数字电子技术基础第五版 第三章.ppt

第三章门电路 3 1概述 门电路 实现基本逻辑运算 复合逻辑运算的单元电路 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 获得高 低电平的基本原理 高 低电平都允许有一定的变化范围 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 3 2半导体二极管门电路半导体二极管 Diode 的结构和外特性 二极管的结构 PN结 引线 封装构成 P N 3 2 1二极管的开关特性 高电平 VIH VCC低电平 VIL 0 VI VIHD截止 VO VOH VCCVI VILD导通 VO VOL 0 7V 二极管的开关等效电路 二极管的动态电流波形 3 2 2二极管与门 规定3V以上为1 0 7V以下为0 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 设VCC 5V加到A B的VIH 3VVIL 0V二极管导通时VDF 0 7V 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 3 3 1MOS管的开关特性 3 3CMOS门电路 一 MOS管的结构和工作原理 以N沟道增强型为例 当加 VDS时 开启电压 1 VGS 0时 D S间是两个背向PN结串联 iD 0 2 加上 VGS 且足够大至VGS VGS th 时 D S间形成导电沟道 N型层 二 输入特性和输出特性 输入特性 直流电流为0 看进去有一个输入电容CI 对动态有影响 输出特性 iD f VDS 对应不同的VGS下得一组曲线 漏极特性曲线 输出特性曲线 分三个区域 截止区恒流区可变电阻区 截止区 VGS109 恒流区 iD基本上由VGS决定 与VDS关系不大 可变电阻区 当VDS较低 近似为0 VGS一定时 这个电阻受VGS控制 可变 三 MOS管的基本开关电路 四 等效电路 OFF 截止状态ON 导通状态 五 MOS管的四种类型 增强型耗尽型 大量正离子 导电沟道 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 一 电路结构 设 二 CMOS反相器的电压 电流传输特性 电流传输特性 电压传输特性 作业 P1503 2 3 3 三 输入噪声容限 若在输出上叠加上噪声 在不影响逻辑关系的前提下 允许该噪声变化的范围 在保证输出高 低电平基本不变的条件下 允许输入信号的高 低电平有一个波动范围 这个范围称为输入端的噪声容限 结论 可以通过提高VDD来提高噪声容限 VDD对噪声容限的影响 VDD增大 噪声容限变大 3 3 3CMOS反相器的静态输入和输出特性 一 输入特性 74HC系列的 4000系列的 保证输入电压在一定范围内 保证加于C1 C2的电压 VDD VDF 二 输出特性 VI为高电平 T1截止 T2导通 二 输出特性 VI为低电平 T1导通 T2截止 3 3 4CMOS反相器的动态特性 一 传输延迟时间 输出波形比输入波形要滞后一段时间 二 交流噪声容限三 动态功耗 VDD和噪声作用时间tw对交流噪声容限VNA的影响 3 3 5其它类型的CMOS门电路 一 其它逻辑功能的门电路 1 与非门2 或非门 一般与非门 带缓冲级的CMOS门 解决方法 输入缓冲器 输出缓冲器 反相器 或非门 二 漏极开路的门电路 OD门 线与 参见P95 96及例3 3 2 三 CMOS传输门及双向模拟开关 1 传输门 考虑DS间的电位分布 2 当C 1 C 0 则T1导通 则T2导通 VGS 0 VI VGS th P VGS VDD VI VGS th N 2 双向模拟开关 C 1时 开关导通 C 0时 开关截止 四 三态输出门 三态门的用途 3 3 6CMOS电路的正确使用P101 3 3 7CMOS数字电路的各种系列P104 3 5TTL门电路3 5 1半导体三极管的开关特性 双极型三极管 BJT BipolarJunctionTransistor 一 双极型三极管的结构管芯 三个引出电极 外壳 二 三极管的输入特性和输出特性三极管的输入特性曲线 NPN VON 开启电压硅管 0 5 0 7V锗管 0 2 0 3V近似认为 若VBE VON 则iB 0 若VBE VON 则iB的大小由外电路电压和电阻决定 三极管的输出特性 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 输出特性曲线分三个部分 放大区 条件VCE 0 7V iB 0 iC随iB成正比变化 iC iB 饱和区 条件VCE0 VCE很低 iC随 iB增加变缓 趋于 饱和 截止区 条件VBE 0V iB 0 iC 0 c e间相当于 断开 三 双极型三极管的基本开关电路 只要参数合理 则 VI VIL时 T截止 VO VOHVI VIH时 T导通 VO VOL 四 三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态 五 动态开关特性 从二极管已知 PN结存在电容效应 在饱和与截止两个状态之间转换时 iC的变化将滞后于VI 则VO的变化也滞后于VI 六 三极管反相器 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 常在输入端接入负压 若参数合理 则 VI VIL时 T截止 VO VOHVI VIH时 T导通 VO VOL 例3 5 1 计算参数设计是否合理 5V 8V 3 3K 10K 1K 20VCE sat 0 1V 设VIH 5VVIL 0V 将发射极外接电路化为等效的vB与RB电路 由戴维宁定理 当当又 因此 参数设计合理 3 5 2TTL反相器的电路结构和工作原理一 电路结构设 则 1 2 二 电压传输特性 饱和区 转折区 线性区 截止区 二 电压传输特性 电压传输特性 需要说明的几个问题 2 3 1 三 输入噪声容限 输入特性 3 5 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 输出特性 高电平输出等效电路 低电平输出等效电路 3 5 4TTL反相器的动态特性 一 传输延迟时间1 现象 二 交流噪声容限 b 负脉冲噪声容限 a 正脉冲噪声容限 三 电源的动态尖峰电流 2 动态尖峰电流 见P126 3 5 5其他类型的TTL门电路 一 其他逻辑功能的门电路1 与非门 2 或非门 3 与或非门 4 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 OC门实现的线与 3 外接负载电阻RL的计算 IOH IIH 3 外接负载电阻RL的计算 与P95类似 三 三态输出门 ThreeStateOutputGate TS 三态门的用途 一 高速系列74H 54H High SpeedTTL 电路的改进 1 输出级采用复合管 减小输出电阻Ro 2 减少各电阻值2 性能特点速度提高的同时功耗也增加 3 5 6TTL电路的改进系列 二 肖特基系列74S 54S SchottkyTTL 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 三 低功耗肖特基系列74LS 54LS Low PowerSchottkyTTL 四 74AS 74ALS AdvancedLow PowerSchottkyTTL 3 6其