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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,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：,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,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,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。,2.2.2 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,2.3.3 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),2.4.2 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