第二章 逻辑门电路.pptx

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1、第二节 二极管和三极管的部分知识1.二极管：该电路在Vi输入低电平ViL=0时，Vo=0.7V，二极管导通，当ViL=Vcc时，二极管截至，Vo=Vcc。第1页/共74页2.三极管：（1）、当满足Vbe 0.7V VcVe且VcVb 时三极管处于线形放大区；存在：ic=ib（2）、当满足Vbe 0.7V VcVe且VcVb时三极管处于饱和区；存在：ib（3）、当满足VbeIBS第6页/共74页 例：上图中，若Vcc=5V，VEE=-8V，Rc=1K，R1=3.3K，R2=10K，三极管=20，饱和压降VCE（sat）=0.1V，输入的高低电平分别为VIH=5V，VIL=0V，试计算对应输入b点

2、高低电平，并说明电路参数设计是否合理。解：（1）画出等效电路图 得：当Vi=VIL=0V时当Vi=VHL=5V时R2VibeR1+-VccVBbeRB+-第7页/共74页（2）通过计算基极电流IB和深度饱和的基极电流IBS的关判断元件参数配置是否合理。判断元件参数配置是否合理主要看三极管是否仅仅工作在截止区和饱和区。当Vi=0V时，Vb=-2.0V，三极管截止。当Vi=5V时，Vb=1.8V，三极管导通，如需要判断是否饱和导通。三极管一导通，则Vbe之间电压降被牵在0.7V，这样可以近似计算出基极电流Ib为：深度饱和的基极电流IBS为：由于IBIBS所以三极管导通时工作在深度饱和区，所以元件参

3、数配置合理第8页/共74页 集成电路是构成数字电路的基本单元。逻辑门电路：是指能够实现各种基本逻辑关系的电路，简称“门电路”或逻辑元件。最基本的门电路是与门、或门和非门。利用与、或、非门就可以构成各种逻辑门。集成门按内部有源器件的不同可分为两大类：一类为双极型晶体管集成电路，主要有晶体管TTL逻辑、射极耦合逻辑ECL和集成注入逻辑I2L等几种类型；另一类为单极型MOS集成电路，包括NMOS、PMOS和CMOS等几种类型。常用的是TTL和CMOS集成电路。集成门电路按其集成度又可分为：小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。第四

4、节 TTL集成门电路第9页/共74页下图是一个由与非门构成的同等级多数表决器。由三名裁判，设A、B、C分别为三名同等级裁判，当三名裁判或两名裁判确认（1），则Y=1，其它Y=0。同等级多路表决器逻辑图1.实训：实训：第10页/共74页 下图是一个由与非门构成的不同等级多数表决器。由三名裁判，设A为队长，B、C分别为两名普通裁判，当三名裁判或两名裁判且其中一名是队长确认（1），则Y=1，其它Y=0。不同等级多路表决器逻辑图第11页/共74页多路表决器真值表 两种逻辑电路输入输出间逻辑关系如表所示A B CY0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 0001

5、0111A B CY0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 00000111同等级不同等级第12页/共74页2.TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构：由输入级、中间级和输出级三部分组成的。A(VI)R14K T1 D1输入级1.6K R2 T2 R31K倒相级R4130T4T5D2D3 Y(V0)Vcc输出级 T4T5共同组成输出的推拉式结构（图腾柱），有效的降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力。第13页/共74页(1)输入级。输入级由发射极管T1、电阻R1和二极管D1 组成。其作用是将信号Vi从A端输入。即：完成信号的输入。(2)中间

6、级。中间级由T2、R2和R3组成。T2的集电极和发射极输出两个相位相反的信号，作为T3和T5的驱动信号。(3)输出级。输出级由T4、T5和R4及 D2、D3组成，这种电路形式称为推拉式电路。2.工作原理 (1)输入为高电平。当输入A=1为高电平，即UIH=3.4 V时，T1的基极电位足以使T1的集电结和T2、T5的发射结导通。而T2的集电极压降不能使T4导通。T5由T2提供足够的基极电流而处于饱和状态。因此输出为低电平:Y=0 UO=UOL=UCE50.1V第14页/共74页 R14K T1 D11.6K R2 T2 R31KR4130T4T5D2D3 Vcc A=1Vi=3.4V2.1V1.

7、4V0.7V0.8V Y=0V0=0.1V第15页/共74页 R14K T1 D11.6K R2 T2 R31KR4130T4T5D2D3 Vcc A=0Vi=0.2V0.9V0.3V0.8V Y=1V0=3.6V第16页/共74页(2)输入低电平。当输入A=0为低电平，即UIL=0.2V时，T1与A端连接的发射结正向导通，从图2.3(b)中可知，T1集电极电位UC1使T2、T5均截止，而T2的集电极电压足以使T4导通。因此输出为高电平：Y=1 UO=UOHUCC-UBE4-VD2-VR2=5-0.7-0.7-0.2=3.4V 可以得到真值表如下，并得出逻辑表达式。Y=AY0110A第17页/

8、共74页(3)在A端悬空，不输入任何信号。则T1管子截止，T2管子导通，T5管子导通。因此输出为低电平：Y=0。从以上分析可以知道，TTL反相器输入悬空，相当于输入高电平。R14K T1 D11.6K R2 T2 R31KR4130T4T5D2D3 Vcc A2.1V1.4V0.7V0.8V Y=0V0=0.1V第18页/共74页二.电压传输特性 TTL与非门电压传输特性是表示输出电压UO随输入电压UI变化的一条曲线，电压传输特性曲线大致分为四段：如下图所示。2.0Vo/V3.02.01.0O0.51.4(VTH)1.0Vi/V0.4V2.4V第19页/共74页 （1）AB段。输入电压UI0.

9、6 V时，T1工作在深度饱和状态，UCES10.1V,UB20.7V,故T2、T5截止，T3、T4导通，UO3.6 V为高电平。与非门处于截止状态，所以把AB段称截止区。（2）BC段。输入电压 0.6VUI1.3 V时，0.7VUB21.4V，T2开始导通，T5仍未导通，T4处于射极输出状态。随UI的增加，UB2增加，UC2下降，并通过T4使UO也下降。因为UO基本上随UI的增加而线性减小，故把BC段称线性区。（3）CD段。输入电压1.3VUI1.4V时，T5开始导通，并随UI的增加趋于饱和。使输出UO为低电平。所以把CD段称转折区或过渡区，注意：Y此时的输出既不是高电平也不是低电平 （4）D

10、E段。当UI1.4V时,T2、T5饱和，T4截止，输出为低电平。与非门处于饱和状态。所以把DE段称饱和区。第20页/共74页三、噪声容限VNL、VNH 在实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI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。它是用来说明门电路抗干扰能力的参数。VIL(max)：输入的低电平上限，能使反相器门电路输出Y=1的输入低电平的最大值（0.8V）。VIH(min)：输入的高电平下限，能使反相器门电路输出Y=0的输入高电平的最小值（2.0V）。VoH(min)：输出的高电平下限，门电路Y=1时的输出高电平允许的最小值（2.4V

11、）。Vol(max)：输出的低电平上限，门电路Y=0时的输出低电平允许的最大值（0.4V）。第21页/共74页 低电平噪声容限：是指在保证输出为高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大正向干扰（或噪声）电压。用UNL表示:UNH =VoH(min)UIH(min)高电平噪声容限：是指在保证输出为低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大负向干扰（或噪声）电压用UNH表示：ULH =VIL(max)UOL(max)第22页/共74页3.TTL反相器静态输入输出特性一、输入特性：1.低电平输入：Vcc=5V，Vi=0.2V由图可得：2.高电平输入：Vcc=5V，Vi=3.4V，T1管子倒置使

12、用。IIH|VGS（th）P|+VGS（th）N 当A输入端为Vi=0时，有：VGS1=VDD|VGS（th）P|（且VGS1为负）VGS2=0 VGS（th）N T1导通，T2截止，输出为高电平。VDDVT1VT2 A vi=0v0CMOS反相器PN第59页/共74页当A输入端为Vi=VDD时，有：VGS1=0 VGS（th）N T2导通，T1截止，输出为低电平。T1、T2中必有一个导通，可见电路的逻辑关系为逻辑非的关系。CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的一大优点。VDDVT1VT2 A vi=0v0CMOS反相器PN第60页/共74页二、电压和电流传输特性（1）AB区段

13、VI|VGS（th）P|T1导通，T2截止，输出为高电平。（2）CD区段VIVDD-|VGS（th）P|则VGS1 VGS（th）N，T2导通，输出低电平。第61页/共74页（3）BC区段VGS（th）N VI|VGS（th）P|又VGS2 VGS（th）N，则 T1，T2都导通。在BC段的中点位置，如果T1，T2参数相同，导通后的内阻相同Vo=1/2VDD。因此CMOS的阈值电压为Vth=1/2VDD。在AB和CD段，由于T1，T2总是一个导通，一个截止，所以流过回路的电流是漏电流，几乎为零；在CD段，T1，T2都导通，且在1/2VDD电流最大。第62页/共74页 右 图是一个两输入的CMO

14、S与非门电路。当A、B两个输入端均为高电平时，T1、T2导通，T3、T4截止，输出为低电平。当A、B两个输入端中只要有一个为低电平时，T1、T2中必有一个截止，T3、T4中必有一个导通，输出为高电平 电路的逻辑关系为2.CMOS与非门T1T2UDDYABT4T3（a）PPNNUDDABS4S3S2S1G4G3T3D3D4T4D2G2T2D1T1G1(b)第63页/共74页 CMOS或非门电路如图所示。当A、B两个输入端均为低电平时，T1、T2截止，T3、T4导通，输出Y为高电平；当A、B两个输入中有一个为高电平时，T1、T2中必有一个导通，T3、T4中必有一个截止，输出为低电平。电路的逻辑关系

15、为：3.CMOS或非门T1T2UDDYABT4T3（a）PPNNUDDYABS4S3S2S1G4G3T3D3D4T4D2G2T2D1T1G1(b)第64页/共74页 传输门是数字电路用来传输信号的一种基本单元电路。其电路和符号如图所示，4.CMOS传输门第65页/共74页 当控制信号C=1（UDD）(=0)时，输入信号UI接近于UDD，则UGS1-UDD，故T1截止，T2导通；如输入信号UI接近0，则T1导通，T2截止；如果UI接近UDD/2，则T1、T2同时导通。所以，传输门相当于接通的开关，通过不同的管子连续向输出端传送信号。反之，当C=0（=1）时，只要UI在0UDD之间，则T1、T2都

16、截止，传输门相当于断开的开关。因为MOS管的结构是对称的，源极和漏极可以互换使用，所以CMOS传输门具有双向性，又称双向开关，用TG表示。第66页/共74页CMOS门电路系列及型号的命名法 CMOS逻辑门器件有三大系列:4000系列、74C系列和硅氧化铝系列。1.4000系列 下表列出了4000系列CMOS器件型号组成符号及意义。第1部分第2部分第3部分第4部分产品制造单位器件系列器件品种工作温度范围符号 意义符号意义符号 意义 符号 意义CCCDTC中国制造的类型美国无线电公司产品日本东芝公司产品4045145系列符号阿拉伯数字器件功能CERM070-4085-5585-55125第67页/

17、共74页几家国外公司CMOS产品代号下表列出了国外主要生产公司的产品代号。国别公司名称 简 称型号前缀美国美国无线电公司摩托罗拉公司国家半导体公司德克萨斯仪器公司RCAMOTANSCTICDMCCDTP日本东芝公司日立公司富士通公司TOSJTCHDMB荷兰飞利浦公司HFE加拿大密特尔公司MD第68页/共74页 例如：CC 40 30 R 表示温度范围：-55 85 表示器件品种：四-2输入异或门 表示器件系列代号 表示中国制造的CMOS器件 2.74C系列 74C系列有：普通74C系列、高速MOS74HC/HCT系列及先进的CMOS74AC/ACT系列。_ _第69页/共74页 CMOS集成电

18、路使用注意事项 TTL电路的使用注意事项，一般对CMOS电路也适用。因CMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下几点：(1)避免静电损失。存放CMOS电路不能用塑料袋，要用金属将管脚短接起来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金属材料覆盖并应良好接地。焊接时，电烙铁壳应接地。(2)多余输入端的处理方法。CMOS电路的输入阻抗高，易受外界干扰的影响，所以CMOS电路的多余输入端不允许悬空。多余输入端应根据逻辑要求或接电源V DD(与非门、与门），或接地（或非门、或门)，或与其他输入端连接。第70页/共74页CMOS电路与TTL电路的连接 1.TTL电路驱动CMOS电路 (1)当TTL电路驱动4

19、000系列和HC系列CMOS时，如电源电压UCC与UDD均为5V时，TTL与CMOS电路的连接如图(a)所示。UCC与UDD不同时，TTL与CMOS电路的连接方法如图（b）所示。还可采用专用的CMOS电平转移器（如CC4502、CC40109等）完成TTL对CMOS电路的接口，电路如图（c）所示。(2)当TTL电路驱动HCT系列和ACT系列的CMOS门电路时，因两类电路性能兼容，故可以直接相连，不需要外加元件和器件。第71页/共74页 2.CMOS电路驱动TTL电路 CMOS和TTL电路的连接，如下图所示。第72页/共74页本章小结 1.目前普遍使用的数字集成电路基本上有两大类：一类是双极型数字集成电路,TTL、HTL、IL、ECT都属于此类电路；另一类是金属氧化物半导体（MOS）数字集成电路。2.在双极型数字集成电路中，TTL反相器电路，特别是与非门在工业控制上应用最广泛，TTL反相器是本章介绍的重点。对该电路要着重了解其外部特性和参数，以及使用时的注意事项。3.简要了解CMOS电路。由于MOS管具有功耗小、输入阻抗高、集成度高等优点，在数字集成电路中逐渐被广泛采用。第73页/共74页感谢您的观看！第74页/共74页