《szdl门电路》PPT课件.ppt

第三章门电路 概述分立元件门电路TTL门电路MOS门电路TTL门电路与CMOS门电路小结 3 1概述 门电路 实现基本逻辑关系的电子电路主要构成逻辑门电路的性能和特点 逻辑特性 电气特性本章讨论 内部结构 工作原理 外部特性 3 2分立元件门电路 分立元件的开关特性 理想开关特性 开关K断开时 开关两端的电压为外部电压 通过开关的电流为0 开关等效电阻为 开关闭合时 开关两端电压为0 开关等效电阻为0 二极管开关特性 三极管开关特性 MOS管开关特性 正负逻辑及其它分立元件门电路 二极管与门 二极管或门 三极管反相器 DTL门电路 3 2 1二极管开关特性 二极管 二极管符号 图a 加正向电压 图b 加反向电压 结论 二极管具有单向导电性 正向导通 反向截止 二极管加正向电压和伏安特性曲线及等效电路如图a所示 若VCC V0 二极管导通 二极管导通电压VD 0 7V硅管 VD 0 2V锗管 二极管加反向电压如图b所示 若VCC 0V二极管截止i 0 二极管开关特性 等效电路 二极管伏安特性曲线与等效电路三种等效电路 a 二极管正向导通压降和正向电阻不能忽略 b 二极管正向导通压降不能忽略和正向电阻忽略 c 二极管正向导通压降和正向电阻都忽略 3 5 1三极管开关特性 三极管电路结构与符号 NPN型和PNP型 三极管的工作状态三极管的三个工作状态 截止状态 放大状态和饱和状态分析 结论 在数字电路中三极管作为开关元件主要工作在饱和状态 开 态 和截止状态 关 态 当Vi ViL VBE 时 T截止VO VCC当Vi ViH时 且iB iBS T饱和导通VO VCES 0 2V 集电极c 发射极e 基极b 一 双极型三极管的结构管芯 三个引出电极 外壳 基区薄低掺杂 发射区高掺杂 集电区低掺杂 三极管电路结构 双极型三极管的结构 管芯 三个引出电极 外壳 双极型三极管工作状态分析1 三极管基本开关电路 只要参数合理 VI VIL时 T截止 VO VOHVI VIH时 T导通 VO VOL 三极管工作状态 分析 2 三极管的工作状态 截止状态 截止状态 当输入电压Vi较小时 VBE 0 7V T截止iB iE iC 0 VRC 0 输出电压VCE VCC 等效电路 三极管工作状态 分析 2 三极管的工作状态 放大状态 放大状态 当输入电压Vi上升 0 7V T导通 有 iC iB iE iC iB 在放大状态下 iB iBS 输出电压VCE VCC iCRC 等效电路 三极管工作状态 分析 2 三极管的工作状态 饱和状态 饱和状态 随着输入电压Vi继续上升 iB iE iC增加 VCE VCC iCRC减小 三极管集电极正偏 iB iBS 输出电压VCE VCES 0 3V硅管 等效电路 3 三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态 3 3 1MOS管开关特性 MOS管结构图及逻辑符号 NMOS管工作原理分析MOS管工作在截止与导通状态 结论 VGS V thN 时 NMOS管截止 ROFF很大VGS V thN 时 NMOS管导通 RON较小 V thN NMOS开启电压或阈值电压 MOS管的四种类型 MOS管结构图 MOS管的结构 金属 氧化物 半导体场效应管 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 NMOS管 PMOS管 NMOS管工作原理 NMOS管的工作原理 NMOS管的基本开关电路 分析1 在栅 源极间加正向电压VGS 衬底感应出电子 当VGS较小时 感应的电子被衬底空穴中和 iDS 0 iDS 漏 源极电流 称高阻区 截止区 NMOS管的基本开关电路 NMOS管的基本开关电路 OFF 截止状态ON 导通状态 MOS管的四种类型 增强型耗尽型 大量正离子 导电沟道 正负逻辑及其它 数字电路中的高电平与低电平数字电路中的正负逻辑问题 正负逻辑的定义 设定 低电平 VL 为0 高电平 VH 为1 正逻辑低电平 VL 为1 高电平 VH 为0 负逻辑 正负逻辑的描述 电路中能区分高 低电平既可 使门电路导通或截止 一般地 其取值有允许的范围 由电路特性决定 正负逻辑及其它 正负逻辑的描述 正与逻辑 真值表 真值表 表达式 表达式 逻辑图 逻辑图 负或逻辑 负逻辑 3 2 2二极管与门 二极管与门 能实现与逻辑功能的电路称为与门二极管与门电路分析逻辑真值表 逻辑符号与表达式 二极管与门 原理分析 二极管与门电路分析 设输入高电平为3V 输入低电平为0V VCC 5V 当VA VB 0V 二极管DA DB均导通 VY VA VDA 0 0 7 0 7V 当VA 3V VB 0V 二极管DB导通 VY VB VDB 0 0 7 0 7V结论 实现与关系 当VA 0V VB 3V 二极管DA导通 VY VA VDA 0 0 7 0 7V 当VA VB 3V 二极管DA DB均导通 VY VA VDA 3 0 7 3 7V 3 2 3二极管或门 二极管或门 能实现或逻辑功能的电路称为或门二极管或门电路分析逻辑真值表 逻辑符号与表达式 二极管或门 原理分析 二极管或门电路分析 设输入高电平为3V 输入低电平为0V 当VA VB 0V 二极管DA DB均截止 VY 0V 当VA 3V VB 0V 二极管DA导通 VY VA VDA 3 0 7 2 3V结论 实现或关系 当VA 0V VB 3V 二极管DB导通 VY VB VDB 3 0 7 2 3V 当VA VB 3V 二极管DA DB均导通 VY VA VDA 3 0 7 2 3V 三极管反相器 三极管反相器 能实现非逻辑功能的电路称为非门 亦称反相器非门电路分析三极管反相器之2逻辑真值表 逻辑表达式和逻辑符号 三极管反相器 原理分析 非门电路分析 输入电压为低电平Vi ViL 0 3V 输入电压为高电平Vi ViH 3 2V 教材P114图3 5 7 三极管反相器 之2 三极管反相器之2非门电路如图 分析 输出端加入 VQ D功能 使输出高电平钳位在 VY VD VQ DTL门电路 DTL与非门电路图 二极管与门 三极管反相器实现逻辑功能 实现与非功能 DTL或非门电路图 二极管或门 三极管反相器实现逻辑功能 实现或非功能 3 5TTL门电路 TTL反相器及电气特性其他的TTL门电路特殊的TTL门电路TTL门电路的改进其他双极型门电路 3 5 2TTL反相器 TTL反相器TTL反相器的电气特性 传输特性 输入特性 输入负载特性 输出特性TTL反相器的动态特性例题 A 例题 B TTL反相器 电路结构 TTL反相器的结构TTL反相器的工作原理结论 实现非功能 T4 D2 T5 R4为输出级 T2 R2 R3为中间级 倒相级 T1 R1构成输入级 TTL反相器的工作原理 TTL反相器的工作原理 当输入为高电平Vi ViH时 T1倒置 T2导通 T5为深度饱和状态 当输入为低电平Vi ViL T1导通 T2截止 T5截止 输出通路由T4 D2构成 ViL ViH viL ViH VO 3 6V VO 0 2V TTL反相器的传输特性 电压传输特性阈值电压 VTH 1 4V 典型参数 输入低电平的最大值ViL max 0 8V 又称关门电压VOFF 确保输出为高电平的输入信号 输入高电平的最小值ViH min 2 0V 又称开门电压VON 确保输出为低电平的输入信号 阈值电压 VTH 1 4V T2 T5截止 T4 D2导通 T2放大导通 T5截止T4 D2导通 T2 T5导通 T4 D2截止 T2 T5饱和导通 T4 D2截止 TTL反相器的静态输入特性 静态输入特性 TTL反相器的输入负载特性 输入负载特性 输入负载R当Ri ROFF 关门电阻相当于Vi ViL当Ri RON 开门电阻相当于Vi ViH 一般有ROFF 0 8K RON 2K RON TTL反相器的输出特性 输出为低电平VOL 输出为高电平VOH 有电流IL从T5流入门 称 灌电流负载 有电流IL从T3 T4流出门 称 拉电流负载 IOL 灌电流负载能力 IOH 拉电流负载能力 当IL IOL可保证VO VOL当IL IOLVO上升 当IL IOH可保证VO VOH当IL IOHVO下降 TTL反相器的动态特性 反相器平均传输延迟时间tPd 三极管动态开关特性 输出低电平转换为高电平的传输延迟时间tPLH TTL反相器的动态特性 反相器平均传输延迟时间tPd 输出高电平转换为低电平的传输延迟时间tPHL TTL反相器 举例 A 例1 CMOS电路如图所示 VDD分别为5V 10V V为3 5V 求VO1 VO2 VO3 例2 已知TTL电路如图所示 其参数 VTH 1 4V ROFF 0 8K RON 3K 求VO1 VO2 VO3 TTL反相器 举例 例3 计算G可带多少个相同的门电路 已知门电路参数 IOH IOL 1 0mA 20mA IIH IIL 50uA 1 43mA 求G的扇出系数N 解 1 当G1输出高电平V0 VOH 3 N NH NL min 2 当G1输出低电平V0 VOL 其它 VO VOH VO VOL Vi ViH Vi ViL IOH IOL 驱动门 负载门 TTL反相器 举例2 例4 如图中所示电路 要保证Y A B 若在VO与VCC之间接R1 R1 取何值 若在V0与地之间接R2 R2取何值 例5 TTL门电路如图所示 已知其参数 VOH VOL 3 6V 0 3V IOH IOL 0 1mA 20mA RC 1K VC 10V 40 要实现P AB Y P AB 试确定RB的取值范围 3 5 5其他类型的TTL门电路 TTL门电路集成TTL门电路有 与门 或门 非门 与非门 或非门 与或非门 异或门 同或门TTL与非门TTL或非门TTL与或非门TTL异或门逻辑符号 逻辑功能 电气特性逻辑符号 逻辑功能 与前介绍同电气特性 参考TTL反相器常用的TTL集成门电路器件 详见教材叙述及相关手册查询 3 5 5其他类型的TTL门电路 TTL与非门 TTL与非门的结构 TTL与非门的改进与特点 T1多发射极三极管 构成与输入T3 T4达林顿结构 减低输出阻值T3 T4 T5推拉式输出 提高输出驱动能力 实现与非逻辑功能 TTL或非门 TTL或非门的结构 分析 T1 R1 T1 R1 为相同结构T2 T2 并接 发射极T5 集电极接R2构成中间级T2 T2 任一导通 T5导通 结论 实现或非功能 TTL与或非门 TTL与或非门的结构 T1 实现与关系 AB T1 实现与关系 CD T2 T2 构成或非关系 与或非关系 结论 实现与或非功能 TTL异或门 TTL异或门的电路结构 P130图3 5 31 特点 T1构成 T2 T3 T4 T5构成 T6 T7为 逻辑表达式 结论 实现异或功能 Y1 Y2 3 5 5特殊的TTL门电路 集电极开路门电路 OC门 三态门 TS门 3 5 5特殊的TTL门电路 集电极开路门电路 OC门 电路结构和逻辑符号 正确使用 需外接电阻及外接电源实现逻辑功能 线与 外接负载电阻RL的计算 集电极开路门电路 OC门 计算RL 外接负载电阻RL的计算 计算RL max 计算RL min 集电极开路门电路 OC门 计算RL max 外接负载电阻RL的计算 集电极开路门电路 OC门 计算RL min 外接负载电阻RL的计算 三态门 电路典型应用 逻辑符号 逻辑功能 三态门 典型应用 实现总线传输 实现双向传输 在任何时候 n个三态门仅允许其中一个门控制端有效 其他门处于高阻态 被选择有效的门将数据送上总线 当EN 1时 数据送入总线当EN 0时 数据由总线送出 3 5 6TTL集成电路及改进 高速系列电路特点 输出级采用复合管 减小输出电阻Ro 减少各电阻值优点 提高开关速度有源泄放电路电路特点 增加T6通路 为T5基极回路提供低阻泄放回路优点 提高开关速度 提高抗干扰能力抗饱和电路电路特点 改用抗饱和三极管 带肖特基二极管钳位的三极管优点 提高开关速度 一 高速系列74H 54H High SpeedTTL 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 3 5 6TTL电路的改进系列 二 肖特基系列74S 54S SchottkyTTL 1 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 三 低功耗肖特基系列74LS 54LS Low PowerSchottkyTTL 四 74AS 74ALS AdvancedLow PowerSchottkyTTL 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 3 6其他双极型门电路 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替代射极耦合逻辑电路 ECL 主要特点 电路速度快 负载能力强缺点 功耗大 噪声容限低集成注入逻辑电路 I2L 主要特点 电路简单 功耗低 便于大规模集成能在低电压 微电流下工作 缺点 各晶体管输入特性不一致 基极电路分配出现不均匀现象 噪声容限较低 3 4MOS门电路 电阻负载NMOS反相器CMOS反相器及电气特性其它的CMOS门电路特殊的CMOS门电路正确使用CMOS门电路其它的有源负载MOS门电路 电阻负载NMOS反相器 电路NMOS管 驱动管RL 负载分析 为使其输出低电平等于0V 负载电阻RD的阻值必须很大 使集成度下降 并影响C的充放电速度 改进 采取有源负载 负载能力强 功耗低 但工作速度较慢 当输入为高电平 Vi 10VVGS VTN T管导通 输出Vo电平为 当输入为低电平 Vi 0VVGS VTN T管工作在截止区 输出Vo VDD 10V 设 VDD 10V NMOS管的开启电压VTN 4V 导通时漏电阻rDS 1K 特点 MOS反相器的主要类型 电阻负载反相器负载 电阻驱动 MOS管同型反相器负载 驱动 同型MOS管E EMOS 增强型 增强型 E DMOS 增强型 耗尽型 N NMOS P PMOS反相器 互补对称型反相器负载 PMOS管驱动 NMOS管 CMOS反相器 3 3 2CMOS反相器 CMOS反相器及工作原理电气特性 电压传输特性 电流传输特性 输入保护电路与输入特性 输出特性例题 A 例题 B 3 3 2CMOS反相器 CMOS反相器及工作原理 电路组成 NMOS管 T1 驱动管 PMOS管 T2 负载管 分析 设NMOS管的开启电压为VTN 0 PMOS管的开启电压为VTP 0 且VDD VTN VTP 当输入为低电平 VI 0V 当输入为高电平 VI VDD 10V 特点 VGS2 0V VTN NMOS管截止 VGS1 0 10V VTP PMOS管导通 输出VO VDD 10V输出高电平 VGS2 10V VTN NMOS管导通 VGS1 0V VTP PMOS管截止 输出VO 0V输出低电平 CMOS反相器 特点 分析 当Vi ViL NMOS管截止 PMOS管导通 输出VO VDD VOH 当Vi ViH NMOS管导通 PMOS管截止 输出VO 0V VOL特点 电路由NMOS和PMOS构成互补MOS反相器 NMOS管和PMOS管总有一个处于截止状态 VI VILNMOS管截止 VI VIHPMOS管截止 因此静态功耗小 PMOS管视为可变电阻 导通时R很小 截止时R很大 有源负载 CMOS反相器的电压传输特性 电压传输特性 阈值电压 VTH 1 2VDD 当TN TP参数完全对称时 CMOS反相器的电流传输特性 电流传输特性输入电平Vi VGSN A段 T2 N 管截止iD 0输入电平Vi VGSP D段 T1 P 管截止iD 0在1 2VDD附近 T1 T2管均导通 iD最大 静态功耗小 CMOS反相器的输入特性 输入保护电路电路图 当Vi VDDD1导通输入电压被钳位在VDD VD当Vi 0D2导通输入电压被钳位在 VD 输入特性 在 VD Vi VDD VD有 ii 0 D2导通 下限 D1导通 上限 CMOS反相器的输出特性 低电平输出特性 VOL 高电平输出特性 VOH VDD越大 灌 拉 电流负载能力越强 有电流IL注入T2 N 管 称 灌电流负载 有电流IL由输出端T1 P 管流出 称 拉电流负载 IOL 灌电流负载能力 IOH 拉电流负载能力 当IL IOL可保证VO VOL当IL IOLVO上升 当IL IOH可保证VO VOH当IL IOHVO下降 3 3 5其它的CMOS门电路 CMOS或非门 输出电阻与输出缓冲器 NMOS管并接 PMOS管串接当任一NMOS管导通 A 1或B 1 输出Y 0实现逻辑功能 电路特点 CMOS与非门 NMOS管串接 PMOS管并接当两个NMOS管均导通 A 1或B 1 输出Y 0实现逻辑功能 电路特点 CMOS输出电阻与输出缓冲器 CMOS与非门输出电阻分析 带输出缓冲器的CMOS与非门 输出电阻由输入状态的不同而不一致 RON1 RON3 1 2RON RON1 RON3 RON2 RON4 2RON 1 1 1 0 CMOS输出缓冲器 带输出缓冲器的CMOS与非门电路特点 输入 输出级均为CMOS反相器 使输入 输出电阻一致 实现逻辑功能需进行逻辑变换 3 3 5特殊的CMOS门电路 CMOS传输门及模拟开关CMOS三态门 TS门 CMOS漏极开路门 OD门 3 3 5CMOS传输门及模拟开关 分析特点 电路结构与逻辑符号 组成 NMOS PMOS并联源极相接 输入端VI 漏极相接 输出端VO控制信号C C 为一对互为反相信号 当C 0 在0 VI VDD范围内 TN TP截止 VGSN 0V VGSP 0V 称 传输门截止 VO为高阻态 当C 1 在0 Vi VDD范围内 总有TN或TP导通称 传输门导通 VO Vi 符号 逻辑符号 CMOS传输门及模拟开关 特点 分析 Y A VO Vi 当C 1称 传输门导通 Y呈高阻态当C 0称 传输门截止特点 3 3 5CMOS三态门 电路结构与逻辑符号组成 CMOS反相器反相器源极接 NMOS T2反相器漏极接 PMOS T1分析特点 三态门的逻辑描述 逻辑符号与TTL三态门相同 低电平有效的三态门 三态门的逻辑描述 逻辑符号逻辑功能典型应用 3 3 5CMOS漏极开路门电路 OD门 电路结构和逻辑符号 逻辑符号 线与 正确使用 需外接电阻及外接电源实现逻辑功能 线与 3 3 6正确使用CMOS门电路 输入电路的静电防护 在储存和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装 最好采用金属屏蔽层作包装材料 用铝箔或铝盒 组装 调试时 电烙铁和其他工具 仪表等可靠接地 不用的输入端不能悬空 应进行恰当处理 接高电平或低电平 或与其他脚连接 输入电路的过流保护 输入端接低内阻信号源时 应在信号源与输入端之间串接限流电阻 不要频繁的从整机机架上拔下插上MOS器件 3 4其它类型的MOS集成电路 NMOS电路 NMOS与非门 或非门和与或非门PMOS电路 PMOS与非门 或非门和与或非门改进的CMOS门电路 详见其他参考书 3 8TTL门电路与CMOS门电路 性能比较主要电气参数的比较接口电路 TTL驱动CMOS CMOS驱动TTL 集成门电路的性能比较 TTL CMOS主要电气参数比较 其它参见 P106表3 3 2CMOS系列门电路性能P138表3 5 1TTL系列门电路性能 TTL驱动CMOS 1 TTL与CMOS的比较 不满足VOH VIH的驱动条件 2 驱动方法 接入上拉电阻 提高TTL电路输出的高电平 用带电平偏移的门电路实现电平变换 改造CMOS电路的输入高电平下限 如 74HCT系列高速CMOS VIH 2V 使TTL可直接驱动CMOS CMOS驱动TTL 1 CMOS与TTL的比较 CMOS输出高低电平均能满足TTL输入高低电平的需要 对4000系列 IOL 0 51mA IIL不满足灌电流驱动能力的要求 2 驱动方法 同逻辑门电路输出端并接使用 加大输出驱动电流 选用OD门 合理选用T放大器 加大其输出的电流驱动能力 小结 学习和掌握集成逻辑门的分类学习和理解逻辑门电路的电气特性 理解电气参数意义学习和理解特殊门电路类型 功能及描述了解各种TTL和CMOS门电路的基本构成和原理 电路特点 逻辑符号 重点了解 二极管与门 或门 三极管反相器 CMOS反相器 CMOS与非门 或非门 TTL反相器 TTL与非门 或非门等基本结构 分析电路输入输出 计算 学习要点 小结 集成逻辑门的分类两大类 TTL CMOS 各种功能的门电路 与 或 非 与非 或非等 特殊的门电路 功能及描述 逻辑符号 逻辑功能 表达式等 三态门 OC门 OD门 传输门电气特性 输入 输出 电压 电流 及主要参数电压传输特性 输入特性 输入负载特性 输出特性 TTL与CMOS的同异 TTL门电路和CMOS门电路逻辑功能与逻辑符号 相同特点 TTL门电路 工作速度快 驱动能力强CMOS门电路 功耗小 抗干扰能力强计算及分析 输入 高 低电平 R 输出 N0 RL 驱动匹配等 练习 分析如下TTL 74系列 电路 指出其输出状态 练习 分析如下CMOS 74HC系列 电路 指出其输出状态