数字电子技术基础第门电路.pptx

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1、一、门电路 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与 或 非 与 非 或 非 异或与或非概 述与 门或 门非 门与 非 门或 非 门异或门与或非门第1页/共76页二、逻辑变量与两状态开关低电平 高电平 断开闭合高电平 3 V低电平 0 V二值逻辑:所有逻辑变量只有两种取值(1 或 0)。数字电路:通过电子开关 S 的两种状态(开或关)获得高、低电平，用来表示 1 或 0。3V3V逻辑状态1001S 可由二极管、三极管或 MOS 管实现第2页/共76页三、高、低电平与正、负逻辑负逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V 高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。010V5V2.4V0

2、.8V10第3页/共76页四、分立元件门电路和集成门电路1.分立元件门电路用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。2.集成门电路 把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半导体芯片上，再封装起来。常用：CMOS 和 TTL 集成门电路第4页/共76页五、数字集成电路的集成度一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数小规模集成电路 SSI(Small Scale Integration)10 门/片或 10 000 门/片或 100 000 元器件/片第5页/共76页2.1.1 理想开关的开关特性一、静态特性1.断开2.闭合2.1 半导体二极管、三极管和 MOS 管的开关特性 SAK第6页/共76

3、页二、动态特性1.开通时间：2.关断时间：闭合）（断开断开）（闭合普通开关：静态特性好，动态特性差半导体开关：静态特性较差，动态特性好几百万/秒几千万/秒SAK第7页/共76页2.1.2 半导体二极管的开关特性一、静态特性1.外加正向电压(正偏)二极管导通(相当于开关闭合)2.外加反向电压(反偏)二极管截止(相当于开关断开)硅二极管伏安特性阴极A阳极KPN结-AK+P区N区+-正向导通区反向截止区反向击穿区0.5 0.7/mA/V0第8页/共76页D+-+-二极管的开关作用：例uO=0 VuO=2.3 V电路如图所示，试判别二极管的工作状态及输出电压。二极管截止二极管导通解D0.7 V+-第9

4、页/共76页二、动态特性1.二极管的电容效应结电容 C j扩散电容 C D2.二极管的开关时间电容效应使二极管的通断需要一段延迟时间才能完成tt00(反向恢复时间)ton 开通时间toff 关断时间第10页/共76页一、静态特性NPN2.1.3 半导体三极管的开关特性发射结集电结发射极emitter基极base集电极collectorbiBiCec(电流控制型)1.结构、符号和输入、输出特性(2)符号NNP(Transistor)(1)结构第11页/共76页(3)输入特性(4)输出特性iC/mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB=00 2 4 6 8 4321放大区截止区饱

5、和区0uBE /ViB/A发射结正偏放大i C=iB集电结反偏饱和 i C iB两个结正偏I CS=IBS临界截止iB 0,iC 0两个结反偏电流关系状态 条 件第12页/共76页2.开关应用举例发射结反偏 T 截止发射结正偏 T 导通+RcRb+VCC (12V)+uoiBiCTuI3V-2V2 k2.3 k放大还是饱和？第13页/共76页饱和导通条件：+RcRb+VCC +12V+uoiBiCTuI3V-2V2 k2.3 k因为所以第14页/共76页二、动态特性3-2t00.9ICS0.1ICSt030.3t0第15页/共76页2.1.4 MOS 管的开关特性(电压控制型)MOS（Ment

6、al Oxide Semiconductor）金属 氧化物 半导体场效应管一、静态特性1.结构和特性：(1)N 沟道 栅极 G漏极 DB 源极 S3V4V5VuGS=6ViD/mA42643210uGS/ViD/mA43210246810uDS/V可变电阻区恒流区UTNiD开启电压UTN=2 V+-uGS+-uDS衬底漏极特性转移特性uDS=6V截止区第16页/共76页P 沟道增强型 MOS 管与 N 沟道有对偶关系。(2)P 沟道 栅极 G漏极 DB 源极 SiD+-uGS+-uDS衬底iD/mAiD/mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2-3V-4V-5VuGS=-6V-1

7、-2-3-4-6uGS/VuDS/V可变电阻区恒流区 漏极特性 转移特性截止区UTPuDS=-6V开启电压UTP=-2 V参考方向第17页/共76页2.MOS管的开关作用：(1)N 沟道增强型 MOS 管+VDD+10VRD20 kBGDSuIuO+VDD+10VRD20 kGDSuIuO开启电压UTN=2 ViD+VDD+10VRD20 kGDSuIuORONRD第18页/共76页(2)P 沟道增强型 MOS 管-VDD-10VRD20 kBGDSuIuO-VDD-10VRD20 kGDSuIuO开启电压UTP=2 V-VDD-10VRD20 kGDSuIuOiD第19页/共76页uYuAu

8、BR0D2D1+VCC+10V2.2 分立元器件门电路2.2.1 二极管与门和或门一、二极管与门3V0V符号:与门（AND gate)ABY&0 V0 VUD=0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 V真值表A BY0 00 11 01 10001Y=AB电压关系表uA/VuB/VuY/VD1 D20 00 33 03 3导通导通0.7导通截止0.7截止导通0.7导通导通3.7第20页/共76页二、二极管或门uY/V3V0V符号:或门（AND gate)ABY10 V0 VUD=0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表A BY0 00 1

9、1 01 10111电压关系表uA/VuB/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 0.7截止导通2.3导通截止2.3导通导通2.3Y=A+B第21页/共76页正与门真值表正逻辑和负逻辑的对应关系：A BY0 00 11 01 10001ABY=AB&负或门真值表A BY1 11 00 10 01110AB1同理：正或门负与门第22页/共76页一、半导体三极管非门T 截止T导通2.2.2 三极管非门（反相器）饱和导通条件:+VCC+5V1 kRcRbT+-+-uIuO4.3 k=30iBiCT 饱和因为所以第23页/共76页电压关系表uI/VuO/V0550.3真值表0110AY符号函数

10、式+VCC+5V1 kRcRbT+-+-uIuO4.3 k=30iBiC三极管非门:AY1AY第24页/共76页二、MOS 三极管非门MOS管截止2.MOS 管导通（在可变电阻区）真值表0110AY+VDD+10VRD20 kBGDSuIuO1.+-uGS+-uDS故第25页/共76页+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP2.3 CMOS 集成门电路2.3.1 CMOS 反相器一、电路组成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0 V UTN UTN UTP导通截止0 VUTN=2 VUTP=2 V+10VRONPuY

11、+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP第26页/共76页二、静态特性1.电压传输特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB 段：uI UTN ，uO=VDD 、iD 0，功耗极小。0uO/VuI/VTN 截止、TP 导通，BC 段：TN 导通，uO 略下降。CD 段：TN、TP 均导通。DE、EF 段：与 BC、AB 段对应，TN、TP 的状态与之相反。转折电压指为规定值时，允许波动的最大范围。UNL：输入为低电平时的噪声容限。UNH：输入为高电平时的噪声容限。=0.3VDD噪声容

12、限：第28页/共76页2.电流传输特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO/VuI/VA BCDEF0iD/mAuI/VUTH电压传输特性电流传输特性AB、EF 段：TN、TP总有一个为截止状态，故 iD 0。CD 段：TN、Tp 均导通，流过两管的漏极电流达到最大值 iD=iD（max)。阈值电压：UTH=0.5 VDD（VDD=3 18 V）第29页/共76页2.3.2 CMOS 与非门、或非门、与门和或门A BTN1 TP1 TN2 TP2Y0 00 11 01 1截通截通通通通截截通截截截截通通1

13、110与非门一、CMOS 与非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TP2TN2ABYuBuYAB&00100111Y=第30页/共76页或非门二、CMOS 或非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TN2TP2ABYuBuYA BTN1 TP1 TN2 TP2Y0 00 11 01 1截通截通通通通截截通截截截截通通1000AB100100111第31页/共76页三、CMOS 与门和或门1.CMOS 与门AB&Y1+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABYABY&+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSS第32页/共76页2.CMOS 或门Y1+VDDB1G1D1S1AT

14、NTPB2D2S2G2VSSAB1ABY1+VDDVSSTP1TN1TN2TP2ABY第33页/共76页四、带缓冲的 CMOS 与非门和或非门1.基本电路的主要缺点(1)电路的输出特性不对称：当输入状态不同时，输出等效电阻不同。(2)电压传输特性发生偏移，导致噪声容限下降。2.带缓冲的门电路在原电路的输入端和输出端加反相器。1ABY与非门或非门同理缓冲或非门与非门缓冲&11第34页/共76页2.3.3 CMOS 与或非门和异或门一、CMOS 与或非门1.电路组成：&ABCD&1YABCDY12.工作原理：由CMOS 基本电路(与非门和反相器)组成。第35页/共76页二、CMOS 异或门1.电路

15、组成：&ABY2.工作原理：&YAB=1 由CMOS 基本电路(与非门)组成。第36页/共76页2.3.4 CMOS 传输门、三态门和漏极开路门一、CMOS传输门(双向模拟开关)1.电路组成：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuTNCIO/uuOI/uuTG2.工作原理：TN、TP均导通，TN、TP均截止，导通电阻小(几百欧姆)关断电阻大(109)(TG 门 Transmission Gate)第37页/共76页二、CMOS 三态门1.电路组成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN212.工作原理Y 与上、下都断开 TP2、TN2 均截止Y=Z(高阻态 非 1 非 0)TP2、TN2 均

16、导通011 010控制端低电平有效(1 或 0)3.逻辑符号YA1EN使能端 EN 第38页/共76页三、CMOS 漏极开路门(OD门 Open Drain)1.电路组成BA&1+VDDYBGDSTNVSSRD外接YAB&符号(1)漏极开路，工作时必须外接电源和电阻。2.主要特点(2)可以实现线与功能：输出端用导线连接起来实现与运算。YCD&P1P2+VDDYRD(3)可实现逻辑电平变换：(4)带负载能力强。第39页/共76页2.3.5 CMOS 电路使用中应注意的几个问题一、CC4000 和 C000 系列集成电路1.CC4000 系列：符合国家标准，电源电压为 3 18 V，功能和外部引线

17、排列与对应序号的国外产品相同。2.C000 系列：早期集成电路，电源电压为 7 15 V，外部引线排列顺序与 CC4000 不同，用时需查阅有关手册。传输延迟时间 tpd标准门=100 nsHCMOS=9nsHCMOS:54/74 系列54/74 HC(带缓冲输出)54/74 HCU(不带缓冲输出)54/74 HCT(与 LSTTL 兼容)二、高速 CMOS(HCMOS)集成电路第40页/共76页三、CMOS 集成电路的主要特点(1)功耗极低。LSI：几个 W，MSI：100 W(2)电源电压范围宽。CC4000 系列：VDD=3 18 V(3)抗干扰能力强。输入端噪声容限=0.3VDD 0.

18、45VDD(4)逻辑摆幅大。(5)输入阻抗极高。(6)扇出能力强。扇出系数：带同类门电路的个数，其大小 反映了门电路的带负载能力。(7)集成度很高，温度稳定性好。(8)抗辐射能力强。(9)成本低。CC4000系列：50个第41页/共76页四、CMOS 电路使用中应注意的几个问题1.注意输入端的静电防护。2.注意输入电路的过流保护。3.注意电源电压极性。5.多余的输入端不应悬空。6.输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。与门、与非门：接电源 或 与其他输入端并联或门、或非门：接地 或 与其他输入端并联多余输入端 的处理思考原因？4.输出端不能和电源、地短接。因为输入阻抗极高（108）故 输

19、入电流 0，电阻上的压降 0。第42页/共76页2.4 TTL 集成门电路（TransistorTransistor Logic）一、电路组成及工作原理+VCC(5V)R1uIuo4kAD1T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y输入级中间级输出级D1 保护二极管 防止输入电压过低。当 uI uB uE现在:uE uB uC ，即 发射结反偏 集电结正偏 倒置放大iii=i ib=(1+i)ib4.3Vce3.6 V1.4V0.7V2.1V第45页/共76页1.4V+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130YT1 倒置放大状态假设 T2 饱和导

20、通T3、D 均截止(设1 4=20)T2 饱和的假设成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思考：D 的作用？若无 D，此时 T3 可以导通，电路将不能实现正常的逻辑运算因为3.6 ViE1第46页/共76页+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130YT1 倒置放大状态T2 饱和，T3、D 均截止3.6 2.1 1.4 0.7 1 T4 的工作状态：导通放大还是饱和？iB2ICS2iB1iE1iE2iB4iR3又因为 T3、D 均截止，即 T4 深度饱和：uO=UCES4 0.3V（无外接负载）若外接负载 RL：RL+VCC0.3 所以第47

21、页/共76页输入短路电流 IIS二、静态特性1.输入特性(1)输入伏安特性：1iI+VCC+5 VuI+-uoT1iIuI+-be2be4+VCC+5 VR14kIV/uImA/i012-1ISIILIUILUIHIHI低电平输入电流 IIL 高电平输入电流或输入端漏电流 IIH第48页/共76页即：当 Ri 为 2.5 k 以上电阻时，输入由低电平变为高电平(2)输入端负载特性：1+VCC+5VuI+-uoRiT1iB1uI+-be2be4+VCC+5 VR14kRiRi/026412uI/VT2、T4饱和导通Ri=Ron 开门电阻（2.5 k）RonT2、T4 截止Ri=Roff 关门电阻

22、（0.7 k）即：当 Ri 为 0.7 k 以下电阻时,输入端相当于低电平。Roff0.7 V1.4 V第49页/共76页2.输出特性uO1+VCC+5 VuI+-+-iOuO/ViO/mA0 10 20 30-10-20-30123在输出为低电平条件下，带灌电流负载能力 IOL 可达 16 mA0.3V受功耗限制，带拉电流负载能力 IOH 可一般为 400 A3.6V 注意：输出短路电流 IOS 可达 33 mA，将造成器件过热烧毁，故门电路输出端不能接地！第50页/共76页3.电压传输特性：1+VCC+5VuI+-uO+-A B0uO/VuI/V12341234AB 段：uI 0.5 V，

23、uB1 1.4 V ，T2、T4 饱和导通，T3、D 截止。uO=UOL 0.3 V阈值电压第51页/共76页4.输入端噪声容限uIuO1G1G21输出高电平典型值=3.6 V 输出低电平典型值=0.3 V 输入高电平典型值=3.6 V 输入低电平典型值=0.3 V UNH 允许叠加的负向噪声电压的最大值G2 输入高电平时的噪声容限：UNL 允许叠加的正向噪声电压的最大值G2 输入低电平时的噪声容限：第52页/共76页三、动态特性传输延迟时间1uIuO 50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL 输出电压由高到 低时的传输延迟 时间。tpd 平均传输延迟时间tPLH 输出电压

24、由低到 高时的传输延迟 时间。tPHLtPLH典型值：tPHL=8 ns,tPLH=12 ns最大值：tPHL=15 ns,tPLH=22 ns第53页/共76页+VCC+5VR14kAD2T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y输入级中间级输出级D1BT1 多发射极三极管e1e2bc等效电路：1.A、B 只要有一个为 0 0.3V1VT2、T4截止5VT3、D 导通2.4.2 TTL与非门和其他逻辑门电路一、TTL 与非门0.7VRL3.6V第54页/共76页+VCC+5V4kAD2T1T2T3T4D1.6k1k130Y输入级中间级输出级D1BR1R2R3R43.6V3.6V0.7

25、V1V0.3V4.3V2.1V2.A、B 均为 1 理论：实际：T2、T4 导通T3、D 截止uO=UCES4 0.3VTTL 与非门RL+VCC第55页/共76页+VCC+5V4kAD2T1T2T3T4D1.6k1k130Y输入级中间级输出级D1BR1R2R3R4TTL 与非门整理结果：1110ABY00011011AB&第56页/共76页二、TTL 或非门+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T2输入级中间级输出级1.A、B只要有一个为 1 T2、T4 饱和T2、T3、D 截止uO=0.3V2.1V1V0.3V3.6V0.3VRL+VCC第57页/共76页2

26、.A、B 均为 0 iB1、i B1分别流入T1、T1 的发射极T2、T2均截止则 T4 截止T3、D 导通+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T20.3 V0.3 ViB1i B1RL输入级中间级输出级TTL 或非门5V1V1V3.6V第58页/共76页整理结果：1000ABY00011011AB1+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T2输入级中间级输出级TTL 或非门第59页/共76页2.4.3 TTL 集电极开路门和三态门一、集电极开路门OC 门(Open Collector Gate)+VCC+5VR1AD2T1T2T

27、4R2R3YD1B 1.电路组成及符号+V CCRC外接YAB&+V CCRCOC 门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。可以线与连接V CC 根据电路需要进行选择 2.OC 门的主要特点第60页/共76页线与连接举例：+VCCAT1T2T4Y1B+VCCCT1T2T4Y2D+V CCRC+V CCRCY1AB&G1Y2CD&G2线与YY第61页/共76页外接电阻 RC 的估算：n OC 与非门的个数m 负载与非门的个数k 每个与非门输入端的个数IIH+V CCRC&1&2Y&12&n&m&1kIOHIOH：OC门截止时的反向漏电流。IIH：与非门高电平输入电流(流入 接在线上的每个门的输入端

28、)11.RC 最大值的估算iOiI UOH minRC 第62页/共76页外接电阻 RC 的估算：+V CCRC&1&2Y&12&n&m&1k2.RC 最小值的估算0最不利的情况：只有一个 OC 门导通，iR 和 iI 都流入该门。IOL：OC 门带灌电流负载的能力。iIIILIOLIIL：与非门低电平输入电流(每个门只有一个，与输入端的个数无关)IOLiR RC 第63页/共76页二、输出三态门 TSL门(Three-State Logic)(1)使能端低电平有效1.电路组成+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3使能端(2)使能端高电平有效1ENYA&BENYA&BEN

29、EN第64页/共76页以使能端低电平有效为例：2.三态门的工作原理PQP=1（高电平）电路处于正常工作状态：D3 截止，（Y=0 或 1）+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3使能端第65页/共76页P=0(低电平)D3 导通 T2、T4截止uQ 1 VT3、D 截止输出端与上、下均断开+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3可能输出状态：0、1 或高阻态QP 高阻态记做 Y=Z使能端第66页/共76页3.应用举例：(1)用做多路开关YA11EN1ENA21G1G2使能端10禁止使能01使能禁止第67页/共76页(2)用于信号双向传输A11EN1ENA

30、21G1G201禁止使能10使能禁止第68页/共76页(3)构成数据总线EN1EN1EN1G1G2GnA1A2An数据总线011101110 注意：任何时刻，只允许一个三态门使能，其余为高阻态。第69页/共76页第二章 小结一、半导体二极管、三极管和一、半导体二极管、三极管和 MOS MOS 管管 是数字电路中的基本开关元件，一般都工作在开关状态。1.半导体二极管半导体二极管：是不可控的，利用其开关特性可构成二极管与门和或门。2.半导体三极管半导体三极管：是一种用电流控制且具有放大特性的开关元件，利用三极管的饱和导通与截止特性可构成 非门 和其它 TTL 集成门电路。3.MOSMOS管管：是一

31、种具有放大特性的由电压控制的开关元件，利用 N 沟道 MOS 管和 P 沟道 MOS 管可构成CMOS 反相器和其它 CMOS 集成门电路。第70页/共76页二、分立元件门电路二、分立元件门电路 主要介绍了由半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和 MOS MOS 管管构成的与门、或门和非门。虽然，分立元件门电路不是本章的重点，但是通过对这些电路的分析，可以体会到与、或、非三种最基本的逻辑运算，是如何用半导体电子电路实现的，这将有助于后面集成门电路的学习。第71页/共76页三、集成门电路三、集成门电路 本章重点本章重点 主要介绍了 CMOS 和 TTL 集成门电路，重点应放在它们的输出与输

32、入之间的逻辑特性和外部电气特性上。1.逻辑特性（逻辑功能）逻辑特性（逻辑功能）：普通功能 与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非 门和异或门。特殊功能 三态门、OC门、OD门和传输门。2.电气特性电气特性：静态特性 主要是输入特性、输出特性和传输特性。动态特性 主要是传输延迟时间的概念。第72页/共76页四、集成门电路使用中应注意的几个四、集成门电路使用中应注意的几个问题 TTLCMOS分类工作电源VCC=5 VVDD=3 18 V输出电平UOL=0.3 V UOH=3.6 V UOL 0 V UOH VDD UTH=0.5 VDD UTH=1.4 V 阈值电压输入端串接电阻Ri当 Ri Ron（2.5 k）输入由 0 1在一定范围内，Ri的改变不会影响输入电平输入端 悬空即 Ri=输入为 “1”不允许多余输入端的处理1.与门、与非门接电源；或门、或非门接地。2.与其它输入端并联。第73页/共76页练习 写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表达式。TTLCMOS&A100100k=1&A100100k=1=11A100100k1A100100k=0第74页/共76页练习 写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表达式。TTLCMOS=1A100100k=1A100100k&A悬空&A悬空 不允许第75页/共76页感谢您的观看！第76页/共76页