数字电路门电路幻灯片.ppt

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1、数字电路门电路第1页，共78页，编辑于2022年，星期六3.1 概述概述 门电路是用以实现逻辑运算的电子电路，与已经讲过的逻辑运算相对应。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。正逻辑正逻辑：高电平表示逻辑：高电平表示逻辑1 1、低电平表示逻辑、低电平表示逻辑0 0。负逻辑负逻辑：高电平表示逻辑：高电平表示逻辑0 0、低电平表示逻辑、低电平表示逻辑1 1。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。第2页，共78页，编辑于2022年，星

2、期六3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.2.1 半导体二极管的开关特性Ui0.5V时，二时，二极管导通。极管导通。Ui0.5V时，二极管截时，二极管截止，止，iD=0。第3页，共78页，编辑于2022年，星期六ui0V时，二极管截止，如同开关断开，时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。第4页，共78页，编辑于2022年，星期六ui5V时，二极管导通，如同时，二极管导通，如同0.7V0.7V的电压源，的电压源，uo4.3V。第5页，共78页，编辑于2022年，星期六3.2.2 二极管与门Y=ABABY第6页，共78页，编辑于2022年，星期六3.2.3 二极管或门Y=A+B第7页，

3、共78页，编辑于2022年，星期六3.3 CMOS门电路门电路3.3.1 MOS管的开关特性 在在CMOS集成电路中，以金属氧化物半导体场效集成电路中，以金属氧化物半导体场效应管（应管（MOS管管)作为开关器件。作为开关器件。一、MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理PNNGSD金属铝金属铝两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层P型衬底型衬底导电沟道导电沟道第8页，共78页，编辑于2022年，星期六GSDN沟道增强型沟道增强型源极源极栅极栅极漏极漏极第9页，共78页，编辑于2022年，星期六三、MOS管的基本开关电路管的基本开关电路 当当vI=vGSVGS(th)且且vI继续升高时，继续升高时

4、，MOS管工作在可变电阻区。管工作在可变电阻区。MOS管导通内阻管导通内阻RON很小，很小，D-S间相当于闭合的开关间相当于闭合的开关,vO0。第11页，共78页，编辑于2022年，星期六3.3.2 CMOS反相器工作原理 PMOS管管NMOS管管CMOS电路电路VDDT1T2vIvO一、电路结构一、电路结构 当当NMOS管和管和PMOS管成对出现在电路中，且二管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为者在工作中互补，称为CMOS管管(意为互补意为互补)。第12页，共78页，编辑于2022年，星期六VDDTPTNvIvOvI=0截止截止 vo=“”导导 通通第13页，共78页，编辑于2022

5、年，星期六vI=1VDDT1T2vIvO导通导通 vo=“”截止截止 静态下，无论静态下，无论vI是高电平还是低电平，是高电平还是低电平，T1、T2总有总有一个截止，因此一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。反相器的静态功耗极小。第14页，共78页，编辑于2022年，星期六3.3.5 其他类型CMOS门电路 1.与与非非门门一、其他逻辑功能的一、其他逻辑功能的CMOS门电路门电路第15页，共78页，编辑于2022年，星期六任一输入端为低，设任一输入端为低，设vA=0vA=0断开断开 导通导通 vO=1第16页，共78页，编辑于2022年，星期六输入全为高电平输入全为高电平vA=1vB=1

6、导通导通 断开断开 vO=0第17页，共78页，编辑于2022年，星期六2.或非门或非门第18页，共78页，编辑于2022年，星期六任一输入端为高，设任一输入端为高，设vA=1vA=1导通导通 断开断开 vO=0第19页，共78页，编辑于2022年，星期六输入端全为低输入端全为低vA=0vB=0断开断开 导通导通 vO=1第20页，共78页，编辑于2022年，星期六3.带缓冲级的带缓冲级的CMOS门电路门电路第21页，共78页，编辑于2022年，星期六带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及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状态的影响。电压传输特性的电

7、压传输特性将不受输入端状态的影响。电压传输特性的转折区也变得更陡。转折区也变得更陡。第22页，共78页，编辑于2022年，星期六二、漏极开路输出门电路（二、漏极开路输出门电路（OD门）门）为什么需要为什么需要OD门？门？普通与非门输出不能普通与非门输出不能直接连在一起实现直接连在一起实现“线与线与”！ABYCD10产产生生一一个个很很大大的的电电流流需将一个需将一个MOS管的漏极开路构成管的漏极开路构成OD门。门。第23页，共78页，编辑于2022年，星期六需加一上拉电阻ABYOD输出与非门的逻辑符号及函数式输出与非门的逻辑符号及函数式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

8、线与。ABYCDVDDRL第24页，共78页，编辑于2022年，星期六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，呈高阻态。入和输出之间相当于开关断开一样，呈高阻态。三、三、CMOS传输门传输门第25页，共78页，编辑于2022年，星期六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，vov

9、i。第26页，共78页，编辑于2022年，星期六TG1TG2ABYA=1、B=0时，时，TG1截止，截止，TG2导通，导通，Y=B =1;第27页，共78页，编辑于2022年，星期六TG1TG2ABYA=0、B=1时，时，TG2截止，截止，TG1导通，导通，Y=B=1;第28页，共78页，编辑于2022年，星期六TG1TG2ABYA=0、B=0时，时，TG2截止，截止，TG1导通，导通，Y=B=0;第29页，共78页，编辑于2022年，星期六TG1TG2ABYA=1、B=1时，时，TG1截止，截止，TG2导通，导通，Y=B =0;第30页，共78页，编辑于2022年，星期六双向模拟开关双向模拟

10、开关第31页，共78页，编辑于2022年，星期六 ,G4输出高电平，输出高电平，G5输出低电平，输出低电平，T1、T2 同时截止，输出呈同时截止，输出呈高阻态高阻态；四、三态门四、三态门 AYEN逻辑符号逻辑符号10110第32页，共78页，编辑于2022年，星期六AYEN逻辑符号逻辑符号0101110若若A=1，则，则G4、G5输出均为高电平，输出均为高电平，T1截止、截止、T2导通，导通，Y=0；若若A=0，则，则G4、G5输出均为低电平，输出均为低电平，T1导通、导通、T2截止，截止，Y=1；0001第33页，共78页，编辑于2022年，星期六AYENAYEN低电平有效低电平有效高电平有

11、效高电平有效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。第34页，共78页，编辑于2022年，星期六3.3.6 CMOS电路的特点 CMOS电路的优点电路的优点1.静态功耗小。静态功耗小。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，噪声容限大。扇出系数大，噪声容限大。第35页，共78页，编辑于2022年，星期六 1 1输入电路的静电保护输入电路的静电保护 CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CM

12、OS电路电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：免静电损坏，应注意以下几点：CMOS电路的正确使用电路的正确使用第36页，共78页，编辑于2022年，星期六 （1 1）所有与）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。须可靠接地。（2 2）存储和运输）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。层做包装材料。2 2多余的输入端不能悬空。多余

13、的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。3输入电路需过流保护输入电路需过流保护第37页，共78页，编辑于2022年，星期六3.5 TTL门电路门电路3.5.1 双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的结构一、双极型三极管的结构 BECNNP基极基极 发射极发射极集电极集电极BECNPN型三极管型三极管PNP集电极集电极 基极基极 发射极发射极 BCEBECPNP型

14、三极管型三极管第38页，共78页，编辑于2022年，星期六三、双极型三极管的基本开关电路三、双极型三极管的基本开关电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和饱和和和截止截止两两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。第39页，共78页，编辑于2022年，星期六第40页，共78页，编辑于2022年，星期六三极管临界饱和三极管临界饱和时的基极电流：时的基极电流：ui=1V时，三极管导通，基极电流：时，三极管导通，基极电流：uo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03501=3.5V第41页，共78页，编

15、辑于2022年，星期六ui=0.3V时，因为时，因为uBE 0.5V，iB=0=0，三极管工作在，三极管工作在 截止状态，截止状态，ic=0=0。因为。因为ic=0=0，所以输出电压：，所以输出电压：uo=VCC=5V 截止状态截止状态ui=UIL0.5Vuo=+VCC+VCCRbRcbce第42页，共78页，编辑于2022年，星期六ui3V3V时，三极管导通，基极电流：时，三极管导通，基极电流：uoUCES0.3V0.3V三极管饱和三极管饱和饱和状态饱和状态iBIBSui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V第43页，共78页，编辑于2022年，星期六四、双极型三极管的

16、开关等效电路四、双极型三极管的开关等效电路 开关等效电路开关等效电路(1)截止状态 条件：发射结反偏特点：电流约为0 第44页，共78页，编辑于2022年，星期六(2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅第45页，共78页，编辑于2022年，星期六三极管开关等效电路(a)截止时(b)饱和时第46页，共78页，编辑于2022年，星期六uituot+Vcc0.3V五、双极型三极管的动态开关特性五、双极型三极管的动态开关特性 第47页，共78页，编辑于2022年，星期六加入加入VEE的目的是确保即的目的是确保即使输入低电平信号稍大于零时，使输入低电平信

17、号稍大于零时，也能使三极管基极为负电位，从也能使三极管基极为负电位，从而使三极管而使三极管 可靠截止，输出为可靠截止，输出为高电平。高电平。六、三极管反相器六、三极管反相器 AY第48页，共78页，编辑于2022年，星期六集集成成门门电电路路双极型双极型TTL(Transistor-Transistor Logic Integrated Circuit,TTL)ECLNMOSCMOSPMOSMOSMOS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

18、金属氧化物半导体场效应管集成电路金属氧化物半导体场效应管集成电路3.5.2 TTL反相器第49页，共78页，编辑于2022年，星期六输入级倒相级输出级称为称为推拉式推拉式电路电路或或图腾图腾柱输出电路柱输出电路一、一、TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理第50页，共78页，编辑于2022年，星期六1.输入为低电平（输入为低电平（0.2V）时）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截止截止第51页，共78页，编辑于2022年，星期六1.输入为低电平（输入为低电平（0.2V）时）时vovo=5vR2vbe4vD23.6V 输

19、出输出高电平高电平第52页，共78页，编辑于2022年，星期六2.输入为高电平（输入为高电平（3.4V）时）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 1V截止T2、T5饱和导通饱和导通第53页，共78页，编辑于2022年，星期六2.输入为高电平（输入为高电平（3.4V）时）时vo=VCE50.3V 输出低电平输出低电平第54页，共78页，编辑于2022年，星期六 可见，无论输入如何，可见，无论输入如何，T4和和T5总是一管导通总是一管导通而另一管截止。而另一管截止。这种推拉式工作方式，这种推拉式工作方式，带负载能力很强带负载能力很强。第55页，共7

20、8页，编辑于2022年，星期六第56页，共78页，编辑于2022年，星期六(1)(1)关门电阻关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许高电平的条件下，所允许RP 的最大值称为关门电阻。的最大值称为关门电阻。典型的典型的TTLTTL门电路门电路ROFF 0.7k 0.7k。(2)(2)开门电阻开门电阻RON 在保证门电路输出为额在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许定低电平的条件下，所允许RP 的最小值称为开门电的最小值称为开门电阻。典型的阻。典型的TTLTTL门电路门电路RON 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

21、P RON或或RP ROFF，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。振荡电路则令振荡电路则令 ROFF RP RON使电路处于转折区。使电路处于转折区。第57页，共78页，编辑于2022年，星期六10K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58页，共78页，编辑于2022年，星期六1.悬空的输入端相当于接高电平。悬空的输入端相当于接高电平。2.为了防止干扰，一般应将悬空的输为了防止干扰，一般应将悬空的输入端接高电平。入端接高电平。第59页，共78页，编辑于2022年，星

22、期六3.5.5 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成多发射输入端改成多发射极三极管极三极管1.与与非非门门第60页，共78页，编辑于2022年，星期六 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（四四2 2输入与非门，输入与非门，型号型号74LS0074LS00 )地地GNDGND外外 形形管脚管脚 电源电源V VCCCC（+5V+5V）第61页，共78页，编辑于2022年，星期六74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。第62页，共78页，编辑于2022年，星

23、期六两方框中电路相同两方框中电路相同A为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。B为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。A、B都为低电都为低电平时平时，T2、T2同时截止，T5截止，T4导通，输出Y为高电平。2.或非门或非门第63页，共78页，编辑于2022年，星期六或非门或非门与或非门与或非门第64页，共78页，编辑于2022年，星期六3.与与或或非非门门第65页，共78页，编辑于2022年，星期六4.异或门异或门若A、B同时为高电平，T6、T9导通，T8截止，输出低电平；A、B同时为低电平，T4、T5同时截止，使T7、T9导通，T8截止，输出也为低电平。

24、A、B不同时，T1正向饱和导通，T6截止；T4、T5中必有一个导通，从而使T7截止。T6、T7同时截止，使得T8导通，T9截止，输出为高电平。第66页，共78页，编辑于2022年，星期六74LS86第67页，共78页，编辑于2022年，星期六二二.集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）为什么需要为什么需要OC门？门？普通与非门输出不能普通与非门输出不能直接连在一起实现直接连在一起实现“线与线与”！10产生一个很大的电流产生一个很大的电流ABYCD第68页，共78页，编辑于2022年，星期六集电极悬空集电极悬空 ABYOCOC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。第69页，共

25、78页，编辑于2022年，星期六 三三.三态门三态门 （TSTS门门)三态输出门三态输出门(Three-State Output Gate)是是在普通门电路的在普通门电路的基础上附加控制基础上附加控制电路而构成的。电路而构成的。ENAYBENAYB第70页，共78页，编辑于2022年，星期六3.5.6 TTL数字集成电路的各种系列 74H系列：系列：高速系列。其工作速度的提高是用增加高速系列。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。功耗的代价换取的，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。74S系列：系列：肖特基系列。

26、采用抗饱和三极管，提高了工肖特基系列。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。74LS系列：系列：低功耗肖特基系列。兼顾功耗和速度两个方低功耗肖特基系列。兼顾功耗和速度两个方面，得到更小的延迟功耗积。面，得到更小的延迟功耗积。第71页，共78页，编辑于2022年，星期六74AS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。74ALS系列：系列：其延迟功耗积是其延迟功耗积是TTL电路所有系列电路所有系列中最小的一种。中最小的

27、一种。54、54H、54S、54LS系列：系列：54系列与系列与74系列电路具有完系列电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。全相同的电路结构和电气性能参数。54系列工作温度范系列工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。围更宽，电源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72页，共78页，编辑于2022年，星期六型号名称主要功能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

28、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集成门电路系列集成门电路系列 第73页，共78页，编辑于2022年，星期六CMOS电路与电路与TTL电路比较：电路比较：（1）CMOS电路的工作速度比电路的工作速度比TTL电路的低。电路的低。（2）CMOS带负载的能力比带负载的能力比TTL电路强。电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在电路的电源电压允许范围较大，约在 318V，抗干扰能

29、力比，抗干扰能力比TTL电路强。电路强。（4）CMOS电电路路的的功功耗耗比比TTL电电路路小小得得多多。门门电电路路的的功功耗耗只只有有几几个个W，中中规规模模集集成成电电路路的的功功耗耗也也不不会会超超过过100W。第74页，共78页，编辑于2022年，星期六（5）CMOS集成电路的集成度比集成电路的集成度比TTL电路高。电路高。（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和电路容易受静电感应而击穿，在使用和 存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地 良好，尤其是良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不电路多余不用的输入端不 能悬空，应根据需要接

30、地或接高电平。能悬空，应根据需要接地或接高电平。CMOS电路与电路与TTL电路比较：电路比较：第75页，共78页，编辑于2022年，星期六多余输入端的处理措施多余输入端的处理措施处理原则：处理原则：不能影响输入与输出之间的逻辑关系不能影响输入与输出之间的逻辑关系。数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以的前提下可以并联并联起来使用，也可起来使用，也可根据逻辑关系的要根据逻辑关系的要求接地或接高电平求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输电路多余的输入端悬空表示输入为高电平入为高电平；但但CMOS电路，多余的输入端不允许悬电路，多

31、余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作空，否则电路将不能正常工作。第76页，共78页，编辑于2022年，星期六 对对于于TTL门门，一一般般可可将将多多余余的的输输入入端端通通过过上上拉拉电电阻阻（13 K）接接电电源源正正端端；也也可可利利用用反反相相器器将将其其输输入入端端接接地地;通通过过大大电电阻阻接接地地（逻逻辑辑1的的处处理理）。直直接接把把多多余端接地（余端接地（逻辑逻辑0的处理的处理）。）。对对于于CMOS电电路路，对对于于输输入入端端可可根根据据需需要要直直接接接接地（地（逻辑逻辑0的处理的处理）；或直接接）；或直接接VDD（逻辑逻辑1的处理的处理）。）。第77页，共78页，编辑于2022年，星期六要实现要实现Y=A，输入端，输入端B应如何连接？应如何连接？B=0时可实现时可实现Y=A，B端应接低电平端应接低电平(接地）。接地）。要实现要实现Y=A ，输入端，输入端B应如何连接？应如何连接？B=1时可实现时可实现Y=A ，B端应接高电平（接电源）。端应接高电平（接电源）。第78页，共78页，编辑于2022年，星期六