《数电 门电路学习.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数电 门电路学习.pptx（85页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、重点：门电路外部特性 输入与输出逻辑关系输入与输出逻辑关系 外部电气特性：电压传输特性外部电气特性：电压传输特性 输入特性输入特性 输出特性输出特性第三章 门电路第1页/共85页3.1 概述一.门电路 实现基本运算、复合运算的单元电路 如与与门、与非与非门、或或门 条条件件开开关关输入信号满足一定条件时，门开启，输入信号满足一定条件时，门开启，允许信号通过允许信号通过 。开门状态：开门状态：关门状态：关门状态：输入信号条件不满足，门关闭，输入信号条件不满足，门关闭，信号通不过信号通不过 。门门第2页/共85页与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。输出和输入输出和输入之间存在着一
2、定的之间存在着一定的逻辑关系逻辑关系。不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：门电路中以门电路中以高高/低低电平电平表示逻辑状态的表示逻辑状态的1/01/0第3页/共85页二.电平信号1.电压范围输入：VIH、VIL输出：VOH、VOL常用常用TTLTTL器件器件若若MOSMOS器件，高低电平界限不同器件，高低电平界限不同第4页/共85页2.获得高、低电平信号的方法开关开关S S理想开关理想开关S S合：合：=0=0=L L开：开：=V=VCCCC=H HS S开关可用开关可用V VI I信号控制信号控制门电路中器件：二极管和三极管可
3、作开关门电路中器件：二极管和三极管可作开关第5页/共85页负逻辑：高电平表示0，低电平表示1高高/低电平都低电平都允许有一定允许有一定的变化范围的变化范围正逻辑：高电平表示正逻辑：高电平表示1 1，低电平表示，低电平表示0 0三 正、负逻辑第6页/共85页二极管的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区3.2 半导体二极管门电路第7页/共85页3.2.1二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 V VI I=V=VIHIH D D截止，截止，V VO O=V=VOHOH=V=VCCCC V VI I=V=VILIL D D导通，导通，V VO O=V=VOLOL=0.7V=0.
4、7V二极管特性：加正向向电压导通二极管特性：加正向向电压导通 加反向电压截止加反向电压截止可作开关可作开关 二极管作开关二极管作开关 缺点：缺点：有有0.7V0.7V压降（硅管）压降（硅管）有延迟有延迟第8页/共85页3.2.2 二极管与门设VCC=5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时 VDF=0.7V3.7V3.7V3V3V3V3V0.7V0.7V0V0V3V3V0.7V0.7V3V3V0V0V0.7V0.7V0V0V0V0VY YB BA A1 11 11 10 00 01 10 01 10 00 00 00 0Y YB BA A规定3V以上为10.7V以下为0与逻辑电
5、平关系与逻辑真值表第9页/共85页缺点：当VIL=0.3V时，Vo=1V.（无法确定高低电平），应避免输入与输出差0.7v，若多级会电平偏移第10页/共85页3.2.3 3.2.3 二极管或门设VCC=5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时 VDF=0.7V2.3V2.3V3V3V3V3V2.3V2.3V0V0V3V3V2.3V2.3V3V3V0V0V0V0V0V0V0V0VY YB BA AA AB BY Y0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 11 11 1规定2.3V以上为10V以下为0第11页/共85页二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差
6、只用于IC内部电路第12页/共85页双极型三极管的开关特性（BJT,Bipolar Junction Transistor）3.5 TTL3.5 TTL门电路门电路3.5.1 3.5.1 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性第13页/共85页二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPN）V VONON ：开启电压：开启电压 近似认为近似认为:V VBE BE V 0.7V,i 0.7V,iB B 0,i 0,iC C随随i iB B成正比变化，成正比变化，i iC C=i iB B。饱和区：条件饱和区：条件V VCE CE 0.7V,i0,V 0,VCE CE 很低，很
7、低，i iC C 随随 i iB B增加变缓，增加变缓，趋于趋于“饱和饱和”。截止区：条件截止区：条件V VBE BE=0V,i=0V,iB B=0,i=0,iC C=0,ce=0,ce间间“断开断开”。第16页/共85页一、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：只要参数合理：VI=VILVI=VIL时，时，T T截止，截止，VO=VOHVO=VOHVI=VIHVI=VIH时，时，T T导通，导通，VO=VOLVO=VOL第17页/共85页工作状态分析：第18页/共85页工作状态分析：第19页/共85页二、三极管的开关等效电路截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态第20页/共85页三、三极
8、管反相器三极管的基本开关电路就是非非门 实际应用中，为保证VI=VIL时 T可靠截止，常在输入接入负压。参数合理？参数合理？V V V VI I I I=V=V=V=VILILILIL时，时，T T T T截止，截止，V V V VO O O O=V=V=V=VOHOHOHOHVI=VIHVI=VIHVI=VIHVI=VIH时，时，T T T T截止，截止，V V V VO O O O=V=V=V=VOLOLOLOL第21页/共85页数字集成电路数字集成电路分为双极型、单极型和混合型。简称IC 数字集成电路从集成度上分小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）
9、、超大规模集成电路（VLSI）。TTL型与CMOS型。第22页/共85页 TTL 即即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 集成门电路集成门电路 CMOS 集成门电路集成门电路 输输入入端端和和输输出出端端都都用用三极管的逻辑门电路。三极管的逻辑门电路。用互补对称用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。管构成的逻辑门电路。第23页/共85页TTLTTL电路的致命缺点是：功耗大，只能制造电路的致命缺点是：功耗大，只能制造SSISSI，MSIMSI，而无法制作，而无法制作LS
10、ILSI和和VLSIVLSI。CMOSCMOS突出突出优点优点是：是：功耗极低功耗极低，非常适合制作，非常适合制作VLSIVLSI。随着其工艺不断进步，无论在随着其工艺不断进步，无论在工作速度工作速度还是还是驱动能力驱动能力上，都已不比上，都已不比TTLTTL逊色。逊色。CMOSCMOS已经取代已经取代TTLTTL，成为，成为ICIC的主导技术的主导技术不过现有的旧设备中，有的仍在用不过现有的旧设备中，有的仍在用TTLTTL，因此了解，因此了解TTLTTL的某些知识仍有必要。的某些知识仍有必要。第24页/共85页3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设 推拉式电路推拉式电路第
11、25页/共85页输入级倒相级输出级推拉式电路推拉式电路第26页/共85页1.输入为低电平（输入为低电平（0.2V）时）时三个PN结导通需2.1V0.9V不足以让T2、T5导通T2、T5截止截止第27页/共85页1.输入为低电平（输入为低电平（0.2V）时）时vovo=5vR2vbe4vD23.4V 输出输出高电平高电平NP第28页/共85页2.输入为高电平（输入为高电平（3.4V）时）时电位被嵌在2.1V全导通 vB1=VIH+VON=4.1V发射结反偏 1V截止T2、T5饱和导通饱和导通第29页/共85页2.输入为高电平（输入为高电平（3.4V）时）时vo=VCE50.2V 输出低电平输出低
12、电平第30页/共85页无论输入如何，无论输入如何，T4和和T5总是一管导通而另一管截止。总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，这种推拉式工作方式，静态功耗低，静态功耗低，带载能力强带载能力强。第31页/共85页一般用T5的状态表示门的工作状态T5截止，称门电路处于关态 （关断状态）T5导通，称门电路处于开态 （开通状态）第32页/共85页第33页/共85页二、电压传输特性第34页/共85页 123 VI/VVO/V420DCBAEVoffVonVthVoHmin电压传输特性可以反映电压传输特性可以反映TTL非门的几个主要电参数：非门的几个主要电参数：输出高、低电平输出高、低电平VOHV
13、OL输出高电平输出高电平VOH输出低电平输出低电平VOL关门电平关门电平(Voff)和开门电平和开门电平(Von)Voff(VILmax)Von(VIHmin)l在在保保证证输输出出高高于于VOHmin允允许许的的输输入入低低电电平平的的最最大大值值，称称为为关关门门电平电平Voff(VILmax);l在在保保证证输输出出低低于于VOLmax允允许许的的输输入入高高电电平平的的最最小小值值，称称为为开开门门电平电平Von (VIHmin)。0.8V2V3.4V0.3V第35页/共85页 输出高、低电平的最小值输出高、低电平的最小值输出高电平最小值输出高电平最小值VOHmin输出低电平最大值输出
14、低电平最大值VOLmax 阈值电压阈值电压(Vth):转折区中点对应的输入电压称阈值电压转折区中点对应的输入电压称阈值电压Vth。2.4V0.4V 123 VI/VVO/V420DCBAEVoffVonVthVoHminVOHVOL第36页/共85页4 噪声容限噪声容限VNH=VOHmin-VIHminVNL=VILmax-VOLmaxVNH=2.4-2=0.4VVNL=0.8-0.4=0.4V第37页/共85页一、输入特性3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性输入端的等效电路如图所示输入低电平电流输入高电平电流第38页/共85页一、输入特性3.5.3 TTL3.5.3 TTL反相器
15、的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性 输入电流随输入电压变化的曲线输入特性曲线如图所示。1.输入伏安特性输入短路电输入短路电流流IIS(IIL)高电平输入电流高电平输入电流IIH注：以流入门的电流为正注：以流入门的电流为正 第39页/共85页2.输入负载特性1 2 31.41 ，相当于接0 ，相当于接13.输入端悬空，相当于接1第40页/共85页 数字电路中要求输入负载电阻数字电路中要求输入负载电阻RP RON或或RP ROFF，否则输入信号将不在高低电，否则输入信号将不在高低电平范围内。平范围内。为了防止为了防止 干扰，一般将悬空的输干扰，一般将悬空的输入端人为接高电平。入
16、端人为接高电平。第41页/共85页 二二.输出特性输出特性非门非门输出输出为为 高电平高电平时：时：VOH(MIN)输出电流的方向为流出（拉电流）输出电流的方向为流出（拉电流）实际工作中，受到功耗的限制，实际工作中，受到功耗的限制，输出电流不能超过输出电流不能超过0.4mA。IOHmax=-0.4mA由于非门输出电阻的存在，输出由于非门输出电阻的存在，输出电压随输出电流的增大而下降电压随输出电流的增大而下降拉电流：拉电流：IOH反反映映输输出出电电压压vO与与输输出出电电流流iL的的关关系系。规规定定灌灌入入电电流流为为正正方方向向。拉拉出出电电流流为为负方向。负方向。第42页/共85页非门非
17、门输出输出为为 低电平低电平时：时：T5RL R3灌电流：灌电流：IOL输出电流的方向为输出电流的方向为流入流入(灌电流灌电流)，输出电压随输出电流的增大而增大。输出电压随输出电流的增大而增大。VOL(MAX)IOLmax=16mAIOL(max)第43页/共85页3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性例：扇出系数（Fan-out），试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。扇出系数扇出系数N=N=I IOO（驱动门）驱动门）I II I（负载门）负载门）第44页/共85页解：G1的负载电流是所有负载门输入电流之和；对于低电平，由输入特性可知，当VI=0.2V时每个门的输入电流iI=
18、-1mA。第45页/共85页 对于高电平，由输入特性可知，对于高电平，由输入特性可知，每个门的输入电流为每个门的输入电流为4040微安。微安。取N=10。第46页/共85页当当RP RON时，相当于输入端接高电平。时，相当于输入端接高电平。输入端悬空，相当于接高电平。输入端悬空，相当于接高电平。当当RP ROFF时，相当于输入端接低电平。时，相当于输入端接低电平。适用所有的适用所有的TTL门电路门电路 3VY&AY&AB 1Y例题：写出图中门电路的逻辑式例题：写出图中门电路的逻辑式:第47页/共85页TTL门电路的动态特性一、传输延迟时间一、传输延迟时间tpdtpd表征门电路的开关速度表征门电
19、路的开关速度第48页/共85页t ui 0tuO 050%50%tpHLtpLH导通传输导通传输时间时间截止传输截止传输时间时间 平均传输延迟时间平均传输延迟时间（Propagation delay)tpd=tpHL+tpLH2tpd=515ns上升沿上升沿下降沿下降沿问：哪个长？为什么？问：哪个长？为什么？第49页/共85页t ui 0tuO 050%50%tpHLtpLH 平均传输延迟时间平均传输延迟时间（Propagation delay)tpd=tpHL+tpLH28ns，12nsT5管导通时工作在深度饱和状态，其从导通转换为截管导通时工作在深度饱和状态，其从导通转换为截止（对应输出从
20、低电平跳变为高电平）的开关时间较止（对应输出从低电平跳变为高电平）的开关时间较长，因此长，因此tpHL tpLH第50页/共85页3.5.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非与非门第51页/共85页二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用 OC门第52页/共85页2、OC门的结构特点注：此时T5管存在截止的漏电流，约0.5ma第53页/共85页OC门实现的线与线与第54页/共85页3、外接负载电阻RL的计算第55页/共85页3、外接负载电阻RL的计算第56页/共85页3、外接负载电阻RL的计算第
21、57页/共85页三、三态输出门（Three state Output Gate,TS）第58页/共85页三态门的用途1.1.总线结构总线结构2.2.双向数据传输双向数据传输第59页/共85页输入特性：直流电流为输入特性：直流电流为0 0，看进去有一个输入电，看进去有一个输入电容容C CI I，对动态有影响。，对动态有影响。输出特性：输出特性：i iD D=f(V=f(VDSDS)对应不同的对应不同的V VGSGS下得一族曲线下得一族曲线 。3.3 CMOS门电路 MOSMOS管的开关特性管的开关特性一一 输入特性和输出特性输入特性和输出特性第60页/共85页漏极特性曲线（分三个区域）截止区恒流
22、区可变电阻区截止区截止区恒流区恒流区可可变变电电阻阻区区第61页/共85页三、MOS管的基本开关电路第62页/共85页四、等效电路OFF OFF，截止状态，截止状态 ONON，导通状态，导通状态第63页/共85页3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构T1管：P沟道增强型MOS管T2管：N沟道增强型MOS管NP第64页/共85页二、电压、电流传输特性NP第65页/共85页无论VI高低电平，T1和T2管总是一个导通一个截止的互补状态。该电路称为互补对称式金属氧化物-半导体电路（CMOS电路）优点：静态电流极小，功耗极小第66页/共85页3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输
23、出特性一、输入特性第67页/共85页二、输出特性第68页/共85页二、输出特性第69页/共85页3.3.5 其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路1.1.与非与非与非与非门门 2.2.或非或非或非或非门门 第70页/共85页二、漏极开路的门电路（OD门）第71页/共85页第72页/共85页 OD门输出端截止、输出高电平时，为保证输出高电平不低于规定的数值，RL不能取值太大。第73页/共85页 OD门输出低电平时，为保证负载电流不超过MOS管允许的最大电流，RL不能取值太小。第74页/共85页三、CMOS传输门1.传输门第75页/共85页2.2.双向模拟开关双向模拟开关第76页/共85
24、页四、三态输出门第77页/共85页3.3.6 COMS3.3.6 COMS电路的正确使用电路的正确使用一、输入电路的静电防护（1）储存、运输COMS器件时，不使用易产生静电的材料包装。（2）组装、调试时，使用的工具要很好的接地。（3）不用的输入端不应悬空。第78页/共85页3.3.6 COMS3.3.6 COMS电路的正确使用电路的正确使用二、输入电路的过流保护（1）输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间传入保护电阻。（2）输入端接有大电阻时，也应在输入端与信号源之间接入保护电阻。（3）输入端接长线时，也应在输入端接入保护电阻。第79页/共85页3.3.7CMOS3.3.7CMOS数字
25、集成电路的各种系列数字集成电路的各种系列 标准化、系列化的产品有4000系列、HC/HCT系列、AHC/AHCT系列、VHC/VHCT、LVC系列、ALVC系列等。最早的COMS集成电路是有4000系列。电压范围较宽，传输延迟时间较长，带负载能力较弱。HC/HCT是高速COMS逻辑系列的简称。它的传输延迟时间缩短，带负载能力提高。HC系列电压范围在2-6V之间；HCT系列工作电压为单一的5V，可与TTL电路匹配。第80页/共85页 AHC/AHCT是改进的高速COMS逻辑系列的简称。工作速度提高一倍，带负载能力提高近一倍。AHC/AHCT又能与HC/HCT系列产品兼容，为系统更新带来方便。两者
26、的区别在工作范围电压和对输入电平的要求不同上。与TI公司的 AHC/AHCT系列性能相近的有VHC/VHCT系列，是其他公司产品。LVC是TI公司近年推出的低压COMS逻辑系列的简称，工作在1.65-3.3V的低压范围，传输时间也缩短至3.8ns，负载能力增强。ALVC是改进的低压COMS逻辑系列的简称，在移动式便携电子设备上，LVC和ALVC优势明显。第81页/共85页一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL）1.电路的改进(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）(2)减少各电阻值2.性能特点速度提高 的同时功耗也增加 3.5.6 TTL3.5.6 TTL电路的改进系列电
27、路的改进系列第82页/共85页二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）1.电路改进(1)采用抗饱和三极管(2)用有源泄放电路代替74H系列中的R3(3)减小电阻值2.性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大第83页/共85页三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-Power Schottky TTL）四、74AS,74ALS（Advanced Low-Power Schottky TTL）2.5 其他类型的双极型数字集成电路*DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路 第84页/共85页感谢您的观看！第85页/共85页