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毕业设计论文
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0514、电子学习数字电路教案,毕业设计论文
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第 2章 逻辑门电路 门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有： 与门 、或门 、 与非门 、 或非门 、 异或门 等。 在数字电路中，一般用高电平代表 1、低电平代表 0，即所谓的 正逻辑系统 。 1 0 0V Vcc 只要能判断高低电平即可 正逻辑 nts+5V F R4 R2 R1 3k T2 R5 R3 T3 T4 T1 T5 b1 c1 A B C CBAF nts2 1 二极管的开关特性 第 2章 逻辑门电路 数字集成电路绝大多数都是由双极型二极管、三极管或单极型场效应管组成。这些晶体管大部分工作在导通和截止状态，相当于开关的“接通”和“断开” 。 2 1 1 晶体二极管的开关特性 静态开关特性 ：什么条件下导通，什么条件下截止 动态开关特性 ： 导通与截止两种状态之间转换过程的特性 nts2 1 双极型晶体管的开关特性及简单门 2 1 1 晶体二极管的开关特性 1、晶体二极管静态开关特性 （ 1）二极管正向导通时的特点及导通条件 VON ： 门槛电压或称阈值电压、开启电压 VD ： 导 通压降 VD =0.7V 视为硅二极管导通的条件 二极管正向导通时的等效电路 nts2 1 双极型晶体管的开关特性及简单门 2 1 1 晶体二极管的开关特性 1、晶体二极管静态开关特性 （ 1）二极管正向导通时的特点及导通条件 （ 2）二极管反向截止时的特点及截止条件 A. 截止条件： vD 0.5V时，二极管导通。 nts2 1 1 晶体二极管的开关特性 2、晶体二极管动态开关特性 动态过程（过渡过程）：二极管导通和截止之间转换过程 。 t re反向恢复时间：二极管从导通到截止所需时间。 若二极管两端输入电压的频率过高，会使输入负电压的持续时间小于它的反向恢复时间，此时二极管将失去其单向导电性。 nts反向恢复时间： 从导通到截止所需时间。 tre= ts + tt V I i V1 V2 I1 I2 tre t Is: 反向饱和电流 0 动态特性： t ts tt ts存储时间 tt渡越时间 （由于 PN结电容中存有电荷 电荷存储效应） 二极管开通时间很短 , 可忽略不计。 二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。 nts2 2 双极型晶体三极管 (BJT)的开关特性 三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态，在数字电路中，静态主要工作于饱和和截止状态 。 NPN型硅三极管开关电路及其特性 nts2 2 双极型晶体三极管的开关特性 （ 1）三极管的截止状态和可靠截止的条件 当 vI很小，如 vI0 ， uBC0 ， uBC0集电极电流 iC 0 iC iBiC ICSce 间电压 uCE VCCuCE VCCiCRcuCE UC E S0 . 3 V工作特点ce 间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合ntsQ2uiiBeRbbiC( m A ) 直流负载线VCCRc0+ VCCiCuo工作原理电路 输出特性曲线80 A60 A40 A20 AiB=00 UC E SVCCuCE( V ) 0 0 . 5 u BE ( V )输入特性曲线iB( A )Q1QRcc Rb Rc +VCC b c e 截止状态 饱和状态 iBIBS ui=UILIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压： uo UCES 0.3V nts2 2 双极型晶体三极管的开关特性 三极管的截止状态 三极管的饱和状态 NPN型硅三极管开关等效电路 三极管作为开关使用时只需要：饱和状态和截止状态 输入信号为高电压时，应使三极管可靠地饱和； 输入信号为低电压时，应使三极管可靠地截止。 nts2 2 双极型晶体三极管的开关特性 （ 4）三极管开关的过渡过程 ton = td +tr ton开通时间 toff = ts +tf toff关断时间 td： 延迟时间，上升到 0.1Icmax tr： 上升时间， 0.1Icmax到 0.9Icmax ts： 存储时间，下降到 0.9Icmax tf： 下降时间，下降到 0.1Icmax ntstd-延迟时间 (Delay time)， 为从输入信号正跃变瞬间到 iC 上升到 0.1ICmax所需的时间 。 开通时间 ton :为从输入信号正跃变瞬间到 iC 上升到最大值 ICmax的 90所经历的时间。 ton = td +tr tr-上升时间 (Rise time)，是集电极电流 iC 从0.1ICmax上升到 0.9ICmax所需的时间。 ntsts-存储时间 (Storage time)：从输入信号的负跃变瞬间到 iC 下降到 0.9ICmax所需的时间。 关断时间 toff ：从输入信号负跃变的瞬间，到 iC 下降到 0.1ICmax所经历的时间。 toff = ts +tf tf-下降时间 (Fall time)：从 0.9ICmax下降到 0.1ICmax所需的时间。 nts ton和 toff一般约在几十纳秒 （ ns=10-9 s） 范围 。通常都有 toff ton， 而且 ts tf 。 ts 的大小是影响三极管速度的最主要因素 ，要提高三极管的开关速度就要设法缩短 ton与 toff ，特别是要缩短 ts 。 nts2 3 基本逻辑门电路 2 3 1 二极管与门及或门电路 晶体管门电路 (分立元件 ) 集成电路 (TTL和 MOS) 可编程逻辑器件 (CPLD、 FPGA) 数字电路 1、二极管“与”门电路 D1D2导通 D1D2导通 D1截止D2导通 D1导通D2截止 nts2、二极管 “ 或 ” 门电路 BAY D1D2导通 D1D2导通 D1截止D2导通 D1导通D2截止 nts例：已知二极管三输入与门和三输入或门以及三个输入信号的波形，根据与逻辑和或逻辑的功能，对应输入信号分别画出与门和或门的输出信号波形。 nts2 3 1 三极管非门 R1 D R2 A F +12V +3V 三极管非门 uA uF3V 0 . 3 0V 3. 7 钳位二极管 AF T导通 T截止 ntsR1 D R2 F +12V +3V 三极管非门 D1 D2 A B +12V 二极管与门 DTL与非门 ABP nts例： 由图所示电路，根据输入波形，画出输出 Y的波形。 解：由图可以看出，输出 Y=Y1+Y2=AB+CD，根据 “ 与 ”逻辑和 “ 或 ” 逻辑的性质，画出输出 Y的波形 nts2 4 TTL门电路 晶体管门电路 (分立元件 ) 集成电路 (TTL和 MOS) 可编程逻辑器件 (CPLD、 FPGA) 数字电路 集成电路优点 :体积小、耗电少、重量轻、可靠性高等。 ntsRTL（ Resister-Transistor Logic） 电阻晶体管逻辑； DTL（ Diode-Transistor Logic） 二极管晶体管逻辑； HTL（ High-Threshold Logic） 高阈值逻辑； TTL（ Transistor -Transistor Logic） 晶体管晶体管逻辑 ； ECL（ Emitter Coupled Logic） 发射极耦合逻辑； I2L（ Integrated Injection Logic）集成注入逻辑 (IIL)。 常见的数字集成电路分为双极型和单极型两大工艺类 双极型 PMOS型 ; NMOS型 ; CMOS型 单极型 nts2 4 TTL门电路 2 4 1 TTL与非门 （ 1）输入级 1、 TTL与非门的电路结构与工作原理 输出级 组成 : V1和 R1 多发射极三极管 ,实现与逻辑 D1D2 保护 （ 2）分相级 输入级 组成 : V2和 R2、 R3 （ 3）输出级 分相级 组成 ： V3、 V4和R4、 D3 ntsT1ABCB1C1ABCB1( a ) ( b )(1) 输入级：由多发射极管 V1和电阻 R1组成。作用是对输入变量A、 B、 C实现与逻辑， V1可以等效为二极管与门的形式。 nts在流过 R1的电流相同的情况下，使输出管 V4有更大的基极电流，提高了带负载能力并提高了开关速度。 (2) 中间级：由 V2、 R2和 R3组成。 V2的集电极和发射极输出两个相位相反的信号，作为 V3和 V5的驱动信号。 ntsV3和 V4：推拉式电路。总是一个导通而另一个截止，有效地降低了输出级的静态功耗，提高了与非门的负载能力。 (3) 输出级：由 V3、 V4、 D3和 R4组成，这种电路形式称为 推拉式电路（推挽式电路） 。 nts1、任一输入为低电平（ 0.3V）时 “0” 1.4V 不足以让 T2、 T5导通 三个 PN结 导通需 2.1V TTL与非门的工作原理 nts“0” 1.4V vo Vo=5-VR2-Vbe3-VD3 3.6V 输出 高电平！ 1、任一输入为低电平（ 0.3V）时 TTL与非门的工作原理 nts2、输入全为高电平（ 3.6V）时 “1” 全导通 电位被钳 在 2.1V 全反偏截止 1V 截止 TTL与非门的工作原理 nts2、输入全为高电平（ 3.6V）时 TTL与非门的工作原理 全反偏 “1” 饱和 vo=0.3V ABY Vo=0.3V 输出 低电平！ ntsD1D2 保护 -0.7V nts2 4 TTL门电路 2 4 1 TTL与非门 2、 TTL与非门的电气特性及参数 TTL与非门的电气特性主要包括电压传输特性、输入输出特性和动态特性。 （ 1）电压传输特性 v0(V) vi(V) 1 2 3 VOH (3.6V) VOL (0.3V) 传输特性曲线 v0(V) vi(V) 1 2 3 VOH “1” VOL (0.3V) 阈值 Vth=1.4V 理想的传输特性 输出高电平 输出低电平 nts电压传输特性 截止区 线性区 转折区 饱和区 nts 空载时，输出高电压VOH3.6V， 带载后，其输出电压有所下降。 （ a） 输出高电压 VOH TTL产品规定 : 标准值 VOSH=3V， 下限值 VOH（ min） =2.4V。 VOH 当输入为低电压 VIL时，输出为高电压 VOH 。 nts空载时， T4工作于深饱和状态，输出低电压 VOL0，带负载后， T4的饱和程度降低， VOL随之上升。 （ b）输出低电压 VOL TTL产品规定 : 标准值 VOSL=0.3V， 上限值 VOL（ max） =0.5V。 VOL 当输入全为高电压 VIH时，输出为低电压 VOL。 nts 传输特性曲线上转折区中点所对应的输入电压，既是 T4截止和导通的分界线，也是输出高、低电平的分界线。称此输入电压为 阈值电压或门坎电压 Vth。 （ c）阈值电压 Vth Vth VBE2 VBE4 0.7 0.7 1.4 V nts 在分析中，常将 Vth视为决定与非门工作状态的关键值 (转折点 )。认为： 当 VIVth时，与非门处于开门状态，输出为低电压 VOL。 当 VI Vth时，与非门处于关门状态，输出为高电压 VOH； & nts（ d）噪声容限 在保证输出为高电平的条件下，输入端低电平上允许的最大干扰电压为 低电平噪声容限 VNL 在保证输出为低电平的条件下，输入端高电平上允许的最大干扰电压为 高电平噪声容限 VNH VNL越大，表明与非门输入低电平时，抗正向干扰的能力越强。标准产品的噪声容限为：VNL VIL VOL VNH越大，表明与非门输入高电平时，抗负向干扰的能力越强。标准产品的噪声容限为： VNH VOH VIH nts2、 TTL与非门的电气特性及参数 （ 1）电压传输特性 （ 2）输入、输出特性 & & ？ 前级输出为高电平时 前级 后级 流出前级 电流 IOH（拉电流） R1 v1 +5V nts前级输出为低电平时 R1 T1 +5V 前级 后级 流入前级的电流IIL 约 1.6mA (灌电流 ) nts扇出系数与门电路输出驱动同类门的个数 +5V R4 R2 V3 V1 前级 V1 V1 IiH1 IiH3 IiH2 IOH 前级输出为 高电平时 后级 nts+5V R2 R1 4k V2 R3 T1 V4 b1 c1 前级 IOL IiL1 IiL2 IiL3 前级输出为 低电平时 扇出系数与门电路输出驱动同类门的个数 nts输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）： 2iL1iLOL III输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）： 2iH1iHOH III标准 TTL系列器件，规范值为 NO8 。 IOL（ max） 越大 ,带灌电流负载能力越强 ; IOH（ max） 越大 ,带拉电流负载能力越强。 nts（ 3）、平均传输延迟时间 t vi o t vo o 50% 50% tPLH tPHL 平均传输延迟时间 )(21P H LP L Hpd ttt 输出波形相对输入波形的滞后时间称为传输延迟时间 tpd 集成电路的平均传输延迟时间的单位是纳秒（ 3-40ns）。 nts空载功耗是指与非门空载时电源总电流 ICC与电源电压 VCC的乘积。 （ 4）、空载功耗 标准 TTL门，空载导通功耗 PON 32mW。 输出高电平时的功耗称为 空载截止功耗 POFF ， 输出低电平时的功耗称为 空载导通功耗 PON 。 POFF VCCICCH， PON VCCICCL， 显然， PON POFF。 ntsR vi “1”,“0”？ 注意：悬空的输入端 ? ？ ntsR较小时 vi0时 VGS足够大时（ VGSVT），电子导电为主N型导电沟道。 感应出电子 VT称为阈值电压 ntsP N N G S D VDS VGS VGS较小时，导电沟道相当于电阻将 D-S连接起来，VGS越大此电阻越小。 ntsP N N G S D VDS VGS 当 VDS不太大时，导电沟道在两个 N区间是均匀的。 当 VDS较大时，靠近 D区的导电沟道变窄。 ntsP N N G S D VDS VGS VDS增加，VGD=VT时，靠近 D端的沟道被夹断，称为予夹断。 夹断后 ID呈恒流特性。 ID nts1. NMOS管的开关特性 转移特性曲线 输出特性曲线 符号 nts 当 vGS VT ， 且 vDS0， 若 vGD VT ， 且 vDS0， 若 vGDVT时 ， D-S间有导通沟道 ， 呈低阻状态 ， iD随 vDS增大线性上升 ， 则 MOS管工作于线性区 ， vGS不同 ， 斜率不同 。 vGS 越大 ， 曲线越陡 ， D-S之间的等效电阻越小 。 rDS(on)一般在 1k以下 。 线性区也称为可变电阻区 、 未饱和区 ， 相当于双极型三极管的饱和区 。 （ 3）线性区： nts（ 4） NMOS管的开关特性 nts（ a） 当 vI vGS 109），传输门处于截止（断开）状态。 1C当 C = 0， 时， nts若 0VIVDD VTN， 则 TN导通； 若 |VTP|VIVDD， 则 TP导通 。 因此 ， 当 vI在 0 VDD之间变化时 ， TN和 TP必有一个导通 ， 使 vI与 vO间呈低阻态 （ -VT，线性区 )( onDSD RR Vv O 0VVv DDO 10 RDS（ off） nts2 4 MOS集成门电路 2 4 1 NMOS管和 PMOS管 2 4 2 CMOS集成逻辑门 1、 CMOS反相器 CMOS反相器是由 NMOS管 T1和PMOS管 T2组成的 互补式电路 。通常以 PMOS管作负载管 ， NMOS管作驱动管 。采用单一正电源供电。 T1和 T2的 栅极 G并联 为反相器的 输入端 ， 漏极 D并联 作为反相器的 输出端 。工作时， T2的源极接电源正极 ， T1的源极接地 。 （ 1）电路结构 nts1、 CMOS反相器 （ 2）工作原理 A.当输入信号 VI=VIL=0V时 NMOS管的栅源电压 vGS1=0VT1，所以T1管截止 ,内阻高达 108 ； PMOS管的栅源电压 vGS2= -VDD VT2，即 |vGS2|VT2|， T2管导通 ，导通电阻 小于 1k 。 VOH VDD B.当输入信号 vI=VIH=VDD时 NMOS管的栅源电压 vGS1=VDDVT1 ，所以 T1管导通 ,导通电阻 小于 1k ； PMOS管的栅源电压 |vGS2|=0109 ）。 （ 3）当 C =1， 时 , 0CA.若 0 VI VDD VT1，则 T1导通 ； B.若 |VT2| VI VDD， 则 T2导通 。 ntsCMOS电路 的优点 、静态功耗小。 、允许电源电压范围宽（ 318V）。 3、扇出系数大，抗噪容限大。 CMOS电路 的注意： CMOS电路不用的输入端， 不允许悬空 ，必须按逻辑要求接 VDD 或 VSS 。 nts7、 CMOS集成电路系列产品 （ 1） 4000/4500系列 （ 2） 54/74HC系列 54 HC /74 HC MOS系列 （ 简称 54/74 HC）是高速 CMOS系列集成电路，具有 54/74LS系列的工作速度和 CMOS固有的低功耗及工作电压范围宽的特点。 nts 2.5逻辑门电路使用中的几个问题 1、 TTL驱动 CMOS： & CMOS采用 +5V电源时，可以直接驱动： & TTL CMOS ntsCMOS电源较高时，不能直接驱动： & +VDD（ 318V） & TTLOC门 CMOS R 普通 TTL可采用电平转换器 nts二、 CMOS驱动 TTL： & CMOS采用 +5V电源时，可以直接驱动 TTL： & TTL CMOS CMOS电源较高时，不能直接驱动 TTL，可采用电平转换器。 nts三、 TTL和 CMOS驱动负载： & 1。可以直接驱动小电流负载： TTL或 CMOS +5V 220 nts2。大电流负载可以加驱动电路： 3。多余输入端的处理： TTL门电路： 悬空的输入端相当于接高电平，为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。 CMOS电路： 多余 输入端不能悬空，必须相应地接高电平或低电平。 nts1、 二极管具有单向导电性 ， 可作为开关使用 。 硅二极管导通压降约 0.7V， 锗二极管约为 0.3V。 若忽略导通压降 ， 可近似看作理想开关 。 小结 P N nts2、 三极管是双极型 、 电流控制元件 ， 输出特性曲线有三个区 ， 截止区 、 放大区和饱和区 。 NPN型三极管，当 vBE 0.5V时，截止， iB 0， iC 0，C-E之间相当于断开的开关。 当 vBE 0.5V，且 iBIBS时，饱和， vBE=VBES0.7V，vCE=VCES0.3V， C-E之间相当于闭合的开关。 当 vBE 0.5V，且 iB IBS时，放大状态，vBE=0.50.7V， iC=iB， vCE=VCC-iCRC。 数字电路中，三极管主要工作在截止区和饱和区。 模拟电路中，三极管主要工作在放大区。 nts3、 MOS管是单极型电压控制元件 。 输出特性曲线也有三个区：截止区 、 恒流区和线性区 。 模拟电路中， MOS管主要工作在恒流区，数字电路中，主要工作在截止区和线性区。 当 NMOS管 vGS VT， PMOS管的 v
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