数字电子技术基础简明教程课件第2章门电路.ppt
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1、肖合九肖合九 教授教授数字电子技术基础数字电子技术基础简明教程简明教程 1第第2 2章章 门电路门电路 2第第2 2章章 门电路门电路概述概述2.1 2.1 半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOSMOS管的开关特性管的开关特性2.2 2.2 分立元器件门电路分立元器件门电路2.3 CMOS2.3 CMOS集成门电路集成门电路2.4 TTL2.4 TTL集成门电路集成门电路3 1 1、什么是门电路:、什么是门电路:实现基本和常用逻辑运算的电子实现基本和常用逻辑运算的电子电路,称为逻辑门电路。它是数字电路中最基本的单电路,称为逻辑门电路。它是数字电路中最基本的单元。元。2 2、门电路的
2、主要类型:、门电路的主要类型:门电路的主要类型有与门、门电路的主要类型有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。概述概述一、门电路的概念一、门电路的概念二、逻辑变量与两状态开关二、逻辑变量与两状态开关 在二值逻辑中,在二值逻辑中,逻辑变量的取值不是逻辑变量的取值不是0就是就是1,是一,是一种种二值量。二值量。在数字电路中,与之对应的是电子开关的在数字电路中,与之对应的是电子开关的两种状态。两种状态。半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOS管是构成这管是构成这种种电子开关的基本开关元件。电子开关的基本开关元件。4 1 1、高电
3、平和低电平:高电平和、高电平和低电平:高电平和低电平是两种状态,是两个不同低电平是两种状态,是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。的可以截然区别开来的电压范围。右图右图2.45V范围内的电压,都范围内的电压,都称为称为高电平高电平,用,用UH表示。表示。00.8V范围内的电压,都称为范围内的电压,都称为低电平低电平,用,用UL表示。表示。2 2、正逻辑和负逻辑:、正逻辑和负逻辑:用用1表示表示高电平,用高电平,用0表示低电平,称为表示低电平,称为正正逻辑赋值,简称正逻辑。逻辑赋值,简称正逻辑。用用1表示表示低电平,用低电平,用0表示高电平,称为表示高电平,称为负负逻辑赋值,简称负逻辑。逻辑赋
4、值,简称负逻辑。三、高、低电平与正、负逻辑三、高、低电平与正、负逻辑5四、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 1、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,称为分立元件门电路称为分立元件门电路。2、把构成、把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导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,便构成了集成门电路。体芯片上,再封装起来,便构成了集成门电路。2 2、数字集成电路按照集成度分类、数字集成电路按照集成度分类小规模集成电路小规模集成电路(SSI):100100个元器件个元器件/片片中规模集成电路中规模集成电
5、路(MSI):100100999999个个元器件元器件/片片大规模集成电路大规模集成电路(LSI):100010009999999999个个元器件元器件/片片超大规模集成电路超大规模集成电路(VLSI):100000100000个个元器件元器件/片片五、数字集成电路的集成度五、数字集成电路的集成度 1 1、集成度:一般把在一块芯片中含有等效逻辑门、集成度:一般把在一块芯片中含有等效逻辑门的个数或元器件的个数,定义为集成度。的个数或元器件的个数,定义为集成度。62.1 2.1 半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOSMOS管的开关特性管的开关特性2.1.1 2.1.1 理想开关的开关特
6、性理想开关的开关特性 一、静态特性一、静态特性 1 1、断开时,其等效电阻、断开时,其等效电阻ROFF,通过其中的电流,通过其中的电流IOFF0 0。2 2、闭合时,其等效电阻、闭合时,其等效电阻RON0 0,其两端电压,其两端电压UAK0 0。二、动态特性二、动态特性 1 1、开通时间、开通时间ton0 0,即开关由断开状态转换到闭合状,即开关由断开状态转换到闭合状态不需要时间,可以瞬间完成。态不需要时间,可以瞬间完成。2 2、关断时间、关断时间toff0 0,即开关由闭合状态转换到断开状,即开关由闭合状态转换到断开状态不需要时间,可以瞬间完成。态不需要时间,可以瞬间完成。AKS理想开关理想
7、开关7半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。2.1.2 2.1.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性R导通导通截止截止相当于相当于相当于相当于开关断开开关断开开关断开开关断开相当于相当于相当于相当于开关闭合开关闭合开关闭合开关闭合S3V0VSRRD3V0V8 一、静态特性一、静态特性 1 1、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性 半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图所示。所示。9 2 2、半导体二极管的开关作用、半导体二极管的开关作
8、用 开关应用举例开关应用举例 下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为uI,其低其低电平电平UIL2V,高电平为高电平为UIH3V。uI UIL时,时,半导体二极管反偏,半导体二极管反偏,D处于反向截止区,如同处于反向截止区,如同一个一个断开了的开关,直流等效电路如图断开了的开关,直流等效电路如图(b)。uI UIH时,时,半导体二极管正偏,半导体二极管正偏,D工作在正向导通区,如工作在正向导通区,如同一个具有同一个具有0.7V压降、闭合了的开关,直流等效电路如图压降、闭合了的开关,直流等效电路如图(c)。10 、静态开关特性、静态开关特性
9、硅半导体二极管具有下列静态开关特性:硅半导体二极管具有下列静态开关特性:导通条件及导通时的特点:导通条件及导通时的特点:当外加正向电压当外加正向电压UD0.7V时,二极管导通,时,二极管导通,硅半导硅半导体二极管体二极管如同一个具有如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关。压降、闭合了的开关。截止条件及截止时的特点:截止条件及截止时的特点:当外加正向电压当外加正向电压UD0.5V时,二极管截止,硅半导时,二极管截止,硅半导体二极管体二极管如同一个断开了的开关。如同一个断开了的开关。11 二、动态特性二、动态特性 1 1、二极管的电容效应、二极管的电容效应 二极管存在结电容二极管存在结电容Cj和扩
10、散电容和扩散电容CD,Cj和和CD的存在的存在极大地影响了二极管的动态特性,无论是开通还是关断,极大地影响了二极管的动态特性,无论是开通还是关断,伴随着伴随着Cj、CD的充、放电过程,都要经过一段延迟时间的充、放电过程,都要经过一段延迟时间才能完成。才能完成。2 2、二极管的开关时间、二极管的开关时间 下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的uI和和iD的波形。的波形。12 开通时间开通时间 当输入电压当输入电压uI由由UIL跳变到跳变到UIH时,二极管时,二极管D要经过延迟时间要经过延迟时间td、上升时间上升时间tr之后,才能由截止状态转换到导通状
11、态。半导体二极管之后,才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管的开通时间为:的开通时间为:ton=tdtr 关断时间关断时间 当输入电压当输入电压uI由由UIH 跳变到跳变到UIL时,二极管时,二极管D要经过存储时间要经过存储时间ts、下降时间(也称为渡越时间)下降时间(也称为渡越时间)tf之后,才能由导通状态转换到截止之后,才能由导通状态转换到截止状态。半导体二极管的关断时间为:状态。半导体二极管的关断时间为:toff=tstf 132.1.3 2.1.3 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性饱和饱和截止截止截止截止3V0VuO 0相当于相当于相当于相当于开关断开开关断开开关断开开
12、关断开相当于相当于相当于相当于开关闭合开关闭合开关闭合开关闭合uO UCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V14 一、静态特性一、静态特性 1 1、结构示意图、符号和输入、输出特性、结构示意图、符号和输入、输出特性 半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。15 半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。输入特性指的是基极电流输入特性指的是基极电流iB和基极和基极-发射极间电压发射极间电压uBE之间的关系曲线。之间的关系曲线。输出特性指的是基极电流输出特性指的是基极电流iC和
13、集电极和集电极-发射极间电压发射极间电压uCE之间的关系曲线。在数字电路中,半导体三极管不之间的关系曲线。在数字电路中,半导体三极管不是工作在截止区,就是工作在饱和区,而放大区仅仅是工作在截止区,就是工作在饱和区,而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。是一种瞬间即逝的工作状态。16 2 2、半导体三极管的静态开关特性、半导体三极管的静态开关特性 饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件及饱和时的特点 饱和导通条件:三极管基极电流饱和导通条件:三极管基极电流iB大于其临界饱和时大于其临界饱和时的数值的数值IBS时,饱和导通。时,饱和导通。饱和导通时的特点:对于硅三极管,饱和导通后饱和导通时的特点:
14、对于硅三极管,饱和导通后 uBE0.7V,uCEUCES0.3V如同闭合的开关。如同闭合的开关。17 截止条件及截止时的特点截止条件及截止时的特点 截止条件:截止条件:uBEUo0.5V 式中,式中,Uo是硅三极管发射结的死区电压。是硅三极管发射结的死区电压。截止时的特点:截止时的特点:iB0,iC0如同断开的开关。如同断开的开关。18 二、动态特性二、动态特性 半导体三极管和二极管一样,在开关过程中也存在电半导体三极管和二极管一样,在开关过程中也存在电容效应,都伴随着相应电荷的建立和消散过程,因此都容效应,都伴随着相应电荷的建立和消散过程,因此都需要一定时间。需要一定时间。右图所示是三极管开
15、关电路中右图所示是三极管开关电路中uI为矩形脉冲时,相为矩形脉冲时,相应应iC和和uO的波形。的波形。19 开通时间开通时间 当输入电压当输入电压uI由由UIL2V跳变到跳变到UIH3V时,三极时,三极管管需需要经过延迟时间要经过延迟时间td和上升时间和上升时间tr之后,才能由截止之后,才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为状态转换到饱和导通状态。开通时间为 ton=tdtr 关断时间关断时间 当输入电压当输入电压uI由由UIH3V 跳变到跳变到UIL2V时,三极时,三极管管需需要经过存储时间要经过存储时间ts、下降时间、下降时间tf之后,才能由饱和导之后,才能由饱和导通状态转换到截止状
16、态。半导体三极管的关断时间为通状态转换到截止状态。半导体三极管的关断时间为 toff=tstf 半导体三极管开关时间的存在,影响了开关电路的工半导体三极管开关时间的存在,影响了开关电路的工作速度。由于作速度。由于toffton,所以减少饱和,所以减少饱和时基区存储电荷的时基区存储电荷的数量,尽可能地加速其数量,尽可能地加速其消散过程,即缩短存储时间消散过程,即缩短存储时间 tS,是提高是提高半导体三极管开关速度的关键。半导体三极管开关速度的关键。20 MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压是通过栅极电压uGS控制其工作状态的,是一种具有
17、控制其工作状态的,是一种具有放大特性的由电压放大特性的由电压uGS控制的开关元件。控制的开关元件。一、静态特性一、静态特性 1 1、结构示意图、符号、漏极特性和转移特性、结构示意图、符号、漏极特性和转移特性 N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构示意图、符号如下图所示。管的结构示意图、符号如下图所示。2.1.4 MOS2.1.4 MOS管的开关特性管的开关特性N+N+SGD二氧化硅二氧化硅P-Si(a)结构示意图金属铝金属铝(b)符号SGD21 N沟道增强沟道增强MOS管的漏极特性和转移特性如下图所示。管的漏极特性和转移特性如下图所示。反映漏极电流反映漏极电流iD和漏极和漏极-源极电压源极电压u
18、DS之间的关系曲线之间的关系曲线族称为漏极特性。族称为漏极特性。反映漏极电流反映漏极电流iD和栅极和栅极-源极电压源极电压uGS之间的关系曲线之间的关系曲线称为转移特性。称为转移特性。22 2、MOS管的静态开关特性管的静态开关特性 截止条件和截止时的特点截止条件和截止时的特点 截止条件:当截止条件:当MOS管栅源电压管栅源电压uGS小于其开启电压小于其开启电压UTN时,将处于截止状态。时,将处于截止状态。截止时的特点:截止时的特点:iD0,MOS管如同一个断开了的开管如同一个断开了的开关。关。23 导通条件和导通时的特点导通条件和导通时的特点 导通条件:当导通条件:当uGS大于大于UTN时,
19、时,MOS管管将处于导通状将处于导通状态。态。导通时的特点:导通时的特点:MOS管导通之后,如同一个具有一管导通之后,如同一个具有一定导通电阻定导通电阻RON闭合了的开关。闭合了的开关。24 二、动态特性二、动态特性 1 1、MOS管极间电容管极间电容 MOS管三个电极之间,均有电容存在,它们分别是管三个电极之间,均有电容存在,它们分别是栅源电容栅源电容CGS、栅漏电容、栅漏电容CGD和漏源电容和漏源电容CDS。在数字电。在数字电路中,路中,MOS管的动态特性,即开关速度是受这些电容管的动态特性,即开关速度是受这些电容充、放电过程制约的。充、放电过程制约的。2 2、开关时间、开关时间 右图所示
20、右图所示MOS管开关管开关电路中,当电路中,当uI为矩形波时,为矩形波时,相应相应iD和和uO的波形。的波形。25 开通时间开通时间 当输入电压当输入电压uI由由UIL0V跳变到跳变到UIHVDD时,时,MOS管管需需要经过导通延迟时间要经过导通延迟时间td1和上升时间和上升时间tr之后,才能由截之后,才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为止状态转换到饱和导通状态。开通时间为 ton=td1tr 关断时间关断时间 当输入电压当输入电压uI由由UIHVDD跳变到跳变到UIL0V时,时,MOS管管需需要经过关断延迟要经过关断延迟td2、下降时间、下降时间tf之后,才能由导通状之后,才能由导通
21、状态转换到截止状态。关断时间为态转换到截止状态。关断时间为 toff=td2tf MOS MOS管电容上电压不能突变是造成管电容上电压不能突变是造成iD(uO)滞后滞后uI变化变化的主要原因。而且,由于的主要原因。而且,由于MOS管的导通电阻比三极管管的导通电阻比三极管的饱和导通电阻要大得多,的饱和导通电阻要大得多,RD也比也比RC大,所以它的开大,所以它的开通和关断时间也比三极管长,即其动态特性较差通和关断时间也比三极管长,即其动态特性较差。262.2 2.2 分立元器件门电路分立元器件门电路 2.2.1 2.2.1 二极管与门和或门二极管与门和或门一、二极管与门一、二极管与门 1 1、电路
22、与符号、电路与符号 2 2、工作原理、工作原理 电压关系表电压关系表 uA=uB=0时,时,D1、D2均导通均导通 uY=uA+uD1=uB+uD2=0+0.7V=0.7V uA=0、uB=3V时,由于时,由于uA、uB电平不电平不同,当同,当D1导通后,使导通后,使 uY=uA+uD1=0+0.7V=0.7V导致导致 uD2=uYuB=0.732.3V,故,故D2截截止。止。D1导通后,导通后,uY被钳位在被钳位在0.7V。uA=3V、uB=0V时,与时,与类似,类似,D2导导通,通,D1截止,截止,D2导通后,导通后,uY被钳位在被钳位在0.7V。uA=3V、uB=3V时,时,D1、D2都
23、都导通。导通。uY被钳位在被钳位在3.7V。27 整理上述估算结果,可得左下表所示电压关系表。整理上述估算结果,可得左下表所示电压关系表。0.70.70.73.70 00 33 03 3uY/VuA/V uB/V电压关系表电压关系表00010 00 11 01 1YA B与门逻辑真值表与门逻辑真值表 设定变量、状态赋值、列真值表设定变量、状态赋值、列真值表 设定变量:用设定变量:用A、B、Y分别表示分别表示uA、uB、uY。状态赋值:用状态赋值:用0表示低电平,用表示低电平,用1表示高电平。表示高电平。列真值表:根据设定的变量和状态赋值情况,由列真值表:根据设定的变量和状态赋值情况,由电压关系
24、表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。综上所述,该电路确实实现了与的逻辑功能综上所述,该电路确实实现了与的逻辑功能Y=AB,所以是一个二极管与门。所以是一个二极管与门。28二、二极管或门二、二极管或门 1 1、电路与符号、电路与符号 2 2、工作原理、工作原理 电压关系表电压关系表 uA=uB=0时,时,D1、D2均导通均导通 uY=00.7V=0.7V。uA=0V、uB=3V时,时,D2导通,导通,D1截止,截止,uY=30.7V=2.3V。uA=3V、uB=0V时,时,D1导通,导通,D2截止,截止,uY=30.7V=2.3V。uA=3V、uB
25、=3V时,时,D1、D2均导均导通。通。uY=30.7V=2.3V。整理分析估算结果,即可得到电压整理分析估算结果,即可得到电压关系表如右表所示。关系表如右表所示。0.72.32.32.30 00 33 03 3uY/VuA/V uB/V电压关系表电压关系表2901110 00 11 01 1YA B或门逻辑真值表或门逻辑真值表 设定变量、状态赋值、列真值表设定变量、状态赋值、列真值表 设定变量:用设定变量:用A、B、Y分别表示分别表示uA、uB、uY。状态赋值:用状态赋值:用0表示低电平,用表示低电平,用1表示高电平。表示高电平。列真值表:根据设定的变量和状态赋值情况,由列真值表:根据设定的
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- 数字 电子技术 基础 简明 教程 课件 章门 电路
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