数字电子技术第二章门电路课件

第二章 门电路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。与我们所讲过的根本逻辑关系相对应，路。与我们所讲过的根本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门、或门、非门、与非门电路主要有：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。门、或非门、与或非门、异或门等。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 1、低点平代表低点平代表0 0，即所谓的正逻辑系统。，即所谓的正逻辑系统。高电平代表高电平代表0 0、低电平代表、低电平代表1 1，即所谓，即所谓的负逻辑系统。的负逻辑系统。2.1 概述正逻辑：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1100VVcc只要能判断上只要能判断上下电平即可下电平即可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代替管代替 ViVoKVccR半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性Diode 二极管的结构：PN结+引线+封装构成PN二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D导通，VO=VOL 2.二极管伏安特性的实用近似方法二极管伏安特性的实用近似方法+VON-+-VON=0.7V(硅管硅管)VON=0.2V(锗管锗管)3.2.2 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性VccRCRBvo-+vI-+iBiC 1.三极管的根本开关电路三极管的根本开关电路 截止条件截止条件:v5.0vBE 截止特点截止特点:导通特点导通特点:导通条件导通条件:CCoCBvv0ii BSBIi 0vv)Sat(CEo 一一.双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 2.三极管的开关等效电路三极管的开关等效电路 bec截止状态截止状态c be饱和导通状态饱和导通状态R1R2AF+uccuFt3.三极管的动态开关特性：三极管的动态开关特性：tuA+ucc0.3V2.1.2 二极管与门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDFABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定3V以上为1以下为02.1.3 二极管或门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDFABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定以上为10V以下为0二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vEE为负电源为负电源AY3V0.30Vvcc2.1.4 三极管非门三极管非门Rc(vo)R1AYVCCvEE(vi)R2R1DR2F+12V+3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门与非门与非门1、体积大、工作不可靠。、体积大、工作不可靠。2、需要不同电源。、需要不同电源。3、各种门的输入、输出电平不匹配。、各种门的输入、输出电平不匹配。2.3 CMOS门电路管的开关特性一、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结二、等效电路OFF，截止状态 ON，导通状态2.3.2 CMOS反相器工作原理反相器工作原理Complementary-Symmetery Metal-Oxide-SemiconductorNMOS管管PMOS管管CMOS电路电路FANMOS+VDDPMOSPthGSNthGSVV)()(UCCST2DT1uiuoui=0截止截止ugs2=UCC导通导通u=“工作原理：工作原理：低电平输入低电平输入UCCST2DT1uiuoui=导通导通截止截止u=“工作原理：工作原理：高电平输入高电平输入 CMOS反相器反相器PMOSNMOS 衬底与漏源间的衬底与漏源间的PNPN结始终处结始终处于反偏于反偏，NMOSNMOS管的衬底总是接到管的衬底总是接到电路的电路的最低电位最低电位，PMOSPMOS管的衬底管的衬底总是接到电路的总是接到电路的最高电位。最高电位。柵极相连柵极相连作输入端作输入端漏极相连漏极相连作输出端作输出端工作原理：工作原理：1.1.输入为低电平输入为低电平V VIL IL=0V=0V时，时，V VGS1GS1V VT1T1T T1 1管截止；管截止；|V|VGS2GS2|V VT2 T2 电路中电流近似为零忽略电路中电流近似为零忽略T1T1的截止漏电流的截止漏电流,VDD,VDD主要降落主要降落在在T1T1上，输出为高电平上，输出为高电平VOHVDDVOHVDD。T T2 2导通。导通。2.2.输入为高电平输入为高电平V VIHIH=V=VDDDD时，时，T T1 1通通T T2 2止，止，V VDDDD主要降在主要降在T T2 2上，上，输出为低电平输出为低电平V VOLOL0V0V。实现逻辑实现逻辑“非功能非功能AF CMOS反相器工作原理反相器工作原理CMOSCMOS门的门的V VTDD TDD，TTLTTL门的门的V VT T一般在。一般在。CMOSCMOS门输出：高电平为门输出：高电平为V VOHOH=V=VDD DD，低电平为，低电平为V VOLOL=0V=0V。TTLTTL门输出：高电平为门输出：高电平为V VOHOH，低电平为低电平为V VOLOL。二、二、CMOSCMOS门电路和门电路和TTLTTL门电路比较门电路比较对对CC4000CC4000系列门电路，通常系列门电路，通常输入高电平的值不能低于输入高电平的值不能低于DDDD，即，即V VIH(min)IH(min)DDDD输入低电平的值不能大于输入低电平的值不能大于DDDD，即，即V VIL(max)IL(max)DDDDCMOSCMOS传输特性矩型性比传输特性矩型性比TTLTTL好，且随好，且随V VDDDD按比例变化。按比例变化。2.3.3 其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门 2.或非门 3 带缓冲极的CMOS门与非门24131324(1):1,1210,0/20,11,0(2)(3)OOONONONOONONONOONONOONONOLOHGSIRABRRRRABRRRRABRRRABRRRVVTTVV存在的缺点：输出电阻受输入状态影响则则则则输出的高低电平受输入端数目的影响输入端越多，越高，也更低使、的达到开启电压时，对应的值不同解决方法与非门缓冲器或非门CBACBACBAY二 漏极开路的门电路OD门1.2.,()LDDDDDDR VVV可将输出并联使用，实现线与或用作电平转换、驱动器使用时允许外接可以不等于三、CMOS传输门及双向模拟开关1.传输门接地为正，另一端经设LIRV之间为低电阻至少一个导通和在所以导通导通时当相当于断开均截止、则则只要当设OIDDIDDIPthGSNthGSDDIDDIDDIILDDIHONLVVTTVVTVVVTVVVVVCCTTVVCCVVVRR21212100001201010,)(,)(,)()(2.双向模拟开关四、三态输出门)(高阻时，时，ZYNEAYNE10三态门的用途双极型三极管的开关特性BJT,Bipolar Junction Transistor2.2 TTL门电路2.2.1 半导体三极管的开关特性一、双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳)V(fiCEC 二 特性曲线分三个局部放大区：条件VCE 0.7V,iB 0,iC随iB成正比变化，iC=iB。饱和区：条件VCE 0,VCE 很低，iC 随iB增加变缓，趋于“饱和。截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,ce间“断开。三、双极型三极管的根本开关电路四、三极管的开关等效电路五、动态开关特性2.2.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设 VVPNVVVVVVONILIHCC7020435.结导通压降)()(.1020YVVAVVVOHOILI)()(.0143YVVAVVVOLOIHIPNNu0(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.2V)传输特性曲线传输特性曲线u0(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.2V)阈值阈值UT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点平输出低点平二、电压传输特性二、电压传输特性二、电压传输特性OIIDBERCCOHBIVVTTTVVVBCVVVVVVTTTTVVVVAB导通，截止，导通且工作在放大区段：线性区导通截止，导通，段：截止区452242452113170433160,.,.,.二、电压传输特性OLOOIOLOBTHIVVVVDEVVTTTVVVVVCD不变，而继续段：饱和区迅速所以截止，同时导通，所以段：转折区012414521,.,.需要说明的几个问题：故称倒相级。变化方向相反和的输出,222eCVVT。带负载能力，称推拉式既能降低功耗又提高了止。总有一个导通、一个截和输出级在稳态下，54TT可靠地截止。导通时保证抑制负向干扰5221TTDD1、输出高电平、输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。典型值典型值UOH=3.4V UOL 0.3V。2、阈值电压、阈值电压UTuiUT时，认为时，认为ui是高电平。是高电平。UT三、输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在OILIHIVVVV(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV2.2.3 TTL反相器的静态反相器的静态输入特性和输出特性输入特性和输出特性一、输入特性一、输入特性仅考虑输入信号是高电平和和低电平而不是仅考虑输入信号是高电平和和低电平而不是某一个中间值，输入端的等效电路可画成上图。某一个中间值，输入端的等效电路可画成上图。当当VCC=5V，VI=VIL=时，输入低电平电流为时，输入低电平电流为mA1RVVVI1IL1BECCIL VI=VIH=时，时，T1管处于倒置状态，所以高电平输入管处于倒置状态，所以高电平输入电流电流IIH很小。很小。系列门电路每个输入端的系列门电路每个输入端的IIH值在值在 A以下以下。输入特性曲线输入特性曲线二、输入端负载特性二、输入端负载特性“1,“0？+5VYvCCR4R2R1k T2R5R3T4T1T5b1c1A1.6k 130 1k D2D1(vI)Rui输入端接一电阻输入端接一电阻R接地接地Rui“1,“0？+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1R较小时较小时ui IOL(max)时，输时，输入不再是低电平。入不再是低电平。IOH及其极限及其极限 IOH(max)当当 IOH IOH(max)时，输时，输出不再是高电平。出不再是高电平。关于电流的技术参数关于电流的技术参数2.2.4 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象分布电容的影响）的存在和结电容（、原因,TD2二二.交流噪声容限交流噪声容限三三.电源的动态尖峰电流电源的动态尖峰电流 其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门012190205241451OLOBOHOBVVTTTVVBAVVTTVVVBABA导通，和截止，同为高电平时，和当导通，截止，时，有一个为和当由多发射极三极管实现,.,.加倍：每个值相同，并联后时相同：并联后与仅一个接地输入电流计算：IHILII2.或非门均加倍和输入电流计算时，导通截止，才有同为、只有截止导通，均使任何一个为、所以的输出并联和因为路两个完全一样的输入电ILIHOHOOLOIIVVTTBAVVTTBATT454522013.与或非门4.异或门二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用 OC门 集电极开路的与非门集电极开路的与非门OC门门设计考虑设计考虑+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC集电极悬空集电极悬空T3无无T3,T4+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC应用时输出端要接一上拉负载电阻应用时输出端要接一上拉负载电阻RLRLUCC 集电极开路与非门的电路和图形符号集电极开路与非门的电路和图形符号 工作时需外接电阻和电源工作时需外接电阻和电源1、OC门可以实现门可以实现“线与功能线与功能&UCCF1F2F3FF=F1F2F3RL输出级输出级UCCRLT5T5T5F=F1F2F3?UCCRLF1F2F3F任一导通任一导通F=0UCCRLF1F2F3F全部截止全部截止F=1F=F1F2F3?所以：所以：F=F1F2F3!OC门实现的线与)()()(CDABCDABYYYYYYY2121所以才为高，即为低，只有两者同高有一个低，、因为3、外接负载电阻RL的计算12OOHLLOOLLLLOCVVRROCVVRiR要求：、门输出管全部截止时，不能太大（得的上限）、门仅一个输出管道通，不能太小，否则 过大（得下限）3、外接负载电阻RL的计算(max)(,LIHOHOHCCLOHIHOHLCCOHOIHOHRmInIVVRVmInIRVVVIIOC所以则为保证负载输入电流为截止漏电流为门同时截止，3、外接负载电阻RL的计算(min),LILLMOLCCLLLOLOILLMRImIVVRRIVVIIOCOC所以不能太小不过大，且为保证负载门输入电流为流为门饱和时允许的最大电门导通，当仅一个三、三态输出门Three state Output Gate,TS)(,ZVVOHOL，高阻输出有三个状态：ZYDPENABYDPEN导通，为“高阻状态”截止，为“工作状态”,)()(,)(012101EN=1:功能同与非门功能同与非门EN=0:高阻高阻控制端高电平有效控制端高电平有效输输出出高高阻阻1E 0E)(ABF 功能表功能表三态门的用途一、高速系列74H/54H High-Speed TTL电路的改进(1)输出级采用复合管减小输出电阻Ro(2)减少各电阻值2.性能特点速度提高 的同时功耗也增加 2.2.6 TTL电路的改进系列改进指标)()(mwPnstdppdmWPnstpd101074,系列：标准21)(nstpd倍2)(mwP二、肖特基系列74S/54SSchottky TTL电路改进采用抗饱和三极管用有源泄放电路代替74H系列中的R3减小电阻值2.性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大左右至左右，下降到VVVVOLTH4011.三、低功耗肖特基系列74LS/54LS Low-Power Schottky TTL四、74AS,74ALS Advanced Low-Power Schottky TTL 2.5 其他类型的双极型数字集成电路*DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路 如：如：TTLTTL门电路芯片四门电路芯片四2 2输入与非门，型号输入与非门，型号74LS00)74LS00)地地GNDGNDTTLTTL门电路芯片简介门电路芯片简介外形外形&14141313121211111010 9 9 8 8 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7&管脚管脚电源电源VCCVCC+5V+5V4 4、常用、常用TTLTTL逻辑门电路逻辑门电路名称名称国际常用国际常用系列型号系列型号国产部标型号国产部标型号说明说明四四2 2输入与非门输入与非门74LS0074LS00T100T1000 0四四2 2输入或门输入或门四四2 2异或门异或门四四2 2输入或非门输入或非门四四2 2输入与门输入与门双双4 4输入与非门输入与非门双双4 4输入与门输入与门六反相器六反相器8 8输入与非门输入与非门74LS3274LS3274LS0274LS0274LS0874LS0874LS8674LS8674LS2174LS2174LS2074LS2074LS3074LS3074LS0474LS04T186T186T100T1008 8T108T1086 6T102T1021 1T100T1002 2一个组件内部一个组件内部有四个门，每有四个门，每个门有两个输个门有两个输入端一个输出入端一个输出端。端。一个组件内有一个组件内有两个门，每个两个门，每个门有门有4 4个输入端。个输入端。只一个门，只一个门，8 8个个输入端。输入端。有有6 6个反相器。个反相器。TTLTTL门电路的主要技术参数门电路的主要技术参数1)1)输出高电平、低电平输出高电平、低电平高电平高电平:3.4V-4V:3.4V-4V 以上以上低电平以下低电平以下2)2)阈值电压：阈值电压：U UTHTH=1.4V=1.4V V VI IV VO O高电平高电平低电平低电平1 1V VO OV VI IU UTHTH=1.4V=1.4V3)3)扇出系数扇出系数:N=10:N=10&11TTLTTL门电路的主要参数门电路的主要参数扇出系数扇出系数 输出端允许驱动的门电路的最大数目。输出端允许驱动的门电路的最大数目。输入输入A A、B B波形如下图波形如下图,请画出与非门的请画出与非门的输出输出Y Y波形。波形。ABYY=AB课堂练习课堂练习:&A AB BY Y A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0真值表真值表