数字电路1课件2018第3章学生版

1、第三章门电路基本逻辑门电路TTL 集成逻辑门电路CMOS 集成逻辑门电路3.1概论门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门 ······门电路中以高、低电平表示逻辑状态的1、0。由门电路种类等决定高电平和低电平的含义高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。01高电平高电平低电平低电平10 负逻辑体制 正逻辑体制 3.2半导体二极管门电路3.2.1 二极管的开关特性为低电平 VIL时，当二极管反向截止。为高电平 VIH时，二当极向导通。 R可以不要吗？ 二极管的伏安特性3.2.2二极管与门设VCC = 5

2、V，加到A、B端VIH=3V，VIL=0V二极管导通时 VD=0.7V规定3V以上为10.7V以下为0ABY000010100111ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.2.3二极管或门设VCC = 5V，加到A、B端VIH=3V，VIL=0V二极管导通时VD=0.7V规定2.3V以上为10V以下为0ABY000011101111ABY0V0V0 V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V二极管门电路的缺点1. 电平有偏移2. 带负载能力差只用于IC内部电路3.4TTL 集成逻辑门主要要求：了解 三极管的开关特性。掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要

3、外特性。了解其他类型TTL门电路的逻辑功能和应用。三极管为什么能用作开关？3.4.1三极管的开关特性怎样它的开和关？临界饱和线iC放大区TMSIB饱和区直流负载线Q+截止区vBEvI=VILAI 0-BvCEOVCE(sat)N三极管截止状态等效电路当为低电平，使vBE < VON时，三极管截止。v< Vi » 0，i» 0，C、E 间相当ONBEBC于开关断开。临界饱和线iC放大区TMIC(sat)饱和区OSIBSQ截止区AIB0VCE(sat)vCENvI 增大使 vBE > VON时，三极管开始导通，iB > 0，三极管工作于放大导通状态。临界

4、饱和线iC放大区TM ICSSIBSQ+vBE-截止区v =VIIHAOVCE(sat)vCEN 三极管饱和时VBE等于多少？三极管 饱和状态等效电路当为高电平，使iB IBS 时，三极管饱和。vCE » VCE(sat) » 0.3 V » 0， C、E 间相当于开关合上。从逻辑关系上考虑，三极管相当于一个什么门？饱和区三极管工作于开关状态的条件截止条件饱和条件可靠截止条件为 vBE 0i愈大于 I，BBS则饱和愈深。由于VCE(Sat) » 0，因此饱和后 iC 基本上为恒值，VCC -VCE(sat)Vi» I=»CCCCSRC

5、RCI= ICS» VCCBSbb RCiB IBSvBE VON3.4.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设：VCCVIHVIL PN= 5V= 3.4V= 0.2V结导通压降VON= 0.7V V= V= 0.2V(A = 0)(Y = 1)IIL VO = VOH VI= VI H = 3.4V ( A = 1)VO = VOL(Y = 0) 二极管D1和D2的作用？推拉式输出电路二、电压传输特性性截止区线性区饱和区阈值电压VTHTTL非门电压传输特性曲线线性区是长些好还是短些好？三、输入端噪声容限输入信号上叠加的噪声电压只要不超过值，就不会影响电路的正常逻辑功能

6、，这个值称为噪声容限。输入低电平噪声容限 VNLVNL = VIL(max) - VOL(max)输入高电平噪声容限 VNHVNH = VOH(min) -VI H(min)噪声容限越大，能力越强。74系列门电路VNH=VNL=0.4V噪声容限大好还是小好？3.4.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性输入短路电流一、输入特性 当vI=VIL=0时= - VCC - vBE11.输入伏安特性» -1mAi = IIILR1 当vI=VIH=3.4V时- vB1= VCC» 0.01mA输入漏电流i= IIIHR1 » 0输入端等效电路TTL反相器的输入特性TTL

7、 电路输入端悬空时相当于输入什么电平？2.输入负载特性vI /V1.4VOFF0RONRP/kWROFF输入负载特性曲线输入负载特性测试电路RPv =- v(V)iCCBE1R+ R1PRP > RON 时，相应输入端相当于输入高电平。对TTL 系列，RON » 2.5 kW。RP < ROFF 时，相应输入端相当于输入低电平。对 TTL 系列，ROFF » 700 W。NF二、输出特性1.高电平输出特性高电平输出等效电路高电平输出特性TTL系列规定输出高电，最大负载电流不超过0.4mA。2.低电平输出特性低电平输出等效电路低电平输出特性3.4.4 其他类型的T

8、TL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门AB与结构( AB)' 推拉式输出结构=2.或非门(A + B)'A+ B= (A + B)'或非结构 这是什么门？ 3.与或非门AB+CDABAB+CDCD 这是什么门？4.异或门A+B+ABABA+BA + BBA二、集电极开路的门电路（OC门）即 Open collector gate，简称 OC 门。YOC门可以实现线与因为Y1、 Y2有一个低，Y即为低，只有两者同高，Y才为高，所以Y = Y1Y2 = (AB)(CD) = (AB + CD)需外接上拉电阻三、三态输出门输出有三个状态： VOL ,VOH，高阻 (Z)

9、(1) EN = 0, P = 1, D截止，为“工作状态” 、 Y = (AB)(2) EN = 1, P = 0, D导通，为“高阻状态” 、 Y = Z三态门的用途VCC悬空与与非门的多余输入端接逻辑 1 或者与有用输入端并接。逻辑门多余输入端的处理或非门的多余输入端接逻辑 0或或者与有用输入端并接例欲用下列电路实现非运算，试改错。(ROFF » 700 W，RON » 2.1 kW)RCVCCVCC5.1kVCC题 3.8作业3.2、 3.3、3.83.14（3.11）3.3 CMOS 门电路主要要求：掌握 CMOS 反相器的电路、工作原理和主要外特性。掌握 CMO

10、S 与非门、或非门、开路门、三态传输门的电路和逻辑功能。了解 CMOS 数字集成电路的应用要点。3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构氧化物层半导体层PN结源极S (Source) 、栅极G (Gate)漏极D (Drain) 、衬底B (Substrate)以N沟道增强型为例：以N沟道增强型为例：当VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0当VGS>0时，且足够大至VGS >VGS (th), D-S间形成导电沟道（N型层）开启电压二、输入特性和输出特性输入特性：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V

11、GS下得一族曲线 。输出特性曲线（分三个区域）截止区恒流区可变电阻区截止区：VGS<VGS(th)，iD = 0,ROFF > 109恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大VGSi= I-1 )2(DDSVGS(th)2>>VµV当V时，iGSGS(th)DGS可变电阻区：当VDS 较低（近似为0），VGS 一定时，这个电阻受VGS、可变。iD »常数（电阻）VDS三、MOS管的基本开关电路当VI =VIL <VGS (th)®T截止®VO=VOH»VDD当VI =VIH >VGS (th)&

12、#174;T导通®VO=VOL» 0所以 MOS管D -S间相当于一个受 VI的开关。四、等效电路为什么等效为电容OFF ，截止状态ON，导通状态五、MOS管的四种类型增强型大量正离子耗尽型导电沟道3.3.2 CMOS反相器电路结构和工作原理 当VIL = 0 时， 增强型 PMOS 管(负V载管»)VVDDTOHDDPiD 当VIH = VDD时， 互补vOvI» 0对称结VO构L增强型 NMOS 管(驱动管)TN要求VDD > VGS(th)N +VGS(th)P且 VGS(th)N =VGS(th)PVDDTPiDvOvITN无论输入高低，P

13、 中总有一管截止，使静态漏极电流 iD » 0， 因此 CMOS 反相器静态功耗极微小。可见该电路CMOS 非门， 又称 CMOS 反相器。3.3.5 其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路2. 或非门1. 与非门带缓冲级的CMOS门电路与非门存在的缺点：(1) :输出电阻RO受输入状态影响A = 1, B = 1则RO = RON2 + RON4 = 2RON= 1 RONA = 0, B = 0则RO = RON1/RON3A = 0, B = 1则RO = RON1 = RONA = 1, B = 0则RO = RON3 = RON2(2)输出的高低电平受输入端数目的

14、影响输入端越多， VOL越高，VOH也更高解决方法或非门+缓冲器Þ与非门二、漏极开路的门电路（OD门）OD门的使用1.可将输出并联使用，实现线与或用作电平转换驱动器外接 RL ,V D¢D (V D¢D可以不等于V DD )2.使用时三、 CMOS传输门及双向模拟开关1. 传输门设RL >> RON ,VIH(1) 当C = 0,C' = 1=VDD ,VIL = 0则只要VI = 0 VDD ,则T1、 T2均截止, 相当于断开(2)当C = 1, C¢ = 0V I = 0 V DD时0 <V IT1导通<V DD -

15、VGS(th)N ,VGS(th)P<V I <V DD ,T2导通所以V I在0 V DD , T1和T2至少一个导通,V I -VO之间为低电阻.2. 双向模拟开关四、三态输出门EN ¢ = 0时，Y = A¢EN ¢ = 1时，Y = Z( 高阻 )CMOS电路逻辑功能的分析CMOS电路逻辑功能的分析CMOS电路逻辑功能的分析A'( A'B'C')'A'B'C' = ( A+ B + C )'B'C'3.3.6CMOS 集成逻辑门使用要点不悬空。与或与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；或非门的闲置输入端可接地或低电平。3.输入电路要有保护2.闲置输入端的处理1.注意不同系列 CMOS 电路的电源电压范围不同， 一般多用 + 5 V。电源电压越高，能力也越强。CMOS 门