《数字电子技术基础》(第四版).ppt

四川理工学院电子教研室2009,数字电子技术基础（第四版）教学课件,地址:四川自贡市汇兴路学苑街180号邮政编码：643000电子信箱：zbzbzb123联系电话：0813-5505869,四川理工学院电子教研室2009,第二章门电路2-1概述2-2二极管、三极管、MOS管开关等效电路2-3最简单的与、或、非门电路2-4TTL门电路2-5CMOS门电路,四川理工学院电子教研室2009,21.概述,如果以输出的高电平表示逻辑“1”，则为正逻辑，反之为负逻辑。,用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路统称为门电路,一、门电路,二、正、负逻辑,本课件中，全部采用正逻辑。,22.二极管三极管和MOS管开关等效电路,开关闭合,当UaUb时，D导通,开关断开,当UaUb时,D截止,当Ub为高电平UIH时，T饱和,当Ub为低电平UIL时，T截止,开关闭合,开关断开,一、二极管开关等效电路（理想情况下）,二、三极管开关等效电路（理想情况下）,四川理工学院电子教研室2009,三.MOS管开关等效电路（理想情况下）,当UGS2v时，,当UGS-2v时,（等效开关图同上）,TN截止,1、NMOS管开关等效电路,TN导通：,TP导通：,TP截止：,四川理工学院电子教研室2009,23最简单的与、或、非门电路,2-3-1二极管与门,2.工作原理,DaDb,UY,UaUb,0003v3v03v3v,3.真值表（状态表）,4.输出函数式,Y=AB,5.逻辑符号,&,Y,导通,导通,导通,导通,导通,导通,截止,截止,0.7V,0.7V,0.7V,3.7v,AB,1.电路组成（以二输入为例）,+VCC,R,A,B,Y,Da,Db,设：VCC=5V，,UIH=3v,UIL=0v,二极管正向压降0.7V。,四川理工学院电子教研室2009,1。电路组成(以二输入为例),2。工作原理,UaUb0003v3v03v3v,3。真值表,4.输出函数式,Y=A+B,5。逻辑符号,截止,截止,截止,截止,导通,导通,导通,导通,DaDb,UY,2.3v,2.3v,2.3v,Y,AB,1,0,2-3-2二极管或门,四川理工学院电子教研室2009,Vcc,3.真值表,A01,Y10,4.输出函数式,5.逻辑符号,2.工作原理,注：为了保证在输入低电平时三极管可靠截止，常将电路接成上图形式。由于接入了负电源VEE，即使输入低电平信号稍大于零，也能使三极管的基极为负电位，使三极管可靠截止，输出为高电平。,1。电原理图,Ua,0,3v,T,截止,饱和,UY,0,2-3-3.三极管非门,四川理工学院电子教研室2009,2-3-4.其它门电路,一、其它门电路,其它门电路有与非门、或非门、同或门、异或门等等。,（略）,二、门电路的“封锁”和“打开”问题,当C=1时，Y=AB.1=AB,与门打开，与功能成立。,当C=0时，Y=AB.0=0,与门封锁，与门不能工作。,当C=1时，Y=A+B+1=1,或门封锁，或门不能工作。,当C=0时，Y=A+B+0=A+B,或门打开，或功能成立。,能“打开”或者“封锁”门电路的信号叫“控制信号”。,控制信号的输入端叫“控制端”，或“使能端”。,与门、与非门可用“0”封锁，用“1”打开；,或门、或非门可用“1”封锁，用“0”打开；,四川理工学院电子教研室2009,2-4TTL门电路,3、真值表和逻辑符号,1、电路结构图,输入级,倒相级,输出级,2、工作原理,设Vcc=5V,UIH=3.4v,UIL=0.2v,PN结的导通电压为0.7v。,2.1V,UA,T1发射结,UB1,T2,T3,T4,UY,0.2V,导通,0.9v,截止,导通,截止,3.4v,3.4V,导通,4.1v,导通,截止,导通,0.2v,?,T1集电结,截止,导通,T1,T2,T3,T4,R1,Y,+VCC,A,UB1,2-4-1TTL非门,T2，T4导通后，把UB1钳制在2.1V。,此时：T1处于倒置工作状态；、IIH都很小,74系列门电路的每个输入端的IIH40A。,IIH,T1,UB1,3.4V,2.1V,1.4V,5、电压传输特性,当非门的UI,UTH,当非门的UI,UTH时，,TTL门电路有7174系列，74系列的标准参数：UOH（min）=2.4vUOL(max)=0.4vUIH(min)=2.0vUIL(max)=0.8v,UTH时，,TTL非门的电压传输特性如图，其转折区对应的输入电压叫阈值电压，记为UTH,VO/V,VI/V,UTH=1.4v,=U0L,U0,U0,=U0H,因为：,四川理工学院电子教研室2009,2.输入为高电平（UIH2v）时,等效简化电路如图：,T1管倒置工作0，高电平输入电流IIH很小，为A级。,低电平输入电流IIL较大，当Vcc=5v，UIL=0.2v时，IIL1mA。,输入简化电路如图：,一.输入特性（讨论T1管）,1.输入低电平（UIL0.8v)时,近似分析时，常用IIS来代替。,IIS是输入短路（UIL=0）时的电流。,74系列门电路的每个输入端的IIH40A。,UIL,IIL,截止,UIH,IIH,导通,be2,be4,2-4-2TTL非门的静态输入特性和输出特性,四川理工学院电子教研室2009,二.输出特性,1.输出为低电平时（U0=U0L0.4V),输出端带负载的情形如图：,低电平输出电流:IOL=N1IILN1IIS,由于T4管的导通电阻为RON，,N1是输出低电平时负载门的数目。,所以，UOL=IOLRON。,为了保证UOL0.4v，,要限制负载门的数目N1。,截止,导通,UOL,驱动门,负载门,IIL,IIL,IOL,高电平输出电流：,由于T3管的导通电阻为RON，所以：UOHVCC-N2IIH(RC3+RON)-0.7v,为了保证UOH2.4v，要限制负载门的数目N2。,2.输出端为高电平时(U0=UOH2.4v),输出端带负载的情形如图：,扇出系数N是门电路可以驱动同类门电路的最大数目。N应该确定为上述N1和N2的较小值.,N2是输出高电平时负载门的数目。,导通,截止,UOH,驱动门,负载门,IIH,IIH,IOH,三.门电路的扇出系数N,IOH=N2IIH,四川理工学院电子教研室2009,四、门间限流电阻的确定,R,为了保证G1输出的高、低电平能正确地传输到G2的输入端，门间限流电阻R不能太大，要求：,1、当UO1=UOH时，UI2UIH（min)应满足,此时，门间电流流向如图，,UOH,UIH,IIH,所以，下式应满足:,UOH-IIHRUIH（min),（1）,2、当UO1=UOL时，UI2UIL（max)应满足,所以，下式应满足:,UOL+IILRUIL（max),（2）,此时，门间电流流向如图，,UOL,UIL,IIL,根据（1）、（2）式可确定门间连接电阻R的数值。,通常，R1K。,四川理工学院电子教研室2009,TTL门电路中的与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门等，,2-4-3.其它类型的TTL门电路,下面重点介绍TTLOC门和三态门,四川理工学院电子教研室2009,1.线与问题,在数字系统中，有些场合需要将门电路的输出端并联使用，即“线与”。,Y=0,2.OC门,解决上述问题的办法：需要线与时，用OC门。,线与,电流大,损坏T4,导通,导通,截止,截止,1,0,IIL,1）结构,但推拉式输出的门电路不能并联。,例如，如图所示情形时,门电路会损坏。,一、OC门（集电极开路的门）,2）逻辑符号,（以OC与非门为例）,四川理工学院电子教研室2009,3.OC门的使用,使用OC门时，应外接上拉电阻RL和电源VCC。,4.线与输出函数式,若电路如图：,Y,RL,+VCC,则：,(与非与）,（与或非）,RL的大小应根据公式计算，,通常在12K之间。,VCC的数值根据UOH的需要选定；,四川理工学院电子教研室2009,二、三态门（TS门）,1、三态门的组成及工作原理,EN端为“使能端”。,当EN=1时：,同时，二极管D截止，对T2、T3也没有影响，,原非门电路正常工作。,当EN=0时：,同时，二极管D导通，T3基极为低电平，T3截止。,T3、T4均截止，非门电路输出为高阻状态。,T1输入端被封锁，UB1为低电平，T2、T4截止；,EN,EN,三态非门逻辑符号,对T1没有影响；,逻辑符号,名称,输出表达式,2、常用三态门的图形符号和输出逻辑表达式,Y=,高阻（EN=0时）,Y=,Y=,高阻（EN=0时）,Y=,三态非门,（1控制有效）,三态非门,（0控制有效）,三态与非门,（1控制有效）,三态与非门,（0控制有效）,四川理工学院电子教研室2009,1）同一条线上分时传送数据，其连线方式称为“总线结构”。,工作原理：（以三路输入为例）,2）实现数据的双向传输,1,工作,传输结果,EN,G1G2,EN1EN2EN3,总线传递,Y1路数据,Y2路数据,Y3路数据,001,010,100,0,总线,工作原理,高阻态,工作,高阻态,3、三态门的应用,四川理工学院电子教研室2009,2-5CMOS门电路,基本电路用TP管和TN管构成。,输入脉冲幅度通常为VDD。,VA,0V,TPTN,UY,VDD,真值表,当UI,VDD/2时,=U0L0,当UI,VDD/2时,=U0HVDD,表达式,Y=A,U0,U0,其阈值电平VTH=VDD/2,0,VDD,VDD,截止,截止,导通,导通,0,TN,TP,+VDD,A,Y,VDD/2,VDD,VDD/2,VDD,2-5-1CMOS反向器的工作原理,一.电路结构,二.工作原理,三.电压传输特性,四川理工学院电子教研室2009,由于CMOS反向器的栅极和衬底之间有SiO2绝缘层，所以CMOS反向器正常工作时，有II=IG=0成立。,但绝缘层非常薄，极易击穿,所以，制作CMOS器件时，集成了“输入保护电路”,以保护绝缘层不被击穿。,输入保护措施是有限度的，使用时还必须注意器件的正确使用方法。,2-5-2CMOS反向器的静态输入特性和输出特性,一、输入特性,四川理工学院电子教研室2009,由于UGS越大，TN管的导通电阻RON就越小，,1.低电平输出特性,U0=U0L时:,所以：在同样的IOL值下，VDD越高，使TN管导通时的UGS就越大，其RON就越小，UOL也就越低。,+VDD,UIH,UOL,IOL,RL,IOL从负载电路注入TN管。,TN管导通，,TP管截止，,VDD=5V,10V,15V,二、输出特性,四川理工学院电子教研室2009,2.高电平输出特性,由于UGS越负，TP管的导通电阻RON就越小，,U0=U0H时：,所以：在同样的IOH值下，VDD越高，使TP管导通时的UGS就越负，其RON就越小，VOH也就越高。,UIL,UOH,IOH,RL,IOH从TP管流向负载电路。,TP管导通，,TN管截止，,VDD,VDD=5V,10V,15V,四川理工学院电子教研室2009,CMOS门电路中的与或非门、异或门、同或门等,2-5-3其它类型的CMOS门电路,四川理工学院电子教研室2009,一、CMOS与非门（以二输入为例）,1、组成,两TP管在上，并联；,两TN管在下，串联；,2、工作原理,只有当AB同为1、使串联的TN管同时导通时，输出才为0，其它情况输出为1。,AB,00,01,10,11,T3PT1PT2NT4N,Y,B,A,功能特点：,3、输出逻辑表达式,1,1,1,0,通,通,通,通,通,通,通,通,止,止,止,止,止,止,止,止,四川理工学院电子教研室2009,二、CMOS或非门（以二输入为例）,3、输出逻辑表达式：,Y=AB,1、组成,两TP管在上，串联；,两TN管在下，并联；,2、工作原理,只有当AB同为0、使串联的TP管同时导通时，输出才为1，其它情况输出为0。,功能特点：,AB,00,01,10,11,T3PT1PT2NT4N,Y,B,A,通止通止,通通止止,止止通通,止通止通,1,0,0,0,=A+B,四川理工学院电子教研室2009,为了克服上述缺点，可在门电路的输入、输出端增设“缓冲器”。,CMOS门电路的优点：电路结构简单,CMOS门电路的缺点：,1）输出电阻RO的大小，受输入端状态的影响,2）输出电平UOL、UOH，受输入端数目的影响,缓冲器可由CMOS非门组成。,增加缓冲器后，电路的逻辑功能将改变：,&,1,Y=A+B,Y=AB,三.带缓冲级的CMOS门电路,四川理工学院电子教研室2009,1.CMOS传输门（TG）,组成和逻辑符号,如同TTLOC门，CMOSOD门，可用来实现“线与逻辑”。,工作时，要求UI在0VDD之间变化。,CMOS传输门是双向输入和输出器件，两端可以互易使用。,C,VI/VO,VO/VI,C,VI/VO,VO/VI,四.OD门（漏极开路的门电路）,五.CMOS传输门,T1、T2截止，传输门截止。,四川理工学院电子教研室2009,2.CMOS传输门应用举例,利用CMOS传输门和CMOS非门可以组成各种复杂的逻辑电路。,当C=0时，SW截止；,CMOS双向模拟开关的组成和符号：,CMOS三态门电路结构举例见下页,例如做模拟开关，用来传输模拟信号，这是一般的逻辑门无法实现的。,C,VI/VO,VO/VI,C,VI/VO,VO/VI,六.CMOS三态输出门（TS门）,当C=1时，SW导通。,四川理工学院电子教研室2009,例1、电路结构见图,工作原理,输出逻辑表达式和图形符号：,Y=,高阻,CMOS三态输出门（TS门）举例,00,10,11,T1PT1PT2NT2N,10高阻高阻,Y,EN,A,通止通止,止通止通,通通止止,通通止止,01,四川理工学院电子教研室2009,例2.电路结构见图,工作原理,00,10,11,B,1110,T1PT2NT2N,Y,高阻高阻01,EN,B,输出逻辑表达式和图形符号：,Y=,A,高阻,ENA,止止止通,通通通止,止止通通,（EN=1时）,（EN=0时）,01,四川理工学院电子教研室2009,例3.电路结构见图,工作原理,TG,Y,00,10,11,输出逻辑表达式和图形符号：,Y=,A（EN=0时）,高阻（EN=1时）,01,导通,截止,截止,导通,高阻,高阻,0,1,