数字电路康华光(第五版)ch3逻辑门电路.ppt

1,3逻辑门电路,3.1分立元件逻辑门电路3.2TTL逻辑门电路3.3MOS逻辑门电路3.4逻辑描述中的几个问题3.5逻辑门电路使用中的几个实际问题,2,1、了解半导体器件的开关特性。2、熟练掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或门）、三态门、OC门和传输门的逻辑功能。3、熟练掌握逻辑门电路的技术参数及在应用中的接口问题。,本章要求：,3,逻辑门:用以实现逻辑运算的电子电路。,分类：,二极管门电路,三极管门电路,TTL门电路,MOS门电路,PMOS门,CMOS门,分立门电路,NMOS门,4,由电子电路实现逻辑运算时，它的输入和输出信号都是用电位（或称电平）的高低表示的。高电平和低电平都不是一个固定的数值，而是有一定的变化范围。,1,0,高电平,低电平,注意：,5,3.1分立元件逻辑门电路,3.1.1二极管的开关特性,二极管从反向截止到正向导通的时间极短，可以忽略不计；但二极管从正向导通到反向截止要经过反向恢复的过程，反向恢复时间为tre。,外加正向电压，二极管导通，相当于开关闭合；外加反向电压，二极管截止，相当于开关断开。,6,输入A、B、C全为“1”时，输出L为“1”。,输入A、B、C有“0”时，输出L为“0”。,0V,0V,3V,3.1.2二极管与门电路,7,有“0”出“0”，全“1”出“1”。,实现“与”逻辑关系,8,0V,3V,3V,输入A、B、C全为“0”时，输出L为“0”。,输入A、B、C有“1”时，输出L为“1”。,3.1.3二极管或门电路,9,有“1”出“1”，全“0”出“0”。,实现“或”逻辑关系,10,3.1.4BJT的开关特性,BJT截止，iB0，iC0，vOVCEVCC，c、e极之间近似于开路,相当于开关断开。,vI=0V时：,vI=5V时：,BJT饱和，iB=IBS，iC=ICS，vOVCES0.2V，c、e极之间近似于短路,相当于开关闭合。,11,很小，约为数百欧，相当于开关闭合,可变,很大，约为数百千欧，相当于开关断开,c、e间等效内阻,VCES0.20.3V,VCEVCCiCRc,VCEOVCC,管压降,且不随iB增加而增加,iciB,iC0,集电极电流,发射结和集电结均为正偏,发射结正偏，集电结反偏,发射结和集电结均为反偏,偏置情况,工作特点,iB,iB0,条件,饱和,放大,截止,工作状态,0iBVTN,TN导通,a、I=-5V3V,TN导通，TP导通,c、I=-3V3V,53,传输门组成的数据选择器,Z=0,TG1导通,TG2断开L=X,TG2导通,TG1断开L=Y,Z=1,3、传输门的应用,54,1.电压传输特性,输出电压vO与输入电压vI的关系,TTL门电压传输特性,3.3.6逻辑门电路的外部特性,55,CMOS门电压传输特性,56,2.输入和输出的高、低电平,输出高电平的典型值VOH,输入低电平的上限值VIL,输入高电平的下限值VIH,输出低电平的典型值VOL,VOH,VOL,VIL,VIH,57,高电平噪声容限VNH：当前级门输出高电平时允许负向噪声电压的最大值。,低电平噪声容限VNL：当前级门输出低电平时允许正向噪声电压的最大值。,3.噪声容限,VNH=VOHVIH,VNL=VILVOL,在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。表示门电路的抗干扰能力。,58,IIH输入高电平电流,IIL输入低电平电流,4.输入伏安特性,59,5.输出特性,拉电流负载,IOH输出高电平电流,灌电流负载,IOL输出低电平电流,60,扇出数：逻辑门在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。,(a)带拉电流负载,当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。,高电平扇出数:,扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。,6.扇入与扇出数,61,(b)带灌电流负载,当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。,低电平扇出数:,62,7.传输延迟时间,传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门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。,tpd=(tPLH+tPHL)/2,63,CMOS反相器的工作速度,由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭时间是相等的。,64,8.功耗,静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流与电源电压的乘积。,9.延时功耗积,是速度、功耗综合性的指标。DP=tpdPD,动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗。,对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。,65,TTL门电路系列,66,CMOS门电路系列,（1）基本的CMOS4000系列。（2）高速的CMOSHC系列。（3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。,67,CMOS门电路与TTL门电路性能比较,68,3.4.1正负逻辑问题,3.4逻辑描述中的几个问题,3.4.2基本逻辑门的等效符号及其应用,69,3.4.1正负逻辑问题,1.正负逻辑的规定,正逻辑,负逻辑,3.4逻辑描述中的几个问题,正逻辑体制:将高电平用逻辑1表示，低电平用逻辑0表示,负逻辑体制:将高电平用逻辑0表示，低电平用逻辑1表示,70,_与非门,采用正逻辑,_或非门,采用负逻辑,与非或非,2.正负逻辑等效变换,与或,非非,71,3.4.2基本逻辑门电路的等效符号及其应用,1、基本逻辑门电路的等效符号,与非门及其等效符号,72,或非门及其等效符号,73,2、逻辑门等效符号的应用,利用逻辑门等效符号，可实现逻辑电路的等效变换，从而减少实现电路的门的种类，简化电路。,74,控制电路,3、逻辑门等效符号强调低电平有效,系统输入信号中，有的是高电平有效，有的是低电平有效。,低电平有效，输入端加小圆圈；高电平有效，输入端不加小圆圈。,75,3.5逻辑门电路使用中的几个实际问题,3.5.1各种门电路之间的接口问题,3.5.2门电路带负载时的接口问题,76,1)电压兼容：驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值。,在数字电路或系统的设计中，往往将TTL和CMOS两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：,2)电流兼容：驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流（属于门电路的扇出数问题）。,3.5.1各种门电路之间的接口问题,77,1)负载器件所要求的输入电压,VOH(min)VIH(min),VOL(max)VIL(max),78,2)对负载器件提供足够大的灌电流和拉电流,IOH(max)IIH(total),IOL(max)IIL(total),79,驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流,驱动电路负载电路,1）VOH(min)VIH(min),2）VOL(max)VIL(max),4）IOL(max)IIL(total),驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平,80,1、CMOS门驱动TTL门,VOH(min)=3.84VVOL(max)=0.33V,TTL门（74LS系列）：VIH(min)=2VVIL(max)=0.8V,IOL(max)=4mA,IIH(max)=0.02mA,VOH(min)VIH(min),VOL(max)VIL(max),带拉电流负载,电压兼容性,带灌电流负载,CMOS门(74HC系列）：,IOH(max)=4mA,IIL(max)=0.4mA,81,例:用一个74HC00与非门电路驱动一个74系列TTL反相器和六个74LS系列逻辑门电路。试验算此时的驱动门电路是否过载？,82,总的输入电流IIL(total)=1.6mA+60.4mA=4mA,灌电流情况：,拉电流情况：,74HC00:IOH(max)=4mA74系列反相器:IIH(max)=0.04mA74LS门：IIH(max)=0.02mA,总的输入电流：IIH(total)=0.04mA+60.02mA=0.16mA,74HC00:IOL(max)=4mA74系列反相器:IIL(max)=1.6mA74LS门：IIL(max)=0.4mA,驱动电路能为负载电路提供足够的驱动电流,83,2.TTL门驱动CMOS门,TTL门（74LS系列）：VOH(min)=2.7VVOL(max)=0.5V,VOH(min)VIH(min)不满足,CMOS门（74HC系列）：VIH(min)=3.5VVIL(max)=1.0V,84,1.用门电路直接驱动显示器件,3.4.2门电路带负载时的接口电路,门电路的输入为低电平，输出为高电平时，LED发光,当输入信号为高电平，输出为低电平时,LED发光,85,2.机电性负载