数电课件第二章

1、12.1；2.22.3；2.4；2.5；2.6；2.10；2.142.16；2.17；2.18；2.19；2.21；2.2322.1 分立元件门电路 2.2 TTL门电路2.3 CMOS门电路2.4 TTL电路与CMOS电路的接口3实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的电路称为门电路常用的门电路有与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门等在门电路中的二极管和三极管经常工作在开关状态4 在电子线路中，用高低电平表示二值逻辑的0和1两种逻辑状态。 当开关S断开后，输出电压Vo为高电平，当开关S闭合后，输出为低电平 开关S是用半导体二极管或者三极管构成，可以通过输入信号来控制输出信号的电平5 如果以输出高

2、电平表示逻辑1，以低电平表示逻辑0，则这种表示方法称为正逻辑，反之，称为负逻辑 只要能够分出高低电平就可以知道表示的逻辑状态，因此，高低电平都有一个允许的范围 数字电路对元器件的精度以及电源的稳定度要求都要比模拟电路低6 同一个逻辑电路，在不同的逻辑假定下，其逻辑功能是不同的 A B F VL VL VL VH VH VL VH VH VL VL VL VH （a）电平关系 A B F 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 （b）正逻辑 与 A B F 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 （c）负逻辑 或7半导体二极管和三极管的开关特性 分立元件门电路8v 半导体二极管的

3、开关特性半导体二极管和三极管的开关特性二极管开关电路二极管伏安特性) 1(/TVvSeIiIS：反向饱和电流，与材料、工艺、几何尺寸有关，定值；VT：常温下， 26mV9二极管伏安特性的近似方法VCC、RL较小VCC较小，RL大VCC、RL大10 当外加电压突然由负变正时，到PN节内部建立起足够的电荷梯度的时候才可形成扩散电流 当外加电压突然由正变负的时候，由于PN节内有一定的存储电荷，所以有较大的瞬态反向电流流过二极管动态特性11v 半导体三极管的开关特性 双极型三极管开关特性双极型三极管结构NPN型PNP型12双极型三极管输入输出特性输入特性 三极管的输入特性近似为指数曲线 通常用折线近似

4、 硅管VON：0.7V 锗管VON：0.3V13输出特性输出特性曲线可分为三个区域：放大区，饱和区，截止区 在放大区iC随iB的变化成正比变化，几乎不受vCE的影响 在饱和区，iC不随iB成正比变化,而趋向饱和，硅三极管的饱和vCE =0.6v，在深度饱和下，vCE在0.3v以下 在iB =0以下为截止区，在截止区iC几乎等于零14双极型三极管进入饱和状态15双极型三极管开关电路等效：截止 饱和导通16双极型三极管动态特性PN结上电荷的建立和消散有一个过程输出落后于输入限制了三极管的工作速度17MOS管开关特性MOS管结构符号N沟道增强型 在P型半导体衬底上制作2个高掺杂浓度的N型区，形成MO

5、S管的源极和漏极，第三个电极为栅极18在漏极和源极加电压VDS，如果栅极和源极之间的电压VGS=0，由于源极漏极之间相当于两个PN节背向相连，电阻很大，所以DS不导通，iD=0当VGS大于某个电压值VGS（th）时，电子被吸引到栅极下面的衬底表面，形成了N型反型层，构成了DS之间的导电沟道，当外加电压时，DS间将有电流形成VGS（th）称为开启电压为防止漏极电流直接流入衬底，常将衬底与源极相连19MOS管输入输出特性输出特性 共源连接，输入端栅极无电流漏极的工作特性可分为三个区域：vGS VGS (th)时，漏极特性可分为两个区域，在虚线左称为 可变电阻区，当vGS一定时iD与vDS之比为常数

6、；虚线右侧的部分为恒流区，iD的大小基本上由vGS决定，vDS对电流的影响很小转移特性20MOS管开关特性等效：截止 导通1K21MOS管的四种类型N沟道增强型P沟道增强型N沟道耗尽型P沟道耗尽型22分立元件门电路 二极管与门电路 输入 VA（V） VB（V） 输出 VY（V） 0 0 3 3 0 3 0 3 0.7 0.7 3.7 0.7 23 二极管或门电路 输入 VA（V） VB（V） 输出 VY（V） 0 0 3 3 0 3 0 3 0 2.3 2.32.324 三极管非门电路 输入 VA（V） 输出 VY（V） 0 5 5 0 25 DTL与非门电路 0V 5V +V +V F 5V

7、 D D D D 3k +5V R CC 2 1 1 CC R 2 +5V 0.7V 1.4V 3k 二极管与门和或门电路结构简单不实用,如电平偏移 26ABCL+VDDD123DD1R23CC（+5V）R1RcT45P3k1k4.7kF 三输入端的二极管与门和三极管非门组合而成的与非门电路 将电阻Rb换成两个二极管D4、D5，提高输入低电平的抗干扰能力，当输入低电平有波动时，保证三极管可靠截止，以输出高电平增加了R1，当三极管从饱和向截止转换时，给基区存储电荷提供一个泻放回路 CBAF27TTL反相器的结构与原理TTL反相器的输入输出特性TTL反相器的动态特性其他类型TTL门电路TTL电路的

8、改进系列28 TTL反相器的结构与原理利用T2放大作用，为T5提供较大的基极电流，加速T5导通T2和电阻R2、R3组成的放大器有两个反相的输出端VC2和VE2，驱动T5、T4组成的推拉式输出级 T5和T4受两个互补信号Ve2和Vc2的驱动，因此总是一个导通，另一个截止推拉式输出级D2确保T5饱和导通时T4可靠截止T1传递输入信号钳位二极管D1，消除负相干扰输入 29输入为高电平时，输出为低电平 3.6V1.4V0.7V1V2.1V0.3V倒置饱和截止30输入为低电平时，输出为高电平 0.3V4.3V5V1V3.6V饱和截止导通31截止区 线性区，T2导通 过渡区 饱和区 电压传输特性阈值电压V

9、TH32 抗干扰能力 噪声容限表示门电路的抗干扰能力低电平噪声容限 VNL VIL（max） -VOL（max） 0.8V-0.4V0.4V高电平噪声容限 VNHVOH（min）- VIH（min） 2.4V-2.0V0.4V 03.62.43.620.800.433TTL反相器的输入输出特性 输入特性-1mA34 输出特性 高电平输出特性 受功耗限制，输出高电平时，负载电流一般不可超过0.4mA35 输出特性 低电平输出特性36 输入低电平电流IIL与输入高电平电流IIH 输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流， 一般产品IIL=1mA 输入高电平电流I

10、IH是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流，一般产品IIH=40uAIIHIIL 带负载能力 37灌电流负载 驱动门输出低电平时，电流从负载门的输入端灌入驱动门的T5管ILOLOLIIN 输出低电平时允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL一般产品IOL=16mA 输出低电平时所能驱动同类门的个数NOL称为输出低电平时的扇出系数。IOL38拉电流负载 驱动门输出高电平时，电流从驱动门的T4、D拉出而流至负载门的输入端 输出高电平时允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH，一般产品规定IOH=0.4mA 输出高电平时所能驱动同类门的个数 NOH称为输出高电平时的扇出系数 。

11、IHOHOHIIN一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。 IOH39 输入负载特性 随着RP增大，VI上升，到1.4V以后将不再上升，此时相当于输入接高电平，输出为低电平。 开门电阻 )(11beccPPIVVRRRV1.440G1输出正确传输到G2的输入端，对RP有限制(min)IHPIHOHVRIVvO1=VOH时，vI2VIH(min)KIVVRIHIHOHP351004. 00 . 24 . 33(min)41(max)11ILOLPPOLBECCVVRRRVVVKRVVVVVRILBECCOLILP69. 01(max)1(max)VOL 690PRv

12、O1=VOL时，vI2VIL(max)42 TTL反相器的动态特性三极管存储电荷的注入和消散；PN结寄生电容和负载电容的充放电导致门延迟导通延迟时间tPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间 截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间 与非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值 2PHLPLHpdttt一般几纳秒十几个纳秒 传输延迟 43由于三极管的开关时间和分布电容的充放电过程，输入信号必须有足够的变化幅度和作用时间，输出才能够变化，故交流噪声容限比较大 交流噪声容限 44在动态情况下，特别是输出电压突然由低电平变为高电平时

13、，由于T5原来工作在深饱和状态，所以T4的导通必然先于T5的截止，这样出现了短时间的T4，T5同时导通，有很大的瞬间电流通过T4和T5，使电源出现尖峰电流。 电源动态尖峰电流 45TTL非门电路结构和原理TTL门电路抗干扰能力TTL门电路电流负载特性TTL门电路输入负载特性TTL门电路动态特性46 其他类型TTL门电路 与非门 多发射极三极管ABY 47 或非门 BAY48 与或非门 CDABY49 异或门 BAY50 集电极开路门 51 线与 CDABCDABFFF2152RL的选择 当所有的OC门都截止时，输出VO应为高电平，这时RL不能太大，如果RL太大，则其上压降太大，输出高电平就会太

14、低。因此当RL为最大值时要保证输出电压为VOH（min） VCC-VOH（min）=mIIHRL（max） IH)min(OH)maxL(-ImVVRCCm为与非门输入端数53当OC门中至少有一个导通时，输出VO应为低电平。考虑最坏情况，即只有一个OC门导通，这时RL不能太小，如果RL太小，则灌入导通的那个OC门的负载电流超过IOL（max），就会使OC门的T5管脱离饱和，导致输出低电平上升。当RL为最小值时要保证输出电压为VOL（max） IL(min)OL(max)OL(max)ImRVVILCCILOL(max)OL(max)(min)ImIVVRCCLRL（min）RLRL（max）

15、一般，RL选1k左右 m为与非门数,或非门输入端数54 实现电平转换 用做驱动器 +10V+5V&OV&27055 三态输出门 当EN输入为低时，VP为高，D截止，与P端相连的T1的发射结也截止。三态门相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态 当EN输入为高时，VP=0.3V，这一方面使D导通，VC2=1V，T4、 D 截 止 ； 另 一 方 面 使VB1=1V，T2、T5也截止。这时从输出端看进去，对地和对电源都相当于开路，呈现高阻。所以称这种状态为高阻态 56 单双向总线 57 74系列 又称标准TTL系列，中速TTL器件，平均传输延迟时间约为10ns，平均功耗约为

16、每门10mW 74H系列 高速TTL系列，输出级采用达林顿结构；大幅降低电阻。通过减小电阻缩短电路中电容冲放电时间，平均传输延迟时间为6ns，功耗约为每门22mW TTL电路的改进系列58 74S系列 肖特基TTL系列，输出级采用达林顿结构；采用抗饱和三极管；采用有源泄放电路；延迟时间缩短为3ns，功耗较大，约为每门19mW59 74LS系列 低功耗肖特基系列，输出级采用达林顿结构；采用抗饱和三极管；采用有源泄放电路；输入端采用肖特基势垒二极管来提高工作速度，通过加大电阻降低电路的功耗，平均传输延迟时间为9ns，平均功耗约为每门 2mW602.62.10;2.112.14(d)61CMOS非门

17、 其他的CMOS门电路 CMOS逻辑门电路系列 62 CMOS非门CMOS逻辑门由参数对称的增强型N沟道和P沟道MOS管构成，通常称为互补型MOS逻辑电路电源VDD大于两管开启电压绝对值之和，即VDD（VTN+|VTP|），VTN=|VTP|Vi=0V时，T2截止，T1导通，T2的截止电阻约为500M，T1的导通电阻约为750，所以输出VOVDD，即VO为高电平Vi=VDD时，T2导通，T1截止，T2的导通电阻约为750，T1的截止电阻约为500M，所以输出VO0V，即VO为低电平电路实现了非逻辑 T1：P沟道增强型MOS管T2：N沟道增强型MOS管63 电压传输特性 设CMOS非门的电源电压

18、VDD=10V，两管的开启电压为VTN=|VTP|=2V 当Vi2V，T2截止，T1导通，输出VoVDD=10V当8VVi10V， T1截止， T2导通，输出Vo0V 当2VVi8V，T2和T1都导通，由于两管参数的对称性，当Vi=5V，T2的栅源电压=T1栅源电压绝对值，Vo=（VDD/2）=5V 两管在Vi=VDD/2处转换状态，CMOS门电路的阈值电压Vth=VDD/2 64 电流传输特性 在AB段，T2截止，内阻高，漏极电流几乎为0在CD段，T1截止，内阻高，漏极电流几乎为0 在BC段，T2和T1都导通，两管处在转换状态，在Vi=VDD/2处，电流最大CMOS门电路不可长期工作在BC段

19、 65 输入特性 输入端接入保护电路当电压低于-0.7V时，D2管导通当电压高于VDD+0.7V时，D1管导通保护二极管和电阻的几何尺寸有限，承受静电电压和功率有限存储和运输时不可使用易起静电的物品包装，需使用金属屏蔽膜等组装、调试时工具、仪表和工作台良好接地，衣物使用无静电材料不用的输入端不可悬空66 输出特性 低电平输出特性 67 高电平输出特性 68 传输延迟 MOS管没有载流子的聚散，延迟受内部电阻和电容及负载电容影响MOS管比TTL的输出电阻大得多，延迟较大69 功耗 静态功耗小，可忽略高频、动态情况会产生动态功耗70 其他的CMOS门电路 与非门 或非门71带缓冲级的与非门 输入端

20、数目增加时，与非门串联的NMOS管数目要增加，引起输出低电平变高或非门串联的PMOS管数目增加，引起输出高电平变低解决方法在输入输出端分别加入反相器作缓冲级 BABA72带缓冲级的或非门 BABA73漏极开路与非门 74CMOS传输门及模拟开关 C接高电平VDD，若0VVi（VDD-VTN），T1导通； 若|VTP|ViVDD，T2导通。 Vi在0VVDD变化时，至少有一管导通，输出与输入之间呈低电阻，Vo=Vi，相当于开关闭合 C接低电平0V，Vi在0VVDD的范围变化时，T1和T2都截止，输出呈高阻状态，输入电压不能传到输出端，相当于开关断开 75三态门 EN=0时，T1和T2同时导通，T

21、1和T2组成的非门正常工作EN=1时，T1和T2同时截止，输出对地和对电源呈高阻状态 76或非门控制三态门与非门控制三态门77用传输门组成的三态门 78 CMOS逻辑门电路系列 基本的CMOS 4000系列 早期的CMOS集成逻辑门产品工作电源电压范围为318V功耗低、噪声容限大、扇出系数大速度较低，平均传输延迟时间为几十ns，最高工作频率小于5MHz 79 高速的CMOS HC（HCT）系列 制造工艺上作了改进，减小电路电容，大大提高工作速度平均传输延迟时间小于10ns，最高工作频率可达50MHzHC系列的电源电压范围为26VHCT系列的主要特点是与TTL器件电压兼容电源电压范围为4.55.

22、5V器件的逻辑功能、外形尺寸，引脚排列相同80 CMOS逻辑门电路的主要特点 输出高电平VOH与输出低电平VOL VOH的理论值为电源电压VDD，VOH（min）=0.9VDD；VOL的理论值为0V，VOL（max）=0.1VDD。抗干扰容限 非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。高、低电平噪声容限均达0.35VDD 81功耗 CMOS电路的功耗很小，一般小于每门1 mW传输延迟 传输延迟较大，一般为每门几十ns，74HC系列的工作速度与TTL系列相当 扇出系数 输入阻抗极高，故其扇出系数很大，一般额定扇出系数可达50。扇出系数是指驱动CMOS电路的个数，灌电流负载能力和拉电流负载能力CMOS远低于TTL电路82TTL门驱动CMOS门 CMOS门驱动TTL门83 TTL门驱动CMOS门TTL门驱动4000系列和74HC系列 TTL门的IOH（max）和IOL（max）远大于CMOS门的IIH和IIL，TTL门驱动CMOS门时，主要考虑TTL门的输出电平是否满足CMOS输入电平的要求 当都采用5V电源时，TTL的VOH（min）为2.4V，而CMOS4000系列和74HC系列电路的VIH（min）为3.5V可在TTL电路的输出端和电源之间，接