数字电子技术基础第二章门电路课件

1、第二章 门电路第二章 门电路2.1 概述门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门 门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/02.1 概述门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0获得高、低电平的基本原理高/低电平都允许有一定的变化范围获得高、低电平的基本原理高/低电平都允许有一定的变化范围正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低外形： PN结 + 引线 + 封装构成PN2.2半导体二极管和三极管的开关特性2.2.1 二极管的基本开关电路外形：PN2.2半导体二极管和三极管的开关特性2.2.1

2、 二高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 VI=VIH D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V开关特性高电平：VIH=VCCVI=VIH 开关特性外形： 管芯 + 三个引出电极 + 外壳2.2.2 双极型三极管的基本开关电路外形： 管芯 + 三个引出电极 + 外壳2.2.2 双极输出特性： 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE 0.7V以后，基本为水平直线输出特性： 固定一个IB值，即得一条曲线，只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL只要参数合理：工作状态分析：总之，VI=VIH ， VO=VOL；VI=

3、VIL ， VO=VOH工作状态分析：总之，VI=VIH ， VO=VOL；VI=V2.2.3MOS管的基本开关电路说明：1. 左图为增强型绝缘栅型场效应管;2. 通常情况下,出厂时已经将衬底和 源极连在一起了;3. 双极型三极管是流控型器件;MOS 管是压控型器件,即VGSiD；4. 输入电流总为0，因为G和S之间是 绝缘的；5. 输出特性曲线。S (Source)：源极G (Gate)： 栅极D (Drain)： 漏极B (Substrate):衬底2.2.3MOS管的基本开关电路说明：S (Source)：金属层氧化物层半导体层PN结金属层氧化物层半导体层PN结数字电子技术基础第二章门电

4、路课件特性曲线（分三个区域）:截止区恒流区可变电阻区特性曲线（分三个区域）:截止区MOS管的基本开关电路:总之，VI=VIH ， VO=VOL；VI=VIL ， VO=VOHMOS管的基本开关电路:总之，VI=VIH ， VO=VOL2.3 最简单的与、或、非门2.3.1 二极管与门设VCC = 5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为02.3 最简单的与、或、非门设VCC = 5VABY0V02.3.2 二极管或门设VCC = 5

5、V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定2.3V以上为10V以下为02.3.2 二极管或门设VCC = 5VABY0V0V0V0二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路二极管构成的门电路的缺点电平有偏移2.3.3 三极管非门三极管的基本开关电路就是非门实际应用中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在 输入侧接入负压。 VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL参数合理？2.3.3 三极管非门三极管的基本开关电路

6、就是非门VI=VI例2.3.1：计算参数设计是否合理5V-8V3.3K10K1K =20VCE(sat) = 0.1VVIH=5VVIL=0V例2.3.1：计算参数设计是否合理5V-8V3.3K10K例2.3.1 ：计算参数设计是否合理将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路例2.3.1 ：计算参数设计是否合理将发射极外接电路化为等效当当又因此，参数设计合理当2.4 TTL电路2.4.1 TTL反相器的电路结构和工作原理一 、电路结构设 2.4 TTL电路讨论：当 时T2T5截止，T4导通，讨论：T2T5截止，讨论：当 时T2T5导通，T4截止，讨论：T2T5导通，总结：Y=A ；T2为什么是

7、倒相级，是根据工作过程来的，T2截止时VC2高VE2低，T2导通时 VC2降低VE2升高，二者变化方向相反；T4和T5无论哪种情况，一定是一个导通另一个截止，由此称推拉式电路，或图腾柱电路；D1是钳位二极管，用来保护T1管；D2管子可使VC2为1V时，T4管可靠截止。 总结：二、电压传输特性二、电压传输特性二、电压传输特性二、电压传输特性数字电子技术基础第二章门电路课件二、电压传输特性二、电压传输特性三、输入噪声容限VNL、VNHa. 如何理解噪声容限？ 低电平噪声容限VNL和高电平噪声容限VNHb. 定量描述 2.4V 0.4V 2.0V 0.8V c. 74系列门电路 三、输入噪声容限VN

8、L、VNHa. 如何理解噪声容限？b. 2.4V 0.4V 2.0V 0.8V 噪声容限总结：同一系列的门电路，允许输入的高低电平范围，一定大于输出的高低电平范围；VOH(min) 、 VOL(max) 、 VIH(min) 、 VIL(max)由手册给出；噪声容限越大，抗干扰能力越强。2.4V 0.4V 2.0V 0.8V 四、输入特性输入电压和输入电流之间的关系曲线返回vI (a)电路图 （b）输入特性曲线四、输入特性输入电压和输入电流之间的关系曲线返回vI 数字电子技术基础第二章门电路课件两个重要参数： (1)当VI = VI L= 0.2V时 iI = (VCC VBE1 0.2)/R

9、1 = (5 0.7 0.2)/4 1mA 负号表示电流从输入端流出。特殊地，当VI = 0V 时，称输入短路电流IIS ，约为 1mA。(2)当VI = VI H= 3.4V时 当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数反很小(约在0.01以下)，所以 iI = IIH =反 iB2称高电平输入电流IIH，约40A左右，两个重要参数： (1)当VI = VI L= 0.2V时(2五、输出特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线。 a. 输出高电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。（a）电路 （b）输出高电平时的输出特

10、性拉电流负载五、输出特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线。 负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。b. 输出低电平时的输出特性灌电流负载（a）电路 （b）特性曲线负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。b. 输出低电平 （a）测试电路 （b）输入负载特性曲线 TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，vI随RI 的变化而变化的关系曲线。六、输入端负载特性vIvI （a）测试电路 （b）输入负载特性曲线 TTL反在一定范围内，vI随RI的增大而升高。但当输入电压vI达到1.4V以后，vB1 = 2.1V，RI增大，由于vB1不变，故vI = 1.4V也不变。这时VT2和VT4饱和导

11、通，输出为低电平。虚框内为TTL反相器的部分内部电路 vIvOvI在一定范围内，vI随RI的增大而升高。但当输入电压vI达RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。RI 较小时，关门，输出高电平；RI 较大时，开门，输出低电平；ROFFRONRI 悬空时？vIRI 不大不小时，工作在线性区或转折区。RI 较小时，关门，(1) 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.7k。 (2) 开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON 3k。 数字电路中要求

12、输入负载电阻RI RON或RI ROFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。(1) 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定2.4.2 TTL反相器的动态特性现象：1.输出相对输入有时间延迟，且tPLHtPHL；2.波形变差。原因：三极管be结由饱和 变为截止的时间比由截止变为饱和的时间要长；2. 电路中存在分布电容和结电容。2.4.2 TTL反相器的动态特性现象：2.4.3其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1. 与非门ABY0010111011102.4.3其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路AB2. 或非门ABY0010101001102. 或非门ABY001010

13、1001103.与或非门3.与或非门4. 异或门4. 异或门二、集电极开路的门电路（OC门）1、推拉式输出电路结构的局限性输出电平总局限于VCC以下；输出端不能并联使用；驱动电流小（尤其是高电平输出时）。 OC门二、集电极开路的门电路（OC门）1、推拉式输出电路结构的局限2、OC门结构VCCRL能否输出高电平?2、OC门结构VCCRL能否输出高电平?2、OC门结构VCCRL2、OC门结构VCCRL3. OC门实现的线与3. OC门实现的线与OC门小结：1.OC门必须接上拉电阻，还可以是与门、与非门等;2.可线与；3.输出的高电平接近于VCC;4.驱动电流大。VCCRLOC门小结：1.OC门必须

14、接上拉电阻，还可以是与门、与非门等三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）三、三态输出门（Three state Output Gat数字电子技术基础第二章门电路课件总之：1. Y有三种输出状态：高电平、低电平、高阻；2. EN 代表高电平有效， EN代表低电平有效。总之：1. Y有三种输出状态：高电平、低电平、高阻；三态门的用途1位总线，且总线是分时复用的三态门的用途1位总线，一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL）改进措施(1)输出级采用达林顿管（减小输出电阻Ro）(2)减小各电阻值近一倍2.4.4 TTL电路的改进系列（改进指标： )2

15、. 性能特点74H/54H系列速度的提高 是以静态功耗的增加为代价的。一、高速系列74H/54H （High-Speed TT二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）改进措施减小电阻值的同时采用抗饱和 的肖特基三极管2. 性能特点速度进一步提高；功耗增大；电压传输特性没有线性区。用有源泄放电路代替74H系列中的R3二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）改进三、低功耗肖特基系列74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL）四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL）改进措施：增加电阻值的同时采

16、用抗饱和的肖特基三极管；(2)改进了电路结构。在工艺上和电路上做了进一步的改进， 74ALS系列具有更小的延时功耗积 三、低功耗肖特基系列四、74AS,74ALS （Advanc74系列中: 7420、 74H20、 74S20、 74LS20、 74AS20及74ALS20功能相同，都是双4输入与非门（两个4输入的与非门），正常工作所需的电源及引脚排列都是相同的，不同之处在于性能参数不同，如：tpd, dp积不同。即：逻辑功能相同，性能各有偏重。74系列中:2.4.5 CMOS反相器的电路结构和工作原理1. 电路结构为简明起见，假定T1和T2的参数完全对称，开启电压相同均为VTH。且VDD2

17、*VTHT2 (TN ) ： N沟道P型衬底， 当VGSNVth 时，TN导通T1 (TP ) ： P沟道N型衬底，当 VGSP Vth 时，TP导通TPTN2.4.5 CMOS反相器的电路结构和工作原理1. 电总结：Y=A ；TP和TN总是一个导通一个截止，二者工作状态是互补的，这种电路结构称为互补对称式金属氧化物半导体电路（Complementary-Symmeterly MetalOxcideSemiconductor Circuit）简称CMOS电路；TP和TN总有一个截止，所以流过二者的静态电流很小，因此功耗小。 总结：2. 电压、电流传输特性TPTN2. 电压、电流传输特性TPTN

18、3. 输入噪声容限说明：由于CMOS输出的低电平接近于 0，当后级电路为CMOS门时，允许叠加较大的干扰；由于CMOS输出的高电平接近于 VDD，当后级电路为CMOS门时，允许叠加较大的干扰； CC4000系列中，VNH=VNL30%VDD ， VDD越大，噪声容限越大。3. 输入噪声容限说明：由于CMOS输出的高电平接近于4. 输入特性电路说明：D2是在制造CMOS管时，工艺上导致D2是一种分布式二极管； D1是一个二极管。4. 输入特性电路说明：5. 输出特性(1) 低电平输出特性特点：a. 不同的VDD (VGS)，TN管呈现的内 阻不同， VDD越大，内阻越小； b. 输出相同的低电平

19、时， VDD越大， 可以接受的灌电流越大。5. 输出特性(1) 低电平输出特性特点：a. 不同的5. 输出特性(2) 高电平输出特性特点：a. 不同的VDD ，TP管呈现的内阻不同， VDD越大，内阻越小； b. 输出相同的高电平时， VDD越大， 可以输出的拉电流越大。5. 输出特性(2) 高电平输出特性特点：a. 不同的VCC4000系列的CMOS门电路：当VDD=5V时:VOL=0.05VDD=0.25V0VVOH=0.95VDD=4.75V5V CMOS门电路和TTL门电路相比，输出的高电平更高，低电平更低。CC4000系列的CMOS门电路：当VDD=5V时: 2.5.2 其它类型的C

20、MOS门电路1. 其它类型的CMOS反相器 除反相器外，常用的CMOS门电路还有与非门、或非门、与或非门、异或门、与门和或门等。a. 与非门2.5.2 其它类型的CMOS门电路1. 其它类型的CMOa. 与非门 A=B=0时，T2、T4截止，T1、T3导通，Y=1； A=0,B=1时， T2截止， T1导通， Y=1； A=1,B=0时， T4截止， T3导通， Y=1； A=B=1时，T2、T4导通，T1、T3截止，Y=0； A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 01. 其它类型的CMOS反相器a. 与非门 A=B=0时，T2、T4截止，T1、T3b.或非门 A、B中只要有

21、一个为1，下半部通，上半部截止，输出即为Y=0； A、B全为0时，下半部截止，上半部全通，输出Y=1。 A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 01. 其它类型的CMOS反相器b.或非门 A、B中只要有一个为1，下半部通，2. 带缓冲级的CMOS门电路 刚才介绍的与非门和或非门电路结构简单，但存在缺陷，当输入输出状态不同时，呈现的输出电阻可能不同，以与非门为例:A=B=1,Y=0;灌电流流过两个Ron的串联，Ro=2Ron；A=B=0,Y=1;拉电流流过两个Ron的并联，Ro=0.5Ron；A=1,B=0,Y=1; 拉电流流过T3的Ron， Ro=Ron；A=0,B=1,Y=1

22、; 拉电流流过T1的Ron， Ro=Ron； 当为3输入、4输入与非门时，输出电阻相差会更大 (A=B=C=D=1时， Ro=4Ron)。 解决缺陷的方法：在输入端和输出端各增加一级反相器。2. 带缓冲级的CMOS门电路 刚才介绍的与非门a.带缓冲级的与非门 加上反相器后，无论有几个输入端，输出端无论是高电平还是低电平，输出电阻总是Ro=Ron。a.带缓冲级的与非门 加上反相器后，无论有几个b.带缓冲级的或非门b.带缓冲级的或非门3. 漏极开路的门电路(OD门) OD门与TTL门电路的OC相对应，能实现以下功能： (1) 能线与; (2) 能实现电平转换，将VDD转换为VDD2; (3) 能驱动较大电流。两个问题： a.不加RL行不行？ b.中间为什么要加一级非门?3. 漏极开路的门电路(OD门) OD门与TTL4. CMOS传输门和双向模拟开关TPTNN沟道管的衬底总连接至最低电平 ，P沟道管的衬底总连接至最高电平；MOS管的漏极和源极结构对称，二者可以互换。N沟道管：接高电平端为D，接低电平端为S； P沟道管：接高电平端为S，接低电平端为 D ；对电路的说明：T1: P衬底N沟道，为N沟道MOS管TN ； T2: N衬底 P沟道，为P