数字电路基础课件-数字教案(第3章).ppt

1、第三章 门电路,1、了解正负逻辑的基本概念 2、了解TTL、CMOS非门的电路结构及工作原理 3、重点掌握各种门电路的逻辑功能及其电器特性（输入输出特性）,3.1 概述,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1/0,一、两种逻辑约定：正逻辑与负逻辑 正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1,正逻辑的与运算对应负逻辑的或运算,正逻辑的与非运算对应负逻辑的或非运算,正逻辑逻辑与,负逻辑逻辑或,实际开关为晶体二极管、三极管及场效应管等电子器件,二、获得高、低电平的基本原理,S1闭合S2断开VO=VOH S1断开

2、S2闭合VO=VOL,互补开关电路,高电平VH 输入高电平VIH 输出高电平VOH,低电平VL 输入低电平VIL 输出低电平VOL,高电平下限,低电平上限,0，1是电压范围，因此在数字电路中对电子元件精度要求不高,3.2半导体二极管门电路,3.2.1二极管的开关特性：,高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V,二极管的开关等效电路：,二极管的动态电流波形：,3.2.2 二极管与门,设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V,规定3V以上为1,0.7V以下

3、为0,3.2.3 二极管或门,加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V,规定2.3V以上为1,0V以下为0,二极管构成的门电路的缺点,电平有偏移 带负载能力差 只用于IC内部电路,3.3 CMOS门电路3.3.1 MOS管的开关特性,一、结构和工作原理：以N沟道增强型为例,以N沟道增强型为例： 当加+VDS时， VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0 加上+VGS，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

4、 = f (VDS) 对应不同的VGS下得一族曲线 。,漏极特性曲线（分三个区域）,截止区 恒流区 可变电阻区,漏极特性曲线（分三个区域）,截止区：VGS 109,漏极特性曲线（分三个区域）,恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大,漏极特性曲线（分三个区域）,可变电阻区：当VDS 较低（近似为0），VGS 一定时， 这个电阻受VGS 控制、可变。,三、MOS管的基本开关电路,四、等效电路,OFF ，截止状态 ON，导通状态,五、MOS管的四种类型,增强型 耗尽型,大量正离子,导电沟道,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,T1：P沟道增强型 T2：N沟道

5、增强型,TN、TP参数对称：,Y=A,无论V1是高电平还是低电平，T1T2总是工作在一个导通而另一个截止状态，即所谓互补状态。 CMOS：互补对称式金属氧化物半导体电路,无论V1是高电平还是低电平，T1T2一个是截止状态，流过T1T2的静态电流极小，因而CMOS反相器的静态功耗极小，这也是其一大优点,二、电压、电流传输特性,三、输入噪声容限,结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限,3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性,一、输入特性,由于电流流过RS，所以呈现线性状态,二、输出特性,二、输出特性,3.3.4 CMOS反相器的动态特性,一、传输延迟时间,二、交流噪声容限,交流噪声容限远

6、高于直流噪声容限,三、动态功耗,3.3.5 其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的门电路,与非门：NMOS串联 PMOS并联,或非门：NMOS并联 PMOS串联,带缓冲极的CMOS门,以与非门为例,带缓冲极的CMOS门,解决方法,CMOS门不足：,CMOS门输出电压不可调 CMOS门输出不可并联使用,二、漏极开路的门电路（OD门）,三、 CMOS传输门及双向模拟开关,1. 传输门,2. 双向模拟开关,C=1导通做传输门用 C=0截至输出高阻态,四、三态输出门,三态门的用途,数据总线结构,双向传输,3.3.6 CMOS电路的正确使用,(1) 输入电路的静电防护 措施：运输时最好使用金属屏蔽

7、层作为包装材料；组装、调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地；不使用的多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。,(2) 输入端加过流保护 措施：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措施。如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻RP。,3.3.7 CMOS集成电路的各种系列,4000系列：有较宽的工作电压范围（3-18V），传输时间100ns，带载能力差，最大负载电流0.5mA。 HC/HCT：传输时间10ns，带载能力4mA，HCT工作在单一5V电源下，与TTL电平兼容。 AHC/AHCT：比HC/HCT系列工作速度带载能力

8、都提高了一倍。 LVC：低压系列，传输时间3.8ns，最大负载电流24mA。 ALVC：在LVC基础上性能进一步提高。,3.5.1 双极型三极管的基本开关电路,只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL=VCES 0,3.5 TTL门电路,一、工作状态分析：,二、三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,三、动态开关特性,从二极管已知，PN结存在电容效应。 在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。,3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,若A为低电平，VB1=0.9V2.1V，T1

9、倒置放大，T2、T5饱和，VC20.8V，不足以使T4、D2同时通，故VO=0.2V，为低电平。,T1饱和，T2T5截止， T4导通放大区,T1倒置，T2T5饱和导通， T4截止,Y=A,需要说明的几个问题：,二、电压传输特性,二、电压传输特性,二、电压传输特性,VTH：阈值电压（门槛电压），在转折区中点为1.4V。 由于线性区存在，电压传输特性与理想开关特性差别较大。,三、输入噪声容限,TTL门电路噪声容限小于CMOS门噪声容限,3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,一. 输入特性,输入等效电路 输入特性,IIL,IIH,D1作用结果,1、高电平输出特性,二、输出特性,2、低电平

10、输出特性,例：扇出系数（Fan-out）， 试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。,三、输入端负载特性,1.4V,3.5.4 TTL反相器的动态特性,一、传输延迟时间 1、现象,二、交流噪声容限,当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出 变化跟不上，变化很小 因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。,三、电源的动态尖峰电流,T4、T5同时导通所造成,影响： 使电源平均电流增加 形成系统内部噪声,3.5.5其他类型的TTL门电路,一、其他逻辑功能的门电路 1. 与非门,2. 或非门,二、集电极开路的门电路,1、推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不

11、能并联使用 OC门,2、OC门的结构特点,OC门实现的线与,3、外接负载电阻RL的计算,3、外接负载电阻RL的计算,3、外接负载电阻RL的计算,三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）,三态门的用途,一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 1、电路的改进 (1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro） (2)减少各电阻值 2. 性能特点 速度提高 的同时功耗也增加,3.5.6 TTL电路的改进系列（改进指标),二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,1、电路改进 采用抗饱和三极管 用有源泄放电路代替74H系列中的R3 减小电阻值 2. 性能特点 速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大,三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS