数字电子技术基础课件-002

数字电子技术基础信息科学与工程学院·基础电子教研室第二章门电路内容提要

本章介绍数字电路的基本逻辑单元—门电路。首先复习二极管、三极管的工作特性，然后讲述由三极管构成的TTL电路的工作原理，重点介绍TTL电路电气特性，即输入特性和输出特性，为以后应用这些器件打下基础，最后简单介绍了CMOS门电路。第二章门电路§2.1概述§2.3最简单的与、或、非门电路§2.4TTL门电路§2.5CMOS门电路§2.1概述

1.门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。2.分类按工艺：双极型TTL、MOS型CMOS按逻辑功能：与、或、非、与非等按输出结构：推拉式、OC门按集成度小规模集成电路SSI中规模集成电路MSI大规模集成电路LSI超大规模集成电路VLSI

小规模集成电路(SSI-SmallScaleIntegration)，每片组件内包含10~100个元件(或10~20个等效门)。中规模集成电路(MSI-MediumScaleIntegration)，每片组件内含100~1000个元件(或20~100个等效门)。大规模集成电路(LSI-LargeScaleIntegration)，每片组件内含1000~100000个元件(或100~1000个等效门)。超大规模集成电路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)，每片组件内含100000个元件(或1000个以上等效门)。

10

vivoKVccR只要能判断高低电平即可K开------vo=1,输出高电平K合------vo=0,输出低电平可用三极管代替3.高、低电平的获取方法在数字电路中，一般用高电平代表1、低电平代表0，即所谓的正逻辑系统。2.3最简单的与、或、非门电路YABVILVILVILVILVIHVIHVIHVIH设：VIL=0V,VIH=3V

VD=0.7V3.7V0.7V0.7V0.7VFD1D2ABFD1D2ABVCCYD1D2AB2.3.1二极管与门YABVILVILVILVILVIHVIHVIHVIH3.7V0.7V0.7V0.7VYAB000011111000二极管与门ABY&二极管或门2.3.2二极管或门YD1D2ABYABVILVILVILVILVIHVIHVIHVIH0V2.3V2.3V2.3VABY≥1设：VIL=0V,VIH=3V

VD=0.7V2.3.3三极管非门-VEEVCC+-R1RCICIBVOVi+-R2例：

=30，VCC

=VEE

=12V，VCES=0.3V，R1

=5.1k，RC

=2k,R2

=20k，当Vi

=0、5V、悬空时，晶体管的静态工作状态及Vo的值？分析：Vi’由叠加定理或戴维南等效定理可知例：

=30，VCC

=VEE

=12V，VCES=0.3V，R1

=5.1k，RC

=2k,R2

=20k，当Vi

=0、5V、悬空时，晶体管的静态工作状态及Vo的值？分析：当Vi

=0时：Q位于截止区，Vo=12V

-VEEVi’VCC+-R1RCICIBVOVi+-R22.3.3三极管非门例：

=30，VCC

=VEE

=12V，VCES=0.3V，R1

=5.1k，RC

=2k,R2

=20k，当Vi

=0、5V、悬空时，晶体管的静态工作状态及Vo的值？分析：当Vi

=5V时：由于发射结的钳位，故：Vi’=0.7V由：IB=(Vi-0.7)/R1-(VEE+0.7)/R2得：IB=0.33mA而：ICS=(VCC-VCES)/RC=4.85mA

IBS=ICS/β

=0.16mA∵IB>

IBS∴三极管饱和Q位于饱和区，Vo=VCES=0.3V

-VEEVi’VCC+-R1RCICIBVOVi+-R22.3.3三极管非门-VEEICIBR1RCVCCVOVi++--R2例：

=30，VCC

=VEE

=12V，VCES=0.3V，R1

=5.1k，RC

=2k,R2

=20k，当Vi

=0、5V、悬空时，晶体管的静态工作状态及Vo的值？分析：Vi’当Vi

悬空时：Q位于截止区，Vo=12V

1.体积大、工作不可靠。2.需要不同电源。3.各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点4.带负载能力差。作业：P125思考题和习题2.1题中的（a）小题§2.1概述

1.门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。【】内容回顾2.分类按工艺：双极型TTL、MOS型CMOS按逻辑功能：与、或、非、与非等按输出结构：推拉式、OC门按集成度小规模集成电路SSI中规模集成电路MSI大规模集成电路LSI超大规模集成电路VLSI【】内容回顾

vivoKVccR只要能判断高低电平即可K开------vo=1,输出高电平K合------vo=0,输出低电平可用三极管代替3.高、低电平的获取方法在数字电路中，一般用高电平代表1、低电平代表0，即所谓的正逻辑系统。【】内容回顾2.2.2二极管与门FD1D2ABFD1D2ABVCCYD1D2AB【】内容回顾YAB000011111000二极管与门ABY&二极管或门2.2.2二极管或门YD1D2ABABY≥1【】内容回顾YAB000011111011ICIBRBRCVCCVOVi++--三极管工作状态判断方法：(1)判断UBE(2)计算ICS

和IBS

(3)计算IB(4)判断IB

是否大于IBS,若大于则三极管工作于饱和状态，反之，则工作于放大状态。【】内容回顾§2.3三极管及其构成的非门电路

三极管截止时相当于开关断开，在开关电路的输出端给出高电平；三极管饱和导通时相当于开关接通，在开关电路的输出端给出低电平。三极管的开关等效电路【】内容回顾2.3.3三极管非门-VEEICIBR1RCVCCUOUi++--R2Ui’三极管位于截止区，Uo=12V，

Uo为高电平。当Ui

=0时：

（为低电平时）当Ui

=5V时：

（为高电平时）三极管位于饱和区，Uo=UCES=0.3V，Uo为低电平。【】内容回顾2.4.1TTL非门的电路结构和工作原理与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为TTL、MOS管集成门电路等。§2.4TTL集成门电路一、TTL非门的内部结构输入级倒相级输出级AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c11.输入为低电平（0.3V）时0.3V1V不足以让T2、T5导通三个PN结导通需2.1VAVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1VCC＝5V1.输入为低电平（0.3V）时uo=5-uR2-ube4-uD23.4V高电平！uoA0.3V1VYR4R2R1T4T1VCCD2b1c1VCC＝5V2.输入为高电平（3.4V）时全导通电位被嵌在4.1V倒置1V截止AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c13.4V2.1V1.4V0.7VVCC＝5V饱和2.输入为高电平（3.4V）时全导通反偏AVCCR2R1T2R3T1T5D1b1c13.4V饱和uo0.3V低电平！＝5VVCCR1b1c1TTL非门的内部结构AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1图腾柱输出拉电流灌电流VCC＝5V一、电压传输特性2.4.2TTL非门的主要特性测试电路1+5Vuiu0(3.4V)u0(V)ui(V)123UOHUOL(0.3V)传输特性曲线输出高电平输出低电平阈值电压UTH=1.4V截止区饱和区转折区线性区噪声容限voviVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)11噪声容限voviVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)VNH=VOH(min)－VIH(min)VNL=VIL(max)－VOL(max)2.4.2

TTL非门的静态输入特性和输出特性一、输入特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1vILiIL1.4V-1mAiI

(mA)vi(V)0vIHiIH<40μA一、输入特性倒置状态二、输出特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1iL

(mA)vO

(V)0iL<400μAiL<10mATTL非门的内部结构AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1AVCCYR4R1T4T1D2b1c1R2VCC前级输出为高电平时前级后级111N1IIHIIHIIHIOH显然：N1×IIH≤IOHN1≤IOH/IIH

N1≤400μA/40μA=10前级输出为低电平时前级后级R1T1+5V+5VR2T2R3T5111N2IILIILIILIOL显然：N2×IIL≤IOLN2≤IOL/IIL

N2≤10mA/1mA=10一般TTL门的扇出系数为10。由于IOL、IOH的限制，每个门电路输出端所带门电路的个数，称为扇出系数。注意：当前级输出高、低电平时如果N1

和N2不相等，则较小者为扇出系数。输入端“1”,“0”？三、输入端负载特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1uiRP简化电路RP较小时当RP<<R1时,

ui∝RPRPui0VCCRPuiAR1T1be2be5简化电路RPuiAVCCR1T1be2be5RP增大时1.4VRPui0Ruiui≥UT（1.4V）时，输入变为高电平，由于uBE1的钳位作用，ui

动态固定为1.4V。对TTL电路而言，当输入端对地电阻RP≤0.7kΩ时，认为ui为低电平，称为关门电阻ROFF。对TTL电路而言，当输入端对地电阻RP≥

1.5kΩ时，认为ui为高电平，称为开门电阻RON。2.4.3其他类型TTL门电路一、TTL与非门AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2？AB端悬空AB端接不同电阻扇出系数的计算相当接高电平与电阻值有关

FD1D2ABFD1D2ABVCCYD1D2AB&&&N1显然：N1×2IIH≤IOHN1≤IOH/2IIH前级输出为高电平时IIHIIHIIHIOHIIHIIHN2显然：N2×IIL≤IOLN2≤IOL/IIL前级输出为低电平时IILIILIOLIIL与非门扇出系数的计算前级输出为高电平时，N1决定于输入端的个数；前级输出为低电平时，N2决定于门的个数。取较小者为扇出系数。二、TTL或非门当A＝1，B=0时，T2和T5导通，T2’

、T4

截止，

Y＝0。

当B＝1，A=0时，T2’

和T5导通，T2、T4

截止，Y＝0。

只有A＝B＝0，T2

和T2’同时截止，T4导通，Y＝1。或非门扇出系数的计算前级无论输出为高低电平，N都决定于输入端的个数。2.4.1TTL非门的电路结构和工作原理§2.4TTL集成门电路【】内容回顾一、TTL非门的内部结构输入级倒相级输出级AYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1【】内容回顾VCC1.输入为低电平（0.3V）时uo=5-uR2-ube4-uD23.4V高电平！uoA0.3V1VYR4R2R1T4T1VCCD2b1c1VCC＝5V2.输入为高电平（3.4V）时全导通反偏AVCCR2R1T2R3T1T5D1b1c13.4V饱和uo0.3V低电平！＝5VVCCR1b1c1TTL非门的内部结构AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1图腾柱输出拉电流灌电流VCC＝5V一、电压传输特性2.4.2TTL非门的主要特性【】内容回顾(3.4V)u0(V)ui(V)123UOHUOL(0.3V)传输特性曲线输出高电平输出低电平阈值电压UTH=1.4V截止区饱和区转折区线性区2.4.2

TTL非门的静态输入特性和输出特性一、输入特性【】内容回顾AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1vILiIL1.4V-1mAiI

(mA)vi(V)0vIHiIH<40μA倒置状态二、输出特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1iL

(mA)vO

(V)0iL<400μAiL<10mA【】内容回顾前级输出为高电平时【】内容回顾111N1IIHIIHIIHIOH显然：N1×IIH≤IOHN1≤IOH/IIH前级输出为低电平时【】内容回顾111N2IILIILIILIOL显然：N2×IIL≤IOLN2≤IOL/IIL一般TTL门的扇出系数为10。由于IOL、IOH的限制，每个门电路输出端所带门电路的个数，称为扇出系数。注意：当前级输出高、低电平时如果N1

和N2不相等，则较小者为扇出系数。【】内容回顾输入端“1”,“0”？三、输入端负载特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1uiRP【】内容回顾对TTL电路而言，当输入端对地电阻RP≤0.7kΩ时，认为ui为低电平，称为关门电阻ROFF。对TTL电路而言，当输入端对地电阻RP≥

1.5kΩ时，认为ui为高电平，称为开门电阻RON。【】内容回顾&&&N1显然：N1×2IIH≤IOHN1≤IOH/2IIH前级输出为高电平时IIHIIHIIHIOHIIHIIH【】内容回顾2.4.4其他类型TTL门电路N2显然：N2×IIL≤IOLN2≤IOL/IIL前级输出为低电平时IILIILIOLIIL与非门扇出系数的计算前级输出为高电平时，N1决定于输入端的个数；前级输出为低电平时，N2决定于门的个数。取较小者为扇出系数。【】内容回顾二、TTL或非门或非门扇出系数的计算前级无论输出为高低电平，N都决定于输入端的个数。【】内容回顾1.悬空的输入端相当于接高电平。2.为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平或并联使用。说明【例1】说明图中TTL电路的输出状态。&≥1VCC悬空&10k51ΩVIHROFF＝

0.7kΩRON＝1.5kΩROFF＝

0.7kΩRON＝1.5kΩ【例2】说明图下列情况下，万用表的测量结果是多少？&vIV（1）vI悬空；（2）vI接低电平（0.2V）；（3）vI接高电平（3.2V）；（4）vI经51Ω电阻接地；（5）vI经10kΩ电阻接地。AYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2100k（1）vI悬空1.4V万用表的内阻

&vIVAYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2100k（2）vI接低电平（0.2V）0.2V

&vIVAYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2100k（3）vI接高电平（3.2V）1.4V

&vIVAYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2100k（4）vI经51Ω电阻接地0V

&vIVAYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2100k（5）vI经10kΩ电阻接地1.4V

&vIV三、集电极开路的门（OC门）&&Y1Y2YVCCYR4R3T4T5D2Y1Y2（1）输出电平固定；（2）输出端不能“线与”。（输出端并联使用）AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD21.电路结构AVCCYR2R1T2R3T1T5D1b1c1BD2T5管集电极开路1.电路结构符号&！应用时输出端要接一上拉负载电阻RLRLVCC+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC2.OC门可以实现“线与”功能&&&UCCF1F2F3FF=F1F2F3RL输出级UCCRLT5T5T5FF=F1F2F3?任一导通F=0UCCRLF1F2F3F全部截止F=1F=F1F2F3?所以：F=F1F2F3UCCRLF1F2F3F个门n3.负载电阻RL的选择当了保证OC门输出高电平VOHIIHIIHIIHIIHIIHIOHIOHIOHIOH：OC门输出三极管截止时的漏电流IIH：负载门每个输入端的高电平输入电流n个门个门m当OC门中只有一个导通时ILM：OC门的最大允许的负载电流电流IIL：每个负载门的低电平输入电流的绝对值ILMIILIILIIL01截止+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB四、三态门（TS门）E---控制端YDE110导通+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB截止截止Y高阻态0.7V0.7VDE1功能表低电平起作用&ABY符号&ABY符号功能表高电平起作用０１０三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路用途：E1、E2、E3轮流接入高电平，将不同数据（A、B、C）分时送至总线。E1E2E3公用总线ABC&&&54系列的TTL门电路。其电路结构和电气性能参数与74系列相同，主要区别在于54系列比74系列的工作温度范围更宽(74系列为0~70℃，54系列为-55~+125℃)，电源允许的工作范围也更大(74系列为5V(1±5%)，54系列为5V(1±10%))。

四、其他系列TTL电路作业：P123自我检测题（一）、（三）题P126思考题和习题2.5、2.7题2.6.2CMOS反相器UCCST2DT1AFNMOS管PMOS管CMOS电路VDDST1DT2vivovi

=VIL

=0截止ugs2=VDD导通v０=VOH

=VDD工作原理：SVDD>UGS(th)N

＋｜UGS(th)P｜UGS(th)N>0UGS(th)P<0v０=

"１"VDDST1DT2vivovi=VOH

=VDD导通截止v０=VIL

=０工作原理：Svi=１UGS(th)N>0UGS(th)P<0VDD>UGS(th)N

＋｜UGS(th)P｜vOVvIVDDVDD21VDD21DD0CMOS反相器电压传输特性曲线UGS2＞UGS(th)N

，|UGS1|

＞|UGS(th)P

|T1导通，T2导通UGS2＜UGS(th)N,|UGS1|＞|UGS(th)P|

T1导通，T2截止UGS2>UGS(th)N,|UGS1|<|U