数字电子技术-第二章优秀PPT.ppt
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1、一、门电路一、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实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与与 或或 非非 与与 非非 或或 非非 异或异或与或非与或非与与 门门或或 门门非非 门门与与 非非 门门或或 非非 门门异或门异或门与或非门与或非门概概 述述二、逻辑变量与两状态开关二、逻辑变量与两状态开关低电平低电平 高电平高电平 断开断开闭合闭合高电平高电平 3 V低电平低电平 0 V二值逻辑二值逻辑:全部逻辑变量只有两种取值全部逻辑变量只有两种取值(1(1 或或 0)0)。数字电路数字电路:通过电子开关通过电子开关 S 的两种状态的两种状态(开或关开或关)获得高、低电平,用来
2、表示获得高、低电平,用来表示 1 或或 0。3V3V逻辑状态逻辑状态1001S 可由可由二极管二极管、三极管三极管或或 MOS 管实现管实现三、高、低电平与正、负逻辑三、高、低电平与正、负逻辑负逻辑负逻辑正逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V 高电平和低电平是两个不同的可以截然区高电平和低电平是两个不同的可以截然区分开来的电压范围。分开来的电压范围。010V5V2.4V0.8V10四、分立元件门电路和集成门电路四、分立元件门电路和集成门电路1.分立元件门电路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。用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。2.集成门电路集成门电路 把构成门电路的元
3、器件和连线,都制作在一块半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。导体芯片上,再封装起来。常用:常用:CMOS 和和 TTL 集成门电路集成门电路五、数字集成电路的集成度五、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小规模集成电路 SSI(Small Scale Integration)10 门门/片片或或 10 000 门门/片片或或 100 000 元器件元器件/片片2.1.1 志向开关的开关特性志向开关的开关特性一、一、静态特性静态特性1.断开断开2.闭合闭合SAK2.1 半导体二极管半导体二极
4、管、三极管、三极管和和 MOS 管的开关特性管的开关特性二、动态特性二、动态特性1.开通时间:开通时间:2.关断时间:关断时间:闭合)闭合)(断开(断开断开)断开)(闭合(闭合一般开关:静态特性好,动态特性差一般开关:静态特性好,动态特性差半导体开关:半导体开关:静态特性较差,动态特性好静态特性较差,动态特性好几百万几百万/秒秒几千万几千万/秒秒SAK2.1.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性一、静态特性一、静态特性1.外加正向电压外加正向电压(正偏正偏)二极管导通二极管导通(相当于开关闭合相当于开关闭合)2.外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)二极管截止二极管截止(相当于开关断
5、开相当于开关断开)硅二极管伏安特性硅二极管伏安特性阴极阴极A阳极阳极KPN结结-AK+P区区N区区+-正向正向导通区导通区反向反向截止区截止区反向反向击穿区击穿区0.5 0.7/mA/V0D+-+-二极管的开关作用:二极管的开关作用:例例 uO=0 VuO=2.3 V电路如图所示,电路如图所示,试判别二极管的工作试判别二极管的工作状态及输出电压。状态及输出电压。二极管截止二极管截止二极管导通二极管导通 解解 D0.7 V+-二、动态特性二、动态特性1.二极管的电容效应二极管的电容效应结电容结电容 C j扩散电容扩散电容 C D2.二极管的开关时间二极管的开关时间电容效应使二极管电容效应使二极管
6、的通断须要一段延的通断须要一段延迟时间才能完成迟时间才能完成tt00(反向复原时间反向复原时间)ton 开通时间开通时间toff 关断时间关断时间一、静态特性一、静态特性NPN2.1.3 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性放射结放射结集电结集电结发射极发射极emitter基极基极base集电极集电极collectorbiBiCec(电流限制型电流限制型)1.结构、符号和输入、输出特性结构、符号和输入、输出特性(2)符号符号NNP(Transistor)(1)结构结构(3)输入特性输入特性(4)输出特性输出特性iC/mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB=00 2
7、4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区0uBE /ViB/A放射结正偏放射结正偏放大放大i C=iB集电结反偏集电结反偏饱和饱和 i C iB两个结正偏两个结正偏I CS=IBS临界临界截止截止iB 0,iC 0两个结反偏两个结反偏电流关系电流关系状态状态 条条 件件半导体三极管的开关作用半导体三极管的开关作用RbRc+VCCb ce饱和状态等效电路饱和状态等效电路iBIBSui=UIHuces=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V截止状态等效电路截止状态等效电路2.1.4 MOS 管的开关特性管的开关特性(电压限制型电压限制型)MOS(Mental Oxide S
8、emiconductor)金属金属 氧化物氧化物 半导体半导体场效应管场效应管一、一、静态特性静态特性1.结构和特性结构和特性:(1)N 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 S3V4V5VuGS=6ViD/mA42643210uGS/ViD/mA43210246810uDS/V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区UTNiD开启电压开启电压UTN=2 V+-uGS+-uDS衬衬底底漏极特性漏极特性转移特性转移特性uDS=6V截止区截止区2.MOS管的开关作用:管的开关作用:N 沟道增加型沟道增加型 MOS 管管+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO+VDD+10VRD20 k G
9、DSuIuO开启电压开启电压UTN=2 ViD+VDD+10VRD20 k GDSuIuORONRDuYuAuBR0D2D1+VCC+10V2.2.1 二极管与门和或门二极管与门和或门一、一、二极管与门二极管与门3V0V符号符号:与门与门(AND gate)ABY&0 V0 VUD=0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 V真值表真值表A BY0 00 11 01 10001Y=AB电压关系表电压关系表uA/VuB/VuY/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通0.7导通导通 截止截止0.7截止截止 导通导通0.7导通导通 导通导通3.72.2 分立元器件门电路分立元器件门
10、电路二、二、二极管或门二极管或门uY/V3V0V符号符号:或门或门(AND gate)ABY10 V0 VUD=0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表真值表A BY0 00 11 01 10111电压关系表电压关系表uA/VuB/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通-0.7截止截止 导通导通2.3导通导通 截止截止2.3导通导通 导通导通2.3Y=A+B一、半导体三极管非门一、半导体三极管非门T 截止截止T导通导通2.2.2 三极管非门(反相器)三极管非门(反相器)饱和导通条件饱和导通条件:+VCC+5V1 k RcRbT
11、+-+-uIuO4.3 k =30iBiCT 饱和饱和因为因为所以所以电压关系表电压关系表uI/VuO/V0550.3真值表真值表0110AY符号符号函数式函数式+VCC+5V1 k RcRbT+-+-uIuO4.3 k =30iBiC三极管非门三极管非门:AY1AY动态特性动态特性5t00.9ICS0.1ICSt050.3t0二、二、MOS 三极管非门三极管非门MOS管截止管截止2.MOS 管导通管导通(在在可变电阻区)可变电阻区)真值表真值表0110AY+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO1.+-uGS+-uDS故故+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2
12、VSS+-uGSN+-uGSP2.3.1 CMOS 反相器反相器一、一、电路组成及工作原理电路组成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0 V UTN UTN UTP导通导通截止截止0 VUTN=2 VUTP=-2 V+10VRONPuY+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP2.3 CMOS 集成集成门电路门电路Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor二、二、静态特性静态特性1.电压传输特性:电压传输特性:iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHU
13、TPUNLUNHAB 段:段:uI UTN ,uO=VDD 、iD 0,功耗微小。功耗微小。0uO/VuI/VTN 截止、截止、TP 导通,导通,BC 段:段:TN 导通导通,uO 略下降。略下降。CD 段:段:TN、TP 均均导通。导通。DE、EF 段:段:与与 BC、AB 段对应,段对应,TN、TP 的状态与之相反。的状态与之相反。转折电压转折电压指为规定值时,允许波动的最大范围。指为规定值时,允许波动的最大范围。UNL:输入为低电平常的噪声容限。输入为低电平常的噪声容限。UNH:输入为高电平常的噪声容限。输入为高电平常的噪声容限。=0.3VDD噪声容限:噪声容限:2.电流传输特性:电流传
14、输特性:iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO/VuI/VA BCDEF0iD/mAuI/VUTH电压传输特性电压传输特性电流传输特性电流传输特性AB、EF 段:段:TN、TP总有一个为总有一个为截止状态,故截止状态,故 iD 0。CD 段:段:TN、Tp 均导通,流过均导通,流过两管的漏极电流达到最大两管的漏极电流达到最大值值 iD=iD(max)。阈值电压:阈值电压:UTH=0.5 VDD(VDD=3 18 V)2.3.2 CMOS 与非门、或非门、与门和或门与非门、或非门、与门和或门(略)(略)2.3.
15、4 CMOS 传输门、三态门和漏极开路门传输门、三态门和漏极开路门一、一、CMOS传输门传输门(双向模拟开关双向模拟开关)1.电路组成:电路组成:TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuTNCIO/uuOI/uuTG2.工作原理:工作原理:TN、TP均导通,均导通,TN、TP均截止,均截止,导通电阻小导通电阻小(几百欧姆几百欧姆)关断电阻大关断电阻大(109 )(TG 门门 Transmission Gate)二、二、CMOS 三态门三态门1.电路组成电路组成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN212.工作原理工作原理Y 与上、下都断开与上、下都断开 TP2、TN2 均截止均截止Y=Z(高
16、阻态高阻态 非非 1 非非 0)TP2、TN2 均导通均导通011 010限制端低电平有效限制端低电平有效(1 或或 0)3.逻辑符号逻辑符号YA1EN使能端使能端 EN 三、三、CMOS 漏极开路漏极开路门门(OD门门 Open Drain)1.电路组成电路组成BA&1+V DDYBGDSTNVSSRD外接外接YAB&符号符号(1)漏极开路,工作时必需外接电源和电阻。漏极开路,工作时必需外接电源和电阻。2.主要特点主要特点(2)可以实现线与功能:可以实现线与功能:输出端用导线连接起来实现与运算。输出端用导线连接起来实现与运算。YCD&P1P2+V DDYRD(3)可实现逻辑电平变换:可实现逻
17、辑电平变换:(4)带负载实力强。带负载实力强。一、一、CC4000 和和 C000 系列集成电路系列集成电路1.CC4000 系列:系列:符合国家标准,电源电压为符合国家标准,电源电压为 3 18 V,功能和外部引线排列与对,功能和外部引线排列与对应序号的国外产品相同。应序号的国外产品相同。2.C000 系列:系列:早期集成电路,电源电压为早期集成电路,电源电压为 7 15 V,外部引线排列依次与外部引线排列依次与 CC4000 不同,不同,用时需查阅有关手册。用时需查阅有关手册。传输延迟时间传输延迟时间 tpd标准门标准门=100 nsHCMOS=9nsHCMOS:54/74 系列系列54/
18、74 HC(带缓冲输出带缓冲输出)54/74 HCU(不带缓冲输出不带缓冲输出)54/74 HCT(与与 LSTTL 兼容兼容)二、高速二、高速 CMOS(HCMOS)集成电路集成电路2.3.5 CMOS 电路运用中应留意的几个问题电路运用中应留意的几个问题三、三、CMOS 集成电路的主要特点集成电路的主要特点(1)功耗极低。功耗极低。LSI:几个:几个 W,MSI:100 W(2)电源电压范围宽。电源电压范围宽。CC4000 系列:系列:VDD=3 18 V(3)抗干扰实力强。抗干扰实力强。输入端噪声容限输入端噪声容限=0.3VDD 0.45VDD(4)逻辑摆幅大。逻辑摆幅大。(5)输入阻抗
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