数电门电路全解.pptx

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1、3.1 概述获得高、低电平的基本方法：获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的利用半导体开关元件的 导通导通、截止截止（即开、关）两种工作状态。（即开、关）两种工作状态。门电路：门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，实现基本运算、复合运算的单元电路，如如与门、与非门、或门与门、与非门、或门 门电路中以门电路中以门电路中以门电路中以高高/低低电平表示逻辑状态电平表示逻辑状态电平表示逻辑状态电平表示逻辑状态的的的的1/01/0第1页/共85页正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1高高高高/低电平都允许有一定的变低电平都允许有一定的变低电平都允许有一定的变低电

2、平都允许有一定的变化范围化范围化范围化范围例3.2、3.3第2页/共85页3.2 半导体二极管门电路3.2.1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性高电平：高电平：VIH=VCC低电平：低电平：VIL=0 vvI=VIH=VCC时,D截止，vO=VCCvvI=VIL0时,D导通，vO=0.7V二极管的开关等效电路二极管的开关等效电路：=VOH=VOL输输入入输输出出第3页/共85页.二极管与门设设VCC=5VA,B端输入：端输入：VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VD=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY00001010

3、0111规定规定3V以上为以上为10.8V以下为以下为0与门与门第4页/共85页2.3.32.3.3 二极管或门A,B端输入端输入:VIH=4V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VD=0.7VABY0V0V0V0V4V3.3V4V0V3.3V4V4V3.3VABY000011101111规定规定3V以上为以上为10.8V以下为以下为0或门或门第5页/共85页二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路第6页/共85页3.3 CMOS门电路门电路GSDN沟道增强型沟道增强型源极栅极漏极第7页/共85页3.3.2 CMOS反相器工作原理反相器工作原理 PMOS管管NMOS

4、管管CMOS电路电路VDDT1T2vIvO一、电路结构 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管。第8页/共85页VDDTPTNvIvOvI=0截止截止=“”导导 通通v010V第9页/共85页vI=1VDDT1T2vIvO导通导通 =“”截止截止 静态下，无论vI是高电平还是低电平，T1、T2总有一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。v00V第10页/共85页二、CMOS反相器电压传输特性和电流传输特性 阈值电压VTHCMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。可可靠靠第11页/共85页输入低电平时噪声容限：输入低电平时噪声容限：在保证输出高、

5、低电平基在保证输出高、低电平基本不变的条件下本不变的条件下,输入电平的允许输入电平的允许波动范围称为波动范围称为输入端噪声容限输入端噪声容限。输入高电平时噪声容限：输入高电平时噪声容限：三、输入端噪声容限 测试表明：测试表明：CMOS电路噪声容限电路噪声容限VNH=VNL30VDD，且随且随VDD的增加而加大。的增加而加大。第12页/共85页 因为因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，极易被击穿，所以应采所以应采取保护措施。取保护措施。3.3.3 CMOS反相器反相器的静态输入输

6、出特性的静态输入输出特性 一、输入特性 第13页/共85页 在正常的输入信号范围内，即0.7V vI(VDD+0.7)V时输入电流iI 0。vI在0.7V (VDD+0.7)V以外，保护电路中的二极管进入导通状态。iI从零开始增大，并随vI增加急剧上升。注意：注意：由于由于CMOSCMOS门电路输入端的绝缘层使输入的阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入门电路输入端的绝缘层使输入的阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入端产生不定的电位，故端产生不定的电位，故 CMOSCMOS门电路的输入端不门电路的输入端不允许悬空允许悬空。第14页/共85页二、输出特性 VOL0第15页/共85页二、输出特性 V

7、OHVDD第16页/共85页3.3.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性 一、传输延迟时间 tviotvoo50%50%tpdHLtpdLH平均传输时间平均传输时间第17页/共85页二、交流噪声容限 噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。限越大。三、动态功耗 反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。动态功耗包括：负载电容充放电所消耗的功率动态功耗包括：负载电容充放电所消耗的功率PC和和PMOS、NM

8、OS同时导通所消耗的瞬时导通功耗同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT。在工作频率较高的情况下，在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗反相器的动态功耗要比静态功耗大得多，静态功耗可忽略不计。要比静态功耗大得多，静态功耗可忽略不计。第18页/共85页3.3.5 其他类型其他类型CMOS门电路门电路 1.与非门与非门一、其他逻辑功能的CMOS门电路第19页/共85页输入任一输入端为低时，输入任一输入端为低时，如：设如：设vA=0vA=0断开断开 导通导通 vO=1第20页/共85页输入全为高电平输入全为高电平vA=1vB=1导通导通 断开断开 vO=0第21页/共85页2.或非门或非门比较与非

9、门与非门第22页/共85页任一输入端为高时，如设任一输入端为高时，如设vA=1vA=1导通导通 断开断开 vO=0第23页/共85页输入端全为低时输入端全为低时vA=0vB=0断开断开 导通导通 vO=1第24页/共85页3.带缓冲级的带缓冲级的CMOS门电路门电路带缓冲级的带缓冲级的与非门与非门电路电路带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及电压传输特性将不受输入端数目的影响。电压传输特性的转折区也变得更陡。第25页/共85页二、漏极开路输出门电路（OD门）普通门电路输出不能普通门电路输出不能直接连在一起直接连在一起“线与线与”！ABYCD10产生一个很大的电流需将一个需将一个MOS管

10、的漏极管的漏极开路构成开路构成OD门。门。-类似TTL电路的OC门。第26页/共85页ABYOD门的逻辑符号及函数式以及输出端使用门的逻辑符号及函数式以及输出端使用方法都与方法都与OC门相同。门相同。如如:与非门与非门ODOD门输出端可直接连接实现线与。门输出端可直接连接实现线与。但但需加一上拉电阻。需加一上拉电阻。&ABY上拉电阻的计算方法同上拉电阻的计算方法同TTL门电路。门电路。第27页/共85页C0、，即，即C 端为低电平（端为低电平（0V）、）、端为高电平端为高电平（VDD）时，）时，T1和和T2都不具备开启条件而截止，输都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样，呈高

11、阻态。入和输出之间相当于开关断开一样，呈高阻态。三、CMOS传输门第28页/共85页C1、，即即C 端端为为高高电电平平（VDD）、端端为为低低电电平平（0V）时时，T1和和T2至至少少有有一一个个导导通通，输输入入和和输输出出之之间间相相当当于于开开关关接接通通一一样样，呈低阻态，呈低阻态，vovi。第29页/共85页1.双向模拟开关双向模拟开关：C=1时，时，TG导通（导通（SW开关合上）；开关合上）；C=0时，时，TG截止（截止（SW开关断开）；开关断开）；CMOS传输门的作用：导通电阻有导通电阻有几十欧姆几十欧姆第30页/共85页TG1TG2ABYA=1、B=0时，TG1截止，TG2导

12、通，Y=B =1;2.组成逻组成逻 辑电路辑电路例：例：A=0、B=0时，TG2截止，TG1导通，Y=B=0;第31页/共85页四、CMOS三态门 三态门有三种状态三态门有三种状态:高电平、低电平、高阻态。高电平、低电平、高阻态。AYAYEN低电平有效低电平有效高电平有效高电平有效 =0时时，Y=A EN=1时时，Y=A习题3.7第32页/共85页3.3.6 CMOS电路的特点电路的特点 CMOS电路的优点电路的优点(与与TTL电路比较）电路比较）1.静态功耗小。静态功耗小。(比比TTL电路小得多电路小得多)2.允许电源电压范围宽允许电源电压范围宽(3 18V）。）。3.扇出系数大（负载能力强

13、），噪声容限大。扇出系数大（负载能力强），噪声容限大。CMOS电路的正确使用（电路的正确使用（P101）1输入电路的静电保护2多余的输入端不能悬空。3输入电路需过流保护第33页/共85页TTL门门：逻辑逻辑1的处理：的处理：将多余的输入端通过上拉电阻将多余的输入端通过上拉电阻 （13 K）接电源正端）接电源正端或或通过大电阻接地通过大电阻接地或或悬空悬空;逻辑逻辑0的处理的处理：直接把多余端接地。：直接把多余端接地。CMOS电路电路：逻辑逻辑1的处理：的处理：将多余的输入端直接接将多余的输入端直接接VDD；逻辑逻辑0的处理：的处理：将多余的输入端直接接地。将多余的输入端直接接地。第34页/共8

14、5页3.5 TTL门电路门电路3.5.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态.第35页/共85页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：vI=VIL时，时，T截止，截止，vO=VOHVccvI=VIH时，时，T饱和导通，饱和导通，vO=VOL0.7V非门非门第36页/共85页三极管的动态开关特性：从二极管已知，从二极管已知，PN结存在电容效结存在电容效应应在饱和与截止两个在饱和与截止两个状态之间转换时，状态之间转换时，iC的变化将滞后于的变化将滞后于vI，则，则vO的变化也滞的变化也滞后于后于vI第37

15、页/共85页存储时间存储时间ts:从输入信号降到从输入信号降到-VB1到到ic降到降到0.90.9ICS 所需要的时间；所需要的时间；下降时间下降时间tf:ic从从0.90.9ICS降到降到0.10.1ICS所需要的时间。所需要的时间。关闭时间关闭时间toff=ts+tf就是存就是存储电荷消散的时间储电荷消散的时间 开通时间开通时间t tonon=t td d+t tr r就是建立基区电荷时间就是建立基区电荷时间延迟时间延迟时间td:从从+VB2加到集电极电流加到集电极电流ic上升到上升到0.10.1ICS所需要的时间；所需要的时间；上升时间上升时间tr:ic从从0.10.1ICS到到0.90

16、.9ICS所需要的时间；所需要的时间；第38页/共85页三极管非门（反相器）三极管的基本开关电路就是非门 为保证VI=VIL时T可靠截止，可在输入接入负压VEE AY习题3.11第39页/共85页集集成成门门电电路路双极型双极型TTL(Transistor-Transistor Logic Integrated Circuit,TTL)NMOSCMOSPMOSMOSMOS型型（M Metal-etal-O Oxide-xide-S Semiconductoremiconductor，MOSMOS）TTL 晶体管晶体管-晶体管逻辑集成电路晶体管逻辑集成电路MOS 金属氧化物半导体场效应管集成电路

17、金属氧化物半导体场效应管集成电路3.5.2 TTL反相器第40页/共85页输入级输入级反相级反相级输出级输出级称为推拉式电路或图腾柱输出电路一、TTL反相器的电路结构和工作原理第41页/共85页1.输入为低电平（0.2V）时三个三个PN结结导通需导通需2.1V0.9V不足以让不足以让T2、T5导通导通T2、T5截止截止0.2V第42页/共85页1.输入为低电平（0.2V）时vovo=5vR2vbe4vD23.4V 输出输出高电平高电平T2、T5截止截止导导通通第43页/共85页2.输入为高电平（3.4V）时电位被嵌电位被嵌在在2.1V全导通全导通 vB1=VIH+VON=4.1V发射结反偏发射

18、结反偏 1V截止截止T2、T5饱和导通饱和导通vo=VCE50.3V 输出低电平输出低电平3.4V第44页/共85页 可见，无论输入如何，T4和T5总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。输入为低电平时：T4导通T5截止，输出为高电平。输入为高电平时：T5导通T4 截止，输出为低电平。第45页/共85页第46页/共85页二、TTL反相器的电压传输特性 VOH 2.4V,VOL 0.4V 合格合格 典型值典型值:VOH=3.4V VOL 0.3V 第47页/共85页输入低电平时噪声容限：输入低电平时噪声容限：输入高电平时噪声容限：输入高电平时噪声容限：三、输入端噪声容限 在

19、保证输出高、低电平基在保证输出高、低电平基本不变的条件下本不变的条件下,输入电平的允许输入电平的允许波动范围称为波动范围称为输入端噪声容限输入端噪声容限。TTL门电路的参数：门电路的参数：TTL门电路的门电路的输入输入噪声容限：噪声容限：VNH=VNL=0.4V第48页/共85页一一.输入特性输入特性 vI i I:3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性输入短路电流IIS(IIL)高电平输入电流IIH40uA低电平输入电流IIL-1mA第49页/共85页二二.输出特性一：输出特性一：高电平输出特性高电平输出特性 vOH iL(iO)TTL反相器高电平输出

20、特性反相器高电平输出特性由于受到功耗的限制手册上给出的高电平输出电流的最大值要比5mA小得多。74系列系列IOH(max)=0.4mA注意注意p120图中图中iL的参考方向的参考方向拉电流第50页/共85页二二.输出特性二：输出特性二：低电平输出特性低电平输出特性 vOL iL(iO)TTL反相器低电平输出特性反相器低电平输出特性IOL(max)16mA0.2V灌电流第51页/共85页讨论前后级之间电流的联系讨论前后级之间电流的联系？IIH=40uAIIL1mAIOH(max)=0.4mAIOL(max)16mAIOII第52页/共85页前级输出为前级输出为 高电平时高电平时前级（驱动门）前级

21、（驱动门）后级（负载门）后级（负载门）前级流出电流I IOHOH（拉电流）1发射结反偏,输入电流IIH很小(几十A)前级流出电流IOH(拉电流）后级流入电流IIH第53页/共85页前级输出为前级输出为 低电平时低电平时前级（驱动门）前级（驱动门）后级（负载门）后级（负载门）0流入前级的电流流入前级的电流IOL (灌电流灌电流)输入低电平时的I IILIL，大约为1mA1mA。流入流入前级前级电流电流IOL(灌电流灌电流）后级流出电流后级流出电流IIL第54页/共85页扇出系数扇出系数:驱动同类门的个数。驱动同类门的个数。灌电流灌电流工作时：工作时：拉电流拉电流工作时：工作时：扇出系数扇出系数N

22、O取取NOL、NOH中较小的一个。中较小的一个。扇出系数衡量门电路的带负载能力。IILIOLIIHIOHIIH=40uAIIL1mAIOH(max)=0.4mAIOL(max)16mA第55页/共85页例例3.5.2 解：解：VOL=0.2V时，驱动门输出电流IOL=16mA,每个负载门的输入电流为IIL=1mA。VOH=3.2V时，手册规定|IOH|0.4mA,故取|IOH|=0.4mA;每个负载门的输入电流为IIH=40A。所以所以 扇出系数扇出系数NO=10第56页/共85页输入端输入端“1”,“0”？三三.输入端负载特性输入端负载特性1.4在一定范围内，u uI I随R RP P的增大

23、而升高。当RP增大到使u uI I达到1.4V1.4V后，u uB1B1=2.1V=2.1V，这时T T2 2和T T5 5饱和导通，uI、uB1不再随R RP P增大而变化.第57页/共85页(1)(1)关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RP 的最大值称为关门电阻。典型的TTLTTL门电路ROFF 0.7k 0.7k (2)(2)开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RP 的最小值称为开门电阻。典型的TTLTTL门电路RON 2k 2k。数字电路中要求输入负载电阻RP RON或RP ROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。1.4第58页/

24、共85页输入端悬空，输入端悬空，uI=？相当于接高电平。相当于接高电平。第59页/共85页10K例：判断如图例：判断如图TTL电路输出为何状态？电路输出为何状态？Y0=010Y1=1Y01110Y1Y2=010VCCY210K第60页/共85页3.5.4 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间一、传输延迟时间tviotvoo50%50%tpdHLtpdLH平均传输时间平均传输时间平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。反相器作用第61页/共85页 三.TTL反相器的电源动态尖峰电流第62页/共85页3.5.5 其他类型的TTL门电路 一一.其他逻辑功能的门电路其他逻辑功能的门电路输入端改

25、成多发射极三极管1.与非门与非门例习题3.18第63页/共85页 TTL集成门电路的封装：集成门电路的封装：双列直插式双列直插式 如：如：TTLTTL门电路芯片（门电路芯片（2 2输入四与非门，输入四与非门，型号型号74LS0074LS00 )地地GNDGND外外 形形管脚管脚 电源电源V VCCCC（+5V+5V）74LS00第64页/共85页74LS00内含内含4个个2输入与非门，输入与非门，74LS20内含内含2个个4输入与非门输入与非门。第65页/共85页门门GP输出低电平时，输出低电平时，设可带同类门数设可带同类门数为为NOL：解：门门GP输出的高电平时，设可带同类门数为输出的高电平

26、时，设可带同类门数为NOH：扇出系数扇出系数=7GPG1Gn例：已知 74S00门电路GP参数为：IOH/IOL=-1.0mA/20mA;IIH/IIL=50A/-1.43mA试求门GP能驱动多少同类门？22.867第66页/共85页两方框中电路相同两方框中电路相同A为高电平时，为高电平时，T2、T5同时导通，同时导通，T4截止，输出截止，输出Y为低为低电平。电平。B为高电平时，为高电平时，T2、T5同时导通，同时导通，T4截止，输出截止，输出Y为为低电平。低电平。A、B都为低电平都为低电平时，时，T2、T2同时同时截止，截止，T5截止，截止，T4导通，输出导通，输出Y为为高电平。高电平。2.

27、或非门或非门第67页/共85页2输入四输入四 或非门或非门与或非门与或非门第68页/共85页3.与或非门与或非门与与或或第69页/共85页4.异或门异或门与与或非或非第70页/共85页4.异或门异或门与与或非或非或非或非第71页/共85页74LS86习题3.134.异或门异或门第72页/共85页二二.集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）普通与非门输出绝对不普通与非门输出绝对不能直接连接能直接连接“线与线与”！10产生一个很大的电流，烧坏三极管ABYCDG1G2Y第73页/共85页集电极开路门（OC门）集电极悬空集电极悬空 T4R4OCOC门输出端可直接连接，门输出端可直接连接，线与线与。第

28、74页/共85页集电极开路门（OC门）VccRL;Y=0;Y=1第75页/共85页OC门实现的线与第76页/共85页VCCVILVILVILRLRL的选择：的选择：IOHIIHn个m个VOH负载门输入端个数第77页/共85页VIHVILVILVCCRLVOLm个IOLIIL负载门个数 由于由于与非门与非门的输入端为多发射极，只要一个输入端为低电的输入端为多发射极，只要一个输入端为低电平，平，T2、T5就截止。所以此处就截止。所以此处m为负载门个数为负载门个数若为或非门，m是输入端的个数，而不是负载门的数目。例例3.5.5RL的选择：的选择：当仅一个当仅一个OC门导通时门导通时第78页/共85页

29、 三三.三态三态输出输出门门 （TSTS门门)-在普通门电路的基础上附加在普通门电路的基础上附加控制电路。控制电路。ENAYB=高阻高阻低电平有效低电平有效第79页/共85页三态门的用途总线结构总线结构双向传输双向传输第80页/共85页3.5.6 TTL数字集成电路的各种系列数字集成电路的各种系列 74Hxx系列系列：高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代价换取的，效果不够理想。的代价换取的，效果不够理想。-从从提高工作速度提高工作速度、降低功耗降低功耗两方面考虑进行改进。两方面考虑进行改进。74Sxx系列系列：肖特基系列。采用抗饱和三极管，提高了工肖

30、特基系列。采用抗饱和三极管，提高了工作速度，但电路功耗加大，并且输出的低电平升高。作速度，但电路功耗加大，并且输出的低电平升高。74LSxx系列系列：低功耗肖特基系列。兼顾功耗和速度两个低功耗肖特基系列。兼顾功耗和速度两个方面，得到更小的延迟功耗积。方面，得到更小的延迟功耗积。74ASxx系列：系列：电路结构与电路结构与74LS系列相似，采用低系列相似，采用低 阻值，阻值，提高了工作速度，但功耗较大。提高了工作速度，但功耗较大。74ALSxx系列：系列：其延迟功耗积是其延迟功耗积是TTL电路所有系列中最电路所有系列中最小的一种。小的一种。第81页/共85页54xx、54Hxx、54Sxx、54

31、LSxx系列系列：54系列与系列与74系列电路具有完全相同的电路结构系列电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。和电气性能参数。54系列工作温度范围更宽，电源系列工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。允许的工作范围更大。74系列：温度系列：温度070，电源电压，电源电压5V5%;54系列系列:温度温度-55+125，电源电压，电源电压5V10%。第82页/共85页型号名称主要功能74LS00四2输入与非门74LS02四2输入或非门74LS04六反相器74LS05六反相器OC门74LS08四2输入与门74LS13双4输入与非门施密特触发74LS308输入与非门74LS32四2输入或门74LS644-2-3-2输入与或非门74LS13313输入与非门74LS136四异或门OC输出74LS365六总线驱动器同相、三态、公共控制74LS368六总线驱动器反相、三态、两组控制 TTL集成门电路系列 第83页/共85页作业：作业：P150 题题 3.4、3.17、3.8（a）第84页/共85页感谢您的观看！第85页/共85页