数字逻辑与数字系统 门电路ppt课件

1、 第二章第二章 门电路门电路数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统第二章第二章 门电路门电路2.1 概述概述2.2 分别元件门电路分别元件门电路2.3 TTL与非门与非门2.4 其它类型的其它类型的TTL门电路门电路2.5 MOS门电路门电路2.1 概述概述门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与根本逻辑关系相对应。路，与根本逻辑关系相对应。门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。非门、异或门等。门电路的输出形状与赋值对应关系：门电路的输出形状与赋值对应关系：正逻辑：高电位对应正逻辑：高电位对应

2、“1；低电位对应；低电位对应“0。混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。入用负逻辑、输出用正逻辑。普通采用普通采用正逻辑正逻辑负逻辑：高电位对应负逻辑：高电位对应“0；低电位对应；低电位对应“1。100VVcc在数字电路中，对电压值为多少并不重要，在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只需能判别高低电平即可。只需能判别高低电平即可。K开开-VO输出高电平，对应输出高电平，对应“1 。K合合-VO输出低电平，对应输出低电平，对应“0 。VOKVccR V VTTL: 高电平：高电平：2-5V ； 低电平：低电平：0-0.

3、8V门门(电子开关电子开关)满足一定条件时，电路允满足一定条件时，电路允 许信号经过许信号经过 开关接通开关接通 。开门形状：开门形状：关门形状：关门形状：条件不满足时，信号通不条件不满足时，信号通不过过 开关断开开关断开 。开关开关作用作用二极管二极管反向截止：反向截止：开关接通开关接通开关断开开关断开三极管三极管C,E)饱和区：饱和区： 截止区：截止区：开关接通开关接通CEB开关断开开关断开 正导游通：正导游通： CEBR1R2AF+uccuAtuFt+ucc0.3V三极管的开关特性：三极管的开关特性：2.2 分别元件门电路分别元件门电路 一、二极管与门一、二极管与门FD1D2AB+12V

4、uAuBuF0V0V0.3V0V3V0.3V3V0V0.3V3V3V3.3V逻辑变量逻辑变量逻辑函数逻辑函数( uD=0.3V(Ge)或或0.7v(Si ) )uAuBuF0V0V0.3V0V3V0.3V3V0V0.3V3V3V3.3V0 0 00 1 0 A B F1 0 01 1 1逻辑式：逻辑式：F=A B逻辑符号：逻辑符号：&ABF二、二极管或门二、二极管或门uAuBuF0V0V-0.3V0V3V2.7V3V0V2.7V3V3V2.7VFD1D2AB-12VuAuBuF0V0V-0.3V0V3V2.7V3V0V2.7V3V3V2.7V0 0 00 1 1 A B F1 0 11

5、 1 1逻辑式：逻辑式：F=A+B逻辑符号：逻辑符号： ABFR1DR2AF+12V +3V三、三极管非门三、三极管非门uAuF3V0.30V3.3嵌位二极管嵌位二极管uAuF3V0.30V3.3AF0110逻辑式：逻辑式：AF 逻辑符号：逻辑符号：1AFR1DR2F+12V +3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门四、与非门四、与非门逻辑式：逻辑式：BAF &ABF逻辑符号：逻辑符号：1. 体积大、任务不可靠。体积大、任务不可靠。2. 需求不同电源。需求不同电源。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。分立元件门电路的缺陷：分立元件

6、门电路的缺陷：采用类似的方法还可以构成或非门、异采用类似的方法还可以构成或非门、异或门等。或门等。2.3 TTL与非门与非门数字集成电路：在一块半导体基片上制造出一个数字集成电路：在一块半导体基片上制造出一个完好的逻辑电路所需求的全部元件和连线。完好的逻辑电路所需求的全部元件和连线。运用时接：电源、输入和输出。数字集成电运用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价钱廉价的特点。钱廉价的特点。TTL型电路：输入和输出端构造都采用了半导体晶型电路：输入和输出端构造都采用了半导体晶体管，称之为体管，称之为: Transistor

7、Transistor Logic。100个以下：小规模集成电路个以下：小规模集成电路 ( Small Scale Integration :SSI ) 几百个：中规模集成电路几百个：中规模集成电路 Medium Scale Integration :MSI ) 几千个：大规模集成电路几千个：大规模集成电路 Large Scale Integration :LSI ) 一万个以上：超大规模集成电路一万个以上：超大规模集成电路 Very Large Scale Integration :VLSI ) 称号称号CBAF 2.3.1 TTL与非门的根本原理与非门的根本原理一、构造一、构造TTL与非门的

8、内部构造与非门的内部构造+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k750100输入级输入级输出级输出级中间级中间级( (放大放大) )+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5T1 多发射极多发射极晶体管：实现晶体管：实现“与运算。与运算。+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5“非非复合管方式复合管方式与非门与非门输出级输出级“与与1. 任一输入为低电平任一输入为低电平0.3V时时“00.7V缺乏以让缺乏以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k750100二、任务原理二、任务

9、原理三个三个PN结结导通需导通需2.1V当当A、B、C之一之一为为“0时，时，T2、T5截止；截止；T3、T4饱和。饱和。+5VFR4R2R13kR5R3T3T4T1T5b1c1ABC0.7V“0uouo=5-uR2-ube3-ube43.4V 高高电平！电平！逻辑关系：任逻辑关系：任0那么那么1。+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC“1全导通全导通电位被嵌电位被嵌在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止2. 输入全为高电平输入全为高电平3.4V时时当当A、B、C全为全为“1时，时，T2、T5、 T3饱和；饱和； T4截止。截止。+5VFR2R13kT2R3T1T5

10、b1c1ABC全反偏全反偏“1饱和饱和uF =0.3VABCF 输入、输出的逻辑关系式：输入、输出的逻辑关系式：逻辑关系：全逻辑关系：全1那么那么0。一、电压传输特性一、电压传输特性2.3.2 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&+5Vuiuouo(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线uo(V)ui(V)123UOH“1UOL(0.3V)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点平输出低点平1. 输出高电平输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH2.4V UOL

11、 0.4V 便以为合格。便以为合格。 典型值典型值UOH=3.4V UOL=0.3V 。 2. 阈值电压阈值电压UTuiUT时，以为时，以为ui是高电平。是高电平。UT =1.4V二、输入、输出负载特性二、输入、输出负载特性&？1. 前后级之间电流的联络前后级之间电流的联络分两种情况讨论：分两种情况讨论： 1前级输出为前级输出为 高电平常高电平常 2前级输出为前级输出为 低电平常低电平常前级输出为前级输出为 高电平常高电平常前级前级后级后级反偏反偏+5VR4R2R5T3T4R1T1+5V级间电流：流出前级，记为级间电流：流出前级，记为IOH拉电流。拉电流。拉电流才干：维持拉电流才干：维

12、持UOH时，所允许的最大拉电流值。时，所允许的最大拉电流值。前级输出为前级输出为 低电平常低电平常前级前级后级后级R1T1+5V级间电流：流入前级，记为级间电流：流入前级，记为IOL ，约，约 1.4mA 。称。称为灌电流。为灌电流。+5VR2R13kT2R3T1T5b1c11155RbeTTIOL结结压压降降的的压压降降 mA4 . 137 . 03 . 05灌电流的计算灌电流的计算饱和压降饱和压降R1T1+5V+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1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输入为低电平时流入输入端的电流入端的电流 -1 .4mA

13、。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输入为高电平时流入输入端的电流入端的电流几十几十A。IOL及其极限及其极限 IOL（max）当当 IOL IOL(max)时，输入时，输入不再是低电平。不再是低电平。IOH及其极限及其极限 IOH (max)当当 IOH IOH(max)时，输出时，输出不再是高电平。不再是高电平。有关电流的技术参数有关电流的技术参数2. 扇出系数扇出系数扇出系数：与非门电路输出能驱动同类门的个数。扇出系数：与非门电路输出能驱动同类门的个数。IiH1IiH3IOH前级输出为前级输出为 高电平常：高电平常：+5VR4R2R5T3T4T1前级前级T1T1Ii

14、H221iHiHOHIII拉拉电电流流T1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为低电平常：前级输出为低电平常：21iLiLOLIII灌电流灌电流与非门的扇出系数普通是与非门的扇出系数普通是10。3. 输入端经过电阻输入端经过电阻R接地接地Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC问题：这时，输入是问题：这时，输入是“1还是还是“0？RRRURRRubei1113 . 4)5(R 较小时：较小时：uiUT ， T2不不导通，输出高导通，输出高电平。电平。R增大时：增大时：Ruiui=UT时，输出低电平。时，

15、输出低电平。+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCRui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCRui k45. 133 . 4)V(4 . 1临临界界RRR计算临界电阻值：计算临界电阻值：即：当即：当R1.45k 时，可以以为输入为时，可以以为输入为“1； 当当R1.45k 时，可以以为输入为时，可以以为输入为“0。以上分析阐明：以上分析阐明： 悬空的输入端相当于接高电平。为了悬空的输入端相当于接高电平。为了防止干扰，普通将悬空的输入端接高电平。防止干扰，普通将悬空的输入端接高电平。TTL与非门在运用时多余输入端处置：与非门在运用时多余输

16、入端处置：1. 接接+5V。2. 假设悬空，假设悬空，UI=“1。3. 输入端并联运用。输入端并联运用。4. 平均传输时间平均传输时间tui0tuo050%50%tpd1tpd2)(2121pdpdpdttt典型值：典型值：3 10 ns2.3.2 各种逻辑门的相互转换各种逻辑门的相互转换转换方法：采用反演定理。转换方法：采用反演定理。例：与非门可以转换成其他各种逻辑门。例：与非门可以转换成其他各种逻辑门。BABABA BABABABABABABA 把与非门的输入端衔接在一同，就转换成非门。把与非门的输入端衔接在一同，就转换成非门。BABABABABABABA 显然，与非门、或非门等也很容易得

17、到。显然，与非门、或非门等也很容易得到。 2.4 其它类型的其它类型的TTL门电路门电路2.4.1 集电极开路的与非门集电极开路的与非门OC门门一、一、 问题的提出问题的提出规范规范TTL与非门进展与运算与非门进展与运算:&ABEF&CD&G1&ABEF&CDG 能否能否“线与？线与？Open Collector)ABCDEFEFCDABFEG +5VR4R2T3T4T5R3TTL与非门的输出电阻与非门的输出电阻很低。这时，直接线与很低。这时，直接线与会使电流会使电流 i 猛烈添加。猛烈添加。i功耗功耗T4热击穿热击穿UOL 与非门与非门2：不允许直接不

18、允许直接“线与线与与非门与非门1 截止截止与非门与非门2 导通导通UOHUOL与非门与非门1：i+5VR4R2T3T4T5R3问题：问题：TTL与非门能否直接线与？与非门能否直接线与？RLUCC集电极悬空集电极悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符号符号运用时输出端要接一上拉负载电阻运用时输出端要接一上拉负载电阻 RL 。二、二、OC门构造门构造特点：特点：RL 和和UCC 可以外接。可以外接。F = ABC1. OC门可以实现门可以实现“线与功能。线与功能。&UCCF1F2F3F分析：分析：F1、F2、F3任一导通，那么任一导通，那么F=0。 F1、F2、

19、F3全截止，那么全截止，那么F=1 。输出级输出级RLUCCRLT5T5T5F=F1F2F32. 负载电阻负载电阻RL和电源和电源 UCC可以根据情况选择。可以根据情况选择。&J+30V 220VJD问题问题 1： 如何确定上拉电阻如何确定上拉电阻RL?RL(max) RL(min)参考：阎石参考：阎石P80问题问题 2：普通的：普通的TTL与非门能否线与？与非门能否线与？参考：杨福生参考：杨福生P3202.4.2 三态门三态门E 控制端控制端+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDEE一、构造一、构造+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c

20、1ABDEE二、任务原理二、任务原理1. 控制端控制端E=0时的任务情况：时的任务情况：01截止截止ABF +5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDEE2. 控制端控制端E=1时的任务情况：时的任务情况：10导通导通截止截止截止截止高阻态高阻态&ABFE符号符号输输出出高高阻阻0E 1E ABF 功能表功能表三、三态门的符号及功能表三、三态门的符号及功能表&ABFE符号符号输输出出高高阻阻1E0EABF 功能表功能表使能端使能端高电平高电平起作用起作用使能端使能端低电平低电平起作用起作用E1E2E3公用总线公用总线三态门主要作为三态门主要作为TTL电路

21、与总线间的接口电路。电路与总线间的接口电路。四、三态门的用途四、三态门的用途任务时，任务时，E1、E2、E3分时接入高电分时接入高电平。平。2.5 MOS门电路门电路MOS电路的特点：电路的特点：2. 是电压控制元件，静态功耗小。是电压控制元件，静态功耗小。3. 允许电源电压范围宽允许电源电压范围宽3 18V。4. 扇出系数大，抗噪声容限大。扇出系数大，抗噪声容限大。优点优点1. 工艺简单，集成度高。工艺简单，集成度高。缺陷：任务速度比缺陷：任务速度比TTL低低 。MOS场效应管的分类：场效应管的分类：1、N沟道加强型沟道加强型MOS场效应管场效应管 D iDSG B S 0 VT VGS2、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管场效应管3、P沟道加强型沟道加强型MOS场效应管场效应管4、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管场效应管DSBGiDSVGS0VT2.5.1 MOS反相器反相器UCCuiuo1、VGSVT, MOS管管导通；导通；iDS=RDccUDSDCCrRUDDSRr当当DSDSDCCDSrrRUV有有VDS=0V 等效构造等效构造UCCuiuoT2负载管负载管T1 (驱动管驱动管UGS= UDS UT导通导通有