数电 门电路演示幻灯片

第三章门电路,重点：门电路外部特性,输入与输出逻辑关系外部电气特性：电压传输特性输入特性输出特性,第三章门电路,3.1概述,一.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,条件开关,输入信号满足一定条件时，门开启，允许信号通过。,开门状态：,关门状态：,输入信号条件不满足，门关闭，信号通不过。,门,与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。,输出和输入之间存在着一定的逻辑关系。不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：,门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0,二.电平信号,1.电压范围输入：VIH、VIL输出：VOH、VOL,常用TTL器件,若MOS器件，高低电平界限不同,2.获得高、低电平信号的方法,开关S,理想开关S,合：,开：,S开关可用VI信号控制,门电路中器件：二极管和三极管可作开关,负逻辑：高电平表示0，低电平表示1,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0,三正、负逻辑,二极管的伏安特性,正向导通区,反向截止区,反向击穿区,3.2半导体二极管门电路,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,二极管特性：加正向向电压导通加反向电压截止,可作开关,二极管作开关缺点：有0.7V压降（硅管）有延迟,3.2.2二极管与门,设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7V,3.7V,3V,3V,0.7V,0V,3V,0.7V,3V,0V,0.7V,0V,0V,Y,B,A,1,1,1,0,0,1,0,1,0,0,0,0,Y,B,A,规定3V以上为1,0.7V以下为0,与逻辑电平关系,与逻辑真值表,缺点：,当VIL=0.3V时，Vo=1V.（无法确定高低电平），应避免输入与输出差0.7v，若多级会电平偏移,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,2.3V,3V,3V,2.3V,0V,3V,2.3V,3V,0V,0V,0V,0V,Y,B,A,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,双极型三极管的开关特性（BJT,BipolarJunctionTransistor）,3.5TTL门电路3.5.1半导体三极管的开关特性,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：开启电压近似认为:VBE0.7V,iB0,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,ce间“断开”。,一、双极型三极管的基本开关电路,只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL,工作状态分析：,工作状态分析：,二、三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,三、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，常在输入接入负压。,参数合理？VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T截止，VO=VOL,数字集成电路,数字集成电路分为双极型、单极型和混合型。,简称IC,数字集成电路从集成度上分小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）。,TTL型与CMOS型。,TTL即Transistor-TransistorLogic,CMOS即ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor,输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。,用互补对称MOS管构成的逻辑门电路。,TTL电路的致命缺点是：功耗大，只能制造SSI，MSI，而无法制作LSI和VLSI。CMOS突出优点是：功耗极低，非常适合制作VLSI。随着其工艺不断进步，无论在工作速度还是驱动能力上，都已不比TTL逊色。CMOS已经取代TTL，成为IC的主导技术不过现有的旧设备中，有的仍在用TTL，因此了解TTL的某些知识仍有必要。,3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设,推拉式电路,输入级,倒相级,输出级,推拉式电路,1.输入为低电平（0.2V）时,0.9V,不足以让T2、T5导通,T2、T5截止,1.输入为低电平（0.2V）时,vo=5vR2vbe4vD23.4V输出高电平,N,P,2.输入为高电平（3.4V）时,电位被嵌在2.1V,vB1=VIH+VON=4.1V,发射结反偏,1V,T2、T5饱和导通,2.输入为高电平（3.4V）时,vo=VCE50.2V输出低电平,无论输入如何，T4和T5总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，静态功耗低，带载能力强。,一般用T5的状态表示门的工作状态T5截止，称门电路处于关态（关断状态）T5导通，称门电路处于开态（开通状态）,二、电压传输特性,电压传输特性可以反映TTL非门的几个主要电参数：,输出高、低电平,VOH,VOL,输出高电平VOH输出低电平VOL,关门电平(Voff)和开门电平(Von),Voff(VILmax),Von(VIHmin),在保证输出高于VOHmin允许的输入低电平的最大值，称为关门电平Voff(VILmax);在保证输出低于VOLmax允许的输入高电平的最小值，称为开门电平Von(VIHmin)。,0.8V,2V,3.4V,0.3V,输出高、低电平的最小值,输出高电平最小值VOHmin输出低电平最大值VOLmax,阈值电压(Vth):,转折区中点对应的输入电压称阈值电压Vth。,2.4V,0.4V,VOH,VOL,4噪声容限,VNH=VOHmin-VIHmin,VNL=VILmax-VOLmax,VNH=2.4-2=0.4V,VNL=0.8-0.4=0.4V,一、输入特性,3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性,输入端的等效电路如图所示,输入低电平电流,输入高电平电流,一、输入特性,3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性,输入电流随输入电压变化的曲线输入特性曲线如图所示。,1.输入伏安特性,输入短路电流IIS(IIL),高电平输入电流IIH,注：以流入门的电流为正,2.输入负载特性,123,1.4,1,，相当于接0,，相当于接1,3.输入端悬空，相当于接1,数字电路中要求输入负载电阻RPRON或RPROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。,为了防止干扰，一般将悬空的输入端人为接高电平。,二.输出特性,非门输出为高电平时：,输出电流的方向为流出（拉电流）,实际工作中，受到功耗的限制，输出电流不能超过0.4mA。,IOHmax=-0.4mA,由于非门输出电阻的存在，输出电压随输出电流的增大而下降,拉电流：IOH,反映输出电压vO与输出电流iL的关系。规定灌入电流为正方向。拉出电流为负方向。,非门输出为低电平时：,灌电流：IOL,输出电流的方向为流入(灌电流)，,输出电压随输出电流的增大而增大。,IOLmax=16mA,IOL(max),3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性,例：扇出系数（Fan-out），试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。,扇出系数N=,IO（驱动门）,II（负载门）,解：G1的负载电流是所有负载门输入电流之和；对于低电平，由输入特性可知，当VI=0.2V时每个门的输入电流iI=-1mA。,对于高电平，由输入特性可知，每个门的输入电流为40微安。,取N=10。,当RPRON时，相当于输入端接高电平。,输入端悬空，相当于接高电平。,当RPROFF时，相当于输入端接低电平。,适用所有的TTL门电路,例题：写出图中门电路的逻辑式:,TTL门电路的动态特性,一、传输延迟时间tpd,tpd表征门电路的开关速度,tpHL,tpLH,导通传输时间,截止传输时间,平均传输延迟时间（Propagationdelay),tpd=515ns,上升沿,下降沿,问：哪个长？为什么？,tpHL,tpLH,平均传输延迟时间（Propagationdelay),8ns，12ns,T5管导通时工作在深度饱和状态，其从导通转换为截止（对应输出从低电平跳变为高电平）的开关时间较长，因此tpHLtpLH,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,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,注：此时T5管存在截止的漏电流，约0.5ma,OC门实现的线与,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、三态输出门（ThreestateOutputGate,TS）,三态门的用途,1.总线结构,2.双向数据传输,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下得一族曲线。,3.3CMOS门电路MOS管的开关特性,一输入特性和输出特性,漏极特性曲线（分三个区域）,截止区恒流区可变电阻区,截止区,恒流区,可变电阻区,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,3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,T1管：P沟道增强型MOS管T2管：N沟道增强型MOS管,N,P,二、电压、电流传输特性,N,P,无论VI高低电平，T1和T2管总是一个导通一个截止的互补状态。该电路称为互补对称式金属氧化物-半导体电路（CMOS电路）优点：静态电流极小，功耗极小,3.3.3CMOS反相器的静态输入和输出特性,一、输入特性,二、输出特性,二、输出特性,3.3.5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,二、漏极开路的门电路（OD门）,OD门输出端截止、输出高电平时，为保证输出高电平不低于规定的数值，RL不能取值太大。,OD门输出低电平时，为保证负载电流不超过MOS管允许的最大电流，RL不能取值太小。,三、CMOS传输门,1.传输门,2.双向模拟开关,四、三态输出门,3.3.6COMS电路的正确使用,一、输入电路的静电防护,（1）储存、运输COMS器件时，不使用易产生静电的材料包装。,（2）组装、调试时，使用的工具要很好的接地。,（3）不用的输入端不应悬空。,3.3.6COMS电路的正确使用,二、输入电路的过流保护,（1）输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间传入保护电阻。,（2）输入端接有大电阻时，也应在输入端与信号源之间接入保护电阻。,（3）输入端接长线时，也应在输入端接入保护电阻。,3.3.7CMOS数字集成电路的各种系列,标准化、系列化的产品有4000系列、HC/HCT系列、AHC/AHCT系列、VHC/VHCT、LVC系列、ALVC系列等。,最早的COMS集成电路是有4000系列。电压范围较宽，传输延迟时间较长，带负载能力较弱。,HC/HCT是高速COMS逻辑系列的简称。它的传输延迟时间缩短，带负载能力提高。HC系列电压范围在2-6V之间；HCT系列工作电压为单一的5V，可与TTL电路匹配。,AHC/AHCT是改进的高速COMS逻辑系列的简称。工作速度提高一倍，带负载能力提高近一倍。AHC/AHCT又能与HC/HCT系列产品兼容，为系统更新带来方便。两者的区别在工作范围电压和对输入电平的要求不同上。,与TI公司的AHC/AHCT系列性能相近的有VHC/VHCT系列，是其他公司产品。,LVC是TI公司近年推出的低压COMS逻辑系列的简称，工作在1.65-3.3V的低压范围，传输时间也缩短至3.8ns，负载能力增强。,ALVC是改进的低压COMS逻辑系列的简称，在移动式便携电子设备上，LVC和ALVC优势明显。,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（SchottkyT