数字电路讲义-第三章

1、第三章第三章 门电路门电路 本章将着重讨论：本章将着重讨论： TTL、CMOS、及、及ECL等门电路的等门电路的基本结构、基本结构、工作原理、工作原理、外部特性外部特性及应用知识及应用知识第一节第一节 晶体管的开关特性及反相器晶体管的开关特性及反相器 一、半导体二极管开关及其特性一、半导体二极管开关及其特性1、晶体二极管特性曲线及等效电路、晶体二极管特性曲线及等效电路 稳压管稳压管一、半导体二极管开关及其特性一、半导体二极管开关及其特性2、RC电路电路 电压方程：电压方程： a.微分电路微分电路原理：原理： 功能：可将矩形脉冲变换为尖脉冲功能：可将矩形脉冲变换为尖脉冲工作条件：工作条件： 尖脉

2、冲宽度：尖脉冲宽度：一、半导体二极管开关及其特性一、半导体二极管开关及其特性2、RC电路电路 b.积分电路积分电路原理：原理： 功能：将矩形波变换为锯齿波功能：将矩形波变换为锯齿波 工作条件工作条件: 一、半导体二极管开关及其特性一、半导体二极管开关及其特性3、二极管限幅电路、二极管限幅电路 a.限幅概念：限幅概念： 当输入电压超出一定范围时，输出电压保持不变。当输入电压超出一定范围时，输出电压保持不变。上限幅：输入电压高于限幅电平时，输出不变上限幅：输入电压高于限幅电平时，输出不变 下限幅：输入电压低于限幅电平时，输出不变下限幅：输入电压低于限幅电平时，输出不变b.二极管限幅原理二极管限幅原

3、理c.限幅电路的应用限幅电路的应用是上限幅、还是下限幅？是上限幅、还是下限幅？导通时导通时下降时间下降时间上升时间上升时间一、半导体二极管开关及其特性一、半导体二极管开关及其特性4、二极管钳位电路、二极管钳位电路 将输出波形底部或顶部固定在所需电平上将输出波形底部或顶部固定在所需电平上一、半导体二极管开关及其特性一、半导体二极管开关及其特性5、二极管的开关特性、二极管的开关特性 一、半导体二极管开关及其特性一、半导体二极管开关及其特性5、二极管的开关特性、二极管的开关特性 第一节第一节 晶体管的开关特性及反相器晶体管的开关特性及反相器 二二 、晶体管三极开关及其特性、晶体管三极开关及其特性 1

4、、晶体三极管特性曲线的折线化和等效电路、晶体三极管特性曲线的折线化和等效电路 二二 、晶体管三极开关及其特性、晶体管三极开关及其特性1、晶体三极管特性曲线的折线化和等效电路、晶体三极管特性曲线的折线化和等效电路 饱和等效饱和等效 截止等效截止等效二二 、晶体管三极开关及其特性、晶体管三极开关及其特性2、分布电容对反相器的影响、分布电容对反相器的影响 二二 、晶体管三极开关及其特性、晶体管三极开关及其特性3、晶体管的开关特性、晶体管的开关特性 二二 、晶体管三极开关及其特性、晶体管三极开关及其特性3、晶体管的开关特性、晶体管的开关特性 第二节第二节 早期门电路早期门电路一、二极管门电路一、二极管

5、门电路 二极管与门二极管与门第二节第二节 早期门电路早期门电路一、二极管门电路一、二极管门电路 二极管门电路特点，优点：简单、经济；二极管门电路特点，优点：简单、经济；二极管或门二极管或门第二节第二节 早期门电路早期门电路一、二极管门电路一、二极管门电路 ?不足：不足： 有电平位移现象有电平位移现象第二节第二节 早期门电路早期门电路二、三极管门电路二、三极管门电路 特点：输出电平不会偏离特点：输出电平不会偏离第二节第二节 早期门电路早期门电路三、电阻晶体管逻辑门（三、电阻晶体管逻辑门（RTL） Resistor-Transistor Logic 第二节第二节 早期门电路早期门电路三、电阻晶体管

6、逻辑门（三、电阻晶体管逻辑门（RTL）特点：高电平输出时，特点：高电平输出时， 负载能力差负载能力差H第二节第二节 早期门电路早期门电路三、二极管晶体管逻辑门（三、二极管晶体管逻辑门（DTL） Diode-Transistor Logic二极管与门二极管与门第二节第二节 早期门电路早期门电路三、二极管晶体管逻辑门（三、二极管晶体管逻辑门（DTL）特点：输出低电平时特点：输出低电平时 负载能力差负载能力差L问题：问题：RTL低电平负载能力如何？低电平负载能力如何？DTL高电平负载能力如何？高电平负载能力如何？ 为什么？为什么？第二节第二节 早期门电路早期门电路四、逻辑约定及逻辑符号四、逻辑约定及

7、逻辑符号 逻辑状态：二进制两个变量的状态逻辑状态：二进制两个变量的状态“1”、“0”，可用不同确，可用不同确定定 范围的电平范围的电平 相对较高逻辑高电平相对较高逻辑高电平H；相对较低逻辑低电平；相对较低逻辑低电平L正逻辑：较高电平对应逻辑正逻辑：较高电平对应逻辑1；较低电平对应逻辑；较低电平对应逻辑0负逻辑：较高电平对应逻辑负逻辑：较高电平对应逻辑0；较低电平对应逻辑；较低电平对应逻辑1正逻辑正逻辑=负逻辑的对偶负逻辑的对偶负逻辑的用途：负逻辑的用途：中断申请、总线线与中断申请、总线线与第三节第三节 晶体管晶体管逻辑门（晶体管晶体管逻辑门（TTL）TTL（Transistor- Transi

8、stor-Logic）一、概述一、概述第三节第三节 晶体管晶体管逻辑门（晶体管晶体管逻辑门（TTL）TTL（Transistor- Transistor-Logic）一、概述一、概述二、二、TTL基本门基本门 (一一)工作原理工作原理TTL与非门工作原理与非门工作原理0.3V？V1VIc1Ib20.4V5V4.3V3.6V深饱和深饱和截止截止截止截止XX状态？状态？饱和饱和TTL与非门工作原理与非门工作原理3.6V3.6V？V4.3V导通导通0.7V1.4V2.1V倒置放大倒置放大Ib1Ic1Ib2饱和饱和Vces=0.3V1V截止截止截止截止Ie2Ib5Ir3Ic2饱和饱和Vces5=0.3

9、V0.3VTTL与非门工作原理与非门工作原理输入级：与输入级：与中间级：非中间级：非输出级：驱动输出级：驱动TTL与非门工作原理与非门工作原理二、二、TTL与非门与非门（一）工作原理（一）工作原理（二）电压传输特性（二）电压传输特性（三）噪声容限（三）噪声容限（四）输入输出特性（四）输入输出特性（五）动态特性（五）动态特性（六）（六）TTL与非门电路的改进与非门电路的改进第三节第三节 晶体管晶体管逻辑门（晶体管晶体管逻辑门（TTL）一、概述一、概述二、二、TTL与门与门三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （一）（一）1

10、. 与或非门与或非门F1F2F3三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （一）（一）2. ？门？门三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）HHH三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）LLL三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）HL?三、其他逻辑

11、功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）HL三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）HHH三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）LLL三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）HL？L三、其他逻辑功能的

12、三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）见新符号P14-16三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）mn（二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门） OC门输出全高时门输出全高时 RL值的确定值的确定mnIoHIIHH（二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）OC门输出只有门输出只有1个为低时个为低时RL值的确定值的确定mnIOLIIL（二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）OC应用应用（二）集电极开路与非门（二）集电

13、极开路与非门（OC门）门）OC应用应用（二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）OC应用应用（二）集电极开路与非门（二）集电极开路与非门（OC门）门）OC应用应用三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （三）三态门（三）三态门（TS门）门）工作原理：工作原理：（三）三态门（三）三态门（TS门）门）（三）三态门（三）三态门（TS门）门）-0.6VVIH=-0.9VVIL=-1.75V-1.3V第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL）一、工作原理一、工作原理 -1.75-1.75-2.55-2.1-0.87-1.75-0.9XT3状态？状态？-0.6V

14、VIH=-0.9VVIL=-1.75V-1.3V第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL）一、工作原理一、工作原理 -0.9-1.7-2.1-0.98-1.75-0.9X？第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL） -1.75-1.75-1.75-0.9第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL） -0.9-1.75-0.9第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL） 第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL） 图图 (a)所示是所示是H型开路输出限定型开路输出限定符号，表示该输出内部为符号，表示该输出内部为“1”时时(输输出晶体管导通时

15、出晶体管导通时)，外部输出，外部输出H电平；电平；该输出内部为该输出内部为“0”时，外部处于高时，外部处于高阻抗状态用阻抗状态用 Z 表示表示)。第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL） 图图 (b)所示是所示是L型开路输出限定符号，型开路输出限定符号，表示该输出内部为表示该输出内部为“0”时时(输出晶体输出晶体管导通时管导通时)，外部输出，外部输出L电平；该输电平；该输出内部为出内部为“1”时，外部处于高阻抗时，外部处于高阻抗状态状态。第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL） 应该注意，应该注意，开路输出限定符号虽然标注在符开路输出限定符号虽然标注在符号框内，但它

16、表示的是输出外部的状态。当开路号框内，但它表示的是输出外部的状态。当开路输出符号给定时，例如输出符号给定时，例如 则不论输出端有否逻则不论输出端有否逻辑非或极性指示符号，其外部状态只有两种：辑非或极性指示符号，其外部状态只有两种：处处于高阻抗或者输出于高阻抗或者输出 H 电平电平。此时，只是外部状。此时，只是外部状态所对应的内部逻辑状态有所不同。态所对应的内部逻辑状态有所不同。 从图从图3-4(a)可知，当输出端有逻辑非或极性指可知，当输出端有逻辑非或极性指示符号时，输出外部状态所对应的内部逻辑状态示符号时，输出外部状态所对应的内部逻辑状态与图与图3-3(a)正好相反，这里与外部处于高阻抗正好

17、相反，这里与外部处于高阻抗状态对应的内部逻辑状态是状态对应的内部逻辑状态是“1”，而内部逻辑，而内部逻辑状态为状态为“0”时，外部输出时，外部输出H电平。开路输出符号电平。开路输出符号是时，是时，不论输出端有否逻辑非或极性指示符号，不论输出端有否逻辑非或极性指示符号，输出外部都只能处于高阻抗状态或输出输出外部都只能处于高阻抗状态或输出 L 电平电平，见图见图3-3(b)和图和图3-4(b)。第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL）二、特点二、特点第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL）二、特点二、特点 1.由于工作非饱和状态，电阻取值较小由于工作非饱和状态，电阻取值

18、较小 ，逻辑摆幅小，工作逻辑摆幅小，工作速度高；速度高； 2.互补输出，使用方便；互补输出，使用方便； 3.采用射极跟随器输出，输出阻抗低，负载能力强；采用射极跟随器输出，输出阻抗低，负载能力强； 4.开关状态下电流基本不变，所以开关噪声低。开关状态下电流基本不变，所以开关噪声低。 5. VOH与与VEE无关，与无关，与VCC及射随器的射结电压有关及射随器的射结电压有关第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL）二、特点二、特点 1.由于工作非饱和状态，电阻取值较小由于工作非饱和状态，电阻取值较小 ，逻辑摆幅小，工作逻辑摆幅小，工作速度高；速度高； 2.互补输出，使用方便；互补输出，

19、使用方便； 3.采用射极跟随器输出，输出阻抗低，负载能力强；采用射极跟随器输出，输出阻抗低，负载能力强； 4.开关状态下电流基本不变，所以开关噪声低。开关状态下电流基本不变，所以开关噪声低。 5. VOH与与VEE无关，与无关，与VCC及射随器的射结电压有关及射随器的射结电压有关缺点：缺点： 1.噪声容限低噪声容限低 2.功耗大，不利于集成，主要用于高速系统。功耗大，不利于集成，主要用于高速系统。第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL） 第四节第四节 射极耦合逻辑门（射极耦合逻辑门（ECL） ?逻辑逻辑线线“或或”？第五节金属第五节金属-氧化物氧化物-半导体逻辑门半导体逻辑门(M

20、OSL) MOS：Metal-Oxide-Semiconductor Logic一、一、NMOS门门源极源极栅极栅极漏极漏极衬底衬底特点：特点：Ri=Ro=第五节金属第五节金属-氧化物氧化物-半导体逻辑门半导体逻辑门(MOSL) MOS：Metal Oxide Semiconductor一、一、NMOS门门负载电阻负载电阻?第五节金属第五节金属-氧化物氧化物-半导体逻辑门半导体逻辑门(MOSL) 二、互补二、互补MOS门（门（Complementary MOS） 1.非门非门NMOSPMOS第五节金属第五节金属-氧化物氧化物-半导体逻辑门半导体逻辑门(MOSL) 二、二、CMOS门（门（Com

21、lementary MOS） 1.非门非门第五节金属第五节金属-氧化物氧化物-半导体逻辑门半导体逻辑门(MOSL) 二、二、CMOS门门二、二、CMOS门门2.或非门和与非门或非门和与非门二、二、CMOS门门2.或非门和与非门或非门和与非门二、二、CMOS门门3. CMOS传输门传输门Vc=L，LHLHTN TP截止截止二、二、CMOS门门3. CMOS传输门传输门Vc=H，若若Vi=H，Vo=LTN 导通导通HLHLTN TP都可能导通都可能导通HL二、二、CMOS门门3. CMOS传输门传输门Vc=H，TN TP都可能导通都可能导通若若Vi=L，Vo=HTP 导通导通HLHLLH二、二、C

22、MOS门门3. CMOS传输门传输门HLHL二、二、CMOS门门3. CMOS传输门传输门二、二、CMOS门门3. CMOS传输门传输门第六节第六节 接口电路接口电路 一、一、TTL与与COMS电路互联电路互联第六节第六节 接口电路接口电路 一、一、TTL与与COMS电路互联电路互联第六节第六节 接口电路接口电路 一、一、TTL与与COMS电路互联电路互联第六节第六节 接口电路接口电路 一、一、TTL与与COMS电路互联电路互联第六节第六节 接口电路接口电路二、二、TTL与与ECL电路互联电路互联第六节第六节 接口电路接口电路三、双向收发器三、双向收发器第三章第三章 总结总结重点掌握重点掌握1

23、. 复习二极管、三极管的开关特性复习二极管、三极管的开关特性2.TTL与非门的工作原理与非门的工作原理3.TTL门电路的外特性门电路的外特性 传输、输入、输入负载、输出负载特性传输、输入、输入负载、输出负载特性4.OC门和三态门的工作原理及应用门和三态门的工作原理及应用5.了解了解ECL门电路工作原理门电路工作原理6.了解了解MOS电路工作原理电路工作原理作业：作业：P110-3.13.33.73.93.10 3.13 3.173.27TTL与非门工作原理与非门工作原理电压传输特性电压传输特性VOHminVOLmax三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL们电路们电路 （二）集电极开路与非门

24、（二）集电极开路与非门（OC门）门）三、其他逻辑功能的三、其他逻辑功能的TTL门电路门电路 （三）三态门（三）三态门（TS门）门）作业：作业：P110-3.13.33.73.93.10 3.13 3.173.27TTL与非门工作原理与非门工作原理电压传输特性电压传输特性VO HminVO Lmax电压传输特性电压传输特性VOHminVOLmax返回返回电压传输特性电压传输特性VOHminVOLmax噪声容限噪声容限噪声容限噪声容限VOHminVOLmax噪声容限噪声容限VOHminVOLmax噪声容限噪声容限返回返回（四）输入输出特性（四）输入输出特性1、输入特性、输入特性: 输入端的电流输入端的电流iI随输入电压随输入电压VI的变化关系。的变化关系。（四）输入输出特性（四）输入输出特性2、输入负载特性：、输入负载特性： 输入电压输入电压VI与输入负载与输入负载RI的特性曲线的特性曲线VOHminVOLmax（四）输入输出特性（四）输入输出特性3、输出特性、输出特性 输出电压输出电压VO与负载电流与负载电流iO的关系的关系（四）输入输出特性（四）输入输出特性3、输出特性、输出特性（四）输入输出特性（四）输入输出特性3