[课件资料]szdl_3_门电路

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*二极管符号,图a(加正向电压）,图b(加反向电压）,结论二极管具有单向导电性(正向导通,反向截止),*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=0,二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,三极管电路结构与符号（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（VBE0.7V）时，T截止VO=VCC当Vi=ViH时（且iBiBS），T饱和导通VO=VCES0.2V,集电极c,发射极e,基极b,基区薄低掺杂,发射区高掺杂,集电区低掺杂,*三极管电路结构,*双极型三极管的结构,管芯+三个引出电极+外壳,*双极型三极管工作状态分析1.三极管基本开关电路,只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL,三极管工作状态分析,2.三极管的工作状态-截止状态,*截止状态：当输入电压Vi较小时，VBE0.7V，T截止iB、iE、iC0，VRc=0;输出电压VCEVCC,等效电路,三极管工作状态分析,2.三极管的工作状态-放大状态,*放大状态：当输入电压Vi上升（0.7V），T导通，VBE=0.7V有:iC=iB、iE=iC+iB，在放大状态下（iBiBS），输出电压VCE=VCC-iCRC,等效电路,三极管工作状态分析,2.三极管的工作状态-饱和状态,*饱和状态：随着输入电压Vi继续上升，iB、iE、iC增加，VCE=VCCiCRC减小，三极管集电极正偏。iBiBS，输出电压VCE=VCES（0.3V硅管）,等效电路,3.三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,3.3.1MOS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:VGSV(thN)时，NMOS管截止，ROFF很大VGSV(thN)时，NMOS管导通，RON较小（V(thN)NMOS开启电压或阈值电压）MOS管的四种类型,*MOS管结构图,*MOS管的结构(金属-氧化物-半导体场效应管),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,NMOS管,PMOS管,NMOS管工作原理,NMOS管的工作原理,*NMOS管的基本开关电路,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),IDS=0,NMOS管的基本开关电路,NMOS管的基本开关电路,OFF，截止状态ON，导通状态,Vi,*MOS管的四种类型,增强型耗尽型,大量正离子,导电沟道,正负逻辑及其它,数字电路中的高电平与低电平数字电路中的正负逻辑问题,*正负逻辑的定义：设定：低电平(VL)为0，高电平(VH)为1正逻辑低电平(VL)为1，高电平(VH)为0负逻辑*正负逻辑的描述:,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。,正负逻辑及其它,*正负逻辑的描述:正与逻辑*真值表：*真值表:*表达式：*表达式：*逻辑符号*逻辑符号,负或逻辑,负逻辑,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,设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7V,二极管与门_原理分析,二极管与门电路分析：,*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,设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7V,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,设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7V,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：,*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,设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7V,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。,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,*输入电压为高电平Vi=ViH=3.2V,教材P114图3.5.7,VBE,B,E,C,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：,DTL或非门电路图：二极管或门+三极管反相器实现逻辑功能：,实现与非功能,实现或非功能,3.5TTL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,3.5TTL门电路,3.5.2TTL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TTL反相器的工作原理结论：实现非功能,T4、D2、T5、R4为输出级,T2、R2、R3为中间级（倒相级）,T1、R1构成输入级,TTL反相器的工作原理,TTL反相器的工作原理,当输入为高电平Vi=ViH时，T1倒置、T2导通、T5为深度饱和状态，,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,ViL,ViH,viL,ViH,VO=3.6V,VO=0.2V,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:确保输出为高电平的输入信号)*输入高电平的最小值ViH(min)2.0V-(又称开门电压VON:确保输出为低电平的输入信号),阈值电压:VTH1.4V,T2、T5截止，T4、D2导通,T2放大导通、T5截止T4、D2导通,T2、T5导通，T4、D2截止,T2、T5饱和导通，T4、D2截止,TTL反相器的静态输入特性,静态输入特性,TTL反相器的输入负载特性,输入负载特性,输入负载R当RiROFF关门电阻相当于Vi=ViL当RiRON开门电阻相当于Vi=ViH,（一般有ROFF=0.8K，RON=2K）,RON,TTL反相器的输出特性,输出为低电平VOL：,输出为高电平VOH：,有电流IL从T5流入门，称:灌电流负载,有电流IL从T3、T4流出门，称:拉电流负载,IOL灌电流负载能力,IOH拉电流负载能力,当ILIOL可保证VO=VOL当ILIOLVO上升,当ILIOH可保证VO=VOH当ILIOHVO下降,TTL反相器的动态特性,反相器平均传输延迟时间tPd,三极管动态开关特性,输出低电平转换为高电平的传输延迟时间tPLH,TTL反相器的动态特性,反相器平均传输延迟时间tPd,输出高电平转换为低电平的传输延迟时间tPHL,TTL反相器_举例(A),例1:CMOS电路如图所示,VDD分别为5V、10V,V为3.5V,求VO1?VO2?VO3?例2:已知TTL电路如图所示,其参数:VTH=1.4V,ROFF=0.8K,RON=3K,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。,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,其它,VO=VOH,VO=VOL,Vi=ViH,Vi=ViL,VGSP(D段）；T1(P)管截止iD=0,3.在1/2VDD附近,T1,T2管均导通,iD最大,NMOS管截止,特点:静态功耗小,PMOS管截止,CMOS反相器的输入特性,输入保护电路电路图:当ViVDDD1导通输入电压被钳位在VDD+VD当ViVIH的驱动条件)2.驱动方法:*接入上拉电阻,提高TTL电路输出的高电平*用带电平偏移的门电路实现电平变换*改造CMOS电路的输入高电平下限(如:74HCT系列高速CMOS_VIH=2V),使TTL可直接驱动CMOS,CMOS驱动TTL,1.CMOS与TTL的比较,CMOS输出高低电平均能满足TTL输入高低电平的需要。(对4000系列:IOL(=0.51mA)IIL不满足灌电流驱动能力的要求)2.驱动方法：同逻辑门电路输出端并接使用加大输出驱动电流。选用OD门。合理选用T放大器，加大其输出的电流驱动能力。,小结,学习和掌握集成逻辑门的分类学习和理解逻辑门电路的电气特性，理解电气参数意义学习和理解特殊门电路类型、功能及描述了解各种TTL和CMOS门电路的基本构成和原理、电路特点、逻辑符号。（重点了解：二极管与门、或门；三极管反相器；CMOS反相器；CMOS与非门、或非门；TTL反相器；TTL与非门、或非门等基本结构）分析电路输入输出，计算,学习要点,小结,集成逻辑门的分类两大类：TTL、CMOS（各种功能的门电路：与、或、非、与非、或非等）特殊的门电路、功能及