《zdl3门电路》PPT课件.ppt

第三章 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,3.1 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,3.2 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,3.2.1 二极管开关特性,二极管符号 * 二极管加正向电压和伏安特性曲线及等效电路 如图a所示：若VCCV0,二极管导通,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VCC0V 二极管截止 i=0 结论二极管具有单向导电性(正向导通,反向截止),图a (加正向电压） 图b (加反向电压）,二极管开关特性等效电路,二极管伏安特性曲线与等效电路 三种等效电路： (a)-二极管正向导通压降和正向电阻不能忽略 (b)-二极管正向导通压降不能忽略和正向电阻忽略 (c)-二极管正向导通压降和正向电阻都忽略,3.5.1 三极管开关特性,三极管符号（NPN型 和 PNP型） 三极管的工作状态 三极管的三个工作状态：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,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）,3.3.1 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 VTHN时，NMOS管截止，r很大 VGS VTHN 时，NMOS管导通，r较小 （ VTHN NMOS开启电压或阈值电压）,NMOS管工作原理,NMOS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),工作状态,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.,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” 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”,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,3.2.2 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 二极管与门电路 分析 逻辑真值表、逻辑符号与表达式,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 =0V ,二极管DA、DB均导通，VY =VA +VDA =0+0.7=0.7V,*当VA =3V、VB =0V ,二极管DB导通， VY =VB +VDB =0+0.7=0.7V 结论：实现与关系,*当VA =0V、VB =3V ,二极管DA导通， VY =VA +VDA =0+0.7=0.7V,*当VA、VB =3V ,二极管DA、DB均导通，VY =VA +VDA =3+0.7=3.7V,3.2.3 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、逻辑符号与表达式,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 =0V ,二极管DA、DB均截止，VY =0V,*当VA =3V、VB =0V ,二极管DA导通， VY =VA -VDA =3-0.7=2.3V 结论：实现或关系,*当VA =0V、VB =3V ,二极管DB导通， VY =VB -VDB =3-0.7=2.3V,*当VA、VB =3V ,二极管DA、DB均导通，VY =VA -VDA =3-0.7=2.3V,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、逻辑表达式和逻辑符号,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 有 IBIBS T饱和导通 有: VO=VCES=0.3V,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,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： 二极管或门+三极管反相器 实现逻辑功能：实现或非功能,3.5 TTL门电路,TTL反相器及电气特性 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,3.5.2 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 例题(A) 例题(B),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） T4、D2、T5、R4为输出级 TTL反相器的工作原理 结论：实现非功能,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T4、D2构成， VO = VCC iB3 R2 -VBE3 V BE4 5-0.7-0.7V=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,TTL反相器的传输特性,电压传输特性 阈值电压：VTH= 1.4V,典型参数： 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) 2.0V (又称开门电压VON ),阈值电压: V TH 1.4 V,TTL反相器的静态输入特性,静态输入特性 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 当Vi VT时，有电流流入门，较小 Ii= IIH（输入漏电流）,TTL反相器的输入负载特性,输入负载特性,输入负载R 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 ）,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,TTL反相器的动态特性,平均传输延迟时间tPd,三极管动态开关特性,TTL反相器_举例(A),例1:已知TTL电路如图所示,其参数:VTH=1.4V, ROFF=0.8K, RON=3K, 求 VO1? VO2? VO3? 例2:CMOS电路如上图所示。VDD分别为5V、10V,V为3.5V,求 VO1? VO2? VO3?,TTL反相器_举例,例3: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N。 其它,解: (1)当G1输出高电平V0=VOH,(3)N=NH、NL（min),(2)当G1输出低电平V0=VOL,TTL反相器_举例2,例4:如图中所示电路,要保证 ，若在V0与地之间接RL ，RL取何值？若在VO与VE之间接RL ， RL取何值? 例5:TTL门电路如图所示。已知其参数：VOH/VOL=3.6V/0.3V, IOH/IOL=-0.1mA/20mA，RC=1K,VC=10V，B=40。 要实现 。试确定RB的取值范围。,3.5.5 其他类型的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集成门电路器件 （详见教材叙述及相关手册查询）,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,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R2构成中间级 T2、T2任一导通，T5导通 结论：实现或非功能,TTL与或非门,TTL与或非门的结构 结论：实现与或非功能,T1实现与关系（AB） T1实现与关系（CD）,T2、T2 构成或非关系与或非关系,TTL异或门,TTL异或门的电路结构 （P130 图3.5.31） 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,3.5.5 特殊的TTL门电路,集电极开路门电路（OC门） 三态门（TS门）,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” 外接负载电阻RL的计算,集电极开路门电路OC门(计算RL),外接负载电阻RL的计算,(计算RL(max),(计算RL(min),集电极开路门电路OC门(计算RL(max),外接负载电阻RL的计算,集电极开路门电路OC门(计算RL(min),外接负载电阻RL的计算,三态门,电路 典型应用,逻辑符号,逻辑功能,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，被选择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EN=0时，数据由总线送出,3.5.6 TTL集成电路及改进,高速系列 电路特点：输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）、减少各电阻值 优点： 提高开关速度 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,一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 电路的改进 (1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro） (2)减少各电阻值 2. 性能特点 速度提高 的同时功耗也增加,3.5.6 TTL电路的改进系列 （改进指标： ),二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,电路改进 采用抗饱和三极管 用有源泄放电路代替74H系列中的R3 减小电阻值 2. 性能特点 速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大,三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL）,3.6 其他双极型门电路,DTL： 输入为二极管门电路，速度低，已经不用 HTL： 电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代 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，功耗低， 便于大规模集成能在低电压、微电流下工作， 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,3.4 MOS门电路,电阻负载NMOS反相器 CMOS反相器及电气特性 其它的CMOS门电路 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,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 VTN = 4V，导通时漏电阻rDS=1K * 当输入为低电平，VA=0V VGSVTN，T管工作在截止区，输出VL=10V * 当输入为高电平，VA=10V VGSVTN，T管导通，输出 VL电平为 特点,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,MOS反相器的主要类型,电阻负载反相器 负载电阻 驱动MOS管 同型反相器 负载、驱动同型MOS管 E/E MOS （增强型增强型） E/D MOS （增强型耗尽型） （NNMOS、PPMOS反相器） 互补对称型反相器 负载PMOS管 驱动NMOS管,3.3.2 CMOS反相器,CMOS反相器及工作原理 电气特性 * 电压传输特性 * 电流传输特性 * 输入保护电路与输入特性 * 输出特性 例题(A) 例题(B),CMOS反相器及工作原理,电路 组成： NMOS管T1（驱动管） PMOS管T2（负载管） 分析： 设 NMOS管的开启电压为VTN（0）;PMOS管的开启电压为VTP （0） 且 VDD VTN +|VTP| *当输入为低电平， VI=0V， *当输入为高电平， VI= VDD =10V， 特点,VGS2 =0V VTN，NMOS管截止，VGS1 =0-10V VTP，PMOS管导通，输出VOVDD=10V 输出高电平,VGS2 =10V VTN，NMOS管导通， VGS1 =0V VTP，PMOS管截止，输出VO=0V 输出低电平,CMOS反相器_特点,分析： *当Vi =ViL ，NMOS管截止，PMOS管导通，输出VOVDD =VOH *当Vi =ViH ，NMOS管导通，PMOS管截止，输出VO=0V =VOL 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,CMOS反相器的电压传输特性,电压传输特性 阈值电压： VTH= 1/2VDD （当TN、TP参数完全对称时） 输入低电平： Vi VTH Vi= ViL 输入高电平： Vi VTH Vi= ViH,CMOS反相器的电流传输特性,电流传输特性 输入电平ViVGSN (A段）；T2 (N)管截止 iD = 0 输入电平Vi VGSP (D段）；T1 (P)管截止 iD = 0 在1/2VDD 附近,T1,T2管均导通, iD 最大 * 静态功耗小,CMOS反相器的输入特性,输入保护电路 电路图: 当Vi VDD D1导通 输入电压被钳位在VDD+VD 当Vi 0 D2导通 输入电压被钳位在 -VD,输入特性 在 -VD Vi VDD+ VD 有： ii = 0,CMOS反相器的输出特性,低电平输出特性(VOL):,高电平输出特性(VOH),*VDD越大,灌(拉)电流负载能力越强,负载电流IL注入T2(N)管， 称: 灌电流负载 当IL IOL 可保证 VO = VOL 当IL IOL VOL 增高 IOL 灌电流负载能力,负载电流IL从由输出端T1(P)管流出， 称: 拉电流负载 当IL IOH 可保证 VO = VOH 当IL IOH VOH 下降 IOH 拉电流负载能力,3.3.5 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Y=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Y=0 实现逻辑功能,*输出电阻与输出缓冲器,CMOS输出电阻与输出缓冲器,CMOS与非门输出电阻分析： * 输出电阻由输入状态的不同而不一致,带输出缓冲器的CMOS与非门,CMOS输出缓冲器,带输出缓冲器的CMOS与非门 电路特点： *输入/输出级均为CMOS反相器，使输入/输出电阻一致 *实现逻辑功能需进行逻辑变换,3.3.5 特殊的CMOS门电路,CMOS传输门及模拟开关 CMOS三态门（TS门） CMOS漏极开路门（OD门）,3.3.5 CMOS传输门及模拟开关,电路结构与逻辑符号 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C为一对互为反相信号 分析 *当C=1，在0ViVDD范围内，总有TN或TP导通 称：传输门导通， VO=Vi *当C=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,CMOS传输门及模拟开关_特点,分析 * Y=A（VO=Vi） 当C=1 称：传输门导通 * Y呈高阻态 当C=0 称：传输门截止 特点 * 可双向传输， VO VI * 可传输数字信号、模拟信号可做模拟开关用 * 静态功耗小、抗干扰能力强、负载能力强，但工作速度较慢,3.3.5 CMOS三态门,电路结构与逻辑符号 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 三态门的逻辑描述 （逻辑符号与TTL三态门相同）,三态门的逻辑描述,逻辑符号 逻辑功能 典型应用,3.3.5 CMOS漏极开路门电路（OD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”,3.3.6 正确使用CMOS门电路,输入电路的静电防护 * 在储存和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压