数电第二章门电路.ppt

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1、第二章 门电路,2.1 基本逻辑门电路 2.2 TTL逻辑门电路 2.3 CMOS逻辑门电路 2.4 逻辑门的接口电路2.5 逻辑门电路的比较,2.1 基本逻辑门电路2.1.1三级管的开关特性,三极管开关的通断是受基极 b 控制。,特性曲线,三极管输出特性曲线,IC=f(Uce)Ib=C,饱和区:(1)IC受Uce显著控制的区域，该区域内Uce的数值较小，一般Uce0.7V(硅管)。发射结正偏，集电结正偏(2)Uces=0.3V左右,截止区：Ib=0的曲线的下方的区域Ib=0 Ic=Iceo NPN：Ube0.5V,管子就处于截止态通常该区：发射结反偏，集电结反偏。,输出特性曲线可以分为三个区

2、域:,特性曲线,三极管输出特性曲线,放大区IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距。(1)发射结正偏，集电结反偏，电压Ube大于0.7V左右(硅管)。(2)Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。,判断三极管工作状态的依据：,饱和区:,发射结正偏，集电结正偏,截止区：,发射结电压小于开启电压,集电结反偏,放大区:,发射结正偏，集电结反偏,2.1.2三极管的开关特性及反相器,下面以NPN硅管为例进行分析,三极管是电流控制的电流源，在模拟电路中，工作在放大区。,在数字电路中工作在饱和区或截止区开关状态。,iC,iB,ui,uCE,uO,ICS,负载线,放大区,截止区,IBS,IB=0,UCC,三极管

3、CE之间相当于一个开关：在饱和区“闭合”，截止区“断开”,一、三极管开关特性,1.三极管的截止条件和等效电路,当输入信号uI=UIL=0.3V时（UBE=0.3V0.5V）,三极管截止，,iB=0，,iC 0，,uO=UOH=UCC,等效电路,可靠截止条件为:UBE0V,截止时，iB、iC都很小，三个极均可看作开路,ui=0.3V,iC,iB,uCE,uO,输出特性,2.三极管的饱和条件和等效电路,在模拟电路中，为了不产生失真，通常规定饱和时UCES=1V。,由于三极管的输入特性很陡，通常认为饱和时的UBES和导通时的UBE相等（硅管：0.7V，锗管0.3V）,在数字电路中，为了更接近理想开关

4、，规定饱和时UCES=0.3V。,输入特性,UBES,输出特性,UCES,临界饱和电压UCES=0.6-0.7,将三极管刚刚从放大进入饱和时的状态称为：临界饱和状态。,当输入信号uI=UIH=3.2V时,iC,uCE,uO,ui=3.2V,iB,输出特性,ICS,IBS,UCES,临界饱和集电极电流：,定义饱和深度：,临界饱和基极电流：,可靠饱和条件为：iBIBS,等效电路,3.三极管三极管的动态开关特性,当基极施加一矩形电压uI时,截止到饱和所需的时间称为开启时间ton，它基本上由三极管自身决定。,iC、uO波形不够陡峭，iC、uO滞后于uI，即三极管在截止与饱和状态转换需要一定的时间。这是

5、由三极管的结电容引起的，内部载流子的运动过程比较复杂。,uI,iC,uO,UIL,UIL,ICS,0,Ucc,UCES,ton,toff,饱和到截止所需的时间称为关闭时间toff，它与饱和深度S有直接关系，S越大toff越长。,三极管非门,uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5V,uA5V时，三极管导通。基极电流为：,iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。,三极管临界饱和时的基极电流为：,2.1.3二极管门电路,1、二极管与门,Y=AB,2、二极管或门,Y=A+B,D1 D2 D3 和RA构成二极管与门。,D4 D5 为电平移位二极管。,T、RC

6、、RB 构成反相器。,当ABC输入中只要有一个为0.3V时：,VP1=0.3+0.7=1V,二极管正向导通压降0.7V,T 截止，F=VCC,当ABC输入全为3.6V时:,VP1=2.1V,T饱和 F=Vces2=0.3V,全高为低，一低出高。是与非门。,DTL 逻辑门电路,电路组成,工作原理：,稳态,0.3V,3.6V,5V,2.1.4 正负逻辑,在数字系统中，逻辑值是用逻辑电平表示的。若用逻辑高电平UOH表示逻辑“真”，用逻辑低电平UOL表示逻辑“假”，则称为正逻辑；反之，则称为负逻辑。本教材采用正逻辑。当规定“真”记作“1”，“假”记作“0”时，正逻辑可描述为：若UOH代表“1”，UOL

7、代表“0”，则为正逻辑；反之，则为负逻辑。UOH和UOL统称为逻辑电平，其值因逻辑器件内部结构不同而异(后述)。UOH和UOL的差值(叫逻辑摆幅)愈大，则“”和“0”的区别越明显，电路可靠性越高。,TTL 晶体管-晶体管逻辑集成电路,2.2 TTL逻辑门电路,MOS 金属氧化物半导体场效应管集成电路,(Emitter Coupled Logic),2.2.1 TTL与非门的基本原理,T1是输入级（与门）T2是放大级T3、T4、T5 是输出级（非门）,图 3-2 多射极晶体管的结构及其等效电路,1.任一输入为低电平（0.3V）时,1V,不足以让T2、T5导通,T2、T5截止,uo=5-uR2-u

8、be3-ube43.6V 高电平！,电位被嵌在2.1V,全反偏,1V,2.输入全为高电平（3.6V）时或输入全甩空,T2、T5饱和导通,uo=0.3V输出低电平,输入悬空，相当于输入“1”,2.2.2TTL与非门的外特性及主要参数,外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护和设计电路的重要依据。下面介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。,TTL与非门的外特性及主要参数,TTL与非门输入电压UI与输出电压UO之间的关系曲线，即 UO=f（UI）。,截止区：当UI0.6V，Ub11.3V时，T2、T5截止，输出高电平UOH=3.6V。,线性区：当0

9、.6VUI1.3V，0.7VU b21.4V时，T2导通，T5仍截止，UC2随Ub2升高而下降，经T3、T4射随器使UO下降。,转折区：当UI1.3V时，输入电压略微升高，输出电压急剧下降，因为T2、T3、T4、T5均处于放大状态。,饱和区：UI继续升高，T1进入倒置工作状态Ub1=2.1V，此时T2、T5饱和，T3、T4截止，输出低电平UOL=0.3V，且UO不随UI的增大而变化。,TTL与非门的外特性及主要参数,1.输出高电平UOH和输出低电平UOL：AB段所对应的输出电压为UOH。DE段所对应的输出电压为UOL。一般要求UOH3V，UOL0.4V。,3.开门电平UON：指的是输出电平UO

10、=0.3V时，允许输入高电平的最小值。UON典型值为1.4V，一般产品要求UON1.8V。,4.关门电平UOFF：指的是在保证输出电压为额定高电平UOH的90%时，允许输入低电平的最大值。一般产品要求UOFF0.8V。,2.阈值电压UTH：CD段中点所对应的输入电压称为阈值电压UTH，也称门槛电压。UTH=1.31.4V。,低电平噪声容限U NL：,高电平噪声容限U NH：,TTL与非门的外特性及主要参数,噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。,输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f（UI）。,1.输入短路电流IIS（输入低电平电流IIL）,当UIL=0V时由输入端流出的电流。,2.输入漏

11、电流IIH（输入高电平电流）,指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，流入该输入端的电流，约10A左右。,TTL与非门的外特性及主要参数,假定输入电流II流入T1发射极时方向为正，反之为负。,前级驱动门导通时，IIS将灌入前级门，称为灌电流负载。,前级驱动门截止时，IIH从前级门流出，称为拉电流负载。,TTL与非门的外特性及主要参数,UI在一定范围内会随着Ri的增加而升高，形成Ui=f（Ri）变化曲线，称为输入负载特性。,若要使与非门稳定在截止状态，输出高电平，应选择RiROFF(0.7k)。,若要保证与非门可靠导通，输出低电平，应选择RiRON(1.5k)。,TTL与非门的外特性及主要参数

12、,功耗有静态功耗和动态功耗之分。动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有空载导通功耗PON和空载截止功耗POFF两个参数。1.空载导通功耗PON指的是输出端开路、输入端全部悬空、与非门导通时的功耗。标准TTL芯片PON 50mW。2.空载截止功耗POFF指的是输出端开路、输入端接地、与非门截止时的功耗。标准TTL芯片POFF25mW。,1.扇入系数NI是指输入端的个数。,2.扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，NO表示可驱动同类门的个数。NO分为两种情况，一是灌电流负载NOL，二是拉电流负载NOH。NO=min（NOL，NOH）。,IOLmax

13、为驱动门的最大允许灌电流，IIL是一个负载门灌入本级的电流。IOHmax为驱动门的最大允许拉电流，IIH是负载门高电平输入电流。,TTL与非门的外特性及主要参数,平均传输延迟时间tpd：,TTL与非门的外特性及主要参数,平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延迟了多少时间。,导通延迟时间tPHL：输入波形上升沿的50%幅值处到输出波形下降沿50%幅值处所需要的时间。,截止延迟时间tPLH：从输入波形下降沿50%幅值处到输出波形上升沿50%幅值处所需要的时间。,通常tPLHtPHL，tpd越小，电路的开关速度越高。一般tpd=10n

14、s40ns。,两个TTL门输出端并联情况,2.2.3 OC门和三态门,1.集电极开路的与非门（OC门）,输入全1时，输出=0；输入任0时，输出悬空,应用时输出端要接一上拉负载电阻 RL。,OC门可以实现“线与”功能。,分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。F1、F2、F3全截止，则F=1。,F=F1F2F3,2.三态门,E 控制端,一、结构,二、工作原理,(1)控制端E=0时的工作情况：,(2)控制端E=1时的工作情况,功能表,三、三态门的符号及功能表,功能表,三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。,四、三态门的用途,工作时，E1、E2、E3分时接入高电平。,总线是一种内部结构，它是

15、cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道,2.3 CMOS逻辑门电路,前面介绍的TTL采用的都是双极型晶体管，两种载流子参与导电，称为双极型集成电路。本节介绍只有一种载流子参与导电的单极型逻辑门电路-MOS集成电路。MOS集成电路主要包括NMOS、PMOS以及CMOS电路。电路具有以下特点：制造工艺简单、成品率高、功耗低、集成度高、抗干扰能力强，适合大规模集成电路。,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N沟道增强型,P沟道增强型,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,MOS管的开关特性,（一）MOS管的基本开关电路,以增强型NMOS管基本开关电路为例,当uIUGS（

16、TH）时，MOS管工作在截止区，,当uI UGS（TH）时，沟道电阻变得很小，,我们可以将MOS管看作是一个电压控制的电子开关,UGS(TH),输出为低电平，uO=UOL0V,输出即为高电平，uO=UOHUDD,UGSUGS(TH),UGSUGS(TH),（二）MOS管的开关等效电路,截止时漏源间的内阻ROFF很大，可视为开路,C表示栅极的输入电容。数值约为几个皮法,因此这个电阻一般情况不能忽略不计,导通时漏源间的内阻RON约在1K以内，且与UGS有关（UGS RON）,开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容，所以在动态工作时，漏极电流ID和输出电压UO=UDS的变化会滞后于输入电压的

17、变化，这一点和双极型三极管是相似的。,导通时,截止时,UGSUGS(TH),UGS2,UGS2UGS1,UGS1,RON2,RON1,ROFF,特性曲线越陡，表示RON越小,RON2RON1,CMOS反相器,1.输入低电平UIL=0V:,UGS1UT1,T1截止,|UGS2|UT2,电路中电流近似为零，UDD主要降在T1，输出高电平UOHUDD。,T2导通,2.输入高电平UIH=UDD T1通、T2止，UDD主要降在T2，输出低电平UOL0V。,实现逻辑非功能：,两管特性对称，NMOS管的衬底接到电路的最低电位，PMOS管的衬底接到电路的最高电位。衬底与漏源间的PN结始终处于反偏。,电源电压U

18、DDUT1+|UT2|，UDD适用范围较大(318V)。UT1：NMOS的开启电压;UT2：PMOS的开启电压。,CMOS反相器,AB段：由于UI=UGS1UT1，|UGS2|UT2|，故T1截止，T2导通。输出高电平UOHUDD。,CD段：UI=UGS1UT1，T1导通。UIUDD|UT2|，则|UGS2|UT2|，T2截止。输出低电平UOL0V。,电源电压UDDUT1+|UT2|，T1和T2的参数对称，UT1=|UT2|。UT1：NMOS的开启电压;UT2：PMOS的开启电压。,BC段：由于UT1UIUDD|UT2|，所以UGS1 UT1，|UGS2|UT2|，T1和T2同时导通。,T1和

19、T2参数完全对称的情况下，CMOS反相器的阈值电压等于电源电压的一半，获得较大的噪声容限。转折区的变化率很大，CMOS反相器更接近于理想开关特性。,CMOS反相器,在每个固定的UDD情况下，UNL和UNH始终相等。国产4000系列CMOS电路的测试结果表明，UNL=UNH30%UDD。,随着电源电压UDD的增加，噪声容限也相应地变大。为了提高CMOS反相器的噪声容限，可以适当提高电源电压UDD。,CMOS反相器,CMOS反相器的输出电阻比TTL电路的输出电阻大，容性负载对前者传输延迟时间会产生更大的影响。CMOS反相器的输出电阻与UIH（UIHUDD）有关，因此CMOS反相器的传输延迟时间与U

20、DD有关。根据CMOS反相器的互补对称性可知，当反相器接容性负载时，它的导通延迟时间tPHL和截止延迟时间tPLH是相等的。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。,工作原理：,1.C为低电平：T1、T2截止，传输门相当于开关断开。CL上电压保持不变，传输门可以保存信息。,2.C为高电平：T1、T2中至少有一只管子导通，使UO=UI，相当于开关闭合，传输门传输信息。,结论：传输门相当于一个理想的双向开关。,CMOS传输门（TG）,CMOS传输门与CMOS反相器一样，也是构成各种逻辑电路的一种基本单元电路。,组成：T1是NMOS管，T2是PMOS管，开启电压分别为UT1、UT2，设UDD（

21、UT1+|UT2|），T1和T2的参数对称。有一对互补的电压控制信号，CL为负载电容。,信号特点：CMOS传输门的输出与输入端可以互换。一般输入电压变化范围为0UDD，控制电压为0或UDD。,逻辑符号,门控信号,传输门的导通电阻为几百欧，截止电阻达50M以上，平均延迟时间为几十至一二百ns。,2.4 逻辑门的接口电路,TTL门驱动CMOS门,系统设计的需要，将从速度、复杂性和功能等方面选择合适的系列芯片，或者从几种系列中选择性能最佳的芯片，组装起来。在不同逻辑器件混合使用的系统中，常常碰到不同系列逻辑芯片的接口问题。,CMOS门驱动TTL门,门电路带负载的接口电路,有两个方面的接口问题需要考虑

22、。1.驱动门为负载门提供足够大的灌电流和拉电流。驱动门与负载门电流之间的驱动应满足：IOH(max)nIIH(max)，IOL(max)mIIL(max)（n和m是负载电流的个数）2.驱动门的输出电压应在负载门所要求的输入电压范围内。驱动门与负载门之间的逻辑电平应满足：UOH(min)UIH(min)，UOL(max)UIL(max)。,逻辑门的接口电路,TTL门驱动CMOS门,TTL采用74LS系列，CMOS采用74HC系列，且电源电压相同都为5V。只有一个条件不满足，TTL门电路输出高电平2.7V，CMOS电路的输入高电平要求高于3.5V。,接一上拉电阻Rx，使TTL门电路的输出高电平升高

23、至电源电压，以实现与74HC电路的兼容。,TTL门驱动CMOS门,CMOS电源UDD高于TTL电源UCC,方案一：选用具有电平偏移功能的CMOS电路，该电路有两个电源输入端：UCC=5V、UDD=10V时，输入接收TTL电平1.5V/3.5V，输出CMOS电平9V/1V，满足CMOS电路对输入电压的要求。,方案二：采用TTL的OC门，将OC门T5管的外接电阻RL直接与CMOS电源UDD连接。,CMOS门驱动TTL门,4000系列CMOS电路驱动74系列TTL电路：CMOS门的驱动能力不满足TTL门的要求。为解决这个问题，有多种方法。4000系列CMOS电路驱动74LS系列TTL电路：驱动一个T

24、TL门时，可以直接相连。如果驱动门数增加，需要提高CMOS的驱动能力。74HC系列、74HCT系列CMOS电路驱动TTL电路：无论负载门是74系列还是74LS系列，都可以直接相连，应计算驱动门的个数。,CMOS门驱动TTL门,增加一级CMOS驱动器，如选择同相驱动器CC4010。,采用漏极开路的CMOS驱动器，如CC40107。,将CMOS门输出经分立元件驱动电路，实现电流的放大，再驱动TTL负载门。,门电路带其它负载,设LED的工作电流为ID、LED的正向压降为UD。,输出高有效,限流电阻R的选择如下：,输出低有效,限流电阻R的选择如下：,2.5 TTL与电路的比较,TTL电平：1逻辑电平：3.6V0逻辑电平：0.3V噪声容限是0.4V。,CMOS电平：1逻辑电平：接近于电源电压0逻辑电平：接近于0V。具有很宽的噪声容限。,TTL电路是电流控制器件 CMOS电路是电压控制器件。TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。,