逻辑门电路基础.pptx

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1、3.1 3.1 概述概述门电路门电路：实现基本运算、复合运算的单元 电路，如:与门、与非门、或门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1和0获得高、低电平的基本原理高高/低电低电平都允平都允许有一许有一定的变定的变化范围化范围第1页/共100页正逻辑：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13.23.2半导体二极管门电路半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性（Diode）第2页/共100页VI=VIH D截止VO=VOH=VCCVI=VIL D导通VO=VOL=0.7V高电平：高电平：VIH=VCC低电平：低电平：VIL=0输入输入V VI I输出输出V Vo o二极管的开

2、关特性：二极管的开关特性：第3页/共100页二极管的开关等效电路：二极管的动态电流波形：第4页/共100页 对二极管开关电路可得下列等效电路，如图3-1-3(a)(b)(c)。内阻rD，导通压降VON忽略rD忽略rD及VON第5页/共100页设VCC=5VVIH=3V;VIL=0V二极管导通时VDF=0.6VA AB BY Y0V0V0V0V0.6V0.6V0V0V3V3V0.6V0.6V3V3V0V0V0.6V0.6V3V3V3V3V3.6V3.6VA AB BY Y0 00 00 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1规定规定2.4V以上以上为逻辑为逻辑“1”0.8V以下

3、以下为逻辑为逻辑“0”二极管与门二极管与门第6页/共100页二极管或门二极管或门A AB BY Y0V0V0V0V0V0V0V0V3V3V2.4V2.4V3V3V0V0V2.4V2.4V3V3V3V3V2.4V2.4VA AB BY Y0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 11 11 1VCC=5VVIH=3V;VIL=0V二极管导通时VDF=0.6V规定规定2.4V以上以上为逻辑为逻辑“1”规定规定0.8V以下以下为逻辑为逻辑“0”第7页/共100页3.3 TTL门电路门电路半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性 双极型三

4、极管的开关特性（BJT,Bipolar Junction Transistor）一、双极型三极管的结构一、双极型三极管的结构管芯管芯管芯管芯 +三个引出电极三个引出电极三个引出电极三个引出电极 +外壳外壳外壳外壳第8页/共100页基区薄低掺杂集电区低掺杂发射区高掺杂第9页/共100页以以NPN为例说明工作原理：为例说明工作原理：n当VCC VBBnbe 结正偏,bc结反偏ne区发射大量的电子nb区薄，只有少量的空穴nbc反偏，大量电子形成IC第10页/共100页二、三极管的输入特性和输出特性二、三极管的输入特性和输出特性VON：开启电压硅管，0.5 0.7V锗管，0.2 0.3V近似认为:VB

5、E 0.7V 以后，基本为水平直线第12页/共100页特性曲线分三个部分特性曲线分三个部分放大区：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”。仿真见NPN.EWB第13页/共100页三、双极型三极管的基本开关电路三、双极型三极管的基本开关电路当：当：VI=VIL时，T截止，VO=VOH当：当：VI=VIH时，T导通，VO=VOL第14页/共100页i）当VI VON时，三极管导通；基极电流iB 当三极管处于饱和状态时的基极饱和电流为：当三

6、极管处于饱和状态时的基极饱和电流为：为保证三极管处于饱和应使：*注意：处于饱和时小于处于线性放大区的值。等效电路：第15页/共100页图解分析法：第16页/共100页四、三极管的开关等效电路截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态第17页/共100页五、动态开关特性五、动态开关特性从二极管已知，从二极管已知，PN结存在电容结存在电容效应。效应。在饱和与截止两在饱和与截止两个状态之间转换个状态之间转换时，时，iC 的变化将的变化将滞后于滞后于VI，则，则VO的变化也滞后的变化也滞后于于VI。第18页/共100页六六 、三极管反相器、三极管反相器三极管的基本开关电路就是三极管的基本开关电路就是三极

7、管的基本开关电路就是三极管的基本开关电路就是非非非非门实际应用中，门实际应用中，门实际应用中，门实际应用中，为保证为保证为保证为保证V VI I=V=VILIL时时时时T T可靠截止，可靠截止，可靠截止，可靠截止，常在输入接入负压。常在输入接入负压。常在输入接入负压。常在输入接入负压。当：当：VI=VIL时，T截止，VO=VOH当：当：VI=VIH时，T导通，VO=VOL第19页/共100页例：计算参数设计是否合理VIH=5V VIL=0V=20；VCE(sat)=0.1VV VEEEE=-8V10K3.3K1KVcc=5V仿真见单管反相器-例.EWB第20页/共100页将发射极外接电路化为等

8、效的VB与RB电路第21页/共100页当：当：第22页/共100页又：因此，参数设计合理第23页/共100页3.4 TTL3.4 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理一、电路结构一、电路结构，设设 第24页/共100页二、电压传输特性二、电压传输特性第25页/共100页第26页/共100页第27页/共100页需要说明的几个问题：第28页/共100页三、输入噪声容限第29页/共100页反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性输入特性第30页/共100页第31页/共100页第32页/共100页输出特性第33页/共100页T5导通；导通；T4截止截止。2 2

9、）输出为低电平特性*当当iL增大时，增大时，VOL线性增大，但斜率很小，线性增大，但斜率很小，iL 16mA。第34页/共100页例：扇出系数（例：扇出系数（Fan-outFan-out），），试计算门试计算门G1G1能驱动多少个同样的门电路负载。能驱动多少个同样的门电路负载。第35页/共100页第36页/共100页第37页/共100页第38页/共100页第39页/共100页第40页/共100页一、传输延迟时间一、传输延迟时间1、现象反相器的动态特性第41页/共100页二、交流噪声容限 当输入信号为窄脉冲，当输入信号为窄脉冲，当输入信号为窄脉冲，当输入信号为窄脉冲，且接近于且接近于且接近于且接

10、近于t tpdpd时，输出变化时，输出变化时，输出变化时，输出变化跟不上，变化很小，因此跟不上，变化很小，因此跟不上，变化很小，因此跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流交流噪声容限远大于直流交流噪声容限远大于直流交流噪声容限远大于直流噪声容限噪声容限噪声容限噪声容限。（b）负脉冲 噪声容限（a）正）正脉冲 噪声容限第42页/共100页三、电源的动态尖峰电流三、电源的动态尖峰电流第43页/共100页1.两种静态下的电源负载电流不等空载条件下：两种静态下的电源负载电流不等空载条件下：*Vo=Vol时，时，T2,5导通，导通，T4截至截至*Vo=VoH时，仅时，仅T1导通，导通，第44页/共

11、100页2、动态尖峰电流第45页/共100页第46页/共100页3.53.5其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路一、其他逻辑功能的门电路1.1.与非与非与非与非门门门门第47页/共100页2.或非或非门3.与或非门与或非门第48页/共100页4.异或门第49页/共100页二、集电极开路的门电路二、集电极开路的门电路1 1、推拉式输出电路结、推拉式输出电路结、推拉式输出电路结、推拉式输出电路结构的局限性构的局限性构的局限性构的局限性 输出电平不可调输出电平不可调输出电平不可调输出电平不可调 负载能力不强，尤负载能力不强，尤负载能力不强，尤负载能力不强，尤其是高电平输出其是高电平输出其是高

12、电平输出其是高电平输出 输出端不能并联使输出端不能并联使输出端不能并联使输出端不能并联使用用用用 OCOC门门门门 第50页/共100页2.2.OC逻辑门的特点及应用逻辑门的特点及应用.由于采用另外一组供电电源VCC，且一般VCC VCC，故可以提高输出逻辑高电平的电压值。.由于采用集电极开路输出,具有较大的电流驱动能力,而且可以输出端并联进一步增加电流输出能力.构成外部逻辑”线与”.第51页/共100页3、OCOC门的结构特点门的结构特点第52页/共100页OC门实现的线与线与第53页/共100页4、外接负载电阻外接负载电阻R RL L的计算的计算第54页/共100页第55页/共100页第5

13、6页/共100页三、三态输出门三、三态输出门（Three state Output Gate,TSThree state Output Gate,TS）第57页/共100页三态门的用途三态门的用途第58页/共100页电路的改进系列电路的改进系列（改进指标：（改进指标：)一、高速系列一、高速系列一、高速系列一、高速系列74H/54H 74H/54H （High-Speed TTLHigh-Speed TTL）1.电路的改进电路的改进(1)(1)输出级采用复合管（减小输出电阻输出级采用复合管（减小输出电阻输出级采用复合管（减小输出电阻输出级采用复合管（减小输出电阻RoRo）(2)(2)减少各电阻值

14、减少各电阻值减少各电阻值减少各电阻值2.性能特点性能特点速度提高速度提高速度提高速度提高 的同时功耗也的同时功耗也的同时功耗也的同时功耗也增加增加增加增加 第59页/共100页第60页/共100页二、肖特基系列二、肖特基系列74S/54S74S/54S（Schottky TTLSchottky TTL）1.电路改进(1)采用抗饱和三极管采用抗饱和三极管(2)用有源泄放电路代替用有源泄放电路代替74H74H系列中的系列中的R3R3(3)减小电阻值减小电阻值2.性能特点 速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大功耗增大第61页/共100页第62页/共

15、100页三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-Low-Power Schottky TTLPower Schottky TTL）四、74AS,74ALS（Advanced Low-Power Advanced Low-Power Schottky TTLSchottky TTL）2.5 其他类型的双极型数字集成电路*DTLDTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTLHTL：电源电压高，电源电压高，VthVth高，抗干扰性好，已被高，抗干扰性好，已被CMOSCMOS替代替代ECLECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统非饱和逻辑，速度快，用于高

16、速系统I2LI2L：属饱和逻辑，电路简单，用于属饱和逻辑，电路简单，用于LSILSI内部电路内部电路 门电路门电路一一.MOS.MOS管的开关特性管的开关特性第63页/共100页1、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结第64页/共100页N N沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型：当加：当加+V+VDSDS时，且时，且VGS VGS(th)N D-SD-S间间形成导电沟道（形成导电沟道（N N型层型层型层型层）,V GS(th)N 0N N型型开启电压P P沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟

17、道增强型：当加：当加-V-VDSDS时，且时，且V VGS GS VVGS(th)PGS(th)P D-SD-S间形间形成导电沟道（成导电沟道（P P型层型层型层型层）,V GS(th)P 3.4V时，一般TTL输出T4截止，与OC门同样。第95页/共100页例用CMOS+电流放大（驱动）驱动TTL。第96页/共100页iB=IOH(CMOS)VOL=VCC RC(iB-nIIL)=VCC RC(IOH(CMOS)nIIL(TTL)当IOH(CMOS)=0.5mA，IIL(TTL)=-1.6mA，n=5，=50第97页/共100页作业一作业一（p150-157)p150-157)3.2;3.3;3.4;3.2;3.3;3.4;3.11;3.14;3.16;3.11;3.14;3.16;3.18;3.19 3.18;3.19 第98页/共100页作业二作业二（p150-159)p150-159)3.7;3.8;3.23;3.7;3.8;3.23;3.24;3.293.24;3.29第99页/共100页感谢您的观看！第100页/共100页