模拟电子第三章课件

第3章集成逻辑门电路一、逻辑门电路二、数字集成电路的分类三、本章内容3.1分立元件门电路一、二极管“与门”电路二、二极管“或门”电路三、“非”门电路（反相器）13.2TTL门电路一、典型TTL与非门二、改进型TTL与非门三、其它类型的TTL门电路3.4CMOS门电路一、CMOS反相器二、其它类型的CMOS电路2第3章集成逻辑门电路（1）掌握双极性晶体管和MOS管的开关特性和有关参数。（2）了解TTL、CMOS基本逻辑门的功能和主要外部电气特性。3二、数字集成电路的分类1.按集成度SSIMSILSIVLSI574/54AC/ACT2.按制造工艺双极型TTLECLI2LMOS型PMOSNMOSCMOS400054/74AS54/7454/74H54/74S54/74LS54/74ALS54/74HC/HCT54/74FASTBi-CMOS型63.1分立元件门电路结论：F=AB一、二极管“与门”电路二极管为理想的0V逻辑03V逻辑13V0ABF12V二极管“与门”电路7三、“非”门电路（反相器）1.三极管开关特性(1)截止条件：e结反偏，c结反偏(2)饱和条件：e结正偏，c结正偏；在数字电路中，只利用截止区（关态）和饱和区（开态）ton、toff限制了电路的最高工作速度。(3)三极管瞬时开关特性ton（开启时间）、toff（关闭时间）92.三极管反相器(1)工作原理结论：P=A1AF（b）逻辑符号R1VccF(uO)(+12V)VD(+3V)-VBB(-12V)A(u1)iBiCRCDR23.4V0.2V（a）电路图3.1.4三极管反相器电路(2)负载能力灌电流负载拉电流负载103.2TTL门电路一、典型TTL与非门1.电路结构:输入级、中间级、输出级2.工作原理：设UIH=3.4VUIL=0.2VUon=0.7VVCC=5V结论：Y=AB(1)A=B=1,(2)A=0,B=1,Y=0开态Y=1关态(3)A=1,B=0,Y=1关态(4)A=0,B=0,Y=1关态11(2)输入特性iI/mAO-0.5-1.0-1.5-2.0-1.0-0.50.51.01.52.0uI/V1.4(a)输入特性uIVccuO&V+_mAiI(b)测试电路图3.2.5输入特性曲线①输入短路电流：IIS=-1.07mA②输入漏电流：IIH=IB1(<0.01)约为40A2个或2个以上输入端并联时，输入电流如何？13(3)输入负载特性①当uI<1.3V时，T5截止

T2截止或T2导通，但忽略其分流作用，因其处于放大状态。②当uI=1.4V时，T5导通，箝位于1.4V③稳定输出高电平，则RI

0.91①④稳定输出低电平，则RI

2.5（此时uI=1.4V）14⑤&“1”直流5V档内阻20K5⑥多余输入端的处理与信号端并接；经一个电阻（大于1）接电源正极；接地。悬空引脚为1.4V左右15③扇入系数：NI④扇出系数：NO从输出特性曲线能看出允许的最大拉电流和灌电流。（如高电平≥2.4V;低电平≤0.4V）通常NO≥8。和，中较小的一个。17(5)动态特性①传输延迟tPHLtPLHuIuO图3.2.11TTL与非门的传输延迟&uIuO1854/74系列，10ns左右1u0uI已知tpd=10nsuI/Vt3.40.20.1nsu0/Vt3.40.219二、改进型TTL与非门1.54H/74H系列图3.2.1354H/74H系列与非门（54H/74H00)的电路结构(1)输出级采用达林顿结构三极管；(2)降低电阻的阻值tpd≈6ns,但加大了电路的静态功耗。减小了门电路输出高电平时的输出电阻。提高了三极管的开关速度使tpd

↓。212.54S/74S系列图3.2.1454S/74S系列与非门（54S/74S00)的电路结构(1)引入抗饱和三极管。(2)引入有源泄放电路。tpd=3~5ns，电路的静态功耗仍比较大。减轻三极管的饱和深度，使tpd

↓。加速T5的导通或截止，使tpd

↓。223.02.01.0O0.40.81.21.6uI/Vu0/V（b）电压传输特性图3.2.1454S/74S系列与非门（54S/74S00)的电路结构23表3.2.1不同系列TTL门电路的性能比较参数名称TTL门电路系列名称54/7454H/74H54S/74S54LS/74LStpd(ns)106410功耗/每门(mW)1022.5202pd(ns·mW)100135802025三、其它类型的TTL门电路典型TTL与非门的输入、输出特性仍适用1.TTL或非门2.TTL异或门

3.集电极开路的门电路（OC门）(1)引入OC门的原因①由于是推拉式输出，输出端不能直接并联，不能实现线与功能。26③不能直接驱动大电流、高电压的负载。②输出高电平是固定的，缺乏灵活性。(2)OC门①概念②逻辑符号③使用时，需外接电源和电阻27②只有一个OC门输出低电平：IIL：负载门低电平输入电流IG（max）：OC门最大灌电流29③作驱动器(4)OC门的应用①线与②用于接口电路，实现TTLCMOS电平转换304.三态输出TTL门（TS门）(1)三态输出与非门组成及工作原理(2)典型用途①构成总线结构②双向数据传输三态门应用举例-1三态门应用举例-231第四节CMOS门电路CMOS门电路的特点:CMOS反相器（串联互补）、CMOS传输门（并联互补）是CMOS集成电路的基本组件。①制作工艺简单，集成度高；②工作电源允许的变化范围大，功耗低；③输入阻抗高，扇出系数大；④抗干扰能力强。32一、CMOS反相器1.电路结构NMOS、PMOS管串联互补。开启电压分别为UTN、UTP，为正常工作，要求：VDD>UTP+UTN2.工作原理3.电压传输特性和电流转移特性33静态参数②③噪声容限①UOL=0V，UOH=VDD

（电压利用率高）在CC4000系列CMOS电路的性能指标中规定：在输出高、低电平的变化不大于10%VDD的条件下，输入信号低，高电平允许的最大变化量。344.加电后，CMOS器件输入端不能悬空①输入电位不定（此时输入电位由保护二极管的反向电阻比来决定），从而破坏了电路的正常逻辑关系；②由于输入阻抗高，易接受外界噪声干扰，使电路产生误动作；③极易使栅极感应静电，造成栅击穿。35二、其它类型的CMOS电路两个反相器的负载管并联，驱动管串联。1.CMOS与非门(1)电路结构(2)工作原理带缓冲级的CMOS与非门362.CMOS或非门(1)电路结构两个反相器的负载管串联，驱动管并联。(2)工作原理带缓冲级的CMOS或非门CMOS电路举例-4373.CMOS双向传输门(1)电路结构NMOS、PMOS管并联互补。(2)工作原理CMOS电路举例-538作业题3.93.113.163.43.53.63.1(a)3.23.339图3.1.1三极管开关电路40图3.1.2三极管截止和饱和时的等效电路41图3.1.3三极管瞬时开关特性42tontoffuIuO43(a)灌电流负载等效图图3.1.5负载等效电路若ICS>ICM则若ICS<ICM则最大灌电流时：三极管处于临界饱和且满足ICM要求44图3.1.5负载等效电路(iD=0)最大拉电流的确定：45(a)电路AF&B（b）逻辑符号图3.2.1典型TTL与非门46图3.2.2T1结构及输入级逻辑等效电路4700.51.01.5uI/Vabcde3.02.01.0uO/VUT

（a）电压传输特性uIVccuO&VV+_（b）测试电路图3.2.3TTL与非门电压传输特性48①ab段(截止区)③cd段(转折区)阀值电压（开启电压)UT=1.4V②bc段(线性区)结论：UI=0.2V时，T1深饱和uI<0.6V,T1深饱和,uB2<0.7V,uO=3.4V0.6V<uI<1.3V,T2放大,T5截止1.3V<uI<1.5V,T2放大→饱和,T5放大→饱和④de段(饱和区)结论：UI=3.4V时，T1倒置放大。1.5V<uI,T2、T5饱和,uO=0.2V00.51.01.5uI/Vabcde3.02.01.0uO/VUT

(a)电压传输特性492.4UoffUon0.41.00uO/VuI/V3.02.02.52.01.51.00.5≥0.8V≤2.0V50UNHUNL10100.4V0.8VuIuO2.0V2.4V11uOuIG1G2图3.2.4输入端噪声容限示意图51定义时，只用一个输入端，当有2个或2个以上输入端并联时，输入电流如何？IIH2IIH&UIH&IIS1IIS252图3.2.6输入负载特性53图3.2.6输入负载特性uIRI(c)等效电路5455图3.2.8uO=UOH时TTL与非门输出特性(a)uO=UOH时输出特性(b)拉电流负载示意56图3.2.9uO=UOL时TTL与非门输出特性(a)uO=UOL时输出特性(b)灌电流负载示意57图3.2.10TTL与非门的扇出58图3.2.15抗饱和三极管59(a)电路BAVccR1R2R3R4T4T1T2T5Y（b）逻辑符号≥1BAY图3.2.17TTL或非门电路60(a)电路图3.2.18TTL异或门电路61BA（b）国标符号YBA（b）曾用符号Y图3.2.18TTL异或门电路62Y&BA图3.2.19推拉式输出级并联的情况Y1&DCY2YG1G2（a）63（a）电路&BA(b)国标符号YBA(c)曾用符号Y图3.2.20集电极开路与非门的电路和图形符号64图3.2.21OC门输出并联的接法及逻辑图65图3.2.22RL(max)的确定66图3.2.23RL(min)的确定67（a）控制端高电平有效BAVccT4T1T2T5YDP11ENEN&BA国标符号YENBA曾用符号YEN图3.2.24三态与非门68BA曾用符号YEN（b）控制端低电平有效BAVccT4T1T2T5YDP1ENEN&BA国标符号YEN图3.2.24三态与非门69图3.2.25用三态门构成总线结构EN1A1G1EN1EN1A2G2EN2EN1AnGnENn…70图3.2.26用三态门实现数据的双向传输EN1D0ENEN1D1总线D0/D171例1写出下图电路的输出表达式。EN1ABEN1F1&解：当B=0时，当B=1时，F=A；F=A。所以，F=AB+ABA1A0BF的卡诺图72例2如下图所示电路、及其输入信号的波形，试画出输出信号P和G的电压波形并写出P的逻辑表达式。EN&ABP&CDGABCDGP解：当C=0时，当C=1时，P=AB+D。所以，P=ABC+DP=D；73（b）逻辑符号1AP图3.4.1CMOS反相器设UTP=-3V，UTN=3V，VDD=10V。(1)UIL=0V(2)UIH=VDDT1、T2构成一种推拉式输出。故输出端不能并接实现“线与”功能。74图3.4.2电压传输特性和电流转移特性uIiDABCDEF（b）电流转移特性OuIVDDuOUTNABCDEFUTUTPVDDO(a)电压传输特性75UNHUNL1010uIuOUOH(min)11uOuIG1G2输入端噪声容限示意图UOL(max)