数字电路与数字逻辑 第3章_门电路.ppt

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1、第三章 逻辑门电路授课教师：孙 虹本章学习重点1.熟悉开关器件（二极管、三极管熟悉开关器件（二极管、三极管BJT）的开关的开关特性特性 【BJT：Bipolar Junction Transistor】2.掌握由分立元件构成的基本逻辑门电路掌握由分立元件构成的基本逻辑门电路 二极管二极管与门与门电路电路 二极管二极管或门或门电路电路 非门非门BJT反相器反相器本章学习重点3.TTL逻辑门电路逻辑门电路一般了解 它们的内部结构它们的内部结构重点 掌握它们的逻辑功能和外特性掌握它们的逻辑功能和外特性4.逻辑门电路的主要技术参数逻辑门电路的主要技术参数,如如:扇入扇出数、噪扇入扇出数、噪声容限等声容

2、限等5.TTL门电路中的门电路中的OC门和三态门门和三态门6.CMOS门电路与门电路与TTL门电路相比各有哪些优缺点门电路相比各有哪些优缺点7.CMOS传输门传输门第2章 逻辑门电路一一 二极管的开关特性二极管的开关特性二二 BJT的开关特性的开关特性三三 基本逻辑门电路基本逻辑门电路四四 TTL逻辑门电路逻辑门电路五五 CMOS逻辑门电路逻辑门电路返回返回一二极管的开关特性首先来看一下获得高、低电平的基本原理：当开关S断开时，输 出电压vO为高电平；当开关S接通后，输出便为低电平。以下讨论的开关S是用半导体二极管或三极管构成的。返回二极管的开关特性表现在：二极管的开关特性表现在：正向导通与反

3、向截止这样两种不同状态之间的转换过程。（一）半导体二极管相关知识（一）半导体二极管相关知识1.1.二极管的几种外形二极管的几种外形 2.二极管的几种常见结构和符号二极管的几种常见结构和符号 3.二极管的基本特性：二极管的基本特性：单向导电性4.二极管的伏安特性二极管的伏安特性v正向偏置时二极管导通反向偏置时二极管截止i为流过二极管的电流；v 为加到二极管两端的电压；vT 为温度的电压当量，常温下等于 26mV（二）二极管的开关特性（二）二极管的开关特性 当vi=0(即输入为低电平)时：D导通，输出vo0为低电平；相当于开关闭合状态当vi=VCC(即输入为高电平)时：D截止，输出voVCC为高电

4、平；相当于开关断开状态 二三极管的开关特性（一）半导体三极管的结构（一）半导体三极管的结构 （1 1）三极管的几种外形）三极管的几种外形返回（2）三极管的几种常见结构和符号）三极管的几种常见结构和符号常用双极型三极管的两种类型：（b）PNP型（a）NPN型（3）双极型三极管的特性曲线）双极型三极管的特性曲线（a）输入特性曲线 以基极b和发射极e之间的发射结作为输入回路而得该曲线。它与半导体二极管正向导通时的V-I特性曲线相同。（b）输出特性曲线 以集电极c和发射极e之间的回路作为输出回路，而得该输出曲线。2.半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性 当vi=0(即输入为低电平)时：T截止，

5、输出voVCC为高电平；相当于开关断开状态 当vi=VCC(即输入为高电平)时：T导通，输出vo0为低电平；相当于开关闭合状态三.分立元件构成的门电路1.二极管与门二极管与门返回2.二极管或门二极管或门3.三极管非门（反相器）三极管非门（反相器）四.TTL集成门电路（一）TTL反相器1.1.典型电路典型电路通常把它分成三部分：输入级（Rb1和T1）倒相级（Rc2、T2和Re2）输出级（Rc4、D和T3）返回TTLTTL反相器反相器电路电路【分析工作原理（1）】当输入为高电平，假当输入为高电平，假设设v vI I=V=VIHIH=3.6V=3.6V时：时：T1处于发射结和集电结倒置使用的放大状态

6、，而T2和T3处于饱和状态，T4和D均截止，故此时输输出出v vo o0.2V0.2V，为低电平，为低电平输出。输出。TTLTTL反相器反相器电路电路【分析工作原理（2）】_ 当输入为低电平，当输入为低电平，假设假设v vI I=V=VIHIH=0.2V=0.2V时：时：T1发射结导通，T2和T3均截止，而T4和D处于饱和状态，故此时输输出出v vo o3.6V3.6V，为高电，为高电平输出。平输出。TTLTTL反相器反相器电路电路【几点说明】v输出端属于推拉式输出级。其优点是：既能提高开关速度，又能提高带负载能力。v二极管D1的作用：为确保T3饱和导通时T4可靠地截止而串的。vTTL集成门电

7、路的某个输入端悬空，相当于输入端接1。2.TTL反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性就是 的关系曲线，如下图所示。AB段截止区BC段线性区CD段转折区DE段饱和区（二）TTL与非门电路 把TTL反相器的输入端修改为多输入端的形式，就变成了TTL与非门电路。多输入端多输入端1.1.典型电路典型电路2.2.TTLTTL与非门的技术参数与非门的技术参数（1 1）传输特性）传输特性【如前介绍】（2 2）输入和输出的高、低电压）输入和输出的高、低电压 由前面TTL反相器的传输特性上可以求得输入和输出的高、低电压的数值如下：输出高电压VOHVO(A)=3.6V输出低电压VOL=VCES=0.2V输入低

8、电压VIL=VI(B)=0.4V输入高电压VIH=VI(D)=1.2V74系列门电路的标准参数为：VON(min)2.4V；VOL(max)0.4VVIH(min)2.0V；VIL(max)0.8V（3 3）噪声容限）噪声容限 在保证高、低电平基本不变（或者说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，称为输入端噪声容限。它表示门电路的抗干扰能力。输入为高电平时的噪声容限：VNH=VOH(min)-VIH(min)输入为低电平时的噪声容限：VNL=VIL(max)-VOL(max)（三）集电极开路门（OC门：【Open Collector】）1.1.定义定义2.集电极开路是指T

9、TL与非门电路的推拉式输出级中，删去电压跟随器。2.2.电路结构及逻辑符号电路结构及逻辑符号 3.OC门的特点门的特点vOC门最显著的特点就是：可以线与线与。v所谓“线线与与”，就是将多个OC门的输出端并联（即各输出端用一根导线直接连接起来）以实现与逻辑与逻辑的功能（如右图所示）4.计算计算OC门负载电阻最大值的工作状态门负载电阻最大值的工作状态式中：VCC直流电源电压；VIH(min)负载器件VIH的最小值；IIH(total)接到上拉电阻（【Pull -up resistor】）下端的全部拉 电流负载的IIH总值。5.5.计算计算OCOC门负载电阻最小值的工作状态门负载电阻最小值的工作状态

10、式中：VCC直流电源电压；VOL(max)驱动器件VOL的最大值；IOL(max)驱动器件IOL最大值；IIL(total)接到上拉电阻下端的 全部灌电流负载的IIL总值。（四）三态输出门（TSL门：【Tristate Logic】）1.三态门的电路结构和代表符号 三态门的输出具有三种状态：高电平、低电平和高阻态（又称为禁止态）。（a）控制端高电平有效 当EN=1时，当EN=0时，Y为高阻态（b）控制端低电平有效 当 时，Y为高阻态 当 时，2.三态门的应用（1 1）用三态）用三态输出门接成总线结构输出门接成总线结构让各门的控制端处于高电平，即任意时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余的TS

11、L门均处于高阻状态，这样总线会轮流接受各TSL门的输出。（2）用三态）用三态输出门实现数据的双向传输输出门实现数据的双向传输?当EN=1时：G1工作而G2呈高阻态，数据D0经G1反相后送到总线上去；?当EN=0时：G2工作而G1呈高阻态，来自总线的数据经G2反相后由送出。五.CMOS逻辑门电路（一）CMOS反相器CMOSCMOS英文英文：Complementary-Complementary-SymmeterySymmetery Metal-Oxide-Semiconductor Circuit Metal-Oxide-Semiconductor Circuit 1.结构示意图（a）和电路图（

12、b）返回2.CMOS反相器的电压传输特性（二）CMOS传输门（TG门【Transmission Gate】）1.TG门的电路结构和逻辑符号CMOS传输门中两个传输门中两个MOS管的工作状态管的工作状态2.TG门的应用应用应用1 1：作：作CMOSCMOS双向模拟开关双向模拟开关电路结构和符号如下：（三）CMOS门电路的特点 1.CMOS电路的工作速度比TTL电路的稍低。2.CMOS带负载的能力比TTL电路强。3.CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。4.CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（

13、三）CMOS门电路的特点 5.CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。6.CMOS电路适合于特殊环境下工作。7.CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平六.使用集成电路时的注意事项 1.对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。2.数字集成电路种多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可以根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常

14、工作。六.使用集成电路时的注意事项 3.TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。第二章内容总结（1）要建立下面一些概念：v利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都独具特色的OC门、三态门（TSL门）、OD门和传输门（TG门）。v随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。vTTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。第二章内容总结（2）vCMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高，集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高。