数字电子技术教学课件PPT门电路 59页

'数字电子技术（第三版）尚鸿雁制作电力电子教研室 第2章门电路1、逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路,简称门电路。2、基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。门电路分立元件门电路集成门电路双极型集成门(DTL,TTL)MOS集成门集成逻辑门中广泛使用的开关器件是：晶体管场效应管 4、获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。3、逻辑1和0：电子电路中用高、低电平来表示。10高电平低电平01高电平低电平正逻辑体制负逻辑体制高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。例如2.4V～5V范围内的电压，称为高电压；0V～0.8V范围内的电压为低电压。RVccVoViK 第2章门电路学习要点掌握各种TTL门电路和CMOS门电路的逻辑功能。理解TTL门电路的主要参数及TTL电路与CMOS电路的主要差异。了解二极管、双极型晶体管和MOS管的开关特性，了解门电路的使用常识，集电极开路门、三态门、传输门等电路及功能。 第2章门电路2.1半导体元件的开关特性2.2分立元件门电路2.3TTL集成门电路2.4CMOS集成门电路 2.1半导体元件的开关特性 2.1.1二极管的开关特性二极管符号：正极负极＋uD－Ui<0.5V时，二极管截止，iD=0。Ui>0.5V时，二极管导通。理想情况：外加正向电压导通，外加反向电压截止。相当于开关。 uououi＝0V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝4.3V。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。 2.1.2晶体管的开关特性BEC ＋－RbRc+VCCbce＋－截止状态饱和状态iB≥IBSui=UIL<0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V饱和区截止区放大区 转移特性曲线输出特性曲线GDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态uiUTuo≈02.1.3MOS管的开关特性uiuoGDSRD+VDD栅极源极漏极开启电压截止区可变电阻区恒区流 2.2分立元件门电路 2.2.1二极管与门Y=AB Y=A+B2.2.2二极管或门 ①uA＝0V时，三极管截止，iB＝0，iC＝0，输出电压uY＝VCC＝5V②uA＝5V时，三极管导通。基极电流为：iB＞IBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uY＝UCES＝0.3V。三极管临界饱和时的基极电流为：2.2.3晶体管非门(反相器)三极管非门 ①当uA＝0V时，由于uGS＝uA＝0V，小于开启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uY＝VDD＝10V。②当uA＝10V时，由于uGS＝uA＝10V，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uY≈0V。MOS三极管非门 2.3TTL集成门电路TTL（Transistor-TransistorLogic）集成门电路，输入级和输出级都采用半导体三极管，也叫晶体管－晶体管逻辑电路。 2.3.1TTL反相器1．输入级由T1、R1、D1组成，D1是保护二极管；2．中间级由T2、R2、R3组成，T2集电极输出驱动T3，发射极输出驱动T4；3．输出级由T3、T4、D和R4组成。 工作原理（1）u1=UIL=0V时，T1基极电流iB1流入发射极，因此iB2＝0，T2截止，T4也截止。T3和D将导通，uO=UOH=3.6V。iC1=iB2≈0截止截止导通导通0.7V0.7V电位升高 2）u1=UIH=3.6V时，T1倒置，iB1流入T2基极，T2饱和导通，T4饱和导通，T3和D将截止，uO=UOL≤0.3V。饱和导通饱和导通截止截止iB3≈02.1V1.4V电位很低电位很低 1.输入伏安特性输入电流和输入电压关系曲线，简称输入伏安特性。静态特性(一)输入特性 （1）uI=UIL=0V，iI=IIS=－iB1=－1.075mAIIS：输入端短路电流，即输入端对地短路时，从反相器流出来的电流。 （2）uI=UIH=3.6V，iI=IIH=βIiB1=0.0145mAIIH：输入端漏电流，输入端加高电平时，流入反相器输入端的电流。0.7V0.7V0.7V(3)uI在低电平和高电平之间时，由于电路工作情况复杂，不作分析。 2.输入端负载特性输入端电阻Ri两端的电压uI和电阻值RI之间的关系，简称输入端负载特性。信号源的内阻 （1）开门电阻Ron当Ri=∞，输入端悬空，iB1流入T2基极，T2饱和导通，T4饱和导通，反相器处于导通状态，uO=UOL≤0.3V。*要使反相器处于导通状态，uO≤0.3V，所需的Ri称为开门电阻。饱和导通饱和导通截止截止0.7V0.7V0.7V0.7V1.4V1.4V2.1V （2）关门电阻RoffRi=0，iB1全部流入T1发射极，T2、T4截止，反相器处于截止状态，uO=UOH=3.6V。只要Ri<0.7kΩ，反相器就会截止，输出为高电平，因此把0.7kΩ称为反相器电路的关门电阻，用Roff表示。总结：*Ri>Ron输入逻辑为1，反相器导通，输出为0；*Ri0.6V，uB1升高，T2开始导通，进入放大区，T4仍截止，uO随uI随的增加而线性地减小，线性区。uB1导通截止 CD段：uI接近1.4V，并继续增加，T4也开始导通，uO急剧下降，转折区。转折区中心点所对应的输入电压叫阈值电压或门槛电压，Uth用表示。uB1导通导通 DE段：uI继续增加，T2、T4均导通，T3、D均截止，uO=UOL≤0.3V，饱和区。uB1导通导通截止截止 在数字电路中，即使有噪声电压出现在输入端，叠加在输入信号的高、低电平上，只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，输出端的逻辑状态就不会受到影响。通常把这个不允许超过的界限称为噪声容限。输出高电平UOH输出低电平UOL输入高电平UIH输入低电平UIL电路噪声容限逾大，其抗干扰能力逾强。3.6V0.3V3.6V0.3V2.4V2.0V0.4V0.8V 1.IIH输入为高电平时的最大输入电流。2.IIL输入为低电平时的最大输入电流。3.IOS输出端短路电流，给出最大、最小值。4.ICCH输出为高电平时的电源电流，给出最大值和典型值。5.ICCL输出为低电平时的电源电流，给出最大值和典型值。主要参数常用的TTL反相器型号是7404和74LS04。 2.3.2TTL门电路(一)TTL与非门多发射极三极管保护二极管 A、B中只要有一个为0，Y为1；A、B只有均为1，Y才为0。 (二)TTL或非门并联构成中间级 A、B中只要有一个为1，Y为0；A、B只有均为0，Y才为1。 在TTL与非门的中间级加上一个反相器,变成与门；(三)TTL与门、或门及与或非门Y=AB=AB在TTL或非门的中间级加上一个反相器，变成或门；Y=A+B=A+B把TTL或非门的输入端换成多发射极三极管，便可得TTL与或非门。 (四)TTL异或门 集电极开路门简称OC门2.3.3TTL集电极开路门和三态门必须外接负载电阻和电源才能正常工作为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。 OC门的主要特点：可以线与连接。将多个门电路的输出端，直接用导线连接起来，实现与逻辑，称为线与。 三态门，简称TSL门特点:加上使能端及控制信号。使能端 工作原理：以使能端低电平有效电路为例011100截止截止导通uQ≤1V截止截止 以使能端高电平有效电路为例111000结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。 TSL门的应用①作多路开关：E=0时，门G1使能，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2使能，G1禁止，Y=B。②信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。③构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余TSL门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TSL门的输出。＆＆＆＆＆＆＆ ①74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝10ns，平均功耗P＝10mW。②74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝6ns，平均功耗P＝22mW。③74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝3ns，平均功耗P＝19mW。④74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝9ns，平均功耗P＝2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。2.3.4TTL系列集成电路 2.4CMOS集成门电路CMOS集成电路的许多最基本的逻辑单元都是用P沟道增强型MOS管TP和N沟道增强型MOS管TN按照互补对称形式连接起来构成的，具有电压控制、功耗极小、连接方便等一系列优点。 ①C＝0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（＋VDD）时，TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。关断电阻在109Ω以上。②C＝1、，即C端为高电平（＋VDD）、端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uo＝ui。导通电阻只有几百欧。2.4.3CMOS传输门、三态门和漏极开路门CMOS传输门 CMOSTSL门①EN=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。②EN=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。使能端 控制端有小圆圈者为低电平有效;控制端无小圆圈者为高电平有效。 CMOSOD门1输出MOS管的漏极是开路的。2可以实现线与功能。3可以用来实现逻辑电平变换。4带负载能力强。 （1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（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3～18V，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μW，中规模集成电路的功耗也不会超过100μW。（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。2.4.4CMOS集成电路的特点 谢谢 CMOSOD门TTLOC门必须外接负载电阻和电源才能正常工作 CMOSTSL门TTLTSL门结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。 CMOS传输门'