《数字电子技术基础》（第四版）教学课件第二章门电路分类概述

1、数字电子技术基础（第四版）教学课件 第二章门电路分类概述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2-4 TTL门电路2-5 CMOS门电路 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

2、开关等效电路（理想情况下） 三. M OS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、NM OS 管开关等效电路TN导通：TP导通：TP截止：23 最简单的与、或、非门电路2-3-1 二极管与门 2. 工作原理Da DbUYUa Ub0 0 0 3v 3v 03v 3v3. 真值表（状态表）4. 输出函数式Y=AB 5. 逻辑符号&YA B0 O0 11 01 1Y0001导通导通导通导通导通导通截止截止AB1. 电路组成（以二输入为例）+VCCRABYDaDb设：VCC=5V，UIH=3v,UIL=0v二极管正向压降0.7V。1。 电路组成(

3、以二输入为例) 2。 工作原理Ua Ub0 00 3v3v 03v 3v3。真值表A B0 00 11 01 1Y0111 4.输出函数式Y=A+B5。逻辑符号截止截止截止截止导通导通导通导通Da DbUYYAB102-3-2 二极管或门2.工作原理-VEEVcc3. 真值表A01Y104.输出函数式 Y = A 5.逻辑符号1AY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Ua03vT截止饱和UY02-3-3. 三极管非门2-3-4. 其它门电路

4、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&ABCY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。ABCY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；2-4 TTL门电路3、真值表和逻辑符号A01Y101、 电路结构图输入级倒相

5、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。1AY2 .1VUAT1发射结UB1T2T3T4UY导通截止导通截止导通导通截止导通?T1集电结截止导通T1T2T3T4R1Y+VCCAUB12-4-1 TTL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IIH 40A。 IIHT1UB13.4V2.1V1.4V5、电压传输特性当非门的UIUTH当非门的UIUTH 时，TTL门电路有7174系列，74系列的标准参数：UOH（min）=2.4v UOLUI

6、H (min) =2.0v UILUTH 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UTHVO/VVI/V3210.51.01.5OUTH = U0L U0U0= U0H因为：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（UIL)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IIH 40A。+VCCR1T1UILI

7、IL截止+VCCR1T1UIHIIH导通be2be4 2-4-2 TTL非门的 静态输入特性和输出特性 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=N1IIL N1IIS 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 UOL，要限制负载门的数目N1。+VCCT1截止导通UOL+VCCT3T4+VCCT1驱动门负载门IILIILIOL+VCCT3T4RC3 高电平输出电流：由于T3管的导通电阻为RON ，所以： UOH VCC -N2IIH (RC3+RON为了保证UOH，

8、要限制负载门的数目N2。2.输出端为高电平时 (U0 = UOH 2.4v)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IIHIIHIOH+VCCT1+VCCT1 三. 门电路的扇出系数N IOH = N2IIH四、门间限流电阻的确定R11RG1G2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，UOHUIHIIH所以，下式应满足:UOH - IIH R U

9、IH（min)（1）2、当UO1=UOL 时， UI2UIL（max)应满足所以，下式应满足:UOL + IIL R UIL（max)（2）此时，门间电流流向如图，UOLUILIIL根据（1）、（2）式可确定门间连接电阻R的数值。通常，R1K。1G11G2 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TTL OC门和三态门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=02.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T4T3T4G1+VCC导通导通截止截止10T3T4G2

10、+VCCIIL1）结构T1T2T4Y+VCCAB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）&ABY2）逻辑符号（以OC与非门为例） 3. OC 门的使用使用OC门时，应外接上拉电阻RL和电源VCC。4. 线与输出函数式线与Y= ABCD 若电路如图：&CDY&ABRL+VCC则：(与非与）（与或非）= AB+CDRL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；1AYR1T2T3T4YA+VCC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

11、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；ENEN三态非门逻辑符号对T1没有影响；T1END截止截止0010（以三态非门为例）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）A （EN=1 时）Y =A （EN= 0 时）高阻 （EN= 1 时）Y =高阻 （EN= 0 时）AB （EN=1 时）Y =高阻 （EN= 1 时）AB （EN=0 时）三态非门（1 控制有效）1ENENAY1ENENAY&ENE

12、NAYB&ENENAYB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） 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 Y=A传输结果ENG1 G2EN1 EN2 EN3总线传递Y1路数据Y2路数据Y3路数据0 0 10 1 01 0 00B=Y1EN1ENAY11EN2ENBY21EN3ENCY3总 线1ENENAG11ENBENG2总 线Y工作原理高阻态工作高阻态3、 三态门的应用 2-5 CMOS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。VA0VTP TNUYVDD真值

13、表A01Y10当UI VDD/2 时, = U0L 0当UI VDD/2 时, = U0H VDD表达式Y=AU0U0其阈值电平VTH = VDD/20VDDVDD截止截止导通导通0TNTP+VDDAYVDD/2VDDVDD/2VDD0VIVO2-5-1 CMOS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-

14、5-2 CMOS反向器的 静态输入特性和输出特性一、 输入特性由于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。+VDDTNTPUIHUOLIOLRLIOL从负载电路注入TN管。TN管导通，TP管截止，VDD=5V10V15VUOLOIOL二、 输出特性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。TNTP+VDDUILU

15、OHIOHRLIOH从TP管流向负载电路。TP管导通，TN管截止，UOHOIOHVDDVDD=5V10V15V 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 3、输出逻辑表达式一、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。A B0 00 11 01 1T3P T1P T2N T4NYBA功能特点：1110通通通通通通通通止止止止止止止止T1T3+VDDYT2T4ABY=ABY=AB二、 CMOS或非门（以二输入为例）3、输出逻辑表达

16、式：Y=AB1、 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：A B0 00 11 01 1T3P T1P T2N T4NYBA通止通止通通止止止止通通止通止通1000BAT3T1T2T4VDDY=A+B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：&111ABY111ABY1

17、Y=A+BY=AB=AB=A+B三.带缓冲级的CMOS门电路1.CMOS传输门（TG）组成和逻辑符号当C=0时，C=1时，当C=1，时C=0时，T1、T2总有一个导电，传输门导通。如同TTLOC门，CMOS OD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。CT2T1VDDVI/VOVO/VICTGCVI/VOVO/VIC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。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。TGCVI/VOVO/VI