数字电子技术2章课件

本章主要内容：1、熟悉二极管和BJT（三极管）的开关特性原理；2、熟练掌握基本逻辑门电路和TTL逻辑门电路逻辑功能（包括工作原理和技术参数、逻辑运算）；3、熟悉cmos和nmos逻辑门电路；4、学会逻辑电路逻辑功能分析。；5、熟悉正负逻辑问题和逻辑门电路应用中的问题重点和难点：熟练掌握基本逻辑门电路和TTL逻辑门电路逻辑功能（包括工作原理和技术参数）第二章逻辑门电路1实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。1逻辑门电路：2逻辑门电路的分类：二极管门电路三极管门电路TTL门电路MOS门电路PMOS门CMOS门逻辑门电路分立集成NMOS门TTL--三极管-三极管HTL–高阈值ECL–射极耦合I2L–集成注入概述－构成数字逻辑电路的基本元件23高、低电平产生的原理当S闭合，vO=当S断开，vO=0V+5V(低电平)(高电平)理想的开关应具有两个工作状态：接通状态：断开状态：要求阻抗越小越好，相当于短路（导通）要求阻抗越大越好，相当于开路（截止）3二、二极管的动态特性在0～t1期间，vi＝

VF时，D导通，电路中有电流流过：RLvii＋－D1.二极管从正向导通到反向截止的过程vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit5二、二极管的动态特性RLvii＋－D1.二极管从正向导通到反向截止的过程：通常将二极管从导通转为截止所需的时间称为反向恢复时间:tre=ts+ttvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存储时间渡越时间在t1时，突然I

＝

－VR时，电路中电流i=?6反向恢复时间一般在纳秒数量级。1.二极管从正向导通到反向截止的过程二、二极管的动态特性正向（饱和）电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，存储的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。产生反向恢复的过程的原因：存储电荷消散需要时间72.2BJT的开关特性1.

BJT的开关作用2.

BJT的开关时间91.BJT的开关作用

IB5

iC

IBS=IB4

IB3

IB2

IB1

A

vCE

VCC

iB=0

VCES

O

ICS

VCC

/Rc

CIBS=VCC/RcICS=VCC/RcCE＝VCES≈0.2V

VCC

RC

iC

T

Rb

ib

+

–

v1

-VB1

VCC

RC

iC

T

Rb

ib

+

–

v1

+VB110截止状态cbe饱和状态Vb=0.7v,Vc=0.3vebc1.BJT的开关作用11

v1

+VB2

–VB2

O

t

iC

ICS

0.9ICS

0.1ICS

O

tr

ts

t

tf

td

3.BJT的开关时间开通时间ton=td+trtd–延迟时间tr–上升时间关闭时间toFF=ts+tfts–存储时间

tf-下降时间开关时间随管子类型的不同而不同，一般为几十～几百纳秒。开关时间越短，开关速度越高。一般可用改进管子内部构造和外电路的方法来提高三极管的开关速度。13基本逻辑关系与

(and)

或

(or)

非(not)13.2基本逻辑关系141.与逻辑关系UABY真值表ABY000010100111规定:

开关合为逻辑“1”

开关断为逻辑“0”

灯亮为逻辑“1”

灯灭为逻辑“0”真值表特点:

任0则0,全1则1一、“与”逻辑关系和与门与逻辑：决定事件发生的各条件中，所有条件都具备，事件才会发生（成立）。15VCC+(5V)

R

3kW

L

D1

D2

D3

A

B

C

0v若输入端中有任意一个为0V,另两个为+5V输入与输出电压关系0V5V5V

输入输出VAVBVCVL000000+5V00+5V000+5V+5V0+5V0+5V0+5V0+5V0+5V+5V00+5V+5V+5V+5V例：17

输入输出VAVBVCVL000000+5V00+5V000+5V+5V0+5V0+5V0+5V0+5V0+5V+5V00+5V+5V+5V+5V

输入输出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHVCC+(5V)

R

3kW

L

D1

D2

D3

A

B

C

＋5vA、B、C三个都输入高电平+5V5V5V5V

输入输出ABCL000000100100011010001010110011112.3.1二极管与门电路真值表18与逻辑运算规则—逻辑乘3.与逻辑关系表示式Y=A•B=AB

与门符号:&ABY基本逻辑关系000010100111ABY与逻辑真值表0•0=00•1=01•0=01•1=1192、二极管组成的“或”门电路0.3V=逻辑0,3V=逻辑1此电路实现“或”逻辑关系。

VAVBVO

0.30.30.30.33330.33333输入输出电平对应表(忽略二极管压降)000011101111VAVBVOR-5V基本逻辑关系或门符号:ABY≥121或逻辑运算规则—逻辑加3.或逻辑关系表示式

Y=A＋B

或门符号:ABY≥1000011101111ABY或逻辑真值表基本逻辑关系0+0=00+1=11+0=11+1=122三、“非”逻辑关系与非门“非”逻辑：决定事件发生的条件只有一个，条件不具备时事件发生（成立），条件具备时事件不发生。特点:1则0,0则1真值表0110AYYRAU1、“非”逻辑关系基本逻辑关系23非逻辑—逻辑反非逻辑真值表

AY0110运算规则：

0＝11＝03.非逻辑关系表示式非逻辑关系表示式:

Y＝A25四、基本逻辑关系的扩展将基本逻辑门加以组合，可构成“与非”、“或非”、“异或”等门电路。1、与非门表示式：Y=AB

真值表

ABABY0001010110011110Y=ABC多个逻辑变量时:&ABY符号：26用基本逻辑门组成异或门11&&≥1ABY=AB=AB+AB表示式：ABABABY=AB+AB异或门29在工程上，一般先提出逻辑命题，然后用真值表加以描述，最后写出逻辑函数表达式。通过一个简单的例子加以介绍。图1.6.1是一个控制楼梯照明灯的电路。为了省电，人在楼下开灯，上楼后可关灯；反之亦然。A、B是两个单刀双掷开关，A装在楼上，B装在楼下。只有当两个开关同时向上或向下时，灯才被点亮。试用一个逻辑函数来描述开关A、B与照明灯之间的关系。1.从逻辑问题建立逻辑函数的过程应用：30(1)设开关A、B为输入变量:开关接上面为“1”，开关接下面为“0”设电灯L为输出变量，灯亮L=1，灯灭L=0。(2)列出A、B所有状态及对应输出L的状态，即真值表。(3)根据真值表，写出逻辑表达式：ABL001

010

10

1101解：把对应函数值为“1”的变量组合挑出（即第1、4）组合，写成一个乘积项；ABAB凡取值为“1”的写成原变量A，取值为“0”的写成反变量A；最后，将上述乘积项相加，即为所求函数：31该式表明：A、B两变量取值相同的所有组合，使函数为“1”，也就是说，当开关A、B都向上或都向下时，灯亮，否则不亮。该函数还称为同或函数。其逻辑符号为：ABL32门电路是实现一定逻辑关系的电路。类型:与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门……。1、用二极管、三极管实现2、数字集成电路(大量使用)1)TTL集成门电路

2)MOS集成门电路实现方法:门电路小结33门电路小结门电路符号表示式与门&ABYABY≥1或门非门1YAY=ABY=A+BY=A与非门&ABYY=AB或非门ABY≥1Y=A+B异或门=1ABYY=AB34输入A、B波形如图所示,请画出与非门的输出（Y）波形。ABYY=AB课堂练习:&ABY

ABY001011101110真值表352.4TTL逻辑门电路2.4.7改进型TTL门电路抗饱和TTL电路2.4.1基本的BJT反相器的动态性能2.4.2TTL反相器的基本电路2.4.3TTL反相器的传输特性2.4.4TTL与非门电路2.4.5TTL与非门的技术参数2.4.6TTL或非门、集电极开路门和三态门电路362.4.1基本的BJT反相器的动态性能TTL反相器的产生:

若考虑基本反相器负载电容CL的影响，在反相器输出电压O由低向高过渡时，电路由VCC通过Rc对CL充电。

vccRcTCL

反之，当O由高向低过渡时，CL又将通过BJT放电。CL的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压O波形的上升时间和下降时间，导致基本的BJT反相器的开关速度不高。故需寻求更为实用的TTL电路结构。

371.TTL反相器的基本电路

Rb1

4kW

Rc2

1.6kW

Rc4

130W

T4

D

T2

T1

+

–

vI

T3

+

–

vO

负载

Re2

1KW

VCC(5V)

输入级

中间级

输出级

2.4.2TTL反相器382.TTL反相器的工作原理

（1）当输入为低电平（I=0.2V）0.9V0.2VO≈VCC－VBE4－VD

＝5－0.7－0.7=3.6V

I低电平(0.2V)T1深饱和T2截止T3截止T4放大O高电平（3.6V）392.TTL反相器的工作原理当输入为高电平（I=3.6V）3.6V4.3V2.1V1.4V0.2VI全为高电平(3.6V)T1倒置放大T2饱和T3饱和T4截止O低电平0.2V）403.采用输入级以提高工作速度

（1）当TTL反相器I由3.6V变0.2V的瞬间0.9V1.4V

T1管的变化先于T2、T3管的变化；T1管Je正偏、Jc反偏，T1工作在放大状态。T1管射极电流1

iB1很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷,从而加速了状态转换。414.采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当输出为低电平时，T3处于深度饱和状态，T4截止，T3的集电极电流可以全部用来驱动负载。输出为高电平时，T3截止，T4组成的电压跟随器的输出电阻很小，所以输出高电平稳定，带负载能力也较强。3.6V

2.1V1.4V

0.2V

0.9V

0.2V

3.6V波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后，CL很快放电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。输出端接有负载电容CL时，在输出由低到高跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小，使输出42THEEND43

2vO/V

5

4

3

2

1

0

3.6V

.48V

0.2V

1

2

E

D

C

B

A

0.4V

1.1V

1.2V

vI/V

I很低，T1的发射结为正向偏置。T1饱和使T2、T3截止，同时T4和D导通。O=3.6V。

I=B

，T1仍维持饱和。但B2=C1增大使T2的发射结刚好正偏。B2=I+VCES

，

I(B)=VF－VCES=0.6V－0.2V≈0.4VCD段：当I的值继续增加C点后，使T3饱和导通，O0.2VI(D)=BE3+BE2－CES1=(0.7+0.7－0.2)V=1.2V当I的值从D点再继续增加时，T1将进入倒置放大状态，保持O=0.2V

△B2=△I，BC段的斜率为dO/dI=Rc2/Re2=1.6。I>B时，由T1的集电极供给T2的基极电流，但T1仍保持为饱和状态。在BC段内，T2对I的增量作线性放大:

2.4.3TTL反相器的传输特性442.4.4TTL与非门1.TTL与非门电路多发射极BJT

A

B

&

BAL=

T1

e

e

e

e

b

b

c

c

452.TTL与非门电路的工作原理

任一输入端为低电平时:T1的发射结正向偏置而导通，T2截止。输出为高电平。TTL与非门各级工作状态

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

IT1T2T3T4O输入全为高电平(3.6V)倒置使用的放大状态饱和饱和截止低电平（0.2V）输入有低电平(0.2V)深饱和截止截止放大高电平（3.6V）只有当全部输入端为高电平时：

T1将转入倒置放大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。46

vO/V

5

4

3

2

1

0

3.6V

2.48V

0.2V

1

2

E

D

CB

A

0.4V

1.1V

1.2V

vI/V

各种类型的TTL门电路，其传输特性大同小异。VOH≈VO(A)＝3.6VVOL＝VCES

＝0.2VVIL

＝VI(B)＝0.4VVIH

＝VI(D)＝1.2V1、TTL与非门传输特性2、输入、输出的高、低电压2.4.5TTL与非门的技术参数473.TTL与非门噪声容限

输入噪声容限:输入高电平的噪声容限为

VNH=VOH(min)–VIH(min)

1

驱动门

vo

1

负载门

vI

噪声

1输出

1输入

0输入

0输出

vo

vI

+VDD

0

VNH

VOH(min)

VIH(min)

VNL

VOL(max)

VIL(max)

+VDD

0

输入低电平的噪声容限为VNL=VIL(max)–VOL(max)

当电路受到干扰时，在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。48

4.扇入与扇出系数

扇入数:取决于门的输入端的个数扇出数:带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门0

VCC(5V)

Rb1

4kW

T1

IIL

T4

T3

Rc4

130W

D

当负载门的个数增加时，总的灌电流IIL将增加,引起输出低电压VOL的升高。带灌电流负载：输出低电平时。IILIOL2.4.5TTL与非门的技术参数101&491&

4.扇入与扇出系数

负载门驱动门1

VCC(5V)

Rb1

4kW

T1

IIL

T4

T3

Rc4

130W

D

2.4.5TTL与非门的技术参数01带拉电流负载：门输出高电平时当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低。IIHIOH50例查得基本的TTL与非门7410的参数如下：IOL＝16mA，IIL＝－1.6mA，IOH＝0.4mA，IIH＝0.04mA.试计算其带同类门时的扇出数。解：(1)低电平输出时的扇出数

(2)高电平输出时的扇出数若NOL≠NOH，则取较小的作为电路的扇出数。例题：扇出数计算举例2.4.5TTL与非门的技术参数51电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。5.传输延迟时间

输入

同相

输出

反相

输出

50%

tPLH

50%

90%

10%

tr

tPLH

90%

50%

10%

tf

50%

tPHL

tPHL

90%

50%

10%

tf

90%

50%

10%

tr

VOL

VOH

VOL

VOH

0V

VCC

平均传输延迟时间tPd＝tPLH为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间;tPHL为由高电平转换到低电平所经历的时间。(tPLH＋tPHL)/2——表征门电路开关速度的参数526.功耗/延时功耗积/封装1、功耗分为:静态功耗：动态功耗：对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。2、延时功耗积DP=tpdPD2.4.5TTL与非门的技术参数指的是当电路没有状态转换时的功耗是在门的状态转换的瞬间的功耗。是一综合性的指标，用DP表示，其单位为焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。531.TTL或非门

2.4.6TTL或非门、OC门和三态门电路R1A

R1

R1B

R4

VCC

T1A

T2A

T2B

B

D

T3

R3

T4

AT1BL54

R1A

R1

R1B

R4

VCC

A

T1A

T2A

T2B

T1B

B

D

L

T3

R3

T4

1.TTL或非门

TTL或非门的逻辑电路若二输入端为低电平

0.9v0.2v0.2v0.9v3.6V

2.4.6TTL或非门、OC门和三态门电路551.TTL或非门

若A、B两输入端都为高电平

R1A

R1

R1B

R4

VCC

A

T1A

T2A

T2B

T1B

B

D

L

T3

R3

T4

2.1v3.6v3.6v2.1v0.3V

问题：若A、B两输入端中有一个为高电平，输出L=?2.4.6TTL或非门、OC门和三态门电路562.集电极开路门(OpenCollectorGate)

vOHvOLX2.4.6TTL或非门、OC门和三态门电路572.集电极开路门

TTL

电路

TTL

电路

D

C

B

A

T1

T2

VCC

RP

L

A

B

C

D

&

)()(CDABL=

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

2.4.6TTL或非门、OC门和三态门电路58集电极开路门上拉电阻Rp的计算

TTL

电路

TTL

电路

D

C

B

A

T

1

T

2

VCCL

R

P

在极限情况，上拉电阻Rp具有限制电流的作用。以保证IOL不超过额定值IOL(max)，故必须合理选用Rp的值。

另一方面，Rp的大小影响OC门的开关速度，Rp的值愈大，因而开关速度愈慢Rp(min)

2.4.6TTL或非门、OC门和三态门电路59集电极开路门上拉电阻Rp的计算举例

例2.4.2设TTL与非门74LS01(OC)驱动八个74LS04(反相器)，试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设VCC＝5V。解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL=400A，VIH(min)=2V，IIH=20A。IIL(total)=400A×8=3.2mA得

VCC=5V，IIH(total)=20A×8=0.16mA。

Rp的值可在985至18.75k,之间选择,可选1k的电阻器为宜。所以2.4.6TTL或非门、OC门和三态门电路60集电极开路门的缺点：由于OC门输出不是推拉式(Totem)结构，电路的上升延迟很大，这是因为：T3退出饱和状态很慢；对输出负载电容的充电电流只能通过外接的RL来提供。因此，输出波形的上升沿时间很大。2.4.6TTL或非门、OC门和三态门电路61

3.三态与非门(TSL)三态钳位电路

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1与非门A

B

CS

T5

T6

T7

R5

R66

VCC

D3.6V1.4V0.7V当CS=1时CS数据输入端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表=AB2.4.6TTL或非门、OC门和三态门电路62

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1与非门A

B

CS

T5

T6

T7

R5

R66

VC