数电第三章逻辑门电路.ppt

第三章 逻辑门电路,0 概述 二极管逻辑门电路 TTL逻辑门电路 CMOS逻辑门电路,教 学 基 本 要 求,1、了解半导体器件的开关特性。 2、掌握基本逻辑门、三态门、集电极开路门的逻辑功能。 3、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。,0 概述,1.逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。,基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。 本章重点介绍逻辑运算的物理实现电路。,2.逻辑0和逻辑1：0和1在逻辑代数中代表的两种不同的状态。在电子电路中用高、低电平来表示。 正逻辑：1表示高电平， 0表示低电平 负逻辑：0表示高电平， 1表示低电平,高/低电平都允许有一定的变化范围,3.获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。,1 二极管逻辑门电路,1.1 二极管的开关特性 1.2 二极管与门 1.3 二极管或门 1.4 二极管门电路的优、缺点,1.1 二极管的开关特性,1.二极管符号：,2.二极管的伏安特性：,当电压ui0.7V 二极管导通后，uD= 0.7V iD=（ui-0.7）/R 当电压ui0.7V 二极管截止，处于断开状态 iD=0V,限流电阻,3.二极管的开关电路的等效电路,ui0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。,ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo5-0.7=4.3V。,当ui为低电平时 D截止，uo为低电平,当ui为高电平时 D导通，uo为高电平,1.2 二极管与门,大于3V为高电平 逻辑1表示 小于0.7V为低电平 逻辑0表示,思考：Y如何和A、B构成与逻辑关系？,5V,0.7V,0.7V,5V,0.7V,0.7V,0.7V,5V,5V,Y=AB,大于3V为高电平 逻辑1表示 小于0.7V为低电平 逻辑0表示,根据真值表，可以判断该电路为与门,Y=A+B,1.3 二极管或门,截止,截止,0V,导通,截止,4.3V,截止,导通,4.3V,导通,导通,4.3V,1.4 二极管门电路的缺点,电平有偏移，带负载能力差 因此，二极管门电路通常只用于集成电路内部电路,2 TTL逻辑门电路,2.1 三极管的开关特性 2.2 三极管非门 2.3 TTL反相器、与非门、或非门 2.4 其他类型的TTL逻辑门 （三态门、集电极开路门） 2.5 TTL电路常识 2.6 小结,由三极管和若干电阻构成的逻辑门 Transistor-Transistor Logic,它有两种类型:NPN型和PNP型。 在半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体 在半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体 NPN型和PNP型三极管,e-b间的PN结称为发射结(Je),c-b间的PN结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极， 用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极， 用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极， 用C或c表示（Collector）。,1.三极管的结构,2.1三极管的开关特性,2.以NPN三极管为例，说明三极管的的工作原理及特性曲线,发射结可以看成二极管,截止状态,ui=UIL0.7V,uo=+VCC,截止区条件：ui小于0.7V时； 发射结处于截止状态； iB=0；iC=0。 集电极和发射极相当于断开，uo=UCE=VCC,iB不同,输出特性曲线不同。,放大区条件：当ui大于0.7V 发射结处于导通状态，iC与iB成放大关系例如图中iB=40A，iC=2mA；iB=80A，iC=4mA； =50 此时集电极和发射极之间可以看成一个受控电流源大小等于 iB uo=UCE=VCC- iCRC=Vcc-iBRC,饱和区条件：ui大于0.7V 发射结导通 此时集电极和发射极可以看成短路 ic=Ics=(VCC-UCES)/RC uo=UCES=0.2-0.3V,饱和状态,iB,Ui0.7V,uo=0.3V,如何判断工作在饱和区还是放大区？ 可以通过UCES计算出临界集电极饱和电流ICS=(VCC-UCES)/RC 则临界基极饱和电流IBS=(VCC-UCES)/RC 当iB IBS 工作在饱和区，否则工作在放大区。, ui=0.3V时，因为uBE0.7V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：, ui=1V时，三极管导通，基极电流：,因为0iBIBS，三极管工作在放大状态。iC=iB=1000.03=3mA，输出电压：,三极管临界饱和时的基极电流：,uo=uCE=UCC-iCRc=5-31=2V,uo=VCC=5V,ui3V时，三极管导通，基极电流：,而,因为iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：,uoUCES0.3V,3.以典型电路为例来分析开关特性,通常在数电中，三极管主要工作在截止或饱和两个区内。,2.2 三极管非门(反相器),uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5V,uA5V时，三极管饱和导通。,输出电压uYUCES0.3V。,真值表,性 能 分 析,vcc,Rc,T,CL,电容充电,电容放电,2.3 TTL反相器、与非门、或非门,2.3.1 TTL反相器,输入级,中间级,输出级,采用输入级以提高工作速度,采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力,2.电路功能分析,（1）当输入为低电平 （I = 0.2 V）,0.5V,0.2V,OVCCVBE4VD 50.70.7 =3.6V,（2）当输入为高电平 （I = 3.6 V）,3.6V,4.3V,2.1V,1.4V,0.2V,AB段： I很低， T1深度饱和，T2、T3截止，同时T4和D导通。O=3.6V。,CD段：当I的值继续增加C点后，使T3饱和导通， O0.2V I(D)=BE3+BE2CES1 = (0.7+0.70.2)V=1.2V,DE段：当I的值从D点再继续增加时，T1将进入倒置放大状态， T2、 T3饱和导通，保持O= 0.2V,BC段：T1仍保持为饱和状态。在BC段内，T2处于放大状态，此时输出电压随输入电压的增加而减小，但处于线性关系。I(D)=BE2CES1 = (0.70.3)V=0.4V,3.电压的传输特性,4.常用TTL反相器芯片,逻辑函数表达式：,2.3.2 TTL与非门,1. TTL与非门电路,多发射极BJT,只要A、B中有一个为低电平，则显示低电平的特性，若全部为高电平，则显示出高电平的特性；于是实现与的逻辑功能。,2. TTL与非门电路的工作原理,74LS00内含4个2输入与非门,3.常用TTL与非门芯片,74LS20内含2个4输入与非门,2.3.3 TTL或非门,TTL或非门的逻辑电路,若二输入端为低电平,0.5 v,0.2 v,0.2 v,0.5 v,3.6V,若A、B两输入端都为高电平,2.1 v,3.6 v,3.6v,2.1 v,0.3V,问题：若A、B两输入端中有一个为高电平，输出L = ?,2.常用芯片,74LS02内含4个2输入或非门,逻辑表达式：,各种类型的TTL门电路， 其传输特性大同小异。,VOHVO(A)3.6V,VOLVCES 0.2V,VIL VI (B)0.4V,VIH VI(D)1.2V,1、TTL与非门传输特性,2、输入、输出的高、低电压,2.3.4 TTL与非门的特征与参数,典型参数,实际参数见附录C P463,3. TTL与非门噪声容限,噪声容限:,高电平的噪声容限为 VNH=VOH(min)VIH(min),低电平的噪声容限为 VNL=VIL(max)VOL(max),当电路受到干扰时，在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。,4. 扇入与扇出系数,扇入数: 取决于门的输入端的个数,扇出数: 带同类门的个数。 有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:,负载门,驱动门,0,当负载门的个数增加时，总的 灌电流IIL将增加,引起输出低 电压VOL的升高。,灌电流负载：输出低电平时。,IIL,IOL,4. 扇入与扇出系数,扇入数: 取决于门的输入端的个数,扇出数: 带同类门的个数。 有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:,负载门,驱动门,1,0,1,拉电流负载：门输出高电平时,当负载门的个数增多时，必将 引起输出高电压的降低。,IIH,IOH,例 查得基本的TTL与非门7410的参数如下： IOL16mA，IIL1.6mA，IOH0.4mA，IIH0.04mA.试计算其带同类门时的扇出数。 解： (1)低电平输出时的扇出数,(2)高电平输出时的扇出数,若NOLNOH，则取较小的作为电路的扇出数。,例题： 扇出数计算举例,电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。,5. 传输延迟时间,平均传输延迟时间 tPd,tPLH 为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间; tPHL为由高电平转换到低电平所经历的时间。,(tPLHtPHL)/2, 表征门电路开关速度的参数,6. 功耗与延时功耗积,1、功耗分为:,静态功耗：,动态功耗：,对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。,2、延时功耗积,DP = tpdPD,指的是当电路没有状态转换时的功耗,是在门的状态转换的瞬间的功耗。,是一综合性的指标，用DP表示，其单位为焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。,2.4 其他类型的TTL逻辑门,2.4.1 集电极开路门 (Open Collector ，OC),？,1.问题的提出 工程中常常将两个门电路并联起来实现与的逻辑功能，称为线与。,这两个逻辑门是否可以直接并联？,2.问题的解决,OC门的逻辑符号,去掉低阻通道，将集电极开路，称为集电极开路门 出现问题：当输出为低电平时正常，但是如果输出应为高电平时，此时T3截止，无法输出高电平，因此在工作时，必须接入外接电阻和电源。,OC门实现的线与,集电极开路后，并不影响原有的电路功能,L,写出逻辑函数表达式：,线与：实现与的逻辑功能,集电极开路门上拉电阻Rp 的计算,在极限情况，上拉电阻Rp具有限制电流的作用。以保证IOL不超过额定值IOL(max)，故必须合理选用Rp的值。,另一方面，Rp的大小影响OC门 的开关速度，Rp的值愈大，因而 开关速度愈慢 ，故在满足要求的前提 下，Rp越小越好。,例2.4.2 设TTL与非门74LS01(OC)驱动八个74LS04(反相器)， 试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设VCC5V。,解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL= 400A，VIH(min) =2V，IIH=20A。,IIL(total)=400A8=3.2mA,得,VCC=5V，IIH(total) =20A8= 0.16mA。,Rp的值可在985至18.75k,之间选择,可选1k的电阻器为宜。,所以,三态钳位电路,3.6V,1.4V,0.7V,当CS= 1时,三态与非门真值表,2.4.2 三态门（Three state Output Gate ,TS）,当CS= 0时,0.2V,0.5V,低电平,0.5V,开路,三态与非门真值表,结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。,区别？,高电平 有效,低电平 有效,构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TS门处于工作状态，而其余TS门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TS门的输出。,2.5 TTL电路常识,74：标准系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗P10mW。,74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。,74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。,74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd9ns，平均功耗P2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。,74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL）: 性能进一步提高。,2.6 小结,2.1 三极管非门： 分析了最简单的三极管非门，并分析了其优缺点。 2.2 TTL反相器、与非门、或非门 2.2.1 TTL反相器：电路结构、传输特性及常用芯片7404 2.2.2 TTL与非门：电路结构及常用芯片7400 7420 2.2.3 TTL或非门：电路结构及常用芯片7402 2.2.4 TTL逻辑门的参数及特性：传输特性；输入输出高低电压及噪声容限；输入输出高低电流及扇入扇出数；平均延迟时间；功耗 2.3 其他类型的TTL逻辑门 2.3.1 集电极开路门：线与的概念；外接电阻的计算 2.3.2 三态门：三态门的功能分析；三态门的用途 2.4 TTL电路常识,大规模集成芯片集成度高，所以要求体积小，而TTL系列不可能做得很小，但MOS管的结构和制造工艺对高密度制作较之TTL相对容易，下面我们介绍MOS器件。,与TTL逻辑电路比较，MOS管的优点是功耗低，可达0.01mw，缺点是开关速度稍低。在大规模的集成电路中，主要采用的CMOS电路。,3 CMOS逻辑门电路,3.1 场效应管的开关特性 3.2 CMOS反相器及其他逻辑门 3.3 CMOS逻辑门的特点,3.1 场效应管的开关特性,1.概述 场效应管是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。 从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道场效应管和空穴作为载流子的P沟道场效应管。,N沟道场效应管,栅极,源极,漏极,2. N沟道场效应管的开关特性,MOS管的D-S极可以看成是受ui控制的开关。,VGS(th)通常+2V左右,3. P沟道场效应管的开关特性,VGS(th)通常 -2V左右,3.2 CMOS反相器及其他逻辑门,3.2.1 CMOS反相器,当vI = 0 V时,VGSN =0 VTN,TN管截止；,|VGSP|=VDDVTP,TP管导通。,VO VDD,当vI = VDD 时,VO 0,VGSN =VDD VTN,TN管导通；,|VGSP|= 0 VTP,TP管截止。,CMOS反相器的特点,因而CMOS反相器的静态功耗极小（微瓦数量级）。,3.2.2 CMOS与非门,二输入“与非”门电路结构如图,当A和B为高电平时:,1,0,1,1,1,当A和B有一个或一个以上为低电平时:,电路输出高电平,输出低电平, 电路实现“与非”逻辑功能,0,1,当A、B全为低电平时,输出为高电平,3.2.3 CMOS或非门,当输入端A、B都为高电平时，,当A、B全为低电平时，,当A、B中有一个为高电平时,0,1,1,输出为高电平,输出为低电平,输出必为低电平,TG 是一种传输信号的可控开关，截止电阻107，导通电阻几百，所以是一个理想的开关。,结构对称，其漏极和源极可互换，它们的开启电压|VT|=2V 。,3.2.4 CMOS传输门(TG),CMOS传输门电路的工作原理,设TP和TN的开启电压|VT|=2V， 且输入模拟信号的变化范围为5V到+5V。,当c端接低电压5V时,5V,+5V,5V+5V,开关断开,当 c端接高电压+5V,+5V,5V,I3V,I+3V,3V+3V,一管导通程度愈深，另一管导通愈浅，导通电阻近似为一常数。,3.3 CMOS逻辑门的特点,（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。 （2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。 （3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电