《数字电路课件》第二章门电路.ppt

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1、第二章 门电路,概述分立元件门电路TTL门电路MOS门电路TTL门电路与CMOS门电路小结,2.1 概述,门电路实现基本逻辑关系的电子电路主要构成 逻辑门电路的性能和特点逻辑特性、电气特性本章讨论：内部结构、工作原理、外部特性,返回,2.2 分立元件门电路,分立元件的开关特性：理想开关特性:开关K断开时，开关两端的电压为外部电压，通过开关的电流为0，开关等效电阻为。开关闭合时，开关两端电压为0，开关等效电阻为0二极管开关特性三极管开关特性MOS管开关特性正负逻辑及其它分立元件门电路 二极管与门 二极管或门 三极管反相器 DTL门电路,返回,二极管开关特性,二极管符号二极管加正向电压 如图a所示

2、：若VEV0,二极管导通,二极管导通电压VD=0.7V 硅管（VD=0.2V 锗管）二极管加反向电压如图b所示：若VE0V 二极管截止 I=0结论二极管具有单向导电性,返回,三极管开关特性,三极管符号三极管的工作状态 三极管有三个工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态 分析结论在数字电路中三极管作为开关元件主要工作在饱和状态（“开”态）和截止状态（“关”态）当Vi=ViL（VBE）时，T截止 VO=EC 当Vi=ViH时（且iB iBS），T饱和导通 VO=VCES0.2V,返回,三极管工作状态分析,三极管的工作状态截止状态：当输入电压Vi较小时，VBE0，iB、iE、iC0，RC上无压降。输

3、出电压VCE等于VCC放大状态：当输入电压Vi上升（0.7V），三极管导通，有iC=iB、iE=iC+iB，在放大状态下（iB iBS），输出电压VCE=VCC-iC RC饱和状态：随着输入电压Vi继续上升，iB、iE、iC增加，VCE=VCC-iC RC减小，三极管集电极正偏。iB iBS，输出电压VCE=VCES（0.3V 硅管）,返回,MOS管开关特性,MOS管结构图及逻辑符号NMOS管工作原理分析 MOS管工作在截止与导通状态 结论:VGS VTH时，NMOS管截止，V0=VDD（R很大）VGS VTH 时，NMOS管导通，V00V（R较小）（VTH 开启电压或阈值电压）,返回,NMO

4、S管工作原理,MOS管的工作原理 分析 1.在栅_源极间加正向电压VGS,衬底感应出电子,当VGS较小时,感应的电子被衬底空穴中和,iDS=0(iDS:漏_源极电流)。称高阻区(截止区)2.当VGS 电子，产生电子层N沟道.当VGSVTH,在外电场VDS作用下,iDS0。称电阻区。NMOS为导通状态。3.由于iDS,沿沟道D S有压降,当VDS VGD，使VGD VTH 导电沟道处于断开临界状态,iDS 恒定。称:恒流区.,返回,工作状态,NMOS管工作状态,MOS管的工作状态 截止状态：若VGS小于NMOS管的开启电压VT，则NMOS管工作在截止状态，iDS0，输出电压VDSVDD 称“关态

5、”导通状态：若VGS大于NMOS管的开启电压VT，则NMOS管工作在导通状态，iDS=VDD/（RD+rDS），输出电压VDS=rDS VDD/（RD+rDS）（当rDS RD，则VDS0V）称“开态”,返回,正负逻辑及其它,数字电路中的高电平与低电平电路中能区分高、低电平既可使门电路导通或截止。一般地，其取值有允许的范围由电路特性决定。数字电路中的正负逻辑问题 正负逻辑的定义：设定：VL为0，VH为1正逻辑 VL为1，VH为0负逻辑 正负逻辑的描述:正与逻辑 负或逻辑*真值表：*表达式：*真值表：*表达式：*逻辑图*逻辑图,返回,二极管与门,二极管与门能实现与逻辑功能的电路称为与门二极管与门

6、电路分析逻辑真值表、逻辑符号与表达式,返回,二极管与门_原理分析,二极管与门电路 分析：设输入高电平为3V，输入低电平为0V。VCC=5V*当VA、VB均为高电平，二极管DA、DB均导通，VY=VA+VDA=3+0.7=3.7V*当VA、VB均为低电平，二极管DA、DB均导通，VY=VA+VDA=0+0.7=0.7V*当VA为低电平、VB为高电平，二极管DA导通，VY=VA+VDA=0+0.7=0.7V*当VA为高电平、VB为低电平，二极管DB导通，VY=VA+VDA=0+0.7=0.7V结论：实现与关系,返回,二极管或门,二极管或门能实现或逻辑功能的电路称为或门二极管或门电路分析逻辑真值表、

7、逻辑符号与表达式,返回,二极管或门_原理分析,二极管或门电路分析：设输入高电平为3V，输入低电平为0V*当VA、VB均为高电平，二极管DA、DB均导通，VY=VA-VDA=3-0.7=2.3V*当VA、VB均为低电平，二极管DA、DB均导通，VY=VA-VDA=0-0.7=-0.7V*当VA为低电平、VB为高电平，二极管DB导通，VY=VB-VDB=3-0.7=2.3V*当VA为高电平、VB为低电平，二极管DA导通，VY=VA-VDA=3-0.7=2.3V结论：实现或关系,返回,三极管反相器,三极管反相器能实现非逻辑功能的电路称为非门，亦称反相器非门电路分析三极管反相器之2逻辑真值表、逻辑表达

8、式和逻辑符号,返回,三极管反相器_原理分析,非门电路分析*输入电压为低电平Vi=ViL=0.3V VBVBE T管截止 有:V0=VCC*输入电压为高电平Vi=ViH=3.2V 设：T导通 则：VB=VBE=0.7V IB0 T导通成立 又IBS=VCCC/RC=12/301=0.4mA 有 IBIBS T饱和导通 有:VO=VCES=0.3V,返回,三极管反相器_之2,三极管反相器之2非门电路如图：分析:输出端加入:VQ、D 功能：使输出高电平钳位在：VY=VD+VQ,返回,DTL门电路,DTL与非门 电路图：二极管与门+三极管反相器实现逻辑功能：实现与非功能,DTL或非门 电路图：二极管或

9、门+三极管反相器实现逻辑功能：实现或非功能,返回,2.3 TTL门电路,TTL反相器其他的TTL门电路特殊的TTL门电路TTL门电路的改进其他双极型门电路,返回,2.3 TTL反相器,TTL反相器TTL反相器的电气特性*传输特性*输入特性*输入负载特性*输出特性TTL反相器的动态特性举例,返回,TTL反相器_电路结构,TTL反相器的结构T1、R1构成输入级T2、R2、R3为中间级（倒相级）T3、T4、T5、R4、R5为输出级TTL反相器的工作原理结论：实现非功能,返回,TTL反相器的工作原理,TTL反相器的工作原理当输入为低电平Vi=ViL，T1导通、T2截止、T5截止，输出通路由T3、T4构

10、成，VO=VCC iB3 R2-VBE3 V BE4 V=3.6V当输入为高电平Vi=ViH时，T1倒置、T2导通、T5为深度饱和状态，则：VO=VOL=VCES50.2V,返回,TTL反相器的传输特性,电压传输特性阈值电压：VT=1.4V 输入低电平的最大值VIL(MAX)0.8V(又称关门电压VOFF)输入高电平的最小值VIH(MIN)1.8V(又称开门电压VON)输入低电平：Vi VT Vi=ViL输入高电平：Vi VT Vi=ViH,返回,TTL反相器的输入伏安特性,输入伏安特性当Vi=0V时，有电流流出门，且最大 Ii=IIS（输入短路电流）当Vi=ViL，有电流流出门，当Vi Ii

11、当Vi VT时，有电流流入门，较小 Ii=IIH（输入漏电流）,返回,TTL反相器的输入负载特性,输入负载特性当Ri ROFF关门电阻 相当于Vi=ViL当Ri RON 开门电阻 相当于Vi=ViH（一般有 ROFF=0.8K，RON=2K）,返回,TTL反相器的输出特性,输出为低电平VOL：有电流IL从T5流入门，称:灌电流负载当IL IOL VO=VOL当IL IOL VO 上升IOL 灌电流负载能力,输出为高电平VOH：有电流IL从T3、T4流出门，称:拉电流负载当IL IOH VO=VOH当IL IOH VO 下降IOH 拉电流负载能力,返回,TTL反相器的动态特性,返回,平均传输延迟

12、时间tPd,TTL反相器_举例,例1:计算G可带多少个相同的门电路。已知门电路参数：IOH/IOL=-1.0mA/20mA，IIH/IIL=50uA/-1.43mA。求G的扇出系数。例2:已知TTL电路如图所示,其参数VT=1.4V,ROFF=0.8K VT=1.4V,ROFF=0.8K,RON=3K,求 VO1?VO2?VO3?,返回,其他TTL门电路,TTL门电路 集成TTL门电路有：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门TTL与非门TTL或非门TTL与或非门TTL异或门逻辑符号、逻辑功能、电气特性 逻辑符号、逻辑功能与前介绍同 电气特性参考TTL反相器常用的TTL集成

13、门电路器件（详见教材叙述及相关手册查询）,返回,TTL与非门,TTL与非门的结构TTL与非门的改进与特点：T1 多发射极三极管，构成与输入 T3、T4 达林顿结构减低输出阻值 T3、T4、T5 推拉式输出提高输出驱动能力实现与非逻辑功能,返回,TTL或非门,TTL或非门的结构T1、R1；T1、R1为相同结构T2、T2并接发射极T5，集电极接T3构成中间级T2、T2任一导通，T5导通结论：实现或非功能,返回,TTL与或非门,TTL与或非门的结构T1、R1；T1、R1为相同结构构成或非关系T1实现与关系T1实现与关系 构成与或非关系结论：实现与或非功能,返回,TTL异或门,TTL异或门的电路结构（

14、P77 图2.4.24）特点：T1构成：T2、T3、T4、T5构成：T6、T7为：逻辑表达式：结论：实现异或功能,返回,特殊的TTL门电路,集电极开路门电路（OC门）三态门（TS门）,返回,集电极开路门电路OC门,电路结构和逻辑符号正确使用：需外接电阻及外接电源实现逻辑功能：“线与”,返回,三态门,电路典型应用,逻辑符号逻辑功能 当EN=0 低电平有效 Y为高阻态，当EN=1 当EN=1 高电平有效 Y为高阻态，当EN=0,返回,三态门典型应用,实现总线传输在任何时候，n个三态门仅允许其中一个控制端有效，其他门处于高阻态，有效的门将数据送上总线。,实现双向传输 当EN=1时，数据送入总线 当E

15、N=0时，数据由总线送出,返回,TTL门电路的改进,有源泄放电路 电路特点：增加T6通路，为T5基极回路提供低阻泄放回路 优点：提高开关速度 提高抗干扰能力抗饱和电路 电路特点：改用抗饱和三极管 带肖特基二极管钳位的三极管 优点：提高开关速度,返回,其他双极型门电路,射极耦合逻辑电路（ECL）主要特点：电路速度快 负载能力强 缺点：功耗大 噪声容限低集成注入逻辑电路（I2L）主要特点：电路简单，便于大规模集成 能在低电压、微电流下工作，功耗低 缺点：各晶体管输入特性不一致，基极电路分配出现不均匀现象 噪声容限较低,返回,2.4 MOS门电路,电阻负载NMOS反相器CMOS反相器其它的CMOS门

16、电路特殊的CMOS门电路正确使用CMOS门电路其它的有源负载MOS门电路,返回,电阻负载NMOS反相器,电路 NMOS管驱动管 R 负载分析设:NMOS管的开启电压 VT=4V，导通时漏电阻rDS=1K当输入为低电平，VA=0V VGSVT，T管工作在截止区，输出VL=10V当输入为高电平，VA=10V VGSVT，T管导通，输出 VL电平为特点,返回,为使其输出低电平等于0V，负载电阻RD的阻值必须很大，使集成度下降，并影响C的充放电速度。改进采取有源负载负载能力强，功耗低，但工作速度较慢,CMOS反相器,电路 组成：NMOS管T1（驱动管）PMOS管T2（负载管）分析：设 NMOS管的开启

17、电压为VTN（0）PMOS管的开启电压为VTP（0）且 ED VTN+|VTP|*当输入为低电平，VI=0V VGS1=0V VTN，NMOS管截止，VGS2=|-10V|VTP|，PMOS管导通，输出VOED=10V 输出高电平*当输入为高电平，VI=10V VGS1=10V VTN，NMOS管导通，VGS2=0V|VTP|，PMOS管截止，输出VO=0V 输出低电平特点,电路由NMOS和PMOS构成互补MOS反相器NMOS管和PMOS管总有一个处于截止状态（VI=VIL NMOS管截止，VI=VIH PMOS管截止），因此静态功耗小PMOS管视为可变电阻，导通时R很小，截止时R很大有源负载

18、,返回,其它的CMOS门电路,CMOS与非门电路特点 NMOS管串接，PMOS管并接 当两个NMOS管均导通（A=1和B=1）输出L=0 实现逻辑功能,CMOS或非门电路特点 NMOS管并接，PMOS管串接 当任一NMOS管导通（A=1或B=1）输出L=0 实现逻辑功能,返回,特殊的CMOS门电路,CMOS传输门及模拟开关CMOS三态门（TS门）（逻辑符号、逻辑功能与TTL三态门相同）CMOS漏极开路门（OD门）（逻辑符号、逻辑功能与TTL OC门相同）,返回,CMOS传输门及模拟开关,电路组成：NMOS、PMOS并联源极相接输入端VI漏极相接输出端VO控制信号CP为一对互为反相信号分析*当C

19、P=1，在0ViVDD范围内，总有TN或TP导通 称：传输门导通，VO=Vi*当CP=0，在0VIVDD范围内，TN、TP截止（VGSN0V、VGSP 0V）称：传输门截止，VO为高阻态特点*可双向传输，VO VI*可传输模拟信号、数字信号即可做模拟开关用*静态功耗小、抗干扰能力强、负载能力强，但工作速度较慢,返回,CMOS三态门,电路组成：CMOS反相器反相器源极接NMOSTN2反相器漏极接PMOSTP2分析当，TN2、TP2导通，输出当，TN2、TP2均截止，Y为高阻态特点：低电平有效的三态门（逻辑符号与TTL三态门相同）,返回,正确使用CMOS门电路,输入电路的静电防护在储存和运输CMO

20、S器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料（用铝箔或铝盒）组装、调试时，电烙铁和其他工具、仪表等可靠接地不用的输入端不能悬空，应进行恰当处理（接高电平或低电平，或与其他脚连接）输入电路的过流保护输入端接低内阻信号源时，应在信号源与输入端之间串接限流电阻不要频繁的从整机机架上拔下插上MOS器件,返回,其它的有源负载MOS门电路,有源负载NMOS反相器NMOS与非门、或非门和与或非门PMOS反相器PMOS与非门、或非门和与或非门(详见其他参考书),返回,TTL门电路与CMOS门电路,性能比较接口电路 TTL驱动CMOS CMOS驱动TTL,返回,集成门电路

21、的性能比较,返回,TTL驱动CMOS,1.TTL 与CMOS 的比较 TTL(74)系列:VOH=2.4V VOL=0.4V CMOS(4000)系列:VIH=3.5V VIL=1.5V(不满足VOH VIH 的驱动条件)2.驱动方法:*接入上拉电阻,提高TTL电路输出的高电平*用带电平偏移的门电路实现电平变换*改造CMOS电路的输入高电平下限(如:74HCT系列高速CMOS_ VIH=2V),使TTL可直接驱动CMOS,返回,CMOS 驱动TTL,1.CMOS输出高低电平均能满足TTL输入高低电平的需要。IOLIIL（不满足灌电流驱动能力的要求）2.驱动方法：同逻辑门电路输出端并接使用 加大输出驱动电流。选用OD门。合理选用T放大器，加大其输出的电流驱动能力。,返回,小结,集成逻辑门的分类 两大类：TTL、CMOS（各种功能的门电路：与、或、非、与非、或非等）特殊的门电路 三态门、OC门、传输门电气特性（输入/输出 电压/电流）及主要参数 电压传输特性、输入特性、输入负载特性、输出特性TTL门电路和CMOS门电路 逻辑功能与逻辑符号：相同 特点：TTL门电路工作速度快、驱动能力强 CMOS门电路功耗小、抗干扰能力强,返回,