《数电门电路》PPT课件

1、第三章 门电路,重点：门电路外部特性,输入与输出逻辑关系 外部电气特性：电压传输特性 输入特性 输出特性,第三章 门电路,3.1 概述,一.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 ,条件开关,输入信号满足一定条件时，门开启，允许信号通过 。,开门状态：,关门状态：,输入信号条件不满足，门关闭，信号通不过 。,门,与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。,输出和输入之间存在着一定的逻辑关系。 不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：,门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0,二.电平信号,1.电压范围 输入：VIH 、 VIL 输出：VOH 、 V

2、OL,常用TTL器件,若MOS器件，高低电平界限不同,2.获得高、低电平信号的方法,开关S,理想开关S,合：,开：,S开关可用VI信号控制,门电路中器件：二极管和三极管可作开关,负逻辑：高电平表示0，低电平表示1,高/低电平都允许有一定的变化范围,正逻辑：高电平表示1，低电平表示0,三 正、负逻辑,二极管的伏安特性,正向导通区,反向截止区,反向击穿区,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,二极管特性：加正向向电压导通 加反向电压截止,可作开关

3、,二极管作开关 缺点： 有0.7V压降（硅管） 有延迟,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,3.7V,3V,3V,0.7V,0V,3V,0.7V,3V,0V,0.7V,0V,0V,Y,B,A,1,1,1,0,0,1,0,1,0,0,0,0,Y,B,A,规定3V以上为1,0.7V以下为0,与逻辑电平关系,与逻辑真值表,缺点：,当VIL=0.3V时， Vo=1V.（无法确定高低电平），应避免 输入与输出差0.7v，若多级会电平偏移,3.2.3 二极管或门,设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V

4、二极管导通时 VDF=0.7V,2.3V,3V,3V,2.3V,0V,3V,2.3V,3V,0V,0V,0V,0V,Y,B,A,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,双极型三极管的开关特性 （BJT, Bipolar Junction Transistor）,3.5 TTL门电路3.5.1 半导体三极管的开关特性,二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPN）,VON ：开启电压 近似认为: VBE VON iB = 0 VBE VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定,三极管的输出特性,特性曲线分三个部分

5、 放大区：条件VCE 0.7V, iB 0, iC随iB成正比变化， iC=iB。 饱和区：条件VCE 0, VCE 很低，iC 随iB增加变缓，趋于“饱和”。 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce间“断开” 。,一、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,工作状态分析：,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、三极管反相器,三极管的基本开关电路就是非门 实际应用中，为保证VI=VIL时 T可靠截止，常在输入接入负压。,参数合理？ VI=VIL时，T截止

6、，VO=VOH VI=VIH时，T截止，VO=VOL,数字集成电路,数字集成电路分为双极型、单极型和混合型。,简称IC,数字集成电路从集成度上分小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI） 。,TTL型与CMOS型。,TTL 即 Transistor-Transistor Logic,CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。,用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。,TTL电路的致命缺点是：功耗大，只能制造SSI，MSI，而无法制作LSI和V

7、LSI。 CMOS突出优点是：功耗极低，非常适合制作VLSI。随着其工艺不断进步，无论在工作速度还是驱动能力上，都已不比TTL逊色。 CMOS已经取代TTL，成为IC的主导技术 不过现有的旧设备中，有的仍在用TTL，因此了解TTL的某些知识仍有必要。,3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构 设,推拉式电路,输入级,倒相级,输出级,推拉式电路,1.输入为低电平（0.2V）时,0.9V,不足以让 T2、T5导通,T2、T5截止,1.输入为低电平（0.2V）时,vo=5vR2vbe4vD23.4V 输出高电平,N,P,2.输入为高电平（3.4V）时,电位被嵌 在2.1V,vB1=

8、VIH+VON=4.1V,发射结反偏,1V,T2、T5饱和导通,2.输入为高电平（3.4V）时,vo =VCE50.2V 输出低电平,无论输入如何，T4和T5总是一管导通而另一管截止。 这种推拉式工作方式，静态功耗低，带载能力强。,一般用T5的状态表示门的工作状态 T5截止，称门电路处于关态 （关断状态） T5导通，称门电路处于开态 （开通状态）,二、电压传输特性,电压传输特性可以反映TTL非门的几个主要电参数：, 输出高、低电平,VOH,VOL,输出高电平VOH 输出低电平VOL,关门电平(Voff)和开门电平(Von),Voff(VILmax),Von(VIHmin),在保证输出高于VOH

9、min允许的输入低电平的最大值，称为关门电平Voff (VILmax); 在保证输出低于VOLmax允许的输入高电平的最小值，称为开门电平Von (VIHmin)。,0.8V,2V,3.4V,0.3V, 输出高、低电平的最小值,输出高电平最小值VOHmin 输出低电平最大值VOLmax, 阈值电压(Vth):,转折区中点对应的输入电压称阈值电压Vth。,2.4V,0. 4V,VOH,VOL,4 噪声容限,VNH= VOHmin-VIHmin,VNL= VILmax-VOLmax,VNH= 2.4-2=0.4V,VNL= 0.8-0.4=0.4V,一、输入特性,3.5.3 TTL反相器的静态输入

10、特性和输出特性,输入端的等效电路如图所示,输入低电平电流,输入高电平电流,一、输入特性,3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,输入电流随输入电压变化的曲线输入特性曲线如图所示。,1.输入伏安特性,输入短路电流IIS(IIL),高电平输入电流IIH,注：以流入门的电流为正,2.输入负载特性,1 2 3,1.4,1, ，相当于接0, ，相当于接1,3.输入端悬空，相当于接1,数字电路中要求输入负载电阻RP RON或RP ROFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。,为了防止 干扰，一般将悬空的输入端人为接高电平。,二. 输出特性,非门输出为 高电平时：,输出电流的方向为流出（拉电流）

11、,实际工作中，受到功耗的限制，输出电流不能超过0. 4mA。,IOHmax= -0. 4mA,由于非门输出电阻的存在，输出电压随输出电流的增大而下降,拉电流： IOH,反映输出电压vO与输出电流iL的关系。规定灌入电流为正方向。拉出电流为负方向。,非门输出为 低电平时：,灌电流： IOL,输出电流的方向为流入(灌电流)，,输出电压随输出电流的增大而增大。,IOLmax=16mA,IOL(max),3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,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。,扇出系数N=,IO（驱动门）,II（负载门）,解：G1的负载电流是所有负

12、载门输入电流之和；对于低电平，由输入特性可知，当VI=0.2V时每个门的输入电流iI=-1mA。,对于高电平，由输入特性可知，每个门的输入电流为40微安。,取N=10。,当RP RON时，相当于输入端接高电平。,输入端悬空，相当于接高电平。,当RP ROFF时，相当于输入端接低电平。,适用所有的TTL门电路,例题：写出图中门电路的逻辑式:,TTL门电路的动态特性,一、传输延迟时间tpd,tpd表征门电路的开关速度,tpHL,tpLH,导通传输 时间,截止传输 时间,平均传输延迟时间 （Propagation delay),tpd =515ns,上升沿,下降沿,问：哪个长？为什么？,tpHL,t

13、pLH,平均传输延迟时间 （Propagation delay),8ns，12ns,T5管导通时工作在深度饱和状态，其从导通转换为截止（对应输出从低电平跳变为高电平）的开关时间较长，因此tpHL tpLH,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,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 输出端不能并联使用 OC门,2、OC门的结构特点,注：此时T5管存在截止的漏电流，约0.5ma,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（T

14、hree state Output Gate ,TS）,三态门的用途,1.总线结构,2.双向数据传输,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VGS下得一族曲线 。,3.3 CMOS门电路 MOS管的开关特性,一 输入特性和输出特性,漏极特性曲线（分三个区域）,截止区 恒流区 可变电阻区,截止区,恒流区,可变电阻区,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,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,T1管：P沟道增强型MOS管 T2管：N沟道增强型MOS管,N,P,

15、二、电压、电流传输特性,N,P,无论VI高低电平，T1和T2管总是一个导通一个截止的互补状态。 该电路称为互补对称式金属氧化物-半导体电路（CMOS电路） 优点：静态电流极小，功耗极小,3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性,一、输入特性,二、输出特性,二、输出特性,3.3.5 其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的门电路,1. 与非门 2.或非门,二、漏极开路的门电路（OD门）,OD门输出端截止、输出高电平时，为保证输出高电平不低于规定的数值，RL不能取值太大。,OD门输出低电平时，为保证负载电流不超过MOS管允许的最大电流，RL不能取值太小。,三、 CMOS传输门,1. 传

16、输门,2. 双向模拟开关,四、三态输出门,3.3.6 COMS电路的正确使用,一、输入电路的静电防护,（1）储存、运输COMS器件时，不使用易产生静电的材料包装。,（2）组装、调试时，使用的工具要很好的接地。,（3）不用的输入端不应悬空。,3.3.6 COMS电路的正确使用,二、输入电路的过流保护,（1）输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间传入保护电阻。,（2）输入端接有大电阻时，也应在输入端与信号源之间接入保护电阻。,（3）输入端接长线时，也应在输入端接入保护电阻。,3.3.7CMOS数字集成电路的各种系列,标准化、系列化的产品有4000系列、HC/HCT系列、AHC/AHCT系列

17、、VHC/VHCT、LVC系列、ALVC系列等。,最早的COMS集成电路是有4000系列。电压范围较宽，传输延迟时间较长，带负载能力较弱。,HC/HCT是高速COMS逻辑系列的简称。它的传输延迟时间缩短，带负载能力提高。HC系列电压范围在2-6V之间；HCT系列工作电压为单一的5V，可与TTL电路匹配。,AHC/AHCT是改进的高速COMS逻辑系列的简称。工作速度提高一倍，带负载能力提高近一倍。AHC/AHCT又能与HC/HCT系列产品兼容，为系统更新带来方便。两者的区别在工作范围电压和对输入电平的要求不同上。,与TI公司的 AHC/AHCT系列性能相近的有VHC/VHCT系列，是其他公司产品。,LVC是TI公司近年推出的低压COMS逻辑系列的简称，工作在1.65-3.3V的低压范围，传输时间也缩短至3.8ns，负载能力增强。,ALVC是改进的低压COMS逻辑系列的简称，在移动式便携电子设备上，LVC和ALVC优势明显。,一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 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,二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,电路改进