门电路知识介绍课件

1、第二章 门电路2.1 概述 门电路：用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路,如与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门。 用高低电平分别表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态 获得高低电平的基本原理：获得高低电平的基本原理S 断开：v0为高电平S 接通：v0为低电平开关为二极管或三极管 通过输入信号vi，控制二极管或三极管工作在截止和导通两个状态，就可以达到开关S的作用。正逻辑和负逻辑正逻辑：高电平1；低电平0负逻辑：高电平0；低电平1高低电平都有一个允许的范围2.2 半导体二极管和三极管的开关特性二极管：具有单向导电性。相当于一个受外加电压极性控制的开关。假定：VIH=VCC,VI

2、L=0 D为理想二极管（正向导通，电阻为0；反向电阻为无穷大）当vI=VIH时： D截止，vo=VoH=VCC当vI=VIL时： D导通，vo=VoL=0结论 所以：可以用vI的高低电平，控制二极管的开关状态，并在输出端得到相应的高低电平输出信号。动态及tre 动态情况下（加到二极管两端的电压突然反向时：电流的变化过程 反向恢复时间tre：(峰值10峰值时间)tre数值很小，几纳秒量级。三极管的输出特性及基本开关电路三极管输出特性曲线双极性三极管的基本开关电路：uAtR1R2AF+uccuFt+ucc0.3V三极管的开关特性：饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE ， IBIC，UC

3、E0.3V C、E间相当于开关闭合。截止区： UBEIBS时，三极管工作在深度饱和状态，输出为低电平。 三极管：vO=vCE=VCC-iCRC=VCC-ibRC深度饱和时，三极管的基极饱和电流为： IBS=(VCC-VCE(Sat)/(RC)MOS管开关特性Metal-Oxidesemiconductor-field-Effect-Transistor N沟道，P沟道 增强型，耗尽型 是电压控制型器件uItuOt+VDD0VMOS管的开关特性：可变电阻区：UGSUth ， UDS 0V D、S间相当于开关闭合。夹断区： UGS Uth， ID=0 D、S间相当于开关断开。23 最简单的与、或、

4、非门电路2-3-1 二极管与门 2. 工作原理Da DbUYUa Ub0 0 0 3v 3v 03v 3v3. 真值表（状态表）4. 输出函数式Y=AB 5. 逻辑符号&YA B0 O0 11 01 1Y0001导通导通导通导通导通导通截止截止0.7V0.7V0.7V3.7vAB1. 电路组成（以二输入为例）+VCCRABYDaDb设：VCC=5V，UIH=3v,UIL=0v二极管正向压降0.7V。二极管与门的特点缺点： 输出的高低电平数值与输入的高低电平数值不相等，相差VDF。多极时，发生高低电平的偏移。 当输出端对地接上负载电阻时，负载电阻的改变有时会影响输出的高电平。仅用作集成电路内部的

5、逻辑单元。1。 电路组成(以二输入为例) 2。 工作原理Ua Ub0 00 3v3v 03v 3v3。真值表A B0 00 11 01 1Y0111 4.输出函数式Y=A+B5。逻辑符号截止截止截止截止导通导通导通导通Da DbUY2.3v2.3v2.3vYAB102-3-2 二极管或门-VEEVcc3. 真值表A01Y104.输出函数式 Y = A 5.逻辑符号1AY2.工作原理注：为了保证在输入低电平时三极 管可靠截止，常将电路接成上图形式。由于接入了负电源VEE，即使输入低电平信号稍大于零，也能使三极管的基 极为负电位，使三极管可靠截止，输出为高电平。1。电原理图Ua03vT截止饱和UY

6、02-3-3. 三极管非门当uA0V时，由于uGSuA0V，小于开启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uYVDD10V。当uA10V时，由于uGSuA10V，大于开启电压UT，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uY0V。与非门2-3-4. 其它门电路一、 其它门电路 其它门电路有与非门、或非门、同或门、异或门等等。 （略） 二、 门电路的“封锁”和“打开”问题&ABCY当C=1时，Y=AB.1=AB与门打开，与功能成立。当C=0时，Y=AB.0=0与门封锁，与门不能工作。ABCY当C=1时，Y=A+B+1=1或门封锁，或门不能工作。当C=0时，Y=

7、A+B+0=A+B或门打开，或功能成立。能“打开”或者“封锁”门电路的信号叫“控制信号”。控制信号的输入端叫“控制端”，或“使能端”。与门、与非门可用“0”封锁，用“1”打开；或门、或非门可用“1”封锁，用“0”打开；2.4 TTL门电路 集成电路，IC: Integrated Circuit小规模集成电路SSI: Small Scale Integration中规模集成电路MSI: Medium Scale Integration大规模集成电路LSI: Large Scale Integration超大规模集成电路VLSI: Very Large Scale Integration 根据制造

8、工艺不同，分为：双极性、单极性 一类为双极型晶体管集成电路，它主要有晶体管晶体管逻辑(TTL-Transistor Transistor Logic)、射极耦合逻辑(ECL-Emitter Coupled Logic)和集成注入逻辑(I2L-Integrated Injection Logic)等几种类型。 另一类为MOS(Metal Oxide Semiconductor)集成电路， 其有源器件采用金属氧化物半导体场效应管，它又可分为NMOS、 PMOS和CMOS等几种类型。 目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集成电路。 TTL集成电路工作速度高、 驱动能力强，但功耗大、集成度低； MO

9、S集成电路集成度高、功耗低。超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路，其缺点是工作速度略低。目前已生产了BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优势， 缺点是制造工艺复杂。 2.4.1 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设：电源电压VCC=5V,输入信号VIH=3.4V, VIL=0.2VPN结开启电压VOH为0.7V 图2.4.1 TTL反相器的典型电路输入为低电平（0.2V）时“0”不足以让T2、T5导通三个PN结导通需2.1V0.9V输入低电平（0.3V）“0”1Vuouo=5-uR2-ube4-uD23.4V高电平！输入为高电平（3

10、.4V）时全导通电位被钳在2.1V反偏1V截止思考：二极管D1、D2的作用？D1：抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲；又防止输入电压为负时T1的发射极电流过大，起到保护作用。D2：为了保证T5饱和导通时T4可靠地截止。二、电压传输特性TTL非门的特性和技术参数测试电路u0(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)传输特性曲线u0(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值UTH=1.4V理想的传输特性输出高电平输出低电平1、输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。 2、阈值电压U

11、TuiUT时，认为ui是高电平。UT=1.4V三、输入端噪声容限 由电压传输特性：当输入信号偏离正常的低电平(0.2V)而升高时，输出的高电平并不立刻改变；同样，当输入信号偏离正常的高电平(3.4V)而降低时，输出的低电平也不会马上改变。 允许输入的高、低电平信号各有一个波动的范围。 在保证输出高、低电平基本不变（变化的大小不超过允许限度）的条件下，输入电平的允许波动范围称为噪声容限。 噪声容限定义的示意图VOH(min): 输出高电平的下限VOL(max): 输出低电平的上限VIL(max): 输入低电平的上限VIH(min): 输入高电平的下限输入为高电平的噪声容限为：VNH=VOH(mi

12、n)-VIH(min) 抗反向干扰输入为低电平的噪声容限为：VNL=VIL(max)-VOL(max) 抗正向干扰 图2.4.3 输入端噪声容限示意图2.4.2 TTL反相器的静态输入特性和输出特性 正确地处理门电路和门电路、门电路和其它电路之间的连接问题一、输入特性 输入信号为高、低电平时，输入端的等效电路：图2.4.4 TTL反相器的输入端等效电路输 入 特 性 曲 线当VCC=5V,vI=VIL=0.2V时：输入低电平电流：IIL=-(VCC-vBE1-VIL)/R1=-1mA当vI=VIH=3.4V时，T1管vBC0,vBE0,倒置状态，极小(0.01)故：高电平输入电流IIH很小，I

13、IH40A输入特性曲线：图2.4.5 TTL反相器的输入特性二、输出特性1、高电平输出特性 vO=VOH时，T4,D2导通，T5截止，输出端的等效电路为：图中：T4工作在射极输出状态，电路的输出电阻很小，在负载电流较小的范围内，负载电流的变化对VOH的影响很小。随着负载电流iL绝对值的增加，R4上压降增大，T4的b-c结正向偏置，T4进入饱和状态。此时T4失去跟随功能，VOH随iL的增加而线性地下降。图2.4.6 TTL反相器高电平输出等效电路高电平输出特性曲线图中：|iL|5mA时，VOH变化很小。受功耗限制： |iL| 5mA74系列： | iL | 0.4mA图2.4.7 TTL反相器高

14、电平输出特性2. 低电平输出特性T5饱和导通，T4截止，输出等效电路如下：T5饱和导通时，c-e间的内阻很小(10欧)负载电流iL增加时，输出的低电平VOL仅稍有升高图2.4.8 TTL反相器低电平输出等效电路图2.4.9 TTL反相器低电平输出特性门电路的扇出系数例2.4.1计算门G1最多可以驱动多少个同样的门电路负载？ P67.门电路的扇出系数:门电路输出驱动同类负载门的个数三、输入端负载特性 使用门电路时，有时需要在输入端与地之间，或者输入端与信号的低电平之间，接入电阻Rp 由图：vI=Rp(Vcc-vBE1)/(R1+Rp)图2.4.11 TTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路输入端

15、负载特性在RpVCC时，必须选用集电极开路（OC门）TTL电路。 CMOS电源电压VDD = 5V时，一般的TTL门可以直接驱动CMOS门。OC门可以实现电平转换功能3. 三态输出门电路(TS门)图2.4.31 三态输出门的电路图和图形符号 （a）控制端高电平有效 （b）控制端低电平有效功能表低电平起作用&ABFEN TSL门输出具有高、低电平状态外，还有第三种输出状态 高阻状态，又称禁止态或失效态。输出F端处于高阻状态记为 当E=1时，E使能端当 E= 0时，电路执行正常与非功能F=AB。总线结构1、在同一条导线上，分时传递若干个门电路的输出信号。 图2.4.32 用三态输出门接成总线结构总

16、线驱动器2、三态门经常做成单输入、单输出。输入输出有同相反相两种接法。3、利用三态门实现数据的双向传送。图2.4.33 用三态输出门实现数据的双向传输TTL 电路的改进系列 p83目的：提高工作速度，降低功耗。74系列、74H、74S、74LS、74AS、74ALS54系列与74系列具有完全相同的电路结构和电气性能参数。不同之处：54系列的工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。74系列： 070 5V5%54系列： 55125 5V10% 不同系列的TTL器件中，只要器件型号的后几位数码一样，则其逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。 2.6 MOS门电路2.6.1 MOS反相器0UDS

17、IDui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1” CMOS反相器工作原理Complementary-Symmetery Metal-Oxide-SemiconductorNMOS管PMOS管CMOS电路PMOSNMOS 衬底与漏源间的PN结始终处于反偏，NMOS管的衬底总是接到电路的最低电位，PMOS管的衬底总是接到电路的最高电位。柵极相连作输入端漏极相连作输出端工作原理：1. 输入为低电平VIL = 0V时，VGS1VT1T1管截止；|VGS2| VT2 电路中电流近似为零（忽略T1的截止漏电流）,VDD主要降落在T1上，输出为高电平VOHVDD。T2导通。2. 输入为高电平VIH =

18、VDD时，T1通T2止，VDD主要降在T2上，输出为低电平VOL0V。实现逻辑“非”功能一、CMOS反相器工作原理CMOS门的VT= 0.5VDD ，TTL门的VT一般在1.01.4V。CMOS门输出：高电平为VOH= VDD ，低电平为VOL=0V。TTL门输出：高电平为VOH=3.6V， 低电平为VOL=0.3V。二、CMOS门电路和TTL门电路比较对CC4000系列门电路，通常输入高电平的值不能低于0.7VDD，即VIH(min) 0.7VDD输入低电平的值不能大于0.3VDD，即VIL(max) 0.3VDDCMOS传输特性矩型性比TTL好，且随VDD按比例变化。三、CMOS门电路输入

19、端保护电路输入保护电压VDD + VDF二极管反向击穿电压30V2.5.3 其它类型的CMOS门TP2TP1TN2TN1uoui1ui2UDD一、CMOS与非门TP2TP1TN2TN1uoui1ui2UDD任一输入端为低，设ui1=0ui1=0uO=1断开导通TP2TP1TN2TN1uoui1ui2UDD输入全为高电平uO=0ui1=1ui2=1导通断开TN2TN1TP1TP2ui1ui2UDD二、 CMOS或非门TN2TN1TP1TP2ui1ui2UDD任一输入端为高，设ui1=1ui1=1uO=0导通断开TN2TN1TP1TP2ui1ui2UDD输入端全为低uO=1ui1=0ui2=0导通

20、断开例：判断如图CMOS电路输出为何状态？Y0=1 Y1=1 Y2=0&10KY1VCCY21VCC10K&Y010 K三、 CMOS传输门CMOS传输门TG由TN和TP管构成，C=1（或C=0）时传输门接通，VO=VI。C=0（或C=1）时，传输门关闭，入、出阻断。该传输门的特点是即可以传输数字信号，又可以传输模拟信号。当C的高低电平分别为VDD和0V时，传输门可传输0 VDD之间的信号。该门的另一个特点是VO，VI端可以互换，信号既可以从左向右传送，也可以从右向左传送。1、电路结构2、工作原理C=0（C=1）时，TN和TP管D、S间无导电沟道，入、出阻断。C=1（C=0）时， 0 vI VDD-VT ，则TN导通； VT vI VDD，则TP导通；VT vI VDD-VT ，则TN 、TP都导通。在0 VDD 之间，从输入到输出之间相当于两个电阻并联。传输门模拟开关：用来传输连续变