数电PPT电子教案第二章逻辑门电路基础(简介).ppt

第二章 逻辑门电路基础,5,作 业,2-22-32-5(1,2)2-182-19(c,d,e),5,本章主要内容,第一节 二极管、三极管的开关特性第二节 二极管逻辑门电路第三节 TTL逻辑门电路第四节 射极耦合逻辑门电路第五节 CMOS逻辑门电路第六节 各种逻辑的门电路之间的接口问题,5,第一节 二极管、三极管的开关特性,一、二极管的开关特性（一）二极管的静态开关特性（二）二极管的动态开关特性（三）二极管的近似直流等效电路,5,5,（一）二极管的静态开关特性,二极管正偏时导通，管压降为0V，流过二极管的电流大小决定于外电路，相当于开关闭合。二极管反偏时截止，流过二极管的电流为0，相当于开关打开，二极管两端电压的大小决定于外电路。这就是二极管的静态开关特性。,二极管的静态开关特性是指二极管稳定地处于导通和稳定处于截止时的特性。,（二）二极管的动态开关特性,给二极管电路加入一个方波信号，电流的波形怎样呢？,二极管的动态开关特性是指二极管从一个状态到另一个状态的过渡过程中的特性。,5,5,trets十tt称为反向恢复时间,ts为存储时间,tt为渡越时间,1.反向恢复过程 通常把二极管从正向导通转为反向截止所经历的转换过程称为反向恢复过程。,产生反向恢复过程的原因：电荷存储效应 反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。,同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般可以忽略不计。,5,2.对输入信号vi的要求输入信号vi的负半周的宽度应大于tre，这样二极管才具有单向导电性。若小于，二极管还没有到达截止状态，就又必须随输入脉冲而导通，从而失去单向导电性。输入信号vi的正半周的宽度要求比较低。输入信号vi的频率不可太高，由tre时间决定。,5,（三）二极管的近似直流等效电路,正向时,反向时,5,二、双极型三极管的开关特性（一）双极型三极管的静态开关特性（二）双极型三极管的动态开关特性,三极管的动态开关特性是指三极管从一个状态到另一个状态的过渡过程中的特性。,三极管的静态开关特性是指三极管稳定地处于饱和或截止状态时的特性。,5,（三）三极管的的似直流等效电路,（一）双极型三极管的静态开关特性判断三极管工作状态的解题思路：（1）把三极管从电路中拿走，在此电路拓扑结构下求三极管的发射结电压，若发射结反偏或零偏或小于死区电压值，则三极管截止。若发射结正偏，则三极管可能处于放大状态或处于饱和状态，需要进一步判断。进入步骤（2）。（2）把三极管放入电路中，电路的拓扑结构回到从前。假设三极管处于临界饱和状态（三极管既可以认为是处于饱和状态也可以认为是处于放大状态，在放大区和饱和区的交界区域，此时三极管既有饱和状态时的特征VCES=0.3V，又有放大状态时的特征IC=IB），求此时三极管的集电极临界饱和电流ICS，进而求出基极临界饱和电流IBS。集电极临界饱和电流ICS是三极管的集电极可能流过的最大电流。（3）在原始电路拓扑结构基础上，求出三极管的基极支路中实际流动的电流iB。（4）比较iB和IBS的大小：若iB IBS（或者 iB ICS），则三极管处于饱和状态。若iB IBS（或者 iB ICS），则三极管处于放大状态。,5,例2-1 判断图电路中三极管的状态，其中Rb=2k，RC=2k，VCC=12V，=50。,将三极管拿开，发射结零偏，所以三极管截止。,5,例2-2 电路及参数如图所示，三极管的VBE=0.7V，60，输入电压vi取值3V和-2V。（1）当vi3V时判断三极管的状态，并求出iC和vo的值。（2）当vi-2V时判断三极管的状态，并求出iC和vo的值。,5,5,解：（1）vi3V,因为iBIBS 所以三极管处于饱和状态，如右图中的E点所示。,（2）vi-2V,因为vBE 0，反偏，所以三极管处于截止状态，如右图中的A点所示。,5,NPN型三极管三种工作状态的特点,5,（二）双极型三极管的动态开关特性,5,（1）延迟时间td 从输入信号vi正跳变的 瞬间开始，到集电极电流iC上升到0.1ICS所需的时间（2）上升时间tr集电极电流从0.1ICS上升到0.9ICS所需的时间。（3）存储时间ts从输入信号vi下跳变的瞬间开始，到集电极电流iC下降到0.9ICS所需的时间。（4）下降时间tf集电极电流从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。,几个时间概念,5,对输入脉冲的要求,（5）开通时间ton=td+tr（6）关闭时间toff=ts+tf以保证三极管能可靠进入饱和状态和截止状态输入信号vi的正半周的宽度 ton输入信号vi的负半周的宽度 toff,几个时间概念,5,（三）三极管的近似直流等效电路,正向时,反向时,5,三、MOS管的开关特性,（一）MOS管的静态开关特性,viVT时，管子处于线性电阻区，vo=0。,5,MOS管相当于一个由vGS控制的无触点开关。,MOS管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合”，输出为低电平。,MOS管截止，相当于开关“断开”输出为低电平。,1.当输入为低电平时：,2.当输入为高电平时：,（二）MOS管的动态开关特性,5,第二节 二极管逻辑门电路,概念高电平：电压在3.5V-5.0V，用H表示低电平：电压在0V-1.5V，用L表示正逻辑体制负逻辑体制,5,正逻辑体制和负逻辑体制,正逻辑体制:将高电平用逻辑1表示，低电平用逻辑0表示,负逻辑体制:将高电平用逻辑0表示，低电平用逻辑1表示,5,一、正与门电路,5,正逻辑体制,逻辑符号,逻辑表达式,5,负逻辑体制,逻辑符号,逻辑表达式,5,二、正或门电路,5,正逻辑体制,负逻辑体制呢?,5,三、非门电路,5,二极管逻辑门电路，电路结构简单，简单的串联连接就可以实现更复杂的逻辑运算，但是这些电路的输出电阻大，带载能力差，开关性能不理想，所以引入TTL逻辑门电路。,5,第三节 TTL逻辑门电路,与非,或非,第三节 TTL逻辑门电路,TTL集成电路分为：74系列：用于民用电子产品的设计和生产，工作温度为0-70。54系列：用于军用电子产品的设计和生产，工作温度为-55-+125。,TTL的含义：Transistor Transistor Logic,5,TTL逻辑门电路由若干双极型三极管(BJT)和电阻组成。,一、标准生产工艺的TTL非门的工作原理,TTL：Transistor Transistor Logic,输出级T3、D、T4和Rc4构成推拉式的输出级。用于提高开关速度和带负载能力。,中间级T2和电阻Rc2、Re2组成，从T2的集电结和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为T3和T4输出级的驱动信号；,输入级T1和电阻Rb1组成。用于提高电路的开关速度,5,5,（一）输入VI为高电平3.6V时,VB1=5V,VBE1=1.4V,VB1=4.3V,VB1=2.1V,倒置状态,Vo=0.3V,VC2=1V,饱和,饱和,截止,截止,，输出为低电平0.3V,开门,5,（二）输入VI为低电平0.3V 时,VB1=5V,VBE1=4.7V,VB1=1V,饱和,Vo=3.6V,VB4=5V,截止,截止,饱和,导通,，输出为高电平3.6V,关门,（三）标准生产工艺的TTL非门的电路结构特点,1、输入级采用三极管以提高工作速度。,2、采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电,提高开关速度和带负载能力。,5,二、TTL非门的电压传输特性曲线和电路参数,（一）电压传输特性曲线,截止区,过渡区,饱和区,5,开门,关门,输出高电平,标准输出高电平VSH,输出低电平,标准输出低电平VSL,输入高电平,开门电平,输入低电平,关门电平,（二）从电压传输特性曲线上可以得出的电路参数,1输出高电平VOH（2.4V-5V之间，典型值为3.4V）2标准输出高电平VSH V OH（min）（2.4V）3输出低电平VOL（0V-0.4V之间，典型值为0.2V）4标准输出低电平VSL V OL（max）（0.4V）5输入高电平VIH（2V-5V之间）6输入高电平的下限 VIH（min）(开门电平VON）（2V）7输入低电平VIL（0V-0.8V之间）8输入低电平的上限V IL（max）（关门电平VOFF）（0.8V）9噪声容限电压（1）输入高电平噪声容限电压(最大允许负向干扰电压)（2）输入低电平噪声容限电压(最大允许正向干扰电压),5,输入高电平噪声容限最大允许负向干扰电压VNHV OH（min）-VON V OH（min）-V IH（min）2.4V-2.0V0.4V。,输入低电平噪声容限最大允许正向干扰电压VNLV OFF-V OL（max）V IL（max）-V OL（max）0.8V-0.4V0.4V。,5,9噪声容限电压,0.4V,0.8V,2.4V,2.0V,三、TTL非门输入特性和从其上可以得出的参数,5,1输入低电平电流IIL,非门输入特性曲线,VB1=1V,5,当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。,2输入高电平电流IIH,VB1=2.1V,倒置状态,输入高电平电流IIH是三级管VT1的发射结反向饱和电流，值很小，几乎为0。,5,当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。,四、TTL非门的输入负载特性和从其上可以得出的参数,vI的极限值为1.4V。,5,1关门电阻ROFF,2开门电阻RON,三极管VT3处于关门状态,三极管VT3处于开门状态,Ri应该大于480,5,五、TTL非门的输出负载特性和从其上可以得出的参数,（一）TTL非门的低电平输出负载特性,驱动门,负载门,6,2最大输出低电平电流I OL（max),3输出低电平时的扇出系数,灌电流负载,1TTL非门的低电平输出特性曲线,把驱动门对应标准输出低电平USL时，灌入其输出端的电流。,6,（二）TTL非门的高电平输出负载特性,驱动门,负载门,6,2最大输出高电平电流I OH（max）,3输出高电平时的扇出系数,1TTL非门的低电平输出特性曲线,拉电流负载,把驱动门对应标准输出高电平USH时拉出其输出端的电流。,6,（三）扇出系数 一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。,输出低电平时的扇出系数,输出高电平时的扇出系数,6,六、传输延迟时间,截止延迟时间tPHL输出信号vo由高电平转为低电平的时间。导通延迟时间 tPLH 输出信号vo由低电平转为高电平的时间。一般tPLH tPHL。非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值。,一般TTL非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。,6,七、功率损耗（功耗）PD和功耗-延时积DP,1.功率损耗,静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流ID与电源电压VDD的乘积，静态功耗比较低，因此CMOS电路广泛用于要求功耗较低或电池供电的设备，如笔记本、手机等。,动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗。,静态功耗,动态功耗,6,对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，主要是动态功耗。,2.延时功耗积,是速度功耗综合性的指标。延时功耗积，用符号DP表示。,PD为门电路的功耗,一个逻辑门电路的DP值越小，它的特性越接近理想情况。,6,小 结,第二章 逻辑门电路基础 第一节 二极管、三极管的开关特性 静态开关特性和动态开关特性电子开关 第二节 二极管逻辑门电路 高电平、低电平 正逻辑体制、负逻辑体制 与门、或门、非门 第三节 TTL逻辑门电路 标准生产工艺的TTL非门的组成和工作原理 主要参数：VOH、VOL、VSH(VOH(min)、VSL(VOL(max)、VIH、VIL、VON(VIH(min)、VOFF(VIL(max)、VNH、VNL、IIL、IIH、RON、ROFF、NO（NOL、NOH）、tPD、PD、DP,TTL门电路芯片的封装,八、其它逻辑功能的TTL门电路,6,（一）TTL正与非门,6,（二）TTL正或非门,6,A+B,（三）TTL正与或非门,6,AB+CD,（四）TTL异或门,6,AB,九、集电极开路（OC）的TTL门电路,引入,（一）普通的TTL门电路输出端直接相连的后果,使得输出为低电平的逻辑门的输出级损坏,6,（二）集电极开路的TTL门电路,6,（三）集电极开路的TTL门电路可以实现线与运算,使用时的外电路连接上拉电阻RP,线与可以实现与或非运算,6,外接上拉电阻值的计算方法,OC门上拉电阻最大值的计算,为保证OC与非门输出的高电平不低于高电平的下限VOH(min)，Rp的值不能选得太大，即要保证,Rp(max)=,6,OC门上拉电阻最小值的计算,。,应当确保在最不利的情况下，即只有一个OC与非门的输出级三极管T3处于饱和状态。这时所有负载电流全部流入唯一的那个处于饱和状态的输出级三极管T3的集电极，输出的低电平要低于输出低电平的上限V OL(max)。,R p(min)=,OC门上拉电阻RP的取值应在RP（min）和RP（max）之间,6,特别提醒：在上面计算上拉电阻最小值和最大值时，应使驱动门的输出高、低电平满足其要求，而不是以输入门的输入高、低电平满足其要求。因为，还要考虑连接输入和输出信号的导线上应该有一定的抗干扰能力。,6,十、TTL三态输出门电路*,（一）TTL三态输出的与非门电路的工作原理,三态门的真值表,三态门的逻辑符号,6,（二）TTL三态输出门电路的应用,六个子部件两两之间建立连接,六个子部件通过总线建立连接,单向总线,三态门实现数据双向传输,6,十一、其它生产工艺类型的TTL门电路,6,第五节 CMOS门电路,一、CMOS反相器-complementary,工作管,负载管,CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。,VTN=2 V,VTP=-2 V,1.CMOS反相器的结构和工作原理,6,2.CMOS的特点,3.CMOS的电压传输特性,（1）工作速度快（2）静态功耗低（3）扇出系数大,6,二、其它的CMOS门电路（一）CMOS传输门,逻辑符号,电路,传输门中TP和TN的衬底分别接-5V和+5V，输入信号的变化范围为-5V+5V。C=0的电平值为-5V，C=1的电平值为+5V，开启电压VVTN=3V，VVTP=-3V。当C=0时，TP和TN均截止，TG关闭C=1时，TG工作。,6,双向模拟开关,（二）CMOS与非门,1.电路结构,2.工作原理,VTN=2 V,VTP=-2 V,6,（三）CMOS或非门,1.电路结构,2.工作原理,VTN=2 V,VTP=-2 V,6,（四）CMOS异或门,1.电路结构,6,2.驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值（属于电压兼容性的问题）。,在数字电路或系统的设计中，往往将TTL和CMOS两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，驱动器件和负载器件要满足以下两个条件：,1.驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流（属于门电路的扇出数问题）；,第六节 各种工艺的逻辑门之间的接口问题,6,VOH（min）VIH（min）VOL（max）VIL（max）IOH（max）IIH（总）IOL（max）IIL（总）,驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流,驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平,驱动门,负载门,一、TTL与CMOS器件之间的接口问题,6,（2）对于负载电流较大，可将多个门并联作为驱动器，也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力。,1、多余输入端的处理,（1）对于负载电流较小，用门电路直接驱动，如显示器件或继电器,二、TTL和CMOS电路带负载时的接口问题,6,（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。,1、多余输入端的处理,（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（13kW）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。,三、门电路多余输入端的处理*,6,本章小结,1.目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由NPN型三极管组成，简称TTL集成电路；另一类由MOSFET构成，简称MOS集成电路。2.TTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用推拉式结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。在TTL系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外，还有集电极开路门和三态门。3.MOS集成电路常用的是两种结构。一种是CMOS 门电路，另一类是NMOS门电路。与TTL门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与TTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。4.为了更好地使用数字集成芯片，应熟悉TTL和CMOS各个系列产品的外部电气特性及主要参数，还应能正确处理多余输入端，能正确解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。,6,