《数字电子技术基础》PPT课件.ppt
数字电子技术基础,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2.4 TTL门电路2.5 CMOS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-Small Scale Integration)，每片组件内包含10100个元件(或1020个等效门)。中规模集成电路(MSI-Medium Scale Integration)，每片组件内含1001000个元件(或20100个等效门)。大规模集成电路(LSI-Large Scale Integration)，每片组件内含1000100 000个元件(或1001000个等效门)。超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale Integration)，每片组件内含100 000个元件(或1000个以上等效门)。,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,设：VIL=0V,VIH=3V VD=0.7V,3.7V,0.7V,0.7V,0.7V,2.3.1 二极管与门,二极管与门,二极管或门,2.3.2 二极管或门,0V,2.3V,2.3V,2.3V,设：VIL=0V,VIH=3V VD=0.7V,2.3.3 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：,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,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/=0.16mA IB IBS三极管饱和,Q位于饱和区，Vo=VCES=0.3V,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：,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。,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,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。,二极管与门,二极管与门,二极管或门,2.2.2 二极管或门,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。,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,三极管非门,Ui,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。,2.4.1 TTL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。,2.4 TTL集成门电路,一、TTL非门的内部结构,输入级,倒相级,输出级,1.输入为低电平（0.3V）时,1V,不足以让T2、T5导通,VCC5V,1.输入为低电平（0.3V）时,uo=5-uR2-ube4-uD23.4V高电平！,A,VCC5V,2.输入为高电平（3.4V）时,电位被嵌在4.1V,倒置,1V,2.1V,1.4V,0.7V,VCC5V,2.输入为高电平（3.4V）时,uo0.3V低电平！,5V,TTL非门的内部结构,图腾柱输出,拉电流,灌电流,VCC5V,一、电压传输特性,2.4.2 TTL非门的主要特性,测试电路,1,+5V,(3.4V),(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,噪声容限,VNH=VOH(min)VIH(min),VNL=VIL(max)VOL(max),TTL非门的静态输入特性和输出特性,一、输入特性,iIL,1.4V,-1mA,iIH,40A,一、输入特性,倒置状态,二、输出特性,iL 400A,iL 10mA,TTL非门的内部结构,A,VCC,Y,R4,R1,T4,T1,D2,b1,c1,R2,VCC,前级输出为 高电平时,前级,后级,N1,显然：N1IIH IOH N1 IOH/IIH N1 400A/40A=10,前级输出为 低电平时,前级,后级,N2,显然：N2IIL IOL N2 IOL/IIL N210mA/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,简化电路,RP较小时,当RPR1时,ui RP,简化电路,RP增大时,1.4V,RuiuiUT（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RP0.7k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 1.5k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,AB端悬空,AB端接不同电阻,扇出系数的计算,N1,显然：N12IIH IOH N1 IOH/2IIH,前级输出为高电平时,N2,显然：N2IIL IOL N2 IOL/IIL,前级输出为低电平时,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A1，B=0时，T2和T5导通，T 2、T4 截止，Y0。当B1，A=0时，T 2 和T5 导通，T2、T4 截止，Y0。只有AB0，T2 和T 2同时截止，T4导通，Y1。,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。,2.4.1 TTL非门的电路结构和工作原理,2.4 TTL集成门电路,一、TTL非门的内部结构,输入级,倒相级,输出级,VCC,1.输入为低电平（0.3V）时,uo=5-uR2-ube4-uD23.4V高电平！,A,VCC5V,2.输入为高电平（3.4V）时,uo0.3V低电平！,5V,TTL非门的内部结构,图腾柱输出,拉电流,灌电流,VCC5V,一、电压传输特性,2.4.2 TTL非门的主要特性,(3.4V),(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,TTL非门的静态输入特性 和输出特性,一、输入特性,iIL,1.4V,-1mA,iIH,40A,倒置状态,二、输出特性,iL 400A,iL 10mA,前级输出为 高电平时,N1,显然：N1IIH IOH N1 IOH/IIH,前级输出为 低电平时,N2,显然：N2IIL IOL N2 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。,输入端“1”,“0”？,三、输入端负载特性,对TTL电路而言，当输入端对地电阻RP0.7k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 1.5k时，认为ui为高电平，称为开门电阻RON。,N1,显然：N12IIH IOH N1 IOH/2IIH,前级输出为高电平时,2.4.4 其他类型TTL门电路,N2,显然：N2IIL IOL N2 IOL/IIL,前级输出为低电平时,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,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。,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。,ROFF 0.7kRON 1.5k,ROFF 0.7kRON 1.5k,【例2】说明图下列情况下，万用表的测量结果是多少？,（1）vI悬空；,（2）vI接低电平（0.2V）；,（3）vI接高电平（3.2V）；,（4）vI经51电阻接地；,（5）vI经10k电阻接地。,（1）vI悬空,1.4V,万用表的内阻,（2）vI接低电平（0.2V）,0.2V,（3）vI接高电平（3.2V）,1.4V,（4）vI经51电阻接地,0V,（5）vI经10k电阻接地,1.4V,三、集电极开路的门（OC门）,（1）输出电平固定；（2）输出端不能“线与”。（输出端并联使用）,1.电路结构,T5管集电极开路,1.电路结构,！,应用时输出端要接一上拉负载电阻RL,2.OC门可以实现“线与”功能,F=F1F2F3,RL,F=F1F2F3?,F=F1F2F3?,所以：F=F1F2F3,3.负载电阻RL的选择,当了保证OC门输出高电平VOH,当OC门中只有一个导通时,四、三态门（TS门）,E-控制端,Y,Y,0.7V,0.7V,功能表,&,A,B,Y,符号,功能表,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。,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070，54系列为-55+125)，电源允许的工作范围也更大(74系列为5 V(15%)，54系列为5 V(110%)。,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,2.6.2 CMOS反相器,vi=VIL=0,v=VOH=VDD,工作原理：,S,VDD UGS(th)N UGS(th)P,UGS(th)N 0,UGS(th)P 0,v=,vi=VOH=VDD,v=VIL=,工作原理：,S,vi=,UGS(th)N 0,UGS(th)P 0,VDD UGS(th)N UGS(th)P,CMOS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,UGS2UGS(th)N,|UGS1|UGS(th)P|T1导通，T2截止,UGS2 UGS(th)N,|UGS1|UGS(th)P|T1截止，T2导通,VTH,2.6.3 其他类型CMOS门电路,一、其他功能的CMOS门电路,A1，B=0，Y=1,1,0,0,1,A0，B=1，Y=1,0,1,1,1,A1，B=1，Y=0,1,1,1,0,综合上述：,二、CMOS传输门和双向模拟开关,C=1时，开关接通,C=0时，开关截止,三态输出的CMOS门电路,输出呈高阻态,输出呈高阻态,输出呈高阻态,【例】说明图中CMOS电路的输出状态。,悬空相当于接“1”,栅极电流为0,0,1,0,注意；CMOS门电路与TTL门电路的区别,2.6.3 CMOS电路的优点,静态功耗小每个门的功耗低至 1 W，仅为 TTL 的 1/1000。2.允许电源电压范围宽。VDD VSS相对的范围达 318V。3.输入阻抗高，输入电流小其输入阻 抗大于 108（100M），对信号无 衰减作用。,2.6.3 CMOS电路的优点,4.扇出系数大（N 50），驱动能力强。5.抗干扰能力强 CMOS电路的噪声容限为 40%VDD，如VDD=5V,则 VN=2V0.4V（TTL）。6.输出电平摆幅（VOL 和 VOH 的差）大，电源利用率高。7.集成度高，工作频率范围宽。,2.6.3 CMOS电路的优点,8.温度稳定性好 可达-40+85，接近于 TTL 中 54 军 品系列（-55+125）。9.内部有较完善的保护电路。,1.焊接时，电烙铁外壳应接地。2.器件插入或拔出插座时，所有电压均需除去。3.不用的输入端应根据逻辑要求或接电源 UDD(与非门)，或接地(或非门)，或与其它输入端连接。4.注意与 TTL 电路连接时的匹配问题。,2.6.4 CMOS电路使用注意事项,作业：P123 自我检测题（四）题P129 页 题 2.18,本章小结,基本要求：理解二极管构成的与、或门工作原理；理解三极管构成的非门工作原理；了解TTL非门的工作原理；掌握TTL的外特性；5.掌握扇出系数的计算方法掌握OC门上拉电阻的计算方法。,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。,
