电子技术基础档数电ch2门电路

1、知识点：第一章逻辑代数基本逻辑运算逻辑函数表达形式： 真值表；逻辑表逻辑函数化简： 公式法化简卡诺图化简；逻辑图；卡诺图1卡诺图化简画圈规则：圈个数尽量少；圈尽量大； 包含所有的1；每个圈有带约束项的逻辑函数化简约束条件的表示；在卡诺图中；的12第 2 章门电路3数字电路逻辑特性组合逻辑电路门电路电气特性数字电路逻辑特性触发器时序逻辑电路电气特性4概述一、门电路的概念实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路5与 非 门或 非 门与或非门异或门与 门或 门非 门二、逻辑变量与两状态开关二值逻辑:数字电路:所有逻辑变量只有两种取值(1 或 0)。通过电子开关 S 的两种状态(开或关)获得高、低

2、电平，用来表示 1 或 0。3VuOuIS 可由二极管、三极管或 MOS 管实现6SSuO逻辑状态断开高电平 3 V10闭合低电平 0 V01三、高、低电平与正、负逻辑高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。5V2.4V5V2.4V0.8V0V0.8V0V7负逻辑正逻辑0110四、分立元件门电路和集成门电路分立元件门电路：用分立的元器件和导线连接起来的门电路。集成门电路：把导体门电路的元器件和连线，都制作在一块半上，再封装起来。常用：CMOS 和 TTL 集成门电路8五、数字集成电路的集成度一块中含有等效逻辑门或元器件的个数SSI小规模集成电路< 10 门/片< 10

3、0 元器件/片10 99 门/片100 999 元器件/片100 9 999 门/片(Small Scale Integration)或MSI中规模集成电路(Medium Scale Integration)或LSI大规模集成电路或 1 000 99 999 元器件/片> 10 000 门/片或 > 100 000 元器件/片9(Large Scale Integration)超大规模集成电路VLSI(Very Large Scale Integration)2. 1半导体二极管、三极管和 MOS 管的开关特性理想开关的开关特性2. 1. 1S一、 静态特性AK 断开 闭合= 0，

4、UAK= 0= ¥，IOFF= 0ROFFRON10S二、动态特性AK= 0= 0 开通时间：（断开闭合）ton 关断时间：（闭合断开） toff普通开关：静态特性好，动态特性差半导体开关：静态特性较差，动态特性好几百万/秒几千万/秒112. 1. 2半导体二极管的开关特性ID /mA一、静态特性1. 伏安特性PN结正向导通区反向截止区U(BR)00.5 0.7UDUD/V+-AK反向击穿区ID 外加正向电压(正偏)硅二极管伏安特性UD » 0.7 VUD < 0.5 VID » 0二极管导通(相当于开关闭合) 外加反向电压(反偏)二极管截止(相当于开关断开

5、)122. 二极管的开关作用：电路，例+uO-uI = - 2 V 或 3 V试判别二极管的工作状态及输出电压。uI-uI = UI L = - 2 VuO = 0 VuO = 2.3 V二极管截止解u = UI IH =V二极管导通130.7 V+-二、动态特性电容效应使二极管的通断需要一段延迟时间才能完成1.二极管的电容效应结电容 C j扩散电容 C DuIt2.二极管的开关时间ton 开通时间0iDtoff 关断时间ton << toff (trr ) t05 nston toff(反向恢复时间)142. 1. 3 半导体三极管的开关特性一、静态特性(电流型)1.输入、输出特

6、性iB(1) 输入特性iCcebi=f (u)BBE uCENPN15iC / mA4(2) 输出特性50 µA40µA30 µA20 µA10 µAiB = 0饱i=f (u)和3区CCEiB放大区2uCE/V截止区41026816状态电流关系条件放大i C= b iB发射结正偏集电结反偏饱和i C b iB两个结正偏截止iB 0, iC 0两个结反偏2.半导体三极管的开关应用uI = UI L = -2 V(1)T 截止发射结反偏iB » 0uO » VCCiC » 0= 12 VuI = UI H = 3 V

7、(2)T 导通发射结正偏放大还是饱和？= UCESuO0.3 VT 饱和17+VCC(12V)Rc2 kWiCR+biBT3V2.3 kWb = 100 uo uI-2V-利用三极管的饱和与截止两种状态，合理选择电路参数，可产生类似于开关的闭合和断开的效果，用于输出高、低电平，即开关工作状态。18三极管饱和程度­ Þ toff­二、动态特性uI/ V30-2tiC0.9ICS0.1ICS0ttoffton uO/ V30.30t19开关接通正向导通：二极管开关断开反向截止：C开关作用开关接通饱和区： BC三极管（C,E)E截止区：开关断开BE202. 2分立元器件

8、门电路2. 2. 1二极管与或门一、二极管与门电压关系表AB&符号:Y与门（AND gate)21真值表Y = ABABY000010100111uA/VuB/VD1D2uY/V00导通 导通0.703导通 截止0.730截止 导通0.733导通 导通3.7二、二极管或门电压关系表AB1符号:Y或门（OR gate)22真值表Y = A + BABY000011101111uA/VuB/VD1D2uY/V00导通 导通- 0.703截止 导通2.330导通 截止2.333导通 导通2.32. 2. 2三极管非门（反相器一、半导体三极管非门1. uI = UIL = 0VT 截止= 5V

9、u= U= VOOHCC2. uI = UIH = 5VT导通= UIH - uBE= 5 - 0.7 mA = 1 mAii> I因为BR4.3BBSb» VCC5所以T 饱和=mA = 0.17mAIBSb R30´1cuO = UOL = 0.3 ViB > IBS饱和导通条件:23）+VCC+5ViCRc1 kWRbiB+TuOuI4.3 kW = 30-三极管非门:真值表电压关系表符号函数式Y = AAY241AY0110uI/VuO/V0550.3+VCC+5ViCRc1 kW YA RbiB+TuOuI4.3 kW = 30-分立元件门电路缺点1、

10、体积大、工作不可靠。2、带负载能力差。3、各种门的输入、输出电平不匹配。252. 4TTL 集成门电路（TransistorTransistorLogic）TTL电路的基本环节是反相器。1A1Y2A2Y3A3YGND6 反相器 74LS04 的引脚排列874LS0412345672. 4. 1TTL 反相器+VCC(5V)一、电路组成及工作原理R4R14kWR2130W1.6kW1.电路组成T3D1 保护二极管ATD防止输入电压过低。u2YT1IuoD1当 uI < - 0.5 - 0.7 V 时，D1 导通， uI 被钳制在- 0.5 - 0.7 V，不可能继续下降。T4R31kW输入

11、级中间级输出级272.工作原理+VCC(5V)uI = UIL = 0 VR4RR12= u= 0.7 Vu130W4kW0.7VA1.6kWB1BE1T35VT的基极电压无法使DT1T1因为2 3.6V u 0V T2 和T4 的发射结导通IRLuoT4R31kWT 、 T 截止所以负载的等24效电阻= VCC - iB3R2 » VCC = 5 VuB3T3 、 D 导通uO = uB3 - uBE3 - uD = (5 - 0.7 - 0.7) V = 3.6 V282.工作原理+VCC(5V) uI = UIH = 3.6 VRRR4121V130W4kW 2.1VA1.6k

12、WT3因为 : uE> uB > uC发射结反偏集电结正偏，即D0.3VTYuI11.4V0.7VT u0.34R31kWuO = UCES4 0.3Vibb» 0.02所以Y = Ai则=(1+ i )ib293.6 Vic¢ = i ibie¢uI/VuO/V03.63.60.3T4 饱和导通T2 饱和，T3 、D 均截止T1 倒置放大状态二、静态特性1.输入特性=(1) 输入伏安特性： iIf (uI )uI = UIH = 3.6 V高电平输入电流或输入端漏电流 IIH= bi (VCC- 2.1V) = 0.0145 mAi = IIIHR1

13、30+VR+VCCiI / mACC4k 1+5 VI+5 Vi WUIHUIHiIIIL+1+T012uI / Vuu1be2-1IouIbeI IL-4I IS=(2) 输入端负载特性： uIf (Ri )Ri < 0.7 kWuI < 0.7 VuO = UOH = 3.6 VT2、T4 截止Ri = Roff 关门电阻（< 0.7 kW）31即：当 Ri 为 0 .7 kW 以下电阻时 , 输入端相当于低电平。+VCC+VCCR1+5 VuI / V+5V4kWi 1.4 V 2+1+Tuuo1be21IRuIRiR / W-i-0.7 Vi0 Roff2 Ron46

14、练习 写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表。A&= AY1100kWA1Y1 = A0100kW32TTLuO =f (iO )2.输出特性注意：输出短路电流 IOS 可达 - 33 mA，将造成器件过热烧毁 ，故门电路输出端不能接地！33uO / V+ VCCuI = UIL33.6V+ 5 V1iO2+uI = UIHuIuO0.3V1i/mA-O-30 -20 -100 10 20 303. 电压传输特性（1）特性曲线分析：uO=f (uI )阈值电压DE 段：uI > 1.4 V ，T2 、T4 饱和导通，uO = UOL 0.3 VT3 、D 截止。34截止区+VCCu

15、O /V+5V4A B线性区+1+3.6V3uu2C转折区IO-0.3V1DE饱和区01234uI /VG2 输入低电的噪声容限：UNL的正向噪声电压的最大值UILmax - UOL max = 0.4 VUG1G2输出高电平典型值 = 3.6 V输入高电平典型值 = 3.6 VUOHUOH m= 2.4 V= 2.0 VUUOH minIH min输出低电平典型值 = 0.3 V输入低电平典型值 = 0.3 VUOL mUOL= 0.4 V= 0.8 V35UOL maxUIL max叠加NL =inUNHUIHUIH minUIL maxaxUNLUIL三、动态特性uIuO传输延迟时间uI

16、tPHL 输出电压由高到低时的传输延迟时间。Uim50%Uimt0uOtPLH 输出电压由低到高时的传输延迟时间。50%UomtUom0tpd 平均传输延迟时间ttPHLPLH= tPHL + tPLH典型值： tPHL= 8 ns , tPLH= 12 nstpd2最大值： t= 15 ns , t= 22 nsPHLPLH3612. 4. 2TTL与非其它逻辑门电路+VCC一、TTL 与非门整理结果：+5V R4130W+VC R14kW2.1VR21.6kW1VA0BY1T30CAT2D Y RL1011T10.7VD21B00.3VT43.6VD1110R31kWY1 = AB与非门输

17、入级中间级输出级ABY137&+VCC+5VR4二、TTL 或非门iB1R21V整理结果：5V0.3 VT3T1D1DTY21Vi ¢B13.6V0.3 VR3T1¢D1¢T ¢2中间级Y = A + B或非门1输入级输出级ABY其它逻辑相似。1381ABY001010100110问题：门电路多余输入端如何处理？1、TTL门输入端悬空相当于接高电平。2、为了防止干扰，可将与门多余的输入端接高电平， 将或门多余的输入端接低电平。或者与其他输入端相接。39带负载能力:+VC C（ +5V）+VCC Rb14KRb14K（1）灌电流负载T4截止D截止I

18、ILT 3I= IOLC3 饱和当驱动门输出低电，电流从负载门灌入驱动门。当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3脱离饱和，输出低电平升高。灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL。由此可得出:因此，把= IOLNOLNOL称为输出低电的扇出系数。IIL输出低电平IILRc4（2）拉电流负载+VC C（ +5V）+VCCRb14KRb14K当驱动门输出高电，电T4流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。拉电流增大时，RC4上的压降导通D导通IIHT 3增大，会使输出高电平降低。截止因此，把拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH。= IOHNNOH称为输出高电的扇出系数。OHIIH一般NOLN

19、OH， 用NO表示。两者中的较小值作为门电路的扇出系数，IOH = IE4IIH输出高电平Rc4Ø 扇出系数逻辑门所能够驱动同类门（输入端）的个数。= IOHmax (drive)= IOLmax(drive)NNOHI(load)OLI(load)IHILv 总的扇出系数是高、低电平状态下扇出系数中较小的一个。NO = min(NOL , NOH )2. 4. 3TTL 集电极开路三态门OC 门(OpenCollectorGate)一、集电极开路可以线与连接+VCC+5V+V ¢CCRR12+V ¢CC外接RCRACT2ABYTY 1BABT4DD21R343O

20、C 门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。&2. OC 门的主要特点：线与连接举例：+V ¢CC+V ¢CC+VCCG1线与ARC YRCY1Y1AT2 YBT1ABT4BG2CDY2CD+VCC= AB × CDY = Y1 ×Y2Y2CT¢T¢12= AB + CDT¢4D44&&OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：（1）当输出高电，RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由+VCC RPIIHVOH&IIH得：nmIIH&&&（2）当输

21、出低电，RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由+VCC RPVOL& IOLIILnm所以：RP（min）RPRP（max）IIL&&&（2）用OC门实现电平转换图用OC门实现电平转换的电路47二、 输出三态门 TSL门(Three - StateLogic)三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。悬空、悬浮状态，又称为状态。A B&ENYEN48何为高阻状态？1.电路组成及其工作原理+VCC+5VR4(1) 电路组成R2R1 使能端低电平有效T3D YA BYAT2T1BD3EN 使能端高电平有效T4R3使

22、能端A B&ENYEEN49EN1N1&EN（2）工作原理以使能端低电平有效为例：+VCC+5VR4R2R1EN = 1 时P = 0 (低电平)T2 、T4截止D3 导通TQT3ADT2Y1BD3T可能输出状态：使能端u 1 VQ0、1 或高阻态PT3、D 截止EN输出端与上、下均断开 高阻态，记做 Y = Z5012.应用举例：G1(1) 用做多路开关EN = 0 时A11A2YG2EN = 1 时1EN使能01EN使能端511EN= A22.应用举例：(2) 用于信号双向传输EN = 0 时G1A1A2 EN = 1 时1G21EN使能0EN5211EN= A1= A22.(3)应用举例：数据总线数据总线G1G2GnEN 1EN 2EN nA1A2An注意：53任何时刻，只一个三态门使能， 其余为高阻态。011EN1EN1EN1第二章小结一、半导体二极管、三极管和 MOS 管是数字电路