电工电子技术--逻辑门电路--课件

20.2 分立元件门电路简介分立元件门电路简介20.3 TTL集成门电路集成门电路20.4 CMOS门电路门电路第第20章章 逻辑门电路逻辑门电路20.1 晶体管的开关作用晶体管的开关作用1ppt课件20.2.1 二极管的开关作用二极管的开关作用 门电路是实现一定逻辑关系的电路，是组成数字门电路是实现一定逻辑关系的电路，是组成数字电路的基本单元，本章重点介绍集成门电路的逻辑电路的基本单元，本章重点介绍集成门电路的逻辑功能及外部特性。功能及外部特性。20.1 晶体管的开关作用晶体管的开关作用UDDUD 0 时，时，D导通导通DUD V VCCCCR RC C ICS VCCRC IB IBS=饱和条件饱和条件3ppt课件20.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性UCEIB V VCC CC I IC CR RC CU UCES CES 0.3V0.3V VCCI IC C/0I ICSCS V VCCCCR RC C 饱和时饱和时CE之间近似为短路之间近似为短路 UCE=UCES 0.3V 开开开开截止时截止时CE之间近似为开路之间近似为开路 UCE=VCC (IC=0)关关关关+12VRcTRkAUCE4ppt课件20.2.1 分立元件门电路简介分立元件门电路简介1.1.二极管与门电路二极管与门电路 +12VABCDADBDC设设 uA=0，uB=uC=3V则则 DA优先导通优先导通uY=0.3V Y=0uY=0.3VYDB、DC 截止截止20.2 分立元件门电路简介分立元件门电路简介R设二极管管压降为设二极管管压降为0.3伏伏5ppt课件 +12VABCDADBDC设设 uA=uB=uC=0DA、DB、DC 都导通都导通Y=0uY=0.3VYuY=0.3VR1.1.二极管与门电路二极管与门电路6ppt课件设设 uA=uB=uC=3V uY=3.3V，Y=1 +12VABCDADBDCuY=3.3VYDA、DB、DC 都导通都导通R1.1.二极管与门电路二极管与门电路7ppt课件 +12VABCDADBDCY 由以上分析可知：由以上分析可知：由以上分析可知：由以上分析可知：只有当只有当只有当只有当A A、B B、C C全为全为全为全为高电平时，输出端才高电平时，输出端才高电平时，输出端才高电平时，输出端才为高电平。正好符合为高电平。正好符合为高电平。正好符合为高电平。正好符合与门的逻辑关系。与门的逻辑关系。与门的逻辑关系。与门的逻辑关系。Y=ABCABCY&R1.1.二极管与门电路二极管与门电路8ppt课件设设 uA=3V，uB=uC=0V 则则 DA导通导通 uY=30.3=2.7V DB、DC 截止，截止，Y=1DA 12VYABCDBDCuY=2.7V2.二极管或门电路二极管或门电路R9ppt课件DAYABCDBDC设设 uA=uB=uC=3VDA、DB、DC 都导通都导通uY=2.7VuY=2.7V，Y=1R2.二极管或门电路二极管或门电路 12V10ppt课件DAYABCDBDC设设 uA=uB=uC=0V DA、DB、DC 都导通都导通uY=0.3VuY=0.3V，Y=0R2.二极管或门电路二极管或门电路 12V11ppt课件DAYABCDBDCY=A+B+C 由以上分析可知：由以上分析可知：只有当只有当只有当只有当A A、B B、C C全为全为全为全为低电平时，输出端才低电平时，输出端才低电平时，输出端才低电平时，输出端才为低电平。符合或门为低电平。符合或门为低电平。符合或门为低电平。符合或门的逻辑关系。的逻辑关系。的逻辑关系。的逻辑关系。RYABC12.二极管或门电路二极管或门电路 12V12ppt课件3.非门电路非门电路设设 uA=3V,T 饱和导通饱和导通+12V+3VDRcT12VRBRkAYuY=0.3VuY=0.3V,Y=0,D 截止截止13ppt课件 设设 uA=0V，T截止截止，D导通导通 A1YY=A+12V+3VDRcT12VRBRkAYuY=3.3VuY=3.3V，Y=1当当当当 A A为低电平时，输出端为高电平。当为低电平时，输出端为高电平。当为低电平时，输出端为高电平。当为低电平时，输出端为高电平。当 A A为高电平为高电平为高电平为高电平时，输出端为低电平。正好符合非门的逻辑关系。时，输出端为低电平。正好符合非门的逻辑关系。时，输出端为低电平。正好符合非门的逻辑关系。时，输出端为低电平。正好符合非门的逻辑关系。由以上分析可知：由以上分析可知：14ppt课件T T1 1等效电路等效电路等效电路等效电路 C120.3.1 TTL与非门的基本原理与非门的基本原理20.3 TTL集成门电路集成门电路+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4YB1+5VA B C R1B1 C115ppt课件+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4uo(Y)设设 uA=0.3V 则则 VB1=0.3+0.7=1VRLuo=5 UBE3 UBE4 UR2 =5 0.7 0.7 =3.6V Y=1拉电流拉电流拉电流拉电流VB1=1Vuo=3.6V+5VA B C R1 C1 B1T2、T5 截止截止T3、T4导通导通设设 A=0（小小）16ppt课件uo=0.3V+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4uo(Y)设设 uA=uB=uC=3.6V，输入端全部是高电平，输入端全部是高电平，VB1升高，足以使升高，足以使T2,T5导通，导通，uo=0.3V,Y=Y=0 0。且。且VB1=2.1V，T1发射结全部反偏。发射结全部反偏。V VC2C2 =V VCE2CE2+V VBE5BE5 =0.30.3 +0.7=0.7=1V1V，使，使T3导通，导通，T4截止。截止。灌电流灌电流灌电流灌电流T1R1+VccVB1=2.1VVC2=1V设设 A=B=C=117ppt课件 由以上分析可知：由以上分析可知：当输入端当输入端A、B、C均为高电平时，输出端均为高电平时，输出端Y为为低电平。当输入端低电平。当输入端A、B、C中只要有一个为低电平中只要有一个为低电平,输出端就为高电平输出端就为高电平,正好符合与非门的逻辑关系。正好符合与非门的逻辑关系。Y=ABCABCY&18ppt课件uo/(V)ui/(V)UOHUOLUOFFUONUILUIHOUNLUNH“1”uouiTTL 与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性UIH 输入高电平输入高电平UIL 输入低电平输入低电平UOH 输出高电平输出高电平UOL 输出低电平输出低电平UON 开门电平开门电平UOFF 关门电平关门电平UNH 高电平抗干扰容限高电平抗干扰容限UNL 低电平抗干扰容限低电平抗干扰容限&19ppt课件20.3.2 TTL与非门组件与非门组件 TTL与非门组件就是将若干个与非门电路，与非门组件就是将若干个与非门电路，经过集成电路工艺制作在同一芯片上。经过集成电路工艺制作在同一芯片上。74LS0074LS00组件含有组件含有组件含有组件含有四个两输入端四个两输入端四个两输入端四个两输入端 与非门。与非门。与非门。与非门。+VCC14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7地地74LS00&20ppt课件+5VABT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4YDEN VB1=1VEN=0时时，VB1=1V，T2、T5截止；截止；二极管二极管D导通，使导通，使VB31VT3、T4截止，截止，输出端开路输出端开路EN=1时，二极管时，二极管D截止，截止，Y=ABY=AB，同，同TTL与非门。与非门。VB3=1V20.3.3 三态输出门电路三态输出门电路（Y Y为高阻状态为高阻状态为高阻状态为高阻状态）21ppt课件A B&ENA B&ENA B&ENA B&ENABY&EN三态与非门三态与非门逻辑符号逻辑符号EN为控制端且高电平有效，为控制端且高电平有效，即即EN=1时，同时，同TTL与非门，与非门，Y=AB；EN=0时，输出端时，输出端为高阻状态。为高阻状态。EN为控制端且低电平有效，为控制端且低电平有效，即即EN=0时，同时，同TTL与非门，与非门，Y=AB；EN=1时，输出端时，输出端为高阻状态。为高阻状态。用三态门接成总线结构用三态门接成总线结构ABY&ENA1ENENY三态非门三态非门22ppt课件单向单向总线总线EN=1 时，时，Y=D1EN=0 时，时，D2=Y三三 态态 门门 的的 应应 用用双向总线双向总线1ENG1END11END2总线总线YG21ENG1EN1A11ENG2EN2A21ENG3EN3A3总线总线Y23ppt课件SiO2结构示意图结构示意图20.5.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管P型硅衬底型硅衬底栅极栅极G20.5 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管衬底引线衬底引线 BN+N+DBSG符号符号1.结构和符号结构和符号特点：一种载流子导电；特点：一种载流子导电；电压控制型器件电压控制型器件源极源极S漏极漏极D 24ppt课件SiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底耗尽层耗尽层衬底引线衬底引线BN+N+SGDUDSID=0D与与S之间是两个之间是两个PN结反向串联，结反向串联，无论无论D与与S之间加之间加什么极性的电压，什么极性的电压，漏极电流均接近漏极电流均接近于零。于零。2.工作原理工作原理(1)(1)UGS=025ppt课件P型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层ID=0(2)0 UGS UGS(th)N型导电沟道型导电沟道N+N+UGS由于由于由于由于N N型导电沟道中只有一种载流子导电，型导电沟道中只有一种载流子导电，型导电沟道中只有一种载流子导电，型导电沟道中只有一种载流子导电，因此将场效应管称为因此将场效应管称为因此将场效应管称为因此将场效应管称为单极型三极管单极型三极管。27ppt课件4321051015UGS=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击击穿穿区区可可变变电电阻阻区区246UGS/V3.特性曲线特性曲线UGS(th)输出特性输出特性输出特性输出特性转移特性转移特性转移特性转移特性 UDS/VID/mAUGS=常数常数ID=f(UDS)UDS=常数常数ID=f(UGS)夹断区夹断区UGS(th)称为开启电压称为开启电压28ppt课件ID/mAUDS=10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123246UGS/V3.特性曲线特性曲线UGS(th)转移特性转移特性转移特性转移特性UDS=常数常数ID=f(UGS)UGS(th)称为开启电压称为开启电压ID=IDO(-1)2UGSUGS(th)转移特性可近似表示为转移特性可近似表示为ID=IDO式中式中 UGS UGS(th)当当 UGS=2 UGS(th)时，时，IDO29ppt课件结构示意图结构示意图20.5.2 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型绝缘栅场效应管P型硅衬底型硅衬底源极源极S漏极漏极D 栅极栅极G衬底引线衬底引线B耗尽层耗尽层1.结构特点和工作原理结构特点和工作原理N+N+正离子正离子N N型沟道型沟道SiO2DBSG符号符号制造时制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。30ppt课件432104812UGS=1V2V3V输出特性输出特性输出特性输出特性转移特性转移特性转移特性转移特性耗尽型耗尽型NMOS管的特性曲线管的特性曲线 1230V1012123 UGS/V2.特性曲线特性曲线 ID UGSUGS(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mAUGS=常数常数ID=f(UDS)UDS=常数常数ID=f(UGS)UGS(off)称为夹断电压称为夹断电压31ppt课件转移特性转移特性转移特性转移特性耗尽型耗尽型NMOS管的特性曲线管的特性曲线 123012123 UGS/V2.特性曲线特性曲线UGS(off)UDS=10VID/mAUDS=常数常数ID=f(UGS)UGS(off)称为夹断电压称为夹断电压IDSSID=IDSS(1 -)2 UGS UGS(off)转移特性可近似表示为转移特性可近似表示为式中式中 UGS(off)UGS 0 当当 UGS=0 时，时，ID=IDSSIDSS 漏极饱和电流漏极饱和电流32ppt课件N型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层PMOS管结构示意图管结构示意图P沟道沟道20.5.3 P沟道绝缘栅场效应管（沟道绝缘栅场效应管（PMOS）PMOS 管与管与 NMOS 管互管互为对偶关系，为对偶关系，使用时使用时UGS、UDS 的极性的极性也也与与NMOS管相反管相反。P+P+UGSUDSID33ppt课件1.P沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管开启电压开启电压UGS(th)为为负值，负值，UGS UGS(th)时导通。时导通。SGDB符号符号 ID/mAUGS /V0UGS(th)转移特性转移特性2.P沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型绝缘栅场效应管DBSG符号符号 ID/mAUGS /V0UGS(off)转移特性转移特性夹断电压夹断电压UGS(off)为为正值，正值，UGS UGS(off)时导通。时导通。34ppt课件 在在UDS=0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高，通常可达高，通常可达108 1015 。1.5.4 绝缘栅场效应管的主要参数绝缘栅场效应管的主要参数1.开启电压开启电压UGS(th)指在一定的指在一定的UDS下下,开始出现漏极电流所需的栅源电压。开始出现漏极电流所需的栅源电压。它是增强型它是增强型MOS管的参数，管的参数，NMOS为正，为正，PMOS为负。为负。2.夹断电压夹断电压 UGS(off)指在一定的指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，管的参数，NMOS管是负值，管是负值，PMOS管是正值。管是正值。3.直流输入电阻直流输入电阻 RGS(DC)35ppt课件 另外，漏源极间的击穿电压另外，漏源极间的击穿电压 U(BR)DS、栅源极间、栅源极间的击穿电压的击穿电压 U(BR)GS 以及漏极最大耗散功率以及漏极最大耗散功率 PDM 是管是管子的极限参数，使用时不允许超过。子的极限参数，使用时不允许超过。gm=ID/UGS UGS=常数常数 跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。力的一个重要参数。UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导的栅源电压的微变量之比称为跨导,即即4.低频跨导低频跨导 gm 单位：单位：A/V36ppt课件20.2.3 场效应管的开关特性场效应管的开关特性当当 UGS UGS(th)时时,NMOS管截止管截止,DS之间近似为开路。之间近似为开路。关关关关对增强型对增强型对增强型对增强型 NMOSNMOS管管管管当当 UGS UGS(th)时时,PMOS管截止管截止,DS之间近似为开路。之间近似为开路。关关关关对增强型对增强型对增强型对增强型 PMOSPMOS管管管管当当 UGS UGS(th)时时,NMOS管导通管导通,DS之间近似为短路。之间近似为短路。开开 VDDRDTUDSD DS SGGUGS+VDDRDTUDSD DS SGGUGS37ppt课件1.1.CMOS 反相器反相器AYTP+VDDTN当当 A为高电平时，为高电平时，TN导通导通 TP截止，截止，输出输出 Y为低电平。为低电平。当当 A为低电平时，为低电平时，TP导通导通 TN截止，截止，输出输出 Y为高电平。为高电平。20.4 CMOS门电路门电路38ppt课件TP1TP2TN1TN2+VDDY2.CMOS与非门与非门TP1 与与TP2并联，并联，TN1 与与TN2串联；串联；当当AB都是高电平时都是高电平时TN1 与与TN2同时导通同时导通TP1 与与TP2同时截止；同时截止；输出输出Y为低电平。为低电平。当当AB中有一个是低中有一个是低电平时，电平时，TN1 与与TN2中有一个截止，中有一个截止，TP1 与与TP2中有一个导通，中有一个导通，输出输出Y为高电平。为高电平。AB39ppt课件3.CMOS或非门或非门BTP1TP2TN1TN2+VDDAY当当AB中有一个是高电平，中有一个是高电平，TN1 与与TN2中有一个导通，中有一个导通，TP1 与与TP2中有一个截止，中有一个截止，输出输出Y为低电平。为低电平。当当AB都是低电平时，都是低电平时，TN1 与与TN2同时截止，同时截止，TP1 与与TP2同时导通；同时导通；输出输出Y为高电平。为高电平。40ppt课件当当 EN=0 时时,TNTP同时导通，同时导通，非门正常工作，非门正常工作，Y=A；当当 EN=1时时,TNTP同时截止，同时截止，输出端输出端Y呈呈高阻状态高阻状态高阻状态高阻状态。4.CMOS三态非门三态非门TPTNTNA AYTPENEN1控制端控制端 EN 低电平有效。低电平有效。+VDD41ppt课件