第二章门电路学习教案

1、会计学1第二章第二章 门电路门电路第一页，共89页。2.1 2.1 概述概述门电路门电路用于实现基本逻辑运算和复合逻辑运用于实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为门电路。算的单元电路称为门电路。逻辑约定逻辑约定 在电子电路中，用高、低电平分别表示二值在电子电路中，用高、低电平分别表示二值逻辑中的逻辑中的0 0和和1 1。各种门电路的输出。各种门电路的输出(shch)(shch)与与输入之间的逻辑关系，实质上反映的是用以表示输入之间的逻辑关系，实质上反映的是用以表示两种逻辑状态的逻辑电平之间的关系。因此，在两种逻辑状态的逻辑电平之间的关系。因此，在讨论逻辑关系时，必须定义两个确定的、不同范

2、讨论逻辑关系时，必须定义两个确定的、不同范围的电平来描述两个逻辑状态。围的电平来描述两个逻辑状态。逻辑电平：两个不同范围的电位称为逻辑电平，逻辑电平：两个不同范围的电位称为逻辑电平， 其中电位相对较高的称为逻辑高电平，用其中电位相对较高的称为逻辑高电平，用H H表表示；电位相对较低的称为逻辑低电平，用示；电位相对较低的称为逻辑低电平，用L L表示。表示。基本开关元件：二极管、三极管、基本开关元件：二极管、三极管、MOSMOS管等。管等。第1页/共89页第二页，共89页。2.2 2.2 半导体二极管和三极管的开关半导体二极管和三极管的开关(kigun)(kigun)特性特性半导体二极管的开关特性

3、半导体二极管的开关特性(txng)(txng)理想开关的开关特性理想开关的开关特性(txng)(txng)一、静态特性一、静态特性(txng)(txng)（1 1）断开时，）断开时，UAKUAK无论多大，无论多大，ROFF=ROFF=无穷大，无穷大，IOFF=0IOFF=0（2 2）闭合时，无论流过的电流多大，）闭合时，无论流过的电流多大，RON=0RON=0，UAK=0UAK=0第2页/共89页第三页，共89页。二、动态二、动态(dngti)(dngti)特性特性（1 1）开通时间）开通时间 tON=0 tON=0 （2 2）关断时间）关断时间 tOFF=0tOFF=0理想理想(lxing)

4、(lxing)二极管开关电路二极管开关电路设设VIH=VCC VIH=VCC 高电平，高电平，VIL=0 VIL=0 低电平低电平1 1）当）当VI=VIH VI=VIH 时，时，D D截止，截止， V0 = VIH =VCC V0 = VIH =VCC 高电平；高电平；2 2）当）当VI= VILVI= VIL时，时，D D导通，导通， V0 = VIL =0 V0 = VIL =0 低电平。低电平。第3页/共89页第四页，共89页。理想特性开关特性的元件不存在。理想特性开关特性的元件不存在。实际二极管特性：实际二极管特性：V-AV-A特性（书中图特性（书中图非线性非线性折线近似折线近似线性

5、化线性化三种等效三种等效(dn xio)(dn xio)（书中图，常用图形（书中图，常用图形（b b）模型。）模型。第4页/共89页第五页，共89页。二、二、MOSMOS管的开关特性管的开关特性(txng)(txng)MOSMOS管输入、输出特性管输入、输出特性(txng)(txng)，以，以N N沟道增强型为例。沟道增强型为例。 数电中应用数电中应用MOSMOS管的可变电阻区和截止区管的可变电阻区和截止区( (夹断区夹断区) )，可变电阻区导通相当于开关闭合可变电阻区导通相当于开关闭合(D.S(D.S之间之间) )；截止状态；截止状态相当于开关断开（相当于开关断开（D.SD.S之间）。之间）

6、。半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性一、双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的开关特性 双极型三极管输入、输出特性，各状态判断方法双极型三极管输入、输出特性，各状态判断方法(fngf)(fngf)。数电中应用三极管的饱和区和截止区，饱和。数电中应用三极管的饱和区和截止区，饱和导通相当于开关闭合（导通相当于开关闭合（c.ec.e之间）；截止状态相当于开关断之间）；截止状态相当于开关断开（开（c.ec.e之间）。书中之间）。书中5151页图页图第5页/共89页第六页，共89页。一、二极管与门和或门电路一、二极管与门和或门电路1 1与门电路与门电路 2.3 最简单最简单(jindn)的与

7、、或、非的与、或、非门电路门电路第6页/共89页第七页，共89页。第7页/共89页第八页，共89页。第8页/共89页第九页，共89页。二极管与门和或门电路的缺点二极管与门和或门电路的缺点(qudin)(qudin)：（2 2）带负载能力差，且输出电平）带负载能力差，且输出电平(din pn)(din pn)的值与负载的的值与负载的大小有关。大小有关。（1 1）在多个）在多个(du )(du )门串接使用时，会出现低电平偏离标准门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。数值的情况。第9页/共89页第十页，共89页。解决办法：解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合将二极管与门（

8、或门）电路和三极管非门电路组合(zh)(zh)起来。起来。LAB+VDD3k（ +5V）RCC21+VALT123RRbCCC（ +5V）第10页/共89页第十一页，共89页。CBAL工作原理：工作原理：（1 1）当）当A A、B B、C C全接为高电平全接为高电平5V5V时，二极管时，二极管D1D1D3D3都截止都截止(jizh)(jizh)，而，而D4D4、D5D5和和T T导通，且导通，且T T为饱和导通，为饱和导通， VL=0.3V VL=0.3V，即输出低电平。，即输出低电平。（2 2）A A、B B、C C中只要有一个为低电平中只要有一个为低电平0.3V0.3V时，则时，则VP1V

9、VP1V，从而，从而(cng r)(cng r)使使D4D4、D5D5和和T T都截止，都截止，VL=VCC=5VVL=VCC=5V，即输出高电平。，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，所以该电路满足与非逻辑关系，即：即：第11页/共89页第十二页，共89页。一、一、TTLTTL与非门的基本结构及工作与非门的基本结构及工作(gngzu)(gngzu)原理原理1 1TTLTTL与非门的基本结构与非门的基本结构第12页/共89页第十三页，共89页。第13页/共89页第十四页，共89页。2 2TTLTTL与非门的工作与非门的工作(gngzu)(gngzu)原理原理（1 1）输入）输入(shr)

10、(shr)全为高电平全为高电平3.6V3.6V时。时。实现了与非门的逻辑实现了与非门的逻辑(lu j)(lu j)功能之一：输入全功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。为高电平时，输出为低电平。T T2 2、T T3 3导通，导通，V VB1B1=0.7=0.73=2.13=2.1（V V ），），由于由于T T3 3饱和导通，输出电压为：饱和导通，输出电压为：V VO O= =V VCES3CES30.3V0.3V这时这时T T2 2也饱和导通，故有也饱和导通，故有V VC2C2= =V VE2E2+ + V VCE2CE2=1V=1V。使。使T T4 4和和二极管二极管D D都截止。都

11、截止。第14页/共89页第十五页，共89页。第15页/共89页第十六页，共89页。CBAL 该发射结导通，该发射结导通，VB1=1VVB1=1V。所以。所以(suy)T2(suy)T2、T3 T3 都截止。由于都截止。由于T2T2截止，流过截止，流过RC2RC2的电流较小，可以忽略，所以的电流较小，可以忽略，所以(suy)VB4VCC=5V (suy)VB4VCC=5V 使使T4T4和和D D导通，则有：导通，则有： VOVCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6 VOVCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V V）实现了与非门的逻辑实现了与非门的逻辑功能的另一方面：功能的

12、另一方面：输入有低电平时，输入有低电平时，输出为高电平。输出为高电平。（2 2）输入）输入(shr)(shr)有低电平有低电平0.3V 0.3V 时。时。综合上述两种情况，综合上述两种情况，该电路满足该电路满足(mnz)(mnz)与非的与非的逻辑功能，即：逻辑功能，即：第16页/共89页第十七页，共89页。 1 1TTLTTL与非门提高工作速度的原理与非门提高工作速度的原理（1 1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散(xiosn)(xiosn)过程。过程。第17页/共89页第十八页，共89页。第18页/共89页第十九页，共89页。2PHLPLHpdt

13、tt2 2TTLTTL与非门传输与非门传输(chun sh)(chun sh)延迟时间延迟时间tpdtpd导通延迟时间导通延迟时间tPHLtPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历下降沿的中点所经历(jngl)(jngl)的时间。的时间。截止延迟时间截止延迟时间tPLHtPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历(jngl)(jngl)的时间。的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpdtpd是是tPHLtPHL和和tPLHtPLH的平均值。即的平均值。即 一般一般(ybn

14、)TTL(ybn)TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpdtpd的值为几纳秒十几个的值为几纳秒十几个纳秒。纳秒。第19页/共89页第二十页，共89页。三、三、TTLTTL与非门的电压传输与非门的电压传输(chun sh)(chun sh)特性特性1 1电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：Vo=fVo=f（ViVi） ABAB截止区，截止区，BCBC线性区，线性区，CDCD转折转折(zhunzh)(zhunzh)区，区， DE DE饱和区饱和区第20页/共89页第二十一页，共89页。 （2 2）输出低电平电压）输出低电平电压VOLVOL在正逻辑体制中代表逻辑在正逻辑体制中代表逻辑“0”“

15、0”的输出电压。的输出电压。VOLVOL的理论值为的理论值为0.3V0.3V，产品，产品(chnpn)(chnpn)规定规定输出低电压的输出低电压的最大值最大值VOLVOL（maxmax）=0.4V=0.4V。 （3 3）关门电平电压）关门电平电压V VOFFOFF是指输出电压下降到是指输出电压下降到V VOHOH（minmin）时对时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用低电平电压，用V VILIL（maxmax）表示。产品规定表示。产品规定V VILIL（maxmax）=0.8V=0.8V。 （4

16、 4）开门电平电压）开门电平电压V VONON是指输出电压下降到是指输出电压下降到V VOLOL（maxmax）时对应的时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用平电压，用V VIHIH（minmin）表示。产品规定表示。产品规定V VIHIH（minmin）=2V=2V。第21页/共89页第二十二页，共89页。 （5）阈值电压(diny)Vth电压(diny)传输特性的转折区(BC段）的中点所对应的输入电压(diny)，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压(diny)的分界线。 近似地

17、：VthVOFFVON 即ViVth，与非门关门，输出高电平； ViVth，与非门开门，输出低电平。 Vth ( VTH) 又常被形象化地称为门槛电压(diny)。 Vth的值为1.3V-1.V。 第22页/共89页第二十三页，共89页。 TTL TTL 门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许(ynx)(ynx)一定的容差，称为噪声容限。一定的容差，称为噪声容限。第23页/共89页第二十四页，共89页。(mA)14151b1BCCIL

18、RVVI五、五、TTLTTL与非门的带负载能力与非门的带负载能力( (输入输入(shr)(shr)、输出、输出)(P65-69)(P65-69)产品规定产品规定I IILIL1.6mA1.6mA。&oV&G0G1G2Gn0.3V+V13b1B1TR1iCC4K1VILI第24页/共89页第二十五页，共89页。IIH=PIB1,IIH=PIB1,PP为寄生为寄生(jshng)(jshng)三极管的电三极管的电流放大系数。流放大系数。第25页/共89页第二十六页，共89页。倒置倒置(dozh)(dozh)的放大状态：如图（的放大状态：如图（b b）所示。）所示。这时这时IIH=iI

19、B1IIH=iIB1，ii为倒置为倒置(dozh)(dozh)放大的电放大的电流放大系数。流放大系数。 由于由于pp和和ii的值都的值都远小于远小于1 1，所以，所以IIHIIH的数值的数值比较比较(bjio)(bjio)小，产品规定：小，产品规定：IIHIIH40uA40uA。6969页例页例第26页/共89页第二十七页，共89页。OLOLILINI2 2带负载带负载(fzi)(fzi)能力能力 当负载门的个数增加，灌电流增大，会使当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T T3 3脱离饱和，输脱离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电出低电平升高。因此，把允许灌入

20、输出端的电流定义为输出低电平电流流I IOLOL，产品规定，产品规定I IOLOL=16mA=16mA。由此可得出。由此可得出: : 当驱动门当驱动门(T3(T3、T4T4等）等）输出低电平时，电流从输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。负载门灌入驱动门。第27页/共89页第二十八页，共89页。OHOHIHINI NOH NOH称为输出称为输出(shch)(shch)高电平时的扇出系数。高电平时的扇出系数。产品规定产品规定(gudng)IOH=0.4mA(gudng)IOH=0.4mA。由此可得出：。由此可得出： 当驱动门输出高电平当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出时，电流从驱动门拉出,

21、,流至负载门的输入端。流至负载门的输入端。拉拉电流增大时，电流增大时，R RC4C4上的压降上的压降增大，会使输出高电平降增大，会使输出高电平降低。因此，把允许拉出输低。因此，把允许拉出输出端的电流定义为输出高出端的电流定义为输出高电平电流电平电流I IOHOH。第28页/共89页第二十九页，共89页。 在图电路中，试计算门在图电路中，试计算门 G1 G1最多可以驱动多少个同最多可以驱动多少个同样的门电路负载。样的门电路负载。 这些门电路的输入特性和输出特性分别由图、图这些门电路的输入特性和输出特性分别由图、图和图给出。要求和图给出。要求G1G1输出的高、低电平满足输出的高、低电平满足VOH

22、VOH 大于等于大于等于3.2V3.2V，VOL VOL 小于等于小于等于0.2V0.2V。解：解：G1:G1:(1)VOL(1)VOL小于等于小于等于0.2V0.2V时，最大吸收时，最大吸收(xshu)(xshu)电流电流ioL =16mAioL =16mA。这时。这时G1G1的负载电流是所有负载门的输入电流之和。对的负载电流是所有负载门的输入电流之和。对G2G2、G3G3、GNGN，在在Vi = 0.2V Vi = 0.2V 时，要求的输入电流为时，要求的输入电流为-1mA-1mA。iILiIL小于等于小于等于ioL,ioL,所以所以NOLNOL小于等于小于等于16/1=1616/1=16

23、。(2)VOH(2)VOH大于等于大于等于3.2V3.2V时，手册上规定：时，手册上规定：IOH0.4mA(IOHVGS(th)N +|VGS(th)P|，那么那么1.当当vI =VIL =0时，有：时，有：1()12()(0GSDDGS th PGSGSGS th NvVVvvV 且为负)2.6 CMOS门电路（门电路（P93-116）第53页/共89页第五十四页，共89页。故故T1导通，而且导通，而且(r qi)导通内阻很低（在导通内阻很低（在|vGS|足够大时可足够大时可小于小于1K）;而而T2截止，内阻很高截止，内阻很高(可达可达108-109)。因此，。因此，输出为高电平输出为高电平

24、VOH ，且，且VOHVDD 。2.当当vI =VOH =VDD 时，则有：时，则有：1()2()0GSGS th PGSDDGS th NvVvVV 故故T1截止而截止而T2导通，输出导通，输出(shch)为低电平为低电平VOL，且，且VOL0。可见，。可见，输出输出(shch)与输入之间为逻辑非的关系。正因为如此，通常也与输入之间为逻辑非的关系。正因为如此，通常也将非门称为反相器。这种电路结构形式也称将非门称为反相器。这种电路结构形式也称CMOS电路。电路。第54页/共89页第五十五页，共89页。OLOVvT1 截止截止T2导通，导通，0=DDOHOVVvT2 截止截止T1 导通，导通，=

25、若若T1,T2参数完全参数完全(wnqun)对称，对称，vI=(1/2)VDD 时，时， v0=(1/2)VDD T1，T2同时同时(tngsh)导通。导通。PthGSDDINthGSVVvVBC-*段：段：)(NthGSIVvABVGS(th)N + |VGS(th)P | ,VIHVDD ,VIL0 ,那么那么,当当vI 从从VIL过渡到过渡到VIH 和从和从VIH过渡到过渡到VIL的过程中的过程中,都将经过都将经过(jnggu)短时间的短时间的VGSth) vGgm2 gm1gm2 第77页/共89页第七十八页，共89页。（2 2）当输入）当输入ViVi为低电平为低电平0V0V时，时，

26、T1 T1截止截止(jizh)(jizh)，T2T2导通。所以输出电压为导通。所以输出电压为VOH=VDD-VT=8VVOH=VDD-VT=8V，即，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。2.PMOS2.PMOS非门非门(fi mn)(fi mn)（少用）（少用）PMOSPMOS非门有两个严重的缺点。非门有两个严重的缺点。（1 1）它的工作速度比较低。因空穴迁移率比电子的迁移率低。）它的工作速度比较低。因空穴迁移率比电子的迁移率低。（2 2） PMOS PMOS非门电路使用负电源，输出非门电路使用负电源，输出(shch)(shch)电平为负，不便于和电平为负

27、，不便于和TTLTTL电路连接。电路连接。（1 1）当输入）当输入V Vi i为高电平为高电平8V8V时，时，T T1 1导通，导通，T T2 2也导通。因为也导通。因为g gm m1 1g gm2m2，所以两管的导通电阻，所以两管的导通电阻R RDS1DS1R RDS2DS2，输出电压为：，输出电压为：所以输出为低电平。所以输出为低电平。第78页/共89页第七十九页，共89页。AL=ABVB1TDD3T(+12V)T2BVL=A+BADD(+12V)3T2TT13 3NMOSNMOS组合组合(zh)(zh)门电路门电路（1 1）与非门）与非门（2 2）或非门）或非门驱动管驱动管T1T1、T2

28、T2串联串联(chunlin)(chunlin)，（实，（实现与），漏极出（实现现与），漏极出（实现非）非）驱动管驱动管T1T1、T2T2并联并联(bnglin)(bnglin)（实现或），漏极出（实现非）（实现或），漏极出（实现非）第79页/共89页第八十页，共89页。* *2.8 2.8 集成逻辑集成逻辑(lu j)(lu j)门电路的应用门电路的应用 第80页/共89页第八十一页，共89页。应用表页应用表页) )一、用一、用TTLTTL电路驱动电路驱动CMOSCMOS电路电路1 1、CMOSCMOS输入阻抗高，几乎不需要输入阻抗高，几乎不需要(xyo)(xyo)电流，可认为电流，可认为T

29、TLTTL的的吸收电流和吐出电流不会超过最大额定值。吸收电流和吐出电流不会超过最大额定值。2 2、TTLTTL与与CMOSCMOS的阈值电压不同的阈值电压不同TTLTTL：VOLVOL（maxmax）=0.4V CMOS=0.4V CMOS： VIL VIL（maxmax）=1.5V =1.5V VOLVOL（maxmax）=0.4V VIL=0.4V VIH=2.7VVIH（minmin）=3.5V(=3.5V(有问题）有问题）解决办法：解决办法：1 1、TTLTTL输出端与电源间接上拉电阻。图。多用输出端与电源间接上拉电阻。图。多用OCOC门作驱动门。门作驱动门。第81页/共89页第八十二

30、页，共89页。2 2、使用带电平、使用带电平(din pn)(din pn)偏移的偏移的CMOSCMOS门电路实现电平门电路实现电平(din pn)(din pn)转换。图转换。图二、用二、用CMOSCMOS电路驱动电路驱动TTLTTL电路电路1. 1. 用用40004000系列系列CMOSCMOS电路驱动电路驱动7474系列系列TTLTTL4000 CMOS4000 CMOS：IOLIOL（maxmax）=0.51mA IOH =0.51mA IOH （maxmax）=-0.51mA =-0.51mA 74TTL74TTL：IILIIL（maxmax）=-1.6mA IIH =-1.6mA

31、IIH （maxmax）=0.04mA =0.04mA 要求：要求： IOL IOL（maxmax） IIL IIL（maxmax）( (绝对值）（有问题）绝对值）（有问题）解决办法：解决办法：1) 1) 同一封装的门电路并联使用同一封装的门电路并联使用2) CMOS2) CMOS电路的输出端增加电路的输出端增加(zngji)(zngji)一级一级CMOSCMOS驱动器，或使用驱动器，或使用ODOD门，门，一般一般ODOD门的门的IOLIOL较大。图较大。图3) 3) 用分立器件的电流放大器实现电流扩展。图用分立器件的电流放大器实现电流扩展。图2. 2. 部分部分CMOSCMOS（40004000系列）一个也可直接驱动一个系列）一个也可直接驱动一个TTLTTL（74LS74LS系列）系列）部分部分CMOSCMOS一个一个(74HC/74HCT(74HC/74HCT系列系列) )也可直接驱动多个也可直接驱动多个TTLTTL。第82页/共89页第八十三页，共89页。三、三、TTLTTL和和CMOSCMOS电路带负载时的接口电路带负载时的接口(ji (ji ku)ku)问题问题1 1对于电流较小、电平对于电流较小、电平(din pn)(din pn)能够匹配能够匹配的负载可以直接驱动。的负载可以直接驱动。（a a） 用用TTLT