(2.2)--第2章 门电路数字电子技术.ppt

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1、1数字电子技术数字电子技术第二章第二章 门电路门电路2第二章第二章 门电路门电路 2.3 CMOS门电路门电路 2.4 TTL集成门电路集成门电路 2.1 概述概述 2.5 CMOS门电路与门电路与TTL门电路的接口门电路的接口 2.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3门电路是用以实现逻辑关系的电子电门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：门电路主要有：与门与门、或门或门、与非门与非门、或或非门非门、异或门异或门等。等。在数字电路中，一般用高电平代表在数字电路中，一般用高电平代表1、低电平代表低电平代表0，

2、即所谓的，即所谓的正逻辑系统正逻辑系统。2.1 概述概述10 ViVoKVccR只要能判断高只要能判断高低电平即可低电平即可K开开-Vo=1,输出高电平输出高电平K合合-Vo=0,输出低电平输出低电平可用三极可用三极管等代替管等代替52.2.1 二极管与门：二极管与门：FD1D2AB+5V设二极管的饱和压降为设二极管的饱和压降为0.7V0 V0 V0.7 V0 V3 V0.7 V3 V0 V0.7 V3 V3 V3.7 V 2.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 162、二极管或门：、二极管或门：AB Y 0V0V 0 V 0V3V

3、2.3V 3V0V2.3V 3V3V2.3V AB Y 00 0 01 1 10 1 11 17R1R2AF+5V2.2.3 三极管非门电路：三极管非门电路：三极管的饱和压降三极管的饱和压降假设为假设为0.3V80UDSID负载线负载线ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”2.3 CMOS门电路门电路uiuoUDDRDS MOS逻辑门电路利用逻辑门电路利用MOS管的开关特性制成管的开关特性制成2.3.1 MOS管的开关特性管的开关特性9CMOS电路电路PMOS管管NMOS管管FUDDST2DT1A2.3.2 CMOS反相器的电路结构及工作原理反相器的电路结构及工作原理10FUDDST

4、2DT1AFUDDSTPTNA11ui=0截止截止导通导通u=“”工作原理：工作原理：FUDDSTPTNA12ui=导通导通截止截止u=“”工作原理：工作原理：FUDDSTPTNA132.3.3 其他其他CMOS门电路门电路1、与非门电路：与非门电路：001011101110142、或非门电路：或非门电路：AB L 00 1 01 0 10 0 11 0153、异或门电路：异或门电路：16 2.3.4 CMOS漏极开路门和三态门漏极开路门和三态门1、“线与线与”的概念：的概念：F1F2F3&直接把几个门的输出端相连称为直接把几个门的输出端相连称为线与线与假如当假如当F1=1，F2=0时：时：F

5、1UDDTPTNAF2UDDTPTNB因此，普通的门不能因此，普通的门不能线与线与17符号：符号：&2、漏极开路（、漏极开路（OD）门的结构及符号：）门的结构及符号：FUDDTPTNA漏极开路漏极开路1&18使用时输出端要接一上拉负载电阻使用时输出端要接一上拉负载电阻RLRLUDDTN1TN2ABTN1TN2ABTN3TN4CDRLUDD&RLUDD19上拉电阻上拉电阻RL：（：（RL(max)RL(min)）负载电阻负载电阻RL可以根据情况选择可以根据情况选择203、三态输出门：、三态输出门：FUDDTPTNA1&1E当当E=1：A=0：TP通，通，TN止，止，F=1 A=1：TP止，止，T

6、N通，通，F=0当当E=0：TP止，止，TN止，门进入止，门进入高阻态高阻态符号：符号：1AFE功能表功能表21功能表功能表高电平起作用高电平起作用&ABF符号符号其他逻辑功能也有三态门其他逻辑功能也有三态门22功能表功能表低电平起作用低电平起作用&ABF符号符号23三态门主要作为单元电路与三态门主要作为单元电路与总线总线间的间的接口接口用途：用途：E1、E2、E3轮流轮流接入高电平，将接入高电平，将不同数据（不同数据（A、B、C）分时送至总分时送至总线。线。E1E2E3公公用用总总线线 ABC&242.3.5 CMOS传输门传输门 1CTPCTNvo/vi 0vi/vo TP、TN为结构对称

7、的增强为结构对称的增强型器件，型器件，|VT|=2V。当当C接接0：TP、TN都不导通都不导通当当C接接1：TP、TN都导通都导通导通时，电阻值约几百欧姆。导通时，电阻值约几百欧姆。符号：符号：TGvi/vovo/viC252.3.6 CMOS门的电气特性门的电气特性1.输入、输出高电平低电平：输入、输出高电平低电平：输出高电平：输出高电平：UOH 输出低电平：输出低电平：UOL 输入高电平：输入高电平：UIH 输入低电平：输入低电平：UIL 2.噪声容限：噪声容限：高、低电压的噪声容限：高、低电压的噪声容限：UNH=UOH-UIH UNL=UIL-UOLUOHUOLUIHUIL273.输入、

8、输出负载特性：输入、输出负载特性：&？（1）前后级之间电流的联系：前后级之间电流的联系：高电平时高电平时:前级流出电流前级流出电流IOH（拉电流）（拉电流）低电平时低电平时:流入前级的电流流入前级的电流IOL(灌电流灌电流)28 关于电流的技术参数关于电流的技术参数名称及符号名称及符号含义含义输入低电平电流输入低电平电流IiL输入为低电平时流入输入端输入为低电平时流入输入端的电流的电流几几A输入高电平电流输入高电平电流IiH输入为高电平时流入输入端输入为高电平时流入输入端的电流的电流几几AIOL及其极限及其极限IOL(max)当当IOL IOL(max)时，输出不再时，输出不再是低电平。是低电

9、平。IOH及其极限及其极限IOH(max)当当IOH IOH(max)时，输出不时，输出不再是高电平。再是高电平。29（2）扇出系数：扇出系数：在正常工作情况下，门电路输出能驱在正常工作情况下，门电路输出能驱动同类门的最大个数。动同类门的最大个数。前级输出为前级输出为 高电平时高电平时&IOHIIH1IIH2IIH330前级输出为前级输出为 低电平时低电平时&IOLIIL1IIL2IIL3 由于由于IOL、IOH的限制，每个门电路输出端所带门电的限制，每个门电路输出端所带门电路的个数，称为路的个数，称为扇出系数扇出系数。314.传输延迟时间传输延迟时间：tuiotuoo50%50%tpd1tp

10、d2传输延迟时间传输延迟时间 传输延迟时间约为传输延迟时间约为10几几ns,HC系列约为系列约为78ns325.功耗：功耗：6.延时延时-功耗积：功耗积：7.封装：封装：CMOS 器件型号组成符号意义器件型号组成符号意义示例：示例：CC 40 25 M 温度范围：-55+125器件品种：3输入与非门器件系列中国制造CMOS器件(1)(2)(3)(4)CD 10 131器件品种:双主从D触发器器件系列美国无线电公司产品(1)(2)(3)34CMOS电路电路的优点：的优点：1.静态功耗静态功耗非常小。非常小。2.允许电源电压范围宽。允许电源电压范围宽。3.扇出系数大、逻辑摆幅大、抗噪容限大。扇出系

11、数大、逻辑摆幅大、抗噪容限大。CMOS器件使用规则器件使用规则：1.输入端不能悬空。输入端不能悬空。2.输出端不能直接接电源、地。输出端不能直接接电源、地。3.电源电压不能接反。电源电压不能接反。4.注意输入端静电保护。注意输入端静电保护。4.输入阻抗大。输入阻抗大。35一、一、TTL反相器的基本原理反相器的基本原理+5VFR4 130R2 1.6KR14kT2R3 1KT4T1T3b1c1A D1.电路：电路：2.4 TTL门电路门电路362.工作原理：工作原理：“0”0.6V不足以让不足以让T2、T3导通导通两个两个PN结结导通需导通需1.4V输入为低电平（输入为低电平（0.3V）时）时+

12、5VFR4 130R2 1.6KR14kT2R3 1KT4T1T3b1c1A D37“0”1Vuouo=5-uR4-uD-uces43.6V 高电平高电平+5VFR4 130R2 1.6KR14kT4T1b1c1A D0.6V38输入高电平时输入高电平时“1”全导通全导通电位被钳电位被钳在在2.1V反偏反偏 1V截止截止+5VFR4 130R2 1.6KR14kT2R3T4T1T3b1c1A D39反偏反偏“1”饱和饱和uF0.3V+5VFR2R14kT2R3T1T3b1c1A D40二、二、TTL与非门的基本原理与非门的基本原理+5VFR4R2R14kT2R3T4T1T3b1c1ABC D4

13、1b1c1ABC1、多发射极三极管：、多发射极三极管：bce1e2e3bP型衬底型衬底ce1e3e2PNNNNN 任何一个导通，三极管导任何一个导通，三极管导通；全部截止，三极管截止通；全部截止，三极管截止422.工作原理：工作原理：“0”0.6V不足以让不足以让T2、T3导通导通两个两个PN结结导通需导通需1.4V+5VFR4R2R14kT2R3T4T1T3b1c1ABC D任一输入为低电平（任一输入为低电平（0.3V）时）时43“0”1Vuouo=5-uR4-uD-uces4 3.6V 高电平！高电平！+5VFR4R2R14kT4T1b1c1ABC D0.3V44输入全为高电平（输入全为高

14、电平（3.6V）时）时“1”全导通全导通电位被钳电位被钳在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止+5VFR4R2R14kT2R3T4T1T3b1c1ABC D45+5VFR2R14kT2R3T1T3b1c1ABC全反偏全反偏“1”饱和饱和uF=0.3V 46三、三、其它的其它的TTL门电路：门电路：1.或非门：或非门：+5VFR4T2T3T4T1DA T2T1B 472.异或门：异或门：483.集电极开路的与非门（集电极开路的与非门（OC门）门）F1F2F3&+5VF1R4T4T3 D+5VF2R4T4T3 D假如当假如当F1=1，F2=0时：时：因此，普通的门不能因此，普通的门不能线与线与49

15、集电极悬空集电极悬空无无D,T4+5VFR2R13kT2R3T1T3b1c1ABC 符号符号&OC门的结构：门的结构：T450使用时输出端要接一上拉负载电阻使用时输出端要接一上拉负载电阻RLRLUCC+5VFR2R13kT2R3T1T3b1c1ABC 51OC门可以实现门可以实现“线与线与”功能功能FF=F1F2F3输出级输出级UCCRLT3T3T3 FUCCF1F2F3RL&524.三态门三态门E-控制端控制端DE 1+5VFR4R2R13kT2R3T4T1T3b1c1ABC D5301截止截止DE 1+5VFR4R2R13kT2R3T4T1T3b1c1ABC D5410导通导通截止截止截止

16、截止高阻态高阻态DE 1+5VFR4R2R13kT2R3T4T1T3b1c1ABC D55功能表功能表低电平起作用低电平起作用&ABF符号符号56功能表功能表高电平起作用高电平起作用&ABF符号符号57三态门主要作为三态门主要作为TTL电路与电路与总线总线间的间的接口电路接口电路用途：用途：E1、E2、E3轮流轮流接入高电平，将接入高电平，将不同数据（不同数据（A、B、C）分时送至总分时送至总线。线。E1E2E3公公用用总总线线 ABC&585.改进型的改进型的TTL门电路：门电路：基本型基本型TTL门电路：门电路：74系列、系列、54系列系列肖特基型肖特基型TTL门电路：门电路：74S系列、

17、系列、54S系列系列低功耗肖特基型低功耗肖特基型TTL门电路：门电路：74LS系列、系列、54LS系列系列先进的肖特基型先进的肖特基型TTL门电路：门电路：74AS系列、系列、54AS系列系列先进的低功耗肖特基型先进的低功耗肖特基型TTL门电路：门电路：74ALS系列、系列、54ALS系列系列59TTL数字集成电路型号的命名法示例：示例：（1）(2)(3)(4)(5)CT 74 LS 00 P塑料双列直插封装器件系列：低功耗肖特基温度范围：0+70中国制造的TTL类器件品种：四2输入与非门SN 74 S 195 J黑陶瓷双列直插封装器件品种：4位并行移位寄存器器件系列：肖特基温度范围：0+70

18、美国TEXAS公司（1）(2)(3)(4)(5)611.电压传输特性电压传输特性:四、四、TTL与非门的特性和技术参数与非门的特性和技术参数测试电路测试电路&+5Vuiu062传输特性曲线传输特性曲线U0(V)Ui(V)123UOH阈值阈值UT=1.4V理想的传输特性理想的传输特性输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平AB段（截止区）段（截止区）BC段（线性区）段（线性区）CD段（转折区）段（转折区）DE段（饱和区）段（饱和区）UOH：输出高电平输出高电平 UOL：输出低电平输出低电平 UOFF：关门电平关门电平 UON：开门电平开门电平AUOHBCDEUOLUI(V)UO(V)0.52.7

19、UOFFUTUON632.输入、输出高电平低电平：输入、输出高电平低电平：74LS系列：系列：UOH2.7V UOL 0.5V。一般：一般：UOH=3.4V UOL 0.3V。输出：输出：输入：输入：一般：一般：UIH 2 V UIL 0.8V。3.噪声容限：噪声容限：高、低电压的噪声容限：高、低电压的噪声容限：UNH=UOH-UIH UNL=UIL-UOL见见P504附录附录AUOHUOLUIHUIL644、输入、输出负载特性：、输入、输出负载特性：&？（1）前后级之间电流的联系：前后级之间电流的联系：高电平时高电平时:前级流出电流前级流出电流IOH（拉电流）（拉电流）低电平时低电平时:流入

20、前级的电流流入前级的电流IOL(灌电流灌电流)65 关于电流的技术参数关于电流的技术参数名称及符号名称及符号含义含义输入低电平电流输入低电平电流IiL输入为低电平时流入输入端输入为低电平时流入输入端的电流的电流几几mA输入高电平电流输入高电平电流IiH输入为高电平时流入输入端输入为高电平时流入输入端的电流的电流几十几十AIOL及其极限及其极限IOL(max)当当IOL IOL(max)时，输出不再时，输出不再是低电平。是低电平。IOH及其极限及其极限IOH(max)当当IOH IOH(max)时，输出不时，输出不再是高电平。再是高电平。66输入特性输入特性010.51.5Ii（mA）Ui（V)

21、UTIIS40uAb1c1viiiuvi为低电平为低电平:电流为电流为IiL,vi为为0时的电流称为输入短路电流时的电流称为输入短路电流IiS。uvi为高电平为高电平:T1管处在倒置放大状态，电流管处在倒置放大状态，电流IiH很小，约为很小，约为40uA以下以下。67UO(V)IL(mA)40302010123输出低电平输出低电平:与非门处于开态与非门处于开态输出高电平输出高电平:与非门处于关态与非门处于关态TTL与非门与非门输出低电平的输出特性输出低电平的输出特性TTL与非门与非门输出高电平的输出特性输出高电平的输出特性u（此时，（此时，IL为灌电流。为灌电流。为保证为保证UOL0.4V，通

22、常通常ILmax 20mA）u（此时，（此时，IL为拉电流。为拉电流。为保证为保证UOL输出高电输出高电 平，通常平，通常IL 14mA）输出特性输出特性T2T3ILRLUCCT4ILRLUCCIR5R4UO(V)IL(mA)5101520123068（2）扇出系数：扇出系数：门电路输出能驱动同类门的个数门电路输出能驱动同类门的个数IiH1IiH3IiH2IOH前级输出为前级输出为 高电平时高电平时T1前级前级T1T1+5VFR4R2T4 D69+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为前级输出为 低电平时低电平时 70输出低电平时，流入前级的电

23、流（输出低电平时，流入前级的电流（灌电流灌电流）：）：输出高电平时，前级流出的电流（输出高电平时，前级流出的电流（拉电流拉电流）：）：一般与非门的扇出系数大于一般与非门的扇出系数大于10 由于由于IOL、IOH的限制，每个门电路输出端所带门电的限制，每个门电路输出端所带门电路的个数，称为路的个数，称为扇出系数扇出系数。71（3）输入端通过电阻输入端通过电阻R接地的情况：接地的情况：Rui输入端输入端“1”,“0”？+5VFR4R2R13kT2R3T4T1T3b1c1ABC DR较小时较小时R较小时，较小时，ui RON 1.9K,相当输入高电平相当输入高电平 Rn IIHTIOLCn IILTVOHCVIHTVOLCVILT电平匹配：电平匹配：79二、二、TTL门驱动门驱动CMOS门：门：电压不匹配：电压不匹配：电流匹配电流匹配:VOHTVIHCVOLTn IIHCIOLTn IILC 接上拉电阻提拉接上拉电阻提拉TTLTTL门输出电平门输出电平