数电门电路全解课件.ppt

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1、门电路,第三章,3.1 概述,获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的 导通、截止（即开、关）两种工作状态。,门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门,门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0,正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1,高/低电平都允许有一定的变化范围,例3.2、3.3,3.2 半导体二极管门电路,3.2.1 半导体二极管的开关特性,高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0,vI=VIH=VCC时,D截止，vO=VCCvI=VIL0时,D导通，vO=0.7V,二极管的开关等效电路：,=VOH,=VOL,输入,输出,.二极管

2、与门,设VCC=5VA,B端输入：VIH=3V VIL=0V二极管导通时 VD=0.7V,规定3V以上为1,0.8V以下为0,与门,2.3.3 二极管或门,A,B端输入:VIH=4V VIL=0V二极管导通时 VD=0.7V,规定3V以上为1,0.8V以下为0,或门,二极管构成的门电路的缺点,电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路,3.3 CMOS门电路,N沟道增强型,源极,栅极,漏极,3.3.2 CMOS反相器工作原理,一、电路结构,当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管。,vI=0,=“”,v010V,vI=1,=“”,静态下，无论vI是高电平还是低

3、电平，T1、T2总有一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。,v00V,二、CMOS反相器电压传输特性和电流传输特性,阈值电压VTH,CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。,可靠,输入低电平时噪声容限：,在保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。,输入高电平时噪声容限：,三、输入端噪声容限,测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL30VDD，且随VDD的增加而加大。,因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。,3.3.3 CMOS反相器的静态输入输出特性,一、输入特性

4、,在正常的输入信号范围内，即0.7V vI(VDD+0.7)V时输入电流iI 0。,vI在0.7V(VDD+0.7)V以外，保护电路中的二极管进入导通状态。iI从零开始增大，并随vI增加急剧上升。,注意：由于CMOS门电路输入端的绝缘层使输入的阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入端产生不定的电位，故 CMOS门电路的输入端不允许悬空。,二、输出特性,VOL0,二、输出特性,VOHVDD,3.3.4 CMOS反相器的动态特性,一、传输延迟时间,tpdHL,tpdLH,平均传输时间,二、交流噪声容限,噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。,三、动态功耗,反相器从一种稳定状态突然变到

5、另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。,动态功耗包括：负载电容充放电所消耗的功率PC和PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT。,在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗要比静态功耗大得多，静态功耗可忽略不计。,3.3.5 其他类型CMOS门电路,1.与非门,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,输入任一输入端为低时，如：设vA=0,vA=0,vO=1,输入全为高电平,vO=0,2.或非门,比较与非门,任一输入端为高时，如设vA=1,vA=1,vO=0,输入端全为低时,vO=1,3.带缓冲级的CMOS门电路,带缓冲级的与非门电路,带缓冲级的门电路其输出电阻、输出

6、高、低电平以及电压传输特性将不受输入端数目的影响。电压传输特性的转折区也变得更陡。,二、漏极开路输出门电路（OD门）,普通门电路输出不能直接连在一起“线与”！,产生一个很大的电流,需将一个MOS管的漏极开路构成OD门。,-类似TTL电路的OC门。,OD门的逻辑符号及函数式以及输出端使用方法都与OC门相同。如:与非门,OD门输出端可直接连接实现线与。但需加一上拉电阻。,&,A,B,Y,上拉电阻的计算方法同TTL门电路。,C0、，即C 端为低电平（0V）、端为高电平（VDD）时，T1和T2都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样，呈高阻态。,三、CMOS传输门,C1、，即C 端为高

7、电平（VDD）、端为低电平（0V）时，T1和T2至少有一个导通，输入和输出之间相当于开关接通一样，呈低阻态，vovi。,1.双向模拟开关：C=1时，TG导通（SW开关合上）；C=0时，TG截止（SW开关断开）；,CMOS传输门的作用：,导通电阻有几十欧姆,2.组成逻 辑电路例：,A=0、B=0时，TG2截止，TG1导通，Y=B=0;,四、CMOS三态门,三态门有三种状态:高电平、低电平、高阻态。,=0时，Y=A,EN=1时，Y=A,习题3.7,3.3.6 CMOS电路的特点,CMOS电路的优点(与TTL电路比较）,1.静态功耗小。(比TTL电路小得多),2.允许电源电压范围宽(318V）。,3

8、.扇出系数大（负载能力强），噪声容限大。,CMOS电路的正确使用（P101）,1输入电路的静电保护,2多余的输入端不能悬空。,3输入电路需过流保护,TTL门：逻辑1的处理：将多余的输入端通过上拉电阻（13 K）接电源正端或通过大电阻接地或悬空;逻辑0的处理：直接把多余端接地。CMOS电路：逻辑1的处理：将多余的输入端直接接VDD；逻辑0的处理：将多余的输入端直接接地。,3.5 TTL门电路,3.5.1 双极型三极管的开关特性,在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态.,双极型三极管的基本开关电路：,只要参数合理：vI=VIL时，T截止，vO=VOHVccvI=VIH时

9、，T饱和导通，vO=VOL0.7V,非门,三极管的动态开关特性：,从二极管已知，PN结存在电容效应在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于vI，则vO的变化也滞后于vI,存储时间ts:从输入信号降到-VB1到ic降到0.9ICS 所需要的时间；,下降时间tf:ic从0.9ICS降到0.1ICS所需要的时间。,关闭时间toff=ts+tf就是存储电荷消散的时间,开通时间ton=td+tr就是建立基区电荷时间,延迟时间td:从+VB2加到集电极电流ic上升到0.1ICS所需要的时间；,上升时间tr:ic从0.1ICS到0.9ICS所需要的时间；,三极管非门（反相器）,三极管的基本开关电路

10、就是非门 为保证VI=VIL时T可靠截止，可在输入接入负压VEE,习题3.11,TTL 晶体管-晶体管逻辑集成电路,MOS 金属氧化物半导体场效应管集成电路,3.5.2 TTL反相器,输入级,反相级,输出级,称为推拉式电路或图腾柱输出电路,一、TTL反相器的电路结构和工作原理,1.输入为低电平（0.2V）时,0.9V,不足以让T2、T5导通,T2、T5截止,0.2V,1.输入为低电平（0.2V）时,vo=5vR2vbe4vD23.4V 输出高电平,T2、T5截止,2.输入为高电平（3.4V）时,电位被嵌在2.1V,vB1=VIH+VON=4.1V,发射结反偏,1V,T2、T5饱和导通,vo=V

11、CE50.3V 输出低电平,3.4V,可见，无论输入如何，T4和T5总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。,输入为低电平时：T4导通T5截止，输出为高电平。,输入为高电平时：T5导通T4 截止，输出为低电平。,二、TTL反相器的电压传输特性,VOH 2.4V,VOL 0.4V 合格,典型值:VOH=3.4V VOL 0.3V,输入低电平时噪声容限：,输入高电平时噪声容限：,三、输入端噪声容限,在保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。,TTL门电路的参数：,TTL门电路的输入噪声容限：VNH=VNL=0.4V,一.输入特性 vI i

12、 I:,3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,输入短路电流IIS(IIL),高电平输入电流IIH40uA,低电平输入电流IIL-1mA,二.输出特性一：高电平输出特性 vOH iL(iO),由于受到功耗的限制手册上给出的高电平输出电流的最大值要比5mA小得多。,74系列IOH(max)=0.4mA,注意p120图中iL的参考方向,拉电流,二.输出特性二：低电平输出特性 vOL iL(iO),IOL(max)16mA,0.2V,灌电流,讨论前后级之间电流的联系,IIH=40uA,IIL1mA,IOH(max)=0.4mA,IOL(max)16mA,IO,II,前级输出为 高电平时,前

13、级（驱动门）,后级（负载门）,1,前级流出电流IOH(拉电流）后级流入电流IIH,前级输出为 低电平时,前级（驱动门）,后级（负载门）,0,流入前级的电流IOL(灌电流),输入低电平时的IIL，大约为1mA。,流入前级电流IOL(灌电流）后级流出电流IIL,扇出系数:驱动同类门的个数。,灌电流工作时：,拉电流工作时：,扇出系数NO取NOL、NOH中较小的一个。,扇出系数衡量门电路的带负载能力。,IIH=40uA,IIL1mA,IOH(max)=0.4mA,IOL(max)16mA,例3.5.2 解：,VOL=0.2V时，驱动门输出电流IOL=16mA,每个负载门的输入电流为IIL=1mA。,V

14、OH=3.2V时，手册规定|IOH|0.4mA,故取|IOH|=0.4mA;每个负载门的输入电流为IIH=40A。,所以 扇出系数NO=10,输入端“1”,“0”？,三.输入端负载特性,在一定范围内，uI随RP的增大而升高。当RP增大到使uI达到1.4V后，uB1=2.1V，这时T2和T5饱和导通，uI、uB1不再随RP增大而变化.,(1)关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RP 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.7k,(2)开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RP 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON 2k。,数

15、字电路中要求输入负载电阻RP RON或RP ROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。,输入端悬空，uI=？,相当于接高电平。,例：判断如图TTL电路输出为何状态？,Y0=0,1,0,Y1=1,Y0,Y2=0,1,0,3.5.4 TTL反相器的动态特性,一、传输延迟时间,tpdHL,tpdLH,平均传输时间,平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。,反相器作用,三.TTL反相器的电源动态尖峰电流,3.5.5 其他类型的TTL门电路,一.其他逻辑功能的门电路,输入端改成多发射极三极管,1.与非门,例习题3.18,TTL集成门电路的封装：双列直插式,如：TTL门电路芯片（2输入四与非门，型

16、号74LS00),地GND,外 形,电源VCC（+5V）,74LS00,74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。,门GP输出低电平时，设可带同类门数为NOL：,解：,门GP输出的高电平时，设可带同类门数为NOH：,扇出系数=7,例：已知 74S00门电路GP参数为：IOH/IOL=-1.0mA/20mA;IIH/IIL=50A/-1.43mA试求门GP能驱动多少同类门？,2,2.86,7,两方框中电路相同,A为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。,B为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。,A、B都为低电平时，T2、T2同时截止

17、，T5截止，T4导通，输出Y为高电平。,2.或非门,2输入四 或非门,与或非门,3.与或非门,与,或,4.异或门,与,或非,4.异或门,与,或非,或非,74LS86,习题3.13,4.异或门,二.集电极开路门（OC门）,普通与非门输出绝对不能直接连接“线与”！,产生一个很大的电流，烧坏三极管,G1,G2,Y,集电极开路门（OC门）,T4,R4,OC门输出端可直接连接，线与。,集电极开路门（OC门）,Vcc,RL,;Y=0,;Y=1,OC门实现的线与,RL的选择：,IOH,IIH,n个,m个,VOH,负载门输入端个数,VOL,m个,IOL,IIL,负载门个数,由于与非门的输入端为多发射极，只要一

18、个输入端为低电平，T2、T5就截止。所以此处m为负载门个数,若为或非门，m是输入端的个数，而不是负载门的数目。,例3.5.5,RL的选择：,当仅一个OC门导通时,三.三态输出门（TS门),-在普通门电路的基础上附加控制电路。,=高阻,三态门的用途,总线结构,双向传输,3.5.6 TTL数字集成电路的各种系列,74Hxx系列：高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代价换取的，效果不够理想。,-从提高工作速度、降低功耗两方面考虑进行改进。,74Sxx系列：肖特基系列。采用抗饱和三极管，提高了工作速度，但电路功耗加大，并且输出的低电平升高。,74LSxx系列：低功耗肖特基系列。兼顾功耗和速度两个方面，得到更小的延迟功耗积。,74ASxx系列：电路结构与74LS系列相似，采用低 阻值，提高了工作速度，但功耗较大。,74ALSxx系列：其延迟功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种。,54xx、54Hxx、54Sxx、54LSxx系列：54系列与74系列电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。54系列工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。74系列：温度070，电源电压5V5%;54系列:温度-55+125，电源电压5V10%。,TTL集成门电路系列,作业：P150 题 3.4、3.17、3.8（a）,