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1、数字电子技术基础（第四版）教学课件地址地址:四川自贡市汇兴路学苑街四川自贡市汇兴路学苑街180180号号邮政编码：邮政编码：643000643000电子信箱：电子信箱：联系电话：联系电话：0813-55058690813-5505869四川理工学院电子教研室2009 第二章第二章 门电路门电路2-1 2-1 概述概述2-2 2-2 二极管、三极管、二极管、三极管、MOSMOS管开关等效电路管开关等效电路2-3 2-3 最简单的与、或、非门电路最简单的与、或、非门电路2-4 TTL2-4 TTL门电路门电路2-5 CMOS2-5 CMOS门电路门电路四川理工学院电子教研室2009 21.21.概
2、概 述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、门电路一、门电路二、正、负逻辑二、正、负逻辑本课件中，全部采用正逻辑。四川理工学院电子教研室200922.22.二极管三极管和二极管三极管和MOS管管 开关等效电路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、一、二极管开关等效电路（理想情况下）二极管开关等效电路（理想情况下）二、二、三极管开关等效电路三极管开关等效电路（理想情况下）（理想情况下）四川理工学院电子教
3、研室2009 三三.M OSOS管开关等效电路管开关等效电路（理想情况下）（理想情况下）当UGS2v时，当UGS-2v时,（等效开关图同上）TN 截止1 1、NM OS OS 管开关等效电路管开关等效电路TN导通：TP导通：TP截止：四川理工学院电子教研室200923 23 最简单的与最简单的与、或或、非门电路非门电路2-3-1 2-3-1 二极管与门二极管与门 2.工作原理工作原理Da DbUYUa Ub0 0 0 3v 3v 03v 3v3.真值表真值表（状态表）（状态表）4.输出函数式输出函数式Y=AB 5.5.逻辑符号逻辑符号&YA B0 O0 11 01 1Y0001导通 导通导通导
4、通导通 导通截止截止0.7V0.7V0.7V3.7vAB1.电路组成电路组成（以二输入为例）+VCCRABYDaDb设：VCC=5V，UIH=3v,UIL=0v二极管正向压降0.7V。四川理工学院电子教研室20091 1。电路组成电路组成(以二输入为例以二输入为例)2 2。工作原理工作原理Ua UbUa Ub0 00 3v3v 03v 3v3 3。真值表真值表A BA B0 00 11 01 1Y Y0111 4.4.输出函数式输出函数式Y=A+B5 5。逻辑符号逻辑符号截止 截止截止截止导通导通导通 导通Da DbDa DbU UY Y2.3v2.3v2.3vYAB102-3-22-3-2
5、二极管或门二极管或门四川理工学院电子教研室2009-V-VEEEEVcc3.3.真值表真值表A01Y104.4.输出函数式输出函数式 Y=A 5.5.逻辑符号逻辑符号1AY2.2.工作原理工作原理注：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 1。电原理图电原理图UaUa03vT T截止饱和U UY Y02-3-3.2-3-3.三极管非门三极管非门四川理工学院电子教研室20092-3-4.2-3-4.其它门电路其它门电路一、一、其它门电路其它门电路 其它门
6、电路有与非门、或非门、同或门、异或门等等。（略）（略）二、二、门电路的门电路的“封锁封锁”和和“打开打开”问题问题&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；四川理工学院电子教研室20092-4 TTL2-4 TTL门电路门电路3 3
7、、真值表和逻辑符号真值表和逻辑符号A A01Y Y101 1、电路结构图电路结构图输入级倒相级 输出级2 2、工作原理工作原理设Vcc=5V,UIH=3.4v,UIL=0.2v,PN结的导通电压为0.7v。1AY2.1VUAT1发射结UB1T2T3T4UY0.2V导通0.9v截止导通截止3.4v3.4V导通4.1v导通截止导通0.2v?T1集电结截止导通T T1 1T T2 2T T3 3T T4 4R R1 1Y+V+VCCCCAU UB1B12-4-1 2-4-1 TTLTTL非门非门四川理工学院电子教研室2009T2，T4导通后，把UB1 钳制在 2.1V。此时：此时：T1处于倒置工作状
8、态；、IIH 都很小,74系列门电路的每个输入端的IIH 40A。IIHT1UB13.4V2.1V1.4V5 5、电压传输特性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 UOL(max)=0.4vUIH(min)=2.0v UIL(max)=0.8vUTH 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/V3210.5 1.0 1.5OUTH=1.4v=U0L U0U0=U0H因为：因为：四川理工学院电子教研室20092.2.输入为高电平（UIH2v）时等效简化电路
9、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=0.2v时，IIL1mA。输入简化电路如图：一一.输入特性（讨论输入特性（讨论T1T1管管）1.1.输入低电平（UIL 0.8v)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。+VCCR1T1UILIIL截止+VCCR1T1UIHIIH导通be2 be4 2-4-2 2-4-2 TTL非门的非门的 静态输入特性和输出特性静态输入特性和输出特性四川理工学院电子教研室2009 二二.输出特性输出特性 1.1.输出为
10、低电平时输出为低电平时（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 UOL0.4v，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四川理工学院电子教研室2009+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)-0.7v为了保证UOH2.4v，要限制负载门的数目N2。2.2.输出端为高电平时输出端为高电平时 (U0=
11、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 三三.门电路的扇出系数门电路的扇出系数N N IOH=N2IIH四川理工学院电子教研室2009四、门间限流电阻的确定四、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
12、 UIH（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。1G11G2四川理工学院电子教研室2009 TTL门电路中的与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门等，2-4-3.2-4-3.其它类型的其它类型的TTLTTL门电路门电路下面重点介绍下面重点介绍TTL TTL OCOC门门和和三态门三态门四川理工学院电子教研室20091.1.线与问题线与问题 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”
13、。Y=0Y=02.2.OC OC 门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T4T3T4G G1 1+VCC导通导通截止截止1 10 0T3T4G G2 2+VCCIIL1 1）结构结构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、一、OC OC 门（集电极开路的门）门（集电极开路的门）&ABY2）逻辑符号）逻辑符号（以OC与非门为例）四川理工学院电子教研室2009 3.3.OCOC 门的使用门的使用使用OC门时，应外接上拉电阻RL和电源V VCCCC。4.4.线与输出线与输出函数式函数式线与Y=ABCD 若电路如图：&CD
14、Y&ABRL+VCC则：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。V VCCCC的数值根据U UOHOH的需要选定；四川理工学院电子教研室20091 1AYR R1 1T T2 2T T3 3T T4 4YA+V+VCCCC二、二、三态门（三态门（TSTS门）门）1 1、三态门的组成及工作原理三态门的组成及工作原理EN端为“使能端”。当EN=1 1时：同时，二极管D D 截止，对T2、T3也没有影响，原非门电路正常工作。当EN=0 0时：同时，二极管D D 导通，T3基极为低电平，T3T3截止。T3T3、T4T4均截止，非门电路输出为高阻状态。T1输入端被
15、封锁，UB1为低电平，T2、T4T4截止；ENEN三态非门逻辑符号对T1没有影响；T T1 1END D截止截止0 00 01 1 0 0（以三态非门为例）四川理工学院电子教研室2009逻辑符号逻辑符号名名 称称输出表达式输出表达式2 2、常用三态门的图形符号和输出逻辑表达式、常用三态门的图形符号和输出逻辑表达式Y=Y=高阻（EN=0 时）A （EN=1 时）Y=Y=A （EN=0 时）高阻 （EN=1 时）Y=Y=高阻 （EN=0 时）AB （EN=1 时）Y=Y=高阻 （EN=1 时）AB （EN=0 时）三态非门（1 控制有效）1 1ENENAY1 1ENENAY&ENENAYB&ENE
16、NAYB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）四川理工学院电子教研室2009 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：工作原理：（以三路输入为例）2 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=Y1 1EN1ENAY11 1EN2ENBY21 1EN3ENCY3总总 线线1 1ENENA AG11 1ENB BENG2总总 线线Y工作原理高阻态工作高阻态3 3、三态门的应用三态门的应用四川理工学院电子教研室2009 2-
17、5 2-5 CMOS门电路门电路基本电路用TP管和TN管构成。输入脉冲幅度通常为VDD。VA0VTP TNUYVDD真值表真值表A01Y10当UI VDD/2 时,=U0L 0当UI VDD/2 时,=U0H VDD表达式表达式Y=AU0U0其阈值电平VTH=VDD/20 0VDDVDD截止截止导通导通0TNTP+VDDAYVDD/2VDDVDD/2VDD0 0VIVO2-5-1 2-5-1 CMOS反向器的工作原理反向器的工作原理一一.电路结构电路结构二二.工作原理工作原理三三.电压传输特性电压传输特性四川理工学院电子教研室2009由于CMOS反向器的栅极和衬底之间有SiO2绝缘层，所以CM
18、OS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。2-5-2 2-5-2 CMOSCMOS反向器的反向器的 静态输入特性和输出特性静态输入特性和输出特性一、一、输入特性输入特性四川理工学院电子教研室2009由于UGS越大，TN管的导通电阻RON就越小，1.1.低电平输出特性低电平输出特性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。+VDDTNTPUIHUOLIOLRLIO
19、L从负载电路注入TN管。TN管导通，TP管截止，VDD=5V10V15VUOLO OIOL二、二、输出特性输出特性四川理工学院电子教研室20092.2.高电平输出特性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+VDDUILUOHIOHRLIOH从TP管流向负载电路。TP管导通，TN管截止，UOHO OIOHVDDVDD=5V10V15V四川理工学院电子教研室2009 CMOS门电路中的与或非门、异或门、同或门等2-5-3 2-5-3 其它类型的其它类型的
20、CMOS门电路门电路四川理工学院电子教研室2009一、一、CMOS与非门（以二输入为例）与非门（以二输入为例）1 1、组成两两T TP P管在上，管在上，并联并联；两两T TN N管在下，管在下，串联串联；2 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：功能特点：3 3、输出逻辑表达式1110通通通通通通通通止止止止止止止止T1T3+VDDYT2T4ABY=ABY=AB四川理工学院电子教研室2009二、二、CMOS或非门（以二输入为例）或非门（以二输入为例）3 3、输出逻辑表达
21、式：Y=AB1 1、组成两两T TP P管在上，管在上，串联串联；两两T TN N管在下，管在下，并联并联；2 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：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四川理工学院电子教研室2009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
22、由CMOS非门组成。增加缓冲器后，电路的逻辑功能将改变：&111ABY111ABY1Y=A+BY=AB=AB=A+B三三.带缓冲级的带缓冲级的CMOS门电路门电路四川理工学院电子教研室20091.1.CMOS传输门（传输门（TGTG）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四四.OD门（漏极开路的门电路）门（漏极开路的门电路）五
23、五.CMOS传输门传输门T1、T2截止，传输门截止。四川理工学院电子教研室20092.2.CMOS传输门应用举例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/VI1SWCVI/VOVO/VI六六.CMOS三态输出门（三态输出门（TSTS门）门）当C=1时，SW导通。四川理工学院电子教研室2009例例1 1、电路结构见图工作原理输出逻辑表达式和图形符号：Y=A高阻 CMOS三态输出门（三态输出门（
24、TSTS门）举例门）举例0 01 01 1T1P T1P T2N T2N 1 0高阻高阻YENENAEN A通止通止止通止通通通止止通通止止（EN=0 时）（EN=1时）0 1四川理工学院电子教研室2009例例2.2.电路结构见图工作原理0 01 01 1B1110T1P T2N T2NY高阻高阻 0 1ENB 输出逻辑表达式和图形符号：Y=A高阻高阻EN A止止止通通通通止止止通通（EN=1时）（EN=0时）0 1四川理工学院电子教研室2009例例3.3.电路结构见图电路结构见图工作原理TGY0 01 01 1输出逻辑表达式和图形符号：Y=A （EN=0时）高阻（EN=1时）EN A0 1导通截止截止导通高阻高阻01四川理工学院电子教研室2009