数字电子技术基础PPT第二章 门电路.ppt

第二章 门电路 2.1 概述 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 门电路中以高门电路中以高/ /低电平表低电平表 示逻辑状态的示逻辑状态的1/01/0 获得高、低电平的基本原理 高高/ /低电平都允许有低电平都允许有 一定的变化范围一定的变化范围 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 外形： PN结 + 引线 + 封装构成 P N 2.2半导体二极管和三极管的开关特性 2.2.1 2.2.1 二极管的基本开关电路二极管的基本开关电路 高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0 VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V 开关特性 外形：外形： 管芯管芯 + + 三个引出电极三个引出电极 + + 外壳外壳 2.2.2 2.2.2 双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路 输出特性：输出特性： 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE 0.7V以后，基本为水平直线 只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL 工作状态分析：工作状态分析： 总之，VI=VIH ， VO=VOL；VI=VIL ， VO=VOH 2.2.3MOS2.2.3MOS管的基本开关电路管的基本开关电路 说明： 1. 左图为增强型绝缘栅型场效应管; 2. 通常情况下,出厂时已经将衬底和 源极连在一起了; 3. 双极型三极管是流控型器件;MOS 管是压控型器件,即VGSiD； 4. 输入电流总为0，因为G和S之间是 绝缘的； 5. 输出特性曲线。 S (Source)：源极 G (Gate)： 栅极 D (Drain)： 漏极 B (Substrate):衬底 金属层 氧化物层 半导体层 PN结 特性曲线（分三个区域）: 截止区 恒流区 可变电阻区 MOSMOS管的基本开关电路管的基本开关电路: : 总之，VI=VIH ， VO=VOL；VI=VIL ， VO=VOH 2.3 最简单的与、或、非门 2.3.1 二极管与门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V ABY 0V0V 0.7 V 0V3V 0.7 V 3V0V 0.7 V 3V3V 3.7 V ABY 000 010 100 111 规定3V以上为1 0.7V以下为0 2.3.2 二极管或门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V ABY 0V0V 0V 0V3V 2.3 V 3V0V 2.3 V 3V3V 2.3 V ABY 000 011 101 111 规定2.3V以上为1 0V以下为0 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 2.3.3 2.3.3 三极管三极管非门非门 三极管的基本开关电路就是三极管的基本开关电路就是非非门门 实际应用中，为保证实际应用中，为保证 V V I I =V=VIL IL时 时T T可靠截止，常在可靠截止，常在 输入侧接入负压。输入侧接入负压。 VI=VIL时，T截止 ，VO=VOH VI=VIH时，T导通 ，VO=VOL 参数合理？ 例例2.3.12.3.1：计算参数设计是否合理：计算参数设计是否合理 5V -8V 3.3K 10K 1K =20 VCE(sat) = 0.1V VIH=5V VIL=0V 例例2.3.1 2.3.1 ：计算参数设计是否合理：计算参数设计是否合理 将发射极外接电路化为等效的将发射极外接电路化为等效的V V B B 与与R R B B 电路电路 当当 当当 又又 因此，参数设计合理因此，参数设计合理 2.4 TTL2.4 TTL电路电路 2.4.1 TTL2.4.1 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理 一一 、电路结构、电路结构 设设 讨论：讨论： 1)1)当当 时时 T2T5T2T5截止，截止， T4T4导通，导通， 讨论：讨论： 2)2)当当 时时 T2T5T2T5导通，导通， T4T4截止，截止， 总结：总结： 1. 1. Y=A Y=A ； 2. 2. T T 2 2 为什么是倒相级，是根据工作过程来的，为什么是倒相级，是根据工作过程来的，T T 2 2 截止时截止时V VC2C2高高V VE2E2低低，T T 2 2 导通时导通时 V VC2C2降低降低V VE2E2升高升高 ，二者变化方向相反；二者变化方向相反； 3. 3. T T 4 4 和和T T 5 5 无论哪种情况，一定是一个导通另一个无论哪种情况，一定是一个导通另一个 截止，由此称推拉式电路，或图腾柱电路；截止，由此称推拉式电路，或图腾柱电路； 4. 4. D D 1 1 是钳位二极管，用来保护是钳位二极管，用来保护T T 1 1 管；管； 5. 5. D D 2 2 管子可使管子可使V VC2C2为为1V1V时，时，T T 4 4 管可靠截止。管可靠截止。 二、电压传输特性二、电压传输特性 二、电压传输特性二、电压传输特性 二、电压传输特性二、电压传输特性 三、输入噪声容限三、输入噪声容限 V V NLNL、 、V VNH NH a. a. 如何理解噪声容限？如何理解噪声容限？ 低电平噪声容限低电平噪声容限V VNL NL和 和高电平噪声容限高电平噪声容限V VNH NH b. b. 定量描述定量描述 2.4V2.4V 0.4V0.4V 2.0V2.0V 0.8V0.8V c. 74c. 74系列门电路系列门电路 2.4V2.4V 0.4V0.4V 2.0V2.0V 0.8V0.8V 噪声容限噪声容限总结总结： 1. 1. 同一系列的门电路，允许输入的高低电平范围，一定同一系列的门电路，允许输入的高低电平范围，一定 大于输出的高低电平范围；大于输出的高低电平范围； 2. 2. V VOH(min) OH(min) 、 、 V VOL(max) OL(max) 、 、 V VIH(min) IH(min) 、 、 V VIL(max) IL(max)由 由手册给出；手册给出； 3. 3. 噪声容限越大，抗干扰能力越强。噪声容限越大，抗干扰能力越强。 四、四、输入特性输入特性 输入电压和输入电流之间的关系曲线 vI (a)(a)电路图电路图 （b b）输入特性曲线输入特性曲线 两个重要参数： (1)当VI = VI L= 0.2V时 iI = (VCC VBE1 0.2)/R1 = (5 0.7 0.2)/4 1mA 负号表示电流从输入端流出。特殊地，当VI = 0V 时，称输入短路电流IIS ，约为 1mA。 (2)当VI = VI H= 3.4V时 当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结 正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流 放大系数反很小(约在0.01以下)，所以 iI = IIH =反 iB2 称高电平输入电流IIH，约40A左右， 五、输出特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线。 a. 输出高电平时的输出特性 负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。 （a）电路 （b）输出高电平时的输出特性 拉电流负载 负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。 b. 输出低电平时的输出特性 灌电流负载 （a）电路 （b）特性曲线 （a）测试电路 （b）输入负载特性曲线 TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，vI随 RI 的变化而变化的关系曲线。 六、输入端负载特性 vI vI 在一定范围内 ，vI随RI的增大而 升高。但当输入电 压vI达到1.4V以后 ，vB1 = 2.1V，RI增 大，由于vB1不变， 故vI = 1.4V也不变 。这时VT2和VT4饱 和导通，输出为低 电平。 虚框内为TTL反相器的部分内部电路 vI vO vI RI 不大不小时，工作在线性区或转折区 。 RI 较小时，关门，输出高电平； RI 较大时，开门，输出低电平； ROFF RON RI 悬空时？ vI (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RI 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RI 的最小值称为开门 电阻。典型的TTL门电路RON 3k。 数字电路中要求输入负载电阻RI RON或RI ROFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。 2.4.2 TTL反相器的动态特性 现象： 1.输出相对输入有 时间延迟，且tPLHtPHL； 2.波形变差。 原因： 1. 三极管be结由饱和 变为截止的时间比由截止变为饱和的时间要长； 2. 电路中存在分布电容和结电容。 2.4.3其他类型的TTL门电路 一、其他逻辑功能的门电路 1. 与非门 ABY 001 011 101 110 2. 或非门 ABY 001 010 100 110 3.与或非门 4. 异或门 二、集电极开路的门电路（OC门） 1、推拉式输出电路结构的局限性 输出电平总局限于VCC以下； 输出端不能并联使用； 驱动电流小（尤其是高电平输出时）。 OCOC门门 2、OC门结构 V V CCCC R RL L 能否输出高电能否输出高电 平平? ? 2、OC门结构 V V CCCC R RL L 3. OC门实现的线与 OC门小结： 1.1.OC门必须接上拉电阻，还可以是与门、与非门 等; 2.可线与； 3.输出的高电平接近于VCC; 4.驱动电流大。 V V CCCC R RL L 三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS） 总之： 1. Y有三种输出状态：高电平、低电平、高阻； 2. EN 代表高电平有效， EN代表低电平有效。 三态门的用途 1位总线， 且总线是分时复用的 一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 改进措施 (1)输出级采用达林顿管（减小输出电阻Ro） (2)减小各电阻值近一倍 2.4.4 TTL电路的改进系列 （改进指标： ) 2. 2. 性能特点性能特点 74H/54H74H/54H系列速度的提高系列速度的提高 是以静态功耗的增加为代价的。是以静态功耗的增加为代价的。 二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL） 改进措施 减小电阻值的同时采用抗饱和 的肖特基三极管 2. 2. 性能特点性能特点 速度进一步提高；功耗增大；电压传输特性没有线性区。速度进一步提高；功耗增大；电压传输特性没有线性区。 (2)(2)用有源泄放电路代替用有源泄放电路代替74H74H系列中的系列中的R3R3 三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、四、74AS,74ALS 74AS,74ALS （Advanced Low-Power Advanced Low-Power SchottkySchottky TTL TTL） 改进措施： (1)增加电阻值的同时采用抗饱和的肖特基三极管； (2)(2)改进了电路结构。改进了电路结构。 在在工艺上和电路上做了进一步的改进，工艺上和电路上做了进一步的改进， 74ALS74ALS系列具有更系列具有更 小的延时功耗积小的延时功耗积 7474系列中系列中: : 74207420、 74H2074H20、 74S2074S20、 74LS2074LS20、 74AS2074AS20及及 74ALS2074ALS20功能相同，都是双功能相同，都是双4 4输入与非门（两个输入与非门（两个4 4输输 入的与非门），正常工作所需的电源及引脚排列都入的与非门），正常工作所需的电源及引脚排列都 是相同的，不同之处在于性能参数不同，如：是相同的，不同之处在于性能参数不同，如：tpdtpd, , dpdp积积不同。即：不同。即：逻辑功能相同，性能各有偏重。逻辑功能相同，性能各有偏重。 2.4.5 CMOS反相器的电路结构和工作原理 1. 电路结构 为简明起见，假定为简明起见，假定T1T1和和T2T2的参数完全对称的参数完全对称 ，开启电压相同均为，开启电压相同均为V VTHTH。且。且V VDDDD2*V2*VTHTH T T2 2 ( (T N ) ) ： N N沟道沟道P P型衬底，型衬底， 当当V VGSNGSN VthVth 时，时，T T N N 导通导通 T T1 1 ( (T P ) ) ： P P沟道沟道N N型衬底，型衬底，当当 V VGSP GSP VthVth 时，时，T T P P 导通导通 TP TN 总结：总结： 1. 1. Y=A Y=A ； 2. 2. T T P P 和和T T N N 总是一个导通一个截止，二者工作状态总是一个导通一个截止，二者工作状态 是互补的，这种电路结构称为互补对称式金属是互补的，这种电路结构称为互补对称式金属 氧化物氧化物半导体电路（半导体电路（Complementary-Complementary- SymmeterlySymmeterly Metal MetalOxcideOxcideSemiconductor Semiconductor CircuitCircuit）简称简称CMOSCMOS电路；电路； 3. 3. T T P P 和和T T N N 总有一个截止，所以流过二者的静态电总有一个截止，所以流过二者的静态电 流很小，因此功耗小流很小，因此功耗小。 4. 4. 2. 电压、电流传输特性 TP TN 3. 输入噪声容限 说明：说明： a. a. 由于由于CMOSCMOS输出的低电平输出的低电平 接近于接近于 0 0，当后级电路为，当后级电路为 CMOSCMOS门门时，允许叠加较时，允许叠加较 大的干扰；大的干扰； b.b. 由于由于CMOSCMOS输出的高电平输出的高电平 接近于接近于 V VDDDD，当后级电路当后级电路 为为CMOSCMOS门门时，允许叠加时，允许叠加 较大的干扰；较大的干扰； c. c. CC4000CC4000系列中，系列中， V V NHNH=V=VNLNL30%V30%VDD DD ， V VDDDD 越大，噪声容限越大。越大，噪声容限越大。 4. 输入特性 电路说明：电路说明： a. a. D2D2是在制造是在制造CMOSCMOS管管时，时， 工艺上导致工艺上导致D2D2是一种分布是一种分布 式二极管；式二极管； b.b. D1D1是一个二极管。是一个二极管。 5. 5. 输出特性输出特性 (1) (1) 低电平输出特性低电平输出特性 特点：a. 不同的VDD (VGS)，TN管呈现的内 阻不同， VDD越大，内阻越小； b. 输出相同的低电平时， VDD越大， 可以接受的灌电流越大。 5. 5. 输出特性输出特性 (2) (2) 高电平输出特性高电平输出特性 特点：a. a. 不同的不同的V VDD DD ，T T P P 管呈现的内阻不同，管呈现的内阻不同， V VDDDD越大，内阻越小；越大，内阻越小； b. b. 输出相同的高电平时，输出相同的高电平时， V VDDDD越大，越大， 可以输出的拉电流越大。可以输出的拉电流越大。 CC4000系列的CMOS门电路： 当VDD=5V时: VOL=0.05VDD=0.25V0V VOH=0.95VDD=4.75V5V CMOS门电路和TTL门电路相比，输 出的高电平更高，低电平更低。 2.5.2 2.5.2 其它类型的其它类型的CMOSCMOS门电路门电路 1. 1. 其它类型的其它类型的CMOSCMOS反相器反相器 除反相器外，常用的CMOS门电 路还有与非门、或非门、与或非门、 异或门、与门和或门等。 a. a. 与非门与非门 a. a. 与非门与非门 A=B=0时，T2、T4截 止，T1、T3导通，Y=1 ； A=0,B=1时， T2截止 ， T1导通， Y=1； A=1,B=0时， T4截止 ， T3导通， Y=1； A=B=1时，T2、T4导 通，T1、T3截止，Y=0 ； A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1. 1. 其它类型的其它类型的CMOSCMOS反相器反相器 b.或非门 A、B中只要有一个 为1，下半部通，上半部 截止，输出即为Y=0； A、B全为0时，下 半部截止，上半部全通 ，输出Y=1。 A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1. 其它类型的CMOS反相器 2. 2. 带缓冲级的带缓冲级的CMOSCMOS门电路门电路 刚才介绍的与非门和或非门电路结构简单， 但存在缺陷，当输入输出状态不同时，呈现的输 出电阻可能不同，以与非门为例: A=B=1,Y=0;灌电流流过两个Ron的串联，Ro=2Ron； A=B=0,Y=1;拉电流流过两个Ron的并联，Ro=0.5Ron ； A=1,B=0,Y=1; 拉电流流过T3的Ron， Ro=Ron； A=0,B=1,Y=1; 拉电流流过T1的Ron， Ro=Ron； 当为3输入、4输入与非门时，输出电阻相差 会更大 (A=B=C=D=1时， Ro=4Ron)。 解决缺陷的方法：在输入端和输出端各增加 一级反相器。 a.带缓冲级的与非门 加上反相器后，无论有几个输入端，输 出端无论是高电平还是低电平，输出电阻总 是Ro=Ron。 b.带缓冲级的或非门 3. . 漏极开路的门电路漏极开路的门电路( (OD OD门门) ) OD门与TTL门电路的OC相对应，能 实现以下功能： (1) 能线与; (2) 能实现电平转换，将VDD转换为VDD2; (3) 能驱动较大电流。 两个问题：两个问题： a.a.不加不加R R L L 行不行不 行？行？ b.b.中间为什么中间为什么 要加一级非门要加一级非门? ? 4. CMOS传输门和双向模拟开关 TP TN b. N沟道管的衬底总连接至最低电平 ，P沟道管的 衬底总连接