数字电子技术2ppt课件

.,第2章门电路,第2章门电路,2.1概述2.2最简单的与、或、非门电路2.3TTL门电路2.4CMOS门电路,返回主目录,.,第2章门电路,2.1概述,门电路：,常用的门电路：,实现基本运算、复合运算的单元电路。,与门、或门、非门、与非门、或非门、,与或非门、异或门等。,门电路中以高、低电平表示二值逻辑的0、1两种逻辑状态。,高、低电平都允许有一定的变化范围。,正逻辑：用高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0。,负逻辑：用高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1。,.,第2章门电路,2.2最简单的与、或、非门电路,2.2.1二极管与门,1、电路和图形符号,输出端,电源电压VCC=5V,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,输入端,VIH=3V、VIL=0V,.,第2章门电路,2.2最简单的与、或、非门电路,2.2.1二极管与门,1、电路和图形符号,电源电压VCC=5V,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,2、逻辑功能分析,00,0V,0V,D1导通D2导通,0.7V,0.7,.,第2章门电路,2.2最简单的与、或、非门电路,2.2.1二极管与门,1、电路和图形符号,电源电压VCC=5V,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,2、逻辑功能分析,00,D1导通D2导通,0.7,03,0V,3V,D1导通,0.7V,0.7,D2截止,.,第2章门电路,2.2最简单的与、或、非门电路,2.2.1二极管与门,1、电路和图形符号,电源电压VCC=5V,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,2、逻辑功能分析,00,D1导通D2导通,0.7,03,D1导通D2截止,0.7,30,3V,0V,D2导通,0.7V,0.7,D1截止,.,第2章门电路,2.2最简单的与、或、非门电路,2.2.1二极管与门,1、电路和图形符号,电源电压VCC=5V,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,2、逻辑功能分析,00,D1导通D2导通,0.7,03,D1导通D2截止,0.7,30,3V,3V,D1截止D2导通,0.7,33,D1导通D2导通,3.7V,3.7,.,第2章门电路,2.2最简单的与、或、非门电路,2.2.1二极管与门,1、电路和图形符号,电源电压VCC=5V,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,2、逻辑功能分析,00,D1导通D2导通,0.7,03,D1导通D2截止,0.7,30,D1截止D2导通,0.7,33,D1导通D2导通,3.7,3V以上为逻辑1,0.7V以下为逻辑0,0101,0011,0001,.,第2章门电路,2.2.2二极管或门,1、电路和图形符号,电路和图形符号,输入端,输出端,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,.,第2章门电路,2.2.2二极管或门,1、电路和图形符号,电路和图形符号,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,2、逻辑功能分析,00,0V,0V,D1截止D2截止,0,.,第2章门电路,2.2.2二极管或门,1、电路和图形符号,电路和图形符号,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,2、逻辑功能分析,00,0V,3V,D1截止D2截止,0,03,D2导通,D1截止,2.3V,2.3,.,第2章门电路,2.2.2二极管或门,1、电路和图形符号,电路和图形符号,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,2、逻辑功能分析,00,3V,0V,D1截止D2截止,0,03,D2导通,D1截止,2.3V,2.3,30,D1导通,D2截止,2.3,.,第2章门电路,2.2.2二极管或门,1、电路和图形符号,电路和图形符号,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,2、逻辑功能分析,00,3V,3V,D1截止D2截止,0,03,D2导通,D1截止,2.3V,2.3,30,D1导通,D2截止,2.3,33,D1导通,D2导通,2.3,.,第2章门电路,2.2.2二极管或门,1、电路和图形符号,电路和图形符号,A、B输入端的电压,二极管工作状态导通、截止,二极管导通时VDF=0.7V,VIH=3V、VIL=0V,2、逻辑功能分析,00,D1截止D2截止,0,03,D2导通,D1截止,2.3,30,D1导通,D2截止,2.3,33,D1导通,D2导通,2.3,2.3V以上为逻辑1,0V以下为逻辑0,0101,0011,0111,.,第2章门电路,二极管构成的门电路的缺点,电平有偏移,只用于IC内部电路,带负载能力差,.,第2章门电路,2.2.3三极管非门（反相器）,1、电路和图形符号,2、逻辑功能分析,.,第2章门电路,2.2.3三极管非门（反相器）,1、电路和图形符号,2、逻辑功能分析,VIL,截止,VOH,.,第2章门电路,2.2.3三极管非门（反相器）,1、电路和图形符号,2、逻辑功能分析,VIL,截止,VOH,VIH,饱和,VOL,.,第2章门电路,2.2.3三极管非门（反相器）,1、电路和图形符号,2、逻辑功能分析,VIL,截止,VOH,VIH,饱和,VOL,输入、输出,高电平为逻辑1,低电平为逻辑0,01,10,.,第2章门电路,2.3TTL门电路,2.3.1TTL反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构和逻辑关系,TTL反相器电路,VCC=5V,VIL=0.2V,VIH=3.4V,PN结导通压降VON=0.7V,.,第2章门电路,2.3TTL门电路,2.3.1TTL反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构和逻辑关系,TTL反相器电路,VCC=5V,VIL=0.2V,VIH=3.4V,PN结导通压降VON=0.7V,(1)vI=VIL=0.2V(A=0),0.2V,1V,截止,截止,5V,导通,导通,vO50.70.7=3.4V(Y=1),.,第2章门电路,2.3TTL门电路,2.3.1TTL反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构和逻辑关系,TTL反相器电路,VCC=5V,VIL=0.2V,VIH=3.4V,PN结导通压降VON=0.7V,(1)vI=VIL=0.2V(A=0),vO50.70.7=3.4V(Y=1),(2)vI=VIH=3.4V(A=1),3.4V,2.1V,导通,1V,导通,截止,截止,vO0.2V(Y=0),.,第2章门电路,2.3TTL门电路,2.3.1TTL反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构和逻辑关系,TTL反相器电路,VCC=5V,VIL=0.2V,VIH=3.4V,PN结导通压降VON=0.7V,(1)vI=VIL=0.2V(A=0),vO50.70.7=3.4V(Y=1),(2)vI=VIH=3.4V(A=1),vO0.2V(Y=0),.,第2章门电路,几点说明：,TTL反相器电路,(1)二极管D1用于抑制,(2)二极管D2使T5导通,负向干扰；,时T4可靠截止。,(3)输入端悬空时，相当,输入逻辑1、输入电压vI=1.4V。,.,第2章门电路,几点说明：,TTL反相器电路,(1)二极管D1用于抑制,(2)二极管D2使T5导通,负向干扰；,时T4可靠截止。,(3)输入端悬空时，相当,输入逻辑1、输入电压vI=1.4V。,端电压很大,VB1很大,T1集电结导通,导通,导通,2.1V,1.4V,1V,截止,截止,0.2V,.,第2章门电路,二、电压传输特性,TTL反相器的电压传输特性,输出电压v0随输入电压vI变化曲线。,(1)AB段截止区,vI0.6V,截止区,vI0.6V,VB11.3V,T1导通,T2截止,T5截止,T4导通,D2导通,vO=VOH=VCCVR2VBE4VD2=3.4V,.,第2章门电路,二、电压传输特性,TTL反相器的电压传输特性,输出电压v0随输入电压vI变化曲线。,(1)AB段截止区,vI0.6V,截止区,vO=VOH=VCCVR2VBE4VD2=3.4V,(2)BC段线性区,线性区,0.6VvI1.3V,T2导通（放大区）,T5截止,vIvo,0.6VvI1.3V,1.3VVB12V,T1导通,T4导通（放大区）,D2导通,.,第2章门电路,二、电压传输特性,TTL反相器的电压传输特性,输出电压v0随输入电压vI变化曲线。,(1)AB段截止区,vI0.6V,截止区,vO=VOH=VCCVR2VBE4VD2=3.4V,(2)BC段线性区,线性区,0.6VvI1.3V,vIvo,(3)CD段转折区,转折区,vI=VTH1.4V,VTH阈值电压,（转折区中点对应的输入电压）,vI1.4V,VB1=2.1V,T4截止,T2导通,T5导通,vO迅速VOL,.,第2章门电路,二、电压传输特性,TTL反相器的电压传输特性,输出电压v0随输入电压vI变化曲线。,(1)AB段截止区,vI0.6V,截止区,vO=VOH=VCCVR2VBE4VD2=3.4V,(2)BC段线性区,线性区,0.6VvI1.3V,vIvo,(3)CD段转折区,转折区,vI=VTH1.4V,VTH阈值电压,（转折区中点对应的输入电压）,vO迅速VOL,(4)DE段饱和区,饱和区,vI1.4V,vI继续，vO=VOL不变,.,第2章门电路,二、电压传输特性,TTL反相器的电压传输特性,输出电压v0随输入电压vI变化曲线。,(1)AB段截止区,vI0.6V,截止区,vO=VOH=VCCVR2VBE4VD2=3.4V,(2)BC段线性区,线性区,0.6VvI1.3V,vIvo,(3)CD段转折区,转折区,vI=VTH1.4V,VTH阈值电压,（转折区中点对应的输入电压）,vO迅速VOL,(4)DE段饱和区,饱和区,vI1.4V,vI继续，vO=VOL不变,.,第2章门电路,三、输入端噪声容限,电压传输特性表明：,TTL反相器的电压传输特性,当输入信号vI偏离正常的,VIH和VIL的一定范围内，,信号vO基本不变。,输出,在输出信号vO允许变化,的范围内，,输入信号vI的允,许变化范围称为输入噪声容限。,.,第2章门电路,输入噪声容限示意图,输入低电平噪声容限,VNL=VIL(max)VOL(max),输入高电平噪声容限,VNH=VOH(min)VIH(min),.,第2章门电路,2.3.2TTL反相器的静态输入特性和输出特性,一、输入特性,TTL反相器的输入端等效电路,.,第2章门电路,2.3.2TTL反相器的静态输入特性和输出特性,一、输入特性,TTL反相器的输入端等效电路,输入电流iI随输入电压vI变化的曲线。,TTL反相器的输入特性,(1)输入短路电流IIS,输入电压vI=0时的输入电流。,方向：从输入端流出。,近似分析时，用IIS表示输入低电平时的电流。,IIS,(2)高电平输入电流IIH,输入电压vIVTH时的输入电流。,方向：流入输入端。,IIH,.,第2章门电路,二、输出特性,1、输出高电平特性,TTL反相器高电平输出等效电路,输出电压v0随负载电流iL变化的曲线。,.,第2章门电路,二、输出特性,1、输出高电平特性,TTL反相器高电平输出等效电路,输出电压v0随输出负载电流iL变化的曲线。,TTL反相器高电平输出特性,(1)负载电流iL方向：从输出端流出(拉电流)。,(2)负载电流iL增大，输出高电平VOH下降。,(3)对负载电流iL最大值有限制。,.,第2章门电路,2、输出低电平特性,TTL反相器低电平输出等效电路,.,第2章门电路,2、输出低电平特性,TTL反相器低电平输出等效电路,TTL反相器低电平输出特性,(1)负载电流iL方向：流入输出端(灌电流)。,(2)负载电流iL增大，输出低电平VOL上升。,(3)对负载电流iL最大值有限制。,.,第2章门电路,门电路的扇出系数N：,一个门，能驱动同类门电路的个数。,例在图示电路中，计算门G1最多可以驱动多少个同样的门电,路负载。要求G1输出高、低电平满足VOH3.2V，VOL0.2V。,门的输入特性、输出特性如前图所示。,.,第2章门电路,TTL反相器低电平输出特性,解：,计算保证VOL0.2V时可以驱动的门电路数目N1。,在低电平输出特性上查出：,VOL=0.2V时的负载电流iL=16mA。,0.2,16,TTL反相器的输入特性,在输入特性上查出：,0.2,vI=0.2V时门的输入电流iI=1mA。,由N1|iI|iL,有,.,第2章门电路,TTL反相器高电平输出特性,TTL反相器的输入特性,计算保证VOH3.2V时可以驱动的门电路数目N2。,在高电平输出特性上查出：,VOH=3.2V时的负载电流iL=7.5mA。,3.2,7.5,在输入特性上查出：,器件手册规定：IOH0.4mA，,取负载电流iL0.4mA。,高电平输入电流IIH=40A。,IIH,由N2IIH|iL|,有,.,第2章门电路,取N1、N2中数值小者为门G1可以驱动同类门的最大数目。,即G1门的扇出系数N=N2=10。,.,第2章门电路,三、输入端负载特性,输入电压vI随输入端负载RP变化的曲线。,TTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路,.,第2章门电路,三、输入端负载特性,输入电压vI随输入端负载电阻RP变化的曲线。,TTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路,(1)输入端负载RP较小时，输入电压vIVTH=1.4V，,(2)输入端负载RP很大时，输入电压vI=VTH=1.4V，,相当,于输入逻辑0；,相当,于输入逻辑1。,.,第2章门电路,2.3.4其他类型的TTL门电路,一、其他逻辑功能的门电路,1、与非门,TTL与非门电路,(1)T1为多发射极三极管，,实现逻辑与运算：AB,当A、B有低电平0.2V时，,VB1=0.9V，,T2、T5截止，,T4、D3导通，,输出VOH，Y=1。,当A、B都为3.2V时，,VB1=2.1V，,T2、T5导通，,T4、D3截止，,输出VOL，Y=0。,逻辑表达式,.,第2章门电路,2、或非门,TTL或非门电路,(1)2个完全相同的输入,电路。,为高电平3.2V(逻辑1)时，,输入A、B有一个或均,使,T5导通、T4截止，输出为,低电平VOL(Y=0)；,输入A、B同为低电平,0.2V(逻辑0)时，,使T5截止、,T4导通，,输出为高电平VOH,(Y=1)。,逻辑表达式,.,第2章门电路,3、与或非门,TTL与或非门,(1)2个完全相同的输入,电路,输入端为多发射极三,极管。,(2)当输入A、B同为高,电平3.2V(逻辑1)时，,使T2、T5,导通而T4截止，,输出为低电平,VOL(Y=0)；,当输入C、D同为高电,平3.2V(逻辑1)时，,导通而T4截止，,输出为低电平,VOL(Y=0)；,当输入A、B和C、D每,一组不同为高电平时，,截止，,输出为高电平VOH(Y=1)。,逻辑表达式,.,第2章门电路,4、异或门,TTL异或门,.,第2章门电路,二、集电极开路的门电路(OC门),1、推拉式输出电路结构的局限性,输出电平不可调;,输出端不能并联使用。,负载能力不强，尤其是高电平输出;,推拉式输出级并联的情况,解决的方法,OC门,.,集电极开路与非门的电路和图形符号,第2章门电路,2、OC门的结构特点,(1)输出级为OC三极管T5，T5可承受较大电压、电流。,(3)输入A、B同为高电平3.2V(逻辑1)时，,T5饱和，,输出为,低电平VOL0.2V(Y=0)；,输入A、B有低电平0.2V(逻辑0)时，,T5截止，,输出为,逻辑表达式,.,OC门输出并联的接法及逻辑图,第2章门电路,3、OC门实现的线与,(1)几个OC门的输出端并联，共用一个外接电阻、电压源。,(2),Y1、Y2中有低电平输出(逻辑0)，Y即为低电平输出(逻辑0)；,Y1、Y2只有同为高电平输出(逻辑1)，Y即为高电平输出(逻辑1)。,线与连线实现总输出Y和每个,门输出Y1、Y2之间的与逻辑关系。,总输出Y和输入A、B、C、D,为与或非逻辑关系。,.,第2章门电路,三、三态输出门电路(TS门),输出有三种状态,输出高电平VOH,输出低电平VOL,输出高阻态Z,输出、输入之间有逻辑关系,输出、输入之间没有逻辑关系。,为工作状态。,P=1,D截止，,状态，,P=0,D导通，,为工作,T4、T5,均截止，,为高阻状态，,Y=Z。,逻辑表达式,.,第2章门电路,三态门的应用,(1)用三态输出门接成总线结构,用三态输出门接成总线结构,工作时，各三态门控制端,EN轮流为1，,各个门的输出信号,轮流通过总线传输。,.,第2章门电路,(2)用三态输出门实现数据的双向传输,用三态输出门实现数据的双向传输,EN=1时，,三态门G1处于,工作状态、G2处于高阻状态，,数据DO经G1门反相后送到,总线上；,.,第2章门电路,(2)用三态输出门实现数据的双向传输,用三态输出门实现数据的双向传输,EN=1时，,三态门G1处于,工作状态、G2处于高阻状态，,数据DO经G1门反相后送到,总线上；,EN=0时，,三态门G2处于,工作状态、G1处于高阻状态，,来自总线上的数据经G2门反,.,第2章门电路,一、电路结构,2.4.1CMOS反相器及工作原理,T1为增强型PMOS管，,T1、T2栅极接一起做输入端，,漏极接一起做,输出端。,T2为增强型NMOS管，,为负载管(有源负载)。,为工作管。,MOS管的工作状态：,导通、截止。,输入电平：,VIL=0V、VIH=VDD,MOS管的开启电压：,VGS(th)N=|VGS(th)P|,电源电压：,VDDVGS(th)N+|VGS(th)P|,2.4CMOS门电路,.,第2章门电路,一、电路结构,2.4.1CMOS反相器及工作原理,二、逻辑功能分析,0,T2截止,T1导通,VDD,0,.,第2章门电路,一、电路结构,2.4.1CMOS反相器及工作原理,二、逻辑功能分析,0,T2截止,T1导通,VDD,VDD,T1截止,T2导通,0,VDD,.,第2章门电路,一、电路结构,2.4.1CMOS反相器及工作原理,二、逻辑功能分析,0,T2截止,T1导通,VDD,VDD,T1截止,T2导通,0,输入、输出,高电平为逻辑1,低电平为逻辑0,01,10,逻辑表达式,.,第2章门电路,2.4.4其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,1、CMOS与非门,T1、T3两个PMOS管并联，,T2、T4两个NMOS管串联。,MOS管的工作状态：,导通、截止。,输入电平：,VIL=0V、VIH=VDD,MOS管的开启电压：,VGS(th)N=|VGS(th)P|,(1)电路结构,.,第2章门电路,2.4.4其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,1、CMOS与非门,(1)电路结构,(2)逻辑功能分析,00,0,0,导通,截止,导通,截止,VDD,.,第2章门电路,2.4.4其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,1、CMOS与非门,(1)电路结构,(2)逻辑功能分析,00,0,VDD,导通,截止,导通,截止,VDD,0VDD,导通,截止,截止,导通,VDD,.,第2章门电路,2.4.4其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,1、CMOS与非门,(1)电路结构,(2)逻辑功能分析,00,VDD,0,导通,截止,导通,截止,VDD,0VDD,导通,截止,截止,导通,VDD,VDD0,截止,导通,导通,截止,VDD,.,第2章门电路,2.4.4其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,1、CMOS与非门,(1)电路结构,(2)逻辑功能分析,00,VDD,VDD,导通,截止,导通,截止,VDD,0VDD,导通,截止,截止,导通,VDD,VDD0,截止,导通,导通,截止,VDD,VDDVDD,截止,导通,截止,导通,0,.,第2章门电路,2.4.4其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,1、CMOS与非门,(1)电路结构,(2)逻辑功能分析,00,导通,截止,导通,截止,VDD,0VDD,导通,截止,截止,导通,VDD,VDD0,截止,导通,导通,截止,VDD,VDDVDD,截止,导通,截止,导通,0,输入、输出高电平为,逻辑1低电平为逻辑0,0101,0011,1110,逻辑表达式,.,第2章门电路,2、CMOS或非门,(1)电路结构,T1、T3两个PMOS管串联，,T2、T4两个NMOS管并联。,MOS管的工作状态：,导通、截止。,输入电平：,VIL=0V、VIH=VDD,MOS管的开启电压：,VGS(th)N=|VGS(th)P|,.,第2章门电路,2、CMOS或非门,(1)电路结构,(2)逻辑功能分析,00,导通,截止,导通,截止,VDD,0,0,.,第2章门电路,2、CMOS或非门,(1)电路结构,(2)逻辑功能分析,00,导通,截止,导通,截止,VDD,0,VDD,0VDD,导通,截止,截止,导通,0,.,第2章门电路,2、CMOS或非门,(1)电路结构,(2)逻辑功能分析,00,导通,截止,导通,截止,VDD,VDD,0,0