模集成电路的功耗也不会超过100W100W。（5 5）CMOSCMOS集成电路的集成度比TTLTTL电路高。（6 6）CMOSCMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOSCMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。2.5 CMOS2.5 CMOS集成门电路CMOSCMOS电路的特点：常用CMOS逻辑门器件系列：4000系列；74HC系列高速CMOS系列。第41页/共56页一、MOSMOS管的开关特性输入低电平，NMOSNMOS管截止；输入高电平，NMOSNMOS管导通。输入低电平，PMO

21、SPMOS管导通；输入高电平，PMOSPMOS管截止。2.5 CMOS2.5 CMOS集成门电路第42页/共56页二、CMOSCMOS非门2.5 CMOS2.5 CMOS集成门电路第43页/共56页CMOSCMOS非门电压传输特性CMOSCMOS非门电流传输特性 CMOS CMOS反相器的传输特性接近理想开关特性，因而其噪声容限大，抗干扰能力强。2.5 CMOS2.5 CMOS集成门电路第44页/共56页三、CMOSCMOS与非门（P P并N N串）2.5 CMOS2.5 CMOS集成门电路第45页/共56页四、CMOSCMOS或非门（P P串N N并）2.5 CMOS2.5 CMOS集成门电

22、路第46页/共56页特点：需外接上拉电阻。应用：与OC门类似，输出端可以并接，实现“线与”功能；实现电平转换。五、漏极开路的CMOSCMOS门电路（ODOD）2.5 CMOS2.5 CMOS集成门电路第47页/共56页六、CMOSCMOS传输门和双向模拟开关C0、，TN和TP截止，相当于开关断开。C1、，TN和TP导通，相当于开关接通，uoui。由于T T1 1、T T2 2管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互易使用，因而CMOSCMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用。2.5 CMOS2.5 CMOS集成门电路第48页/共56页七、CMOSCMOS三态输出门电路的输出有高

23、阻态、高电平和低电平3 3种状态，是一种三态门。时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。1.CMOS1.CMOS三态门之一2.5 CMOS2.5 CMOS集成门电路第49页/共56页 时，TG截止，输出端呈现高阻态。时，TG导通，。2.CMOS2.CMOS三态门之二2.5 CMOS2.5 CMOS集成门电路第50页/共56页2.6 集成逻辑门的应用主要要求：主要要求：了解 TTL 和 CMOS 电路的主要差异。了解集成门电路的选用和应用。第51页/共56页一、一、CMOS 门门电路比电路比 TTL 的主要特点的主要

24、特点 功耗极低 抗干扰能力强 电源电压范围宽 输出信号摆幅大(UOH VDD，UOL 0 V)输入阻抗高 扇出系数大 注意：CMOS 电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非 CMOS 电路的驱动能力比 TTL 强。实际上 CMOS4000 系列驱动能力远小于 TTL，HCMOS 驱动能力与 TTL 相近。第52页/共56页二、集成逻辑门电路的选用二、集成逻辑门电路的选用 若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用 CMOS 电路。其中 CMOS4000 系列一般用于工作频率 1 MHz 以下、驱动能力要求不高的场合；HCMOS 常用于工作频率 20 MHz 以下、要求较

25、强驱动能力的场合。若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用 TTL 电路。目前多用 74LS 系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至 20 MHz；如工作频率较高，可选用 CT74ALS 系列，其工作频率一般可至 50 MHz。第53页/共56页三、集成逻辑门电路应用举例三、集成逻辑门电路应用举例 例 试改正下图电路的错误，使其正常工作。CMOS 门TTL 门OD 门(a)(b)(c)(d)解：VDDCMOS 门Ya=ABYb=A+BTTL 门OD 门Yc=AYd=ABEN=1 时EN=0 时VDD第54页/共56页2.7 2.7 本章小结利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、OCOC门、ODOD门和传输门。随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。TTLTTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。CMOSCMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOSCMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高。第55页/共56页感谢您的观看。第56页/共56页