数字电子技术基础第五阎石门电路.pptx

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1、集成电路Integrated Circuits(IC)：集成电路就是将元、器件和连线制作在一个半导体基片上的完整电路。规模：小规模集成电路：10个门以内中规模集成电路：小于100个门大规模集成电路：小于10000个门超大规模集成电路：10000个门以上根据所使用半导体器件不同分为：TTL电路:晶体管-晶体管逻辑电路（Transister-Transister-Logic）MOS电路:采用金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,缩写为MOSFET)制造 第1页/共54页CMOSCMOS集成电路：广泛应用于超大

2、规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低(超低超低)电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS系列74AS系列 74ALS TTL TTL TTL TTL 集成电路集成电路:广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模

3、集成电路第2页/共54页获得高、低电平的基本原理S断开，输出v0=VccS闭合，输出v0=0门电路是以高/低电平来表示逻辑值1/0实际开关为晶体二极实际开关为晶体二极管、三极管以及场效管、三极管以及场效应管等电子器件应管等电子器件第3页/共54页正逻辑和负逻辑正逻辑正逻辑高电平：高电平：1 1低电平：低电平：0 0负逻辑负逻辑低电平：低电平：1 1高电平：高电平：0 0实际中高实际中高/低电平都有一个允许的范围低电平都有一个允许的范围本课内无特本课内无特殊说明均指殊说明均指正逻辑正逻辑在数字电路中，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。第4页/共54页3.2 分立

4、元件门电路3.2.1 半导体二极管和半导体三极管的开关特性数字电路中的晶体二极管、三极管和MOSMOS管工作在开关状态。导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。逻辑变量两状态开关：在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0 0和1 1；电子开关有两种状态：闭合、断开。半导体二极管、三极管和MOSMOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。第5页/共54页一、半导体二极管的开关特性正向导通时U UD(ON)D(ON)0.7V0.7VR RD D几 几十相当于开关闭合 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线第6页/共54页反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百kk）相当于开关断开 二

5、极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线一、半导体二极管的开关特性第7页/共54页V VI I=V=VIL IL D D导通，导通，V VOO=V=VOLOL=0.7V=0.7V 开关闭合开关闭合V VI I=V=VIHIH D D截止，截止，V VOO=V=VOHOH=V=VCCCC 开关断开开关断开二极管的开关电路：第8页/共54页二极管的动态电流波形：外加电压突然反向时，电流的变化情况第9页/共54页二、三极管的开关特性l l三极管输出特性：三极管输出特性：l l固定一个固定一个I IB B值，即得一条曲线，值，即得一条曲线，在在V VCE CE 0.7V 0.7V以后，以后，基本为水平直

6、线基本为水平直线第10页/共54页双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时，时，时，时，T T导通，导通，导通，导通，V VOO=V=VOLOL第11页/共54页开启时间ton 上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间ts三极管的开关时间第12页/共54页3.2.2 二极管与门Y=AB设设VCC=5V加到加到A,B的的VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0

7、.7VA AB BY Y0V0V0V0V0.7V0.7V0V0V3V3V0.7V0.7V3V3V0V0V0.7V0.7V3V3V3V3V3.7V3.7VA AB BY Y0 00 00 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1规定规定3V以上为以上为10.7V以下为以下为0第13页/共54页3.2.3 二极管或或门A AB BY Y0V0V0V0V0V0V0V0V3V3V2.3V2.3V3V3V0V0V2.3V2.3V3V3V3V3V2.3V2.3VA AB BY Y0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 11 11 1规定规定2.3V以上为以上为10V以下为

8、以下为0设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时VDF=0.7VY=A+B第14页/共54页二极管构成的门电路的缺点:l l电平有偏移电平有偏移l l带负载能力差带负载能力差l l只用于只用于ICIC内部电路内部电路第15页/共54页上次课内容回顾含有无关项的逻辑函数化简门电路及分类分立元件门电路第16页/共54页3.3 TTL门电路TTLTTLTTLTTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，晶体管逻辑门电路，简称简称TTLTTLTTLTTL电

9、路。电路。TTLTTLTTLTTL电路的基本环节是反相器。因此首先简单电路的基本环节是反相器。因此首先简单了解了解TTLTTLTTLTTL反相器的电路及工作原理，掌握其特性曲反相器的电路及工作原理，掌握其特性曲线和主要参数。线和主要参数。第17页/共54页3.3.1 TTL 反相器一、电路结构第18页/共54页T1的发射结导通VB1=VIL+VoN=0.9vT2、T5截止T4导通 A A A A输入低电平时输入低电平时0.2V0.9V第19页/共54页 A A A A输入高电平时输入高电平时3.4VT1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，不考虑T2存在情况下VB1=VIL+VoN=4.1

10、vT2、T5导通，使得VB1=0.7*3=2.1vT4截止2.1V第20页/共54页需要说明的几个问题第21页/共54页3.2.2 TTL非门的外部特性及主要参数1.电压传输特性和相应参数第22页/共54页第23页/共54页(1)输出高电平VOH：AB段所对应的输出电平，一般大于等于3V；(2)输出低电平VOL：DE段对应的输出电平，一般小于0.4V。第24页/共54页(3)(3)开门电平U UONON一般要求U UONON1.8V1.8V(4)(4)关门电平U UOFFOFF一般要求U UOFFOFF0.8V0.8V 在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平U

11、 UONON。在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平U UOFFOFF。(5)(5)阈值电压U UTHTH 电压传输特性曲线转折区中点所对应的u uI I值称为阈值电压U UTHTH（又称门槛电平）。第25页/共54页2.输入端噪声容限反应抗干扰能力的物理量 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）U UNLNL=U=UOFFOFF-U-UILIL U UILIL为电路输入低电平的典型值 例如：U UNLNL=0.8-0.3=0.5(V)=0.8-0.3=0.5(V)高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）U UNHNH=U=UIHIH-U-UONON U UIHIH

12、为电路输入高电平的典型值 例如：U UNH NH=3-1.8=1.2(V)=3-1.8=1.2(V)第26页/共54页第27页/共54页3.输入特性(1)(1)(1)(1)输入短路电流输入短路电流I I I IISISISIS（输入低电平电流）（输入低电平电流）当当u u u uIL IL IL IL=0V=0V=0V=0V时，由输入端流出的电流时，由输入端流出的电流 I I I IIS IS IS IS=(V(V(V(VCCCCCCCCU U U UBE1BE1BE1BE1)/R)/R)/R)/R1 1 1 1=(5(5(5(50.7)/4 0.7)/4 0.7)/4 0.7)/4 1.1m

13、A1.1mA1.1mA1.1mA(2)(2)(2)(2)输入漏电流输入漏电流I I I IIH IH IH IH（输入高电平（输入高电平电流）电流）当输入为高电平时，当输入为高电平时，i i i iI I I I=I=I=I=IIHIHIHIH I I I IIHIHIHIH很小，一般小于很小，一般小于40404040A A A A。前级驱动门导通时，IISISISIS将灌入前级，称为灌电流负载。前级驱动门截止时，IIHIH从前级流出，称为拉电流负载。第28页/共54页4.输出特性（1）输出为高电平的输出特性 由图可见，由图可见，负载电流负载电流i iL L不可过大，否则输出高电不可过大，否则

14、输出高电平会降低。平会降低。i iL L5mA5mA5mA时，时，输出输出u uO O变化很大；实际上由于功耗的限制，变化很大；实际上由于功耗的限制，i iL L远小于远小于5mA5mA。7474系列门电路的运用条件规定系列门电路的运用条件规定 i iL L不超过不超过0.4mA0.4mA。第29页/共54页（2）输出为低电平时的输出特性T T5 5饱和导通时饱和导通时c-ec-e间饱和导通内阻很小，饱和压降很间饱和导通内阻很小，饱和压降很低，所以负载电流增加时输出低电平仅稍有升高。低，所以负载电流增加时输出低电平仅稍有升高。第30页/共54页5.输入端负载特性TTLTTLTTLTTL反相器的

15、输入端对地接上电阻反相器的输入端对地接上电阻R R R RI I I I 时，时，u u u uI I I I随随R R R RI I I I 的变化而变化的关系曲线。的变化而变化的关系曲线。第31页/共54页在一定范围内，u uI I随R RI I的增大而升高，输出高电平。但当输入电压u uI I达到1.4V1.4V以后，u uB1B1=2.1V2.1V，R RI I增大，由于u uB1B1不变，故u uI I=1.4V=1.4V也不变。这时T T2 2和T T5 5饱和导通，输出为低电平。第32页/共54页R RI I 不大不小时，工作在线性区或转折区。R RI I 较小时，输出高电平；R

16、 RI I 较大时，输出低电平；ROFFRON第33页/共54页(1)(1)(1)(1)关门电阻关门电阻R R R ROFFOFFOFFOFF 在保证门电路输出为在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许额定高电平的条件下，所允许R R R RI I I I 的最大值称为关的最大值称为关门电阻。典型的门电阻。典型的TTLTTLTTLTTL门电路门电路R R R ROFFOFFOFFOFF 0.7k 0.7k 0.7k 0.7k。(2)(2)(2)(2)开门电阻开门电阻R R R RONONONON 在保证门电路输出为在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许额定低电平的条件下，所允许R R

17、 R RI I I I 的最小值称为开的最小值称为开门电阻。典型的门电阻。典型的TTLTTLTTLTTL门电路门电路R R R RONONONON 2k 2k 2k 2k。数字电路中要求输入负载电阻数字电路中要求输入负载电阻R R R RI I I I R R R RONONONON或或R R R RI I I I R R R ROFFOFFOFFOFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。，否则输入信号将不在高低电平范围内。第34页/共54页6.扇入系数NI和扇出系数NO扇入系数NI是指合格输入端的个数。扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，即可以驱动同类门的个数。分两种情况，一是灌电流负

18、载NOL，二是拉电流负载NOH。第35页/共54页7.7.7.7.平均传输延迟时间平均传输延迟时间t t t tpdpdpdpd 平均传输延迟时间t tpdpd表征了门电路的开关速度。tpd=（tpLH+tpHL）/2 一般TTL：10-40ns第36页/共54页3.3.3 其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门第37页/共54页2.或非或非门3.3.与或非门与或非门与或非门与或非门第38页/共54页4.异或门A=0,B=0，T2 T3导通，T4 T5截止，T7 T9导通，T8截止，输出为0A=1,B=1，T6 T7导通，T8截止输出为0l lA=0,B=1A=0,B=1，或

19、者，或者A=1,B=0A=1,B=0：T T3 3导通，导通，T T6 6截止，截止，T T4 4 T T5 5必有一个导通，必有一个导通，T T7 7 截止，截止，T T9 9截止，截止，T T8 8导通，输出为导通，输出为1 1第39页/共54页TTL与非门举例74007400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40页/共54页二、集电极开路的门电路1.推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用（不能构成“线与”结构）OC门（Open Collector）10一是会抬

20、高一是会抬高门门2 2的低电平，的低电平，二是会因功二是会因功耗过大损坏耗过大损坏门电路门电路.第41页/共54页线与结构yesno第42页/共54页2、OC门的结构特点第43页/共54页2.OC门应用（1）OC门实现的线与逻辑线与逻辑第44页/共54页（2 2）驱动显示器）驱动显示器）驱动显示器）驱动显示器（3 3）实现电平转换）实现电平转换）实现电平转换）实现电平转换第45页/共54页上次课内容回顾：TTL反相器的工作原理TTL反相器的外部特性电压传输特性输入特性输出特性输入端负载特性几个参数及含义输入端噪声容限、拉电流、灌电流、扇入系数、扇出系数、平均传输时延OC门及应用第46页/共54

21、页三、三态输出门（Three state Output Gate,TS）第47页/共54页分两种情况：低电平有效l l高电平有效高电平有效第48页/共54页三态门的使用三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（b b）组成双向总线，）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。实现信号的分时双向传送。（a a）组成单向总线，）组成单向总线，实现信号的分时单向传送实现信号的分时单向传送.第49页/共54页一、高速系列74H/54H（High-Speed TTL）1.电路的改进(1)输出级采用复合管T3和T4，减小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对电容性负载的充电速度。(2)减少各电阻值，加速三极管开

22、关速度。2.性能特点速度提高的同时，功耗增加，因为电流增大了。3.3.4 TTL3.3.4 TTL电路的改进系列电路的改进系列第50页/共54页二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）1.电路改进(1)采用抗饱和三极管（肖特基三极管），防止工作在深度饱和状态。(2)用有源泄放电路（提供恒流和一个大电阻）代替74H系列中的R3(3)减小电阻值2.性能特点速度进一步提高（延迟小于10ns），电压传输特性没有线性区，功耗增大第51页/共54页三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-Power Schottky TTL）四、74AS,74ALS（Advanced Low-Power Schottky TTL）第52页/共54页1.为什么要用OC门？2.OC门的工作条件？OC门有何应用？3.三态门有哪三态？三态门有何应用？第53页/共54页感谢您的观看！第54页/共54页