第二章门电路 数字电路技术基础(清华大学出版社).ppt

数字电子技术基础 电子课件 郑州大学电子信息工程学院2020年1月24日 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 低电平表示逻辑状态的1 0 正逻辑和负逻辑 在逻辑电路中存在两种逻辑状态 分别用二值逻辑的1和0来表示 如果以输出的高电平表示逻辑1 以输出低电平表示逻辑0 则这种逻辑制称为正逻辑 反之 若以逻辑1代表低电平 而以逻辑0代表高电平 则称为负逻辑 2 2半导体开关特性 2 2 1半导体二极管的开关特性2 2 2半导体三极管的开关特性 二极管的开关特性 vI VIH D截止 vO VOH VCCvI VIL D导通 vO VOL 0 7V 高电平 VIH VCC低电平 VIL 0 二极管的动态特性 2 2 2半导体三极管的开关特性 Transistor 一 三极管的开关特性 截止工作状态放大工作状态 饱和工作状态 动态开关特性主要开关参数 饱和压降 开启延迟时间 关闭延迟时间 二 MOS管的开关特性 1 MOS管的结构 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 2 静态开关特性 截止区 可变电阻区 恒流区 3 MOS管的动态开关特性 4 主要开关参数 导通电阻 MOS管导通时 且为固定值条件下 漏极电压的变化量与漏极电流变化量之间的比值 即 截止电阻 MOS管截止时 漏极和源极之间的电阻值 大小约为 跨导 在一定的条件下 漏极电流变化与栅源极电压变化之比 它表示栅源电压对漏极电流的控制能力 开启电压和夹断电压 对于N沟道增强型MOS管为正值 P沟道增强型为负值 对于N沟道耗尽型MOS管为负值 P沟道耗尽型为正值 5 MOS管的四种类型 增强型耗尽型 大量正离子 导电沟道 2 3最简单的与 或 非门电路 二极管与门 设VCC 5V加到A B的VIH 3VVIL 0V二极管导通时VDF 0 7V 规定3V以上为1 0 7V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 2三极管非门 反相器 三极管的基本开关电路就是非门实际应用中 为保证vI VIL时T可靠截止 常在输入接入负压 参数合理 vI VIL时 T截止 vO VOHvI VIH时 T截止 vO VOL 输入信号悬空时 2 3 3二极管 三极管与非 或非门 2 4TTL门电路 Transistor TransistorLogic 2 4 1TTL与非门电路结构和工作原理一 电路结构 二 工作原理 1 当输入中有一个为低电平时 这时对应的发射极必然导通 并在深度饱和状态 T2和T5管截止 T4导通 T5截止 输出为高电平 2 当输入全为高电平时 此时假设T1导通 则T1的基极电压钳位在2 1V 这样T1管的所有发射结均反偏 相当于把原来的集电极作为发射极使用 原来的发射极作为集电极使用 也就是说T1管工作在倒置状态 T2导通使导致T4截止 T5导通 输出变为低电平 2 4 2TTL与非门的外部特性及参数一 静态输入特性和输出特性 1 输入特性 输入低电平电流 输入高电平电流 0 7V 1 4V T2开始导通 但T1管集电极支路电流仍很小 时T5管导通 随着增大迅速减小这时T1管处于倒置状态 T1管的集电极电流流入T2管的基极 输入电流方向与参考方向一致 转变为正值 2 输出特性 输出高电平时的输出特性 a 等效电路 b 高电平输出特性曲线 输出低电平时的输出特性 a 等效电路 b 低电平输出特性曲线 二 负载特性 1 输入端负载特性 输入端接入负载时电路输入负载特性曲线 当时 随的变化规律为 例 在图TTL与非门电路中 如果用内阻为的电压表测量输入端B的电压时 请问在下列情况下 测到的电压值为多少 输入端A接0 2V 输入端A接地 输入端A通过一个的电阻接地 输入端A通过一个的电阻接地 解 当输入端A接0 2V电平时 这时T1管处于深度饱和状态 基极电位被钳位在当用电压表测量B端时的电压为 当输入端A接地时 由于T1管的发射结导通 使 电压表测量B端时 当输入端A通过的电阻接地时 因为所接电阻大于开启电阻 A端相当于输入高电平 这时钳位在2 1V的电平上 所以测得B端电压为 当输入端A通过的电阻接地时 等效在A端加了一个输入电压相当于在A端加一个0 2V的逻辑低电平 与第一种情况一样 电压表测得B端电压为0 2V 2 带负载能力TTL与非门带负载能力表示一个与非门所能驱动同类门的最大数目 常用扇出系数表示 当驱动门的输出高电平时当驱动门输出低电平时扇出系数取和的较小者 三 电压的传输特性 1 AB段 截止区 2 BC段 线性区 3 CD段 转折区 线性下降 快速下降 阈值电压或门槛电压 4 DE段 饱和区 四 噪声容限 五 TTL与非门的动态特性 一 传输延迟时间1 现象 二 动态尖峰电流 2 4 3其他类型的TTL门电路 一 其他逻辑功能的门电路1 与或非门 2 异或门 二 集电极开路的门电路 1 推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强 尤其是高电平输出 输出端不能并联使用OC门 2 OC门的结构特点 3 外接负载电阻RL的计算 3 外接负载电阻RL的计算 3 外接负载电阻RL的计算 三 三态门电路 ThreestateOutputGate TS 三态门的用途 三态门构成单向总线三态门构成双向总线 2 4 4TTL电路的改进系列一 肖特基TTL门系列 74S 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 抗饱和三极管肖特基TTL与非门 二 低功耗肖特基系列74LS Low PowerSchottkyTTL 低功耗肖特基TTL与非门 2 4 5TTL门电路的使用 这些门电路在实际使用时注意以下几点 一 电源及电源干扰的消除二 不用输入端的处理及注意事项三 输出端处理四 其它 2 5发射极耦合逻辑门 ECL 2 5 1ECL门电路的基本单元当时 而此时T3管基极电平更高一些 1 3V 故T1截止T3导通 此时与输入端之间是逻辑非关系 与输入端之间是逻辑与关系 2 5 2ECL电路的结构和工作原理 2 5 3ECL电路的主要特点优点 1 ECL电路是目前各种数字集成电路中工作速度最快的一种 目前ECL传输延迟时间缩短至1ns以下 2 电路内部的开关噪声很低 3 输出阻抗低 带负载能力强 国产CE10K系列门电路的扇出系数可达90以上 4 ECL电路具有或和或非两个互补输出端 使用方便 灵活 缺点 电路功耗大 噪声容限低 输出电平稳定性差 2 6集成注入逻辑 IntegratedInjectionLogic 2 6 1电路结构与工作原理 I2L基本单元电路结构及等效电路 2 6 2门电路的主要特点 电路两个严重的缺点1 抗干扰能力差 I2L电路的输出信号幅度比较小 噪声容限较低 所以抗干扰能力也较差 2 工作速度低 因为I2L电路采用了饱和型逻辑电路 这限制了工作速度 I2L电路的传输延迟时间可达到20 30ns 2 7金属 氧化物 半导体逻辑 MOSL 2 7 1CMOS反相器及工作原理一 电路结构 二 电压 电流传输特性 三 噪声容限 结论 可以通过提高VDD来提高噪声容限 2 7 2CMOS反相器的外部特性和参数 一 静态输入特性 CMOS反相器输入保护电路 CMOS反相器输入特性 二 静态输出特性 三 动态特性 传输延迟时间 2 交流噪声容限3 动态功耗 2 7 3其他类型的CMOS门电路 一 其他逻辑功能的门电路 1 与非门2 或非门 3 带缓冲极的CMOS门 如 与非门 4 漏极开路的门电路 OD门 5 CMOS传输门及模拟开关 传输门 双向模拟开关 2 7 4NMOS逻辑门 NMOS与非门 NMOS或非门 2 7 5MOS门电路的正确使用 一 电源电压电源的上限电压不得超过允许的电源电压最大值 下限电压不能低于保证系统速度所需的电源电压最小值 二 输入端1 每个输入端电流不超过1mA为佳 并限制在10mA以内 2 当上述条件不能满足 即输入电流过大 输入端接线过长 或接大电容 大电感时 应在输入端串接的保护电阻 将输入电流的瞬态值限制在10mA以下 3 未使用的输入端处理方法 与门和与非门的未用端应接至正电源端或高电平 或门和或非门应接地或低电平 不用输入端绝不能悬空 因为悬空的栅极易产生感应电荷 使输入端可能为高电平也可能为低电平 造成逻辑混乱 4 为了防止门电路开关过程中的过冲电流以及栅极易接收静电电荷 在进行实验 测量和调试时 应先接入直流电源 后接输入信号源 而关机时先关闭输入信号源 后关闭直流电源 三 输出端CMOS集成电路的输出端不应直接和或相连 否则 将因拉电流或灌电流过大而损坏器件 另外除了三态门和OD器件外 也不允许CMOS器件输出并联使用 输出与大电容 大电感直接相连时 将使功耗增加 工作速度下降 为此应在输出和大电容之间串接保护电阻 并尽力减少容性负载的影响 2