數(shù)電 門電路.ppt

第三章門電路 重點(diǎn) 門電路外部特性 輸入與輸出邏輯關(guān)系外部電氣特性 電壓傳輸特性輸入特性輸出特性 第三章門電路 3 1概述 一 門電路實現(xiàn)基本運(yùn)算 復(fù)合運(yùn)算的單元電路如與門 與非門 或門 條件開關(guān) 輸入信號滿足一定條件時 門開啟 允許信號通過 開門狀態(tài) 關(guān)門狀態(tài) 輸入信號條件不滿足 門關(guān)閉 信號通不過 門 與門 或門 非門 與非門 或非門 與或非門 異或門等 輸出和輸入之間存在著一定的邏輯關(guān)系 不同的門電路 輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系也不同 如 門電路中以高 低電平表示邏輯狀態(tài)的1 0 二 電平信號 1 電壓范圍輸入 VIH VIL輸出 VOH VOL 常用TTL器件 若MOS器件 高低電平界限不同 2 獲得高 低電平信號的方法 開關(guān)S 理想開關(guān)S 合 開 S開關(guān)可用VI信號控制 門電路中器件 二極管和三極管可作開關(guān) 負(fù)邏輯 高電平表示0 低電平表示1 高 低電平都允許有一定的變化范圍 正邏輯 高電平表示1 低電平表示0 三正 負(fù)邏輯 二極管的伏安特性 正向?qū)▍^(qū) 反向截止區(qū) 反向擊穿區(qū) 3 2半導(dǎo)體二極管門電路 3 2 1二極管的開關(guān)特性 高電平 VIH VCC低電平 VIL 0 VI VIHD截止 VO VOH VCCVI VILD導(dǎo)通 VO VOL 0 7V 二極管特性 加正向向電壓導(dǎo)通加反向電壓截止 可作開關(guān) 二極管作開關(guān)缺點(diǎn) 有0 7V壓降 硅管 有延遲 3 2 2二極管與門 設(shè)VCC 5V加到A B的VIH 3VVIL 0V二極管導(dǎo)通時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 規(guī)定3V以上為1 0 7V以下為0 與邏輯電平關(guān)系 與邏輯真值表 缺點(diǎn) 當(dāng)VIL 0 3V時 Vo 1V 無法確定高低電平 應(yīng)避免輸入與輸出差0 7v 若多級會電平偏移 3 2 3二極管或門 設(shè)VCC 5V加到A B的VIH 3VVIL 0V二極管導(dǎo)通時VDF 0 7V 2 3V 3V 3V 2 3V 0V 3V 2 3V 3V 0V 0V 0V 0V Y B A 規(guī)定2 3V以上為1 0V以下為0 二極管構(gòu)成的門電路的缺點(diǎn) 電平有偏移帶負(fù)載能力差只用于IC內(nèi)部電路 雙極型三極管的開關(guān)特性 BJT BipolarJunctionTransistor 3 5TTL門電路3 5 1半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性 二 三極管的輸入特性和輸出特性三極管的輸入特性曲線 NPN VON 開啟電壓近似認(rèn)為 VBE VONiB 0VBE VONiB的大小由外電路電壓 電阻決定 三極管的輸出特性 特性曲線分三個部分放大區(qū) 條件VCE 0 7V iB 0 iC隨iB成正比變化 iC iB 飽和區(qū) 條件VCE0 VCE很低 iC隨 iB增加變緩 趨于 飽和 截止區(qū) 條件VBE 0V iB 0 iC 0 c e間 斷開 一 雙極型三極管的基本開關(guān)電路 只要參數(shù)合理 VI VIL時 T截止 VO VOHVI VIH時 T導(dǎo)通 VO VOL 工作狀態(tài)分析 工作狀態(tài)分析 二 三極管的開關(guān)等效電路 截止?fàn)顟B(tài) 飽和導(dǎo)通狀態(tài) 三 三極管反相器 三極管的基本開關(guān)電路就是非門實際應(yīng)用中 為保證VI VIL時T可靠截止 常在輸入接入負(fù)壓 參數(shù)合理 VI VIL時 T截止 VO VOHVI VIH時 T截止 VO VOL 數(shù)字集成電路 數(shù)字集成電路分為雙極型 單極型和混合型 簡稱IC 數(shù)字集成電路從集成度上分小規(guī)模集成電路 SSI 中規(guī)模集成電路 MSI 大規(guī)模集成電路 LSI 超大規(guī)模集成電路 VLSI TTL型與CMOS型 TTL即Transistor TransistorLogic CMOS即ComplementaryMetal Oxide Semiconductor 輸入端和輸出端都用三極管的邏輯門電路 用互補(bǔ)對稱MOS管構(gòu)成的邏輯門電路 TTL電路的致命缺點(diǎn)是 功耗大 只能制造SSI MSI 而無法制作LSI和VLSI CMOS突出優(yōu)點(diǎn)是 功耗極低 非常適合制作VLSI 隨著其工藝不斷進(jìn)步 無論在工作速度還是驅(qū)動能力上 都已不比TTL遜色 CMOS已經(jīng)取代TTL 成為IC的主導(dǎo)技術(shù) 不過現(xiàn)有的舊設(shè)備中 有的仍在用TTL 因此了解TTL的某些知識仍有必要 3 5 2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一 電路結(jié)構(gòu)設(shè) 推拉式電路 輸入級 倒相級 輸出級 推拉式電路 1 輸入為低電平 0 2V 時 0 9V 不足以讓T2 T5導(dǎo)通 T2 T5截止 1 輸入為低電平 0 2V 時 vo 5 vR2 vbe4 vD2 3 4V輸出高電平 N P 2 輸入為高電平 3 4V 時 電位被嵌在2 1V vB1 VIH VON 4 1V 發(fā)射結(jié)反偏 1V T2 T5飽和導(dǎo)通 2 輸入為高電平 3 4V 時 vo VCE5 0 2V輸出低電平 無論輸入如何 T4和T5總是一管導(dǎo)通而另一管截止 這種推拉式工作方式 靜態(tài)功耗低 帶載能力強(qiáng) 一般用T5的狀態(tài)表示門的工作狀態(tài)T5截止 稱門電路處于關(guān)態(tài) 關(guān)斷狀態(tài) T5導(dǎo)通 稱門電路處于開態(tài) 開通狀態(tài) 二 電壓傳輸特性 電壓傳輸特性可以反映TTL非門的幾個主要電參數(shù) 輸出高 低電平 VOH VOL 輸出高電平VOH輸出低電平VOL 關(guān)門電平 Voff 和開門電平 Von Voff VILmax Von VIHmin 在保證輸出高于VOHmin允許的輸入低電平的最大值 稱為關(guān)門電平Voff VILmax 在保證輸出低于VOLmax允許的輸入高電平的最小值 稱為開門電平Von VIHmin 0 8V 2V 3 4V 0 3V 輸出高 低電平的最小值 輸出高電平最小值VOHmin輸出低電平最大值VOLmax 閾值電壓 Vth 轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)對應(yīng)的輸入電壓稱閾值電壓Vth 2 4V 0 4V VOH VOL 4噪聲容限 VNH VOHmin VIHmin VNL VILmax VOLmax VNH 2 4 2 0 4V VNL 0 8 0 4 0 4V 一 輸入特性 3 5 3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性 輸入端的等效電路如圖所示 輸入低電平電流 輸入高電平電流 一 輸入特性 3 5 3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性 輸入電流隨輸入電壓變化的曲線 輸入特性曲線如圖所示 1 輸入伏安特性 輸入短路電流IIS IIL 高電平輸入電流IIH 注 以流入門的電流為正 2 輸入負(fù)載特性 123 1 4 1 相當(dāng)于接0 相當(dāng)于接1 3 輸入端懸空 相當(dāng)于接1 數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻RP RON或RP ROFF 否則輸入信號將不在高低電平范圍內(nèi) 為了防止干擾 一般將懸空的輸入端人為接高電平 二 輸出特性 非門輸出為高電平時 輸出電流的方向為流出 拉電流 實際工作中 受到功耗的限制 輸出電流不能超過0 4mA IOHmax 0 4mA 由于非門輸出電阻的存在 輸出電壓隨輸出電流的增大而下降 拉電流 IOH 反映輸出電壓vO與輸出電流iL的關(guān)系 規(guī)定灌入電流為正方向 拉出電流為負(fù)方向 非門輸出為低電平時 灌電流 IOL 輸出電流的方向為流入 灌電流 輸出電壓隨輸出電流的增大而增大 IOLmax 16mA IOL max 3 5 3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性 例 扇出系數(shù) Fan out 試計算門G1能驅(qū)動多少個同樣的門電路負(fù)載 扇出系數(shù)N IO 驅(qū)動門 II 負(fù)載門 解 G1的負(fù)載電流是所有負(fù)載門輸入電流之和 對于低電平 由輸入特性可知 當(dāng)VI 0 2V時每個門的輸入電流iI 1mA 對于高電平 由輸入特性可知 每個門的輸入電流為40微安 取N 10 當(dāng)RP RON時 相當(dāng)于輸入端接高電平 輸入端懸空 相當(dāng)于接高電平 當(dāng)RP ROFF時 相當(dāng)于輸入端接低電平 適用所有的TTL門電路 例題 寫出圖中門電路的邏輯式 TTL門電路的動態(tài)特性 一 傳輸延遲時間tpd tpd表征門電路的開關(guān)速度 tpHL tpLH 導(dǎo)通傳輸時間 截止傳輸時間 平均傳輸延遲時間 Propagationdelay tpd 5 15ns 上升沿 下降沿 問 哪個長 為什么 tpHL tpLH 平均傳輸延遲時間 Propagationdelay 8ns 12ns T5管導(dǎo)通時工作在深度飽和狀態(tài) 其從導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止 對應(yīng)輸出從低電平跳變?yōu)楦唠娖?的開關(guān)時間較長 因此tpHL tpLH 3 5 5其他類型的TTL門電路 一 其他邏輯功能的門電路1 與非門 二 集電極開路的門電路 1 推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性 輸出電平不可調(diào) 負(fù)載能力不強(qiáng) 尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用OC門 2 OC門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 注 此時T5管存在截止的漏電流 約0 5ma OC門實現(xiàn)的線與 3 外接負(fù)載電阻RL的計算 3 外接負(fù)載電阻RL的計算 3 外接負(fù)載電阻RL的計算 三 三態(tài)輸出門 ThreestateOutputGate TS 三態(tài)門的用途 1 總線結(jié)構(gòu) 2 雙向數(shù)據(jù)傳輸 輸入特性 直流電流為0 看進(jìn)去有一個輸入電容CI 對動態(tài)有影響 輸出特性 iD f VDS 對應(yīng)不同的VGS下得一族曲線 3 3CMOS門電路MOS管的開關(guān)特性 一輸入特性和輸出特性 漏極特性曲線 分三個區(qū)域 截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū) 截止區(qū) 恒流區(qū) 可變電阻區(qū) 三 MOS管的基本開關(guān)電路 四 等效電路 OFF 截止?fàn)顟B(tài)ON 導(dǎo)通狀態(tài) 3 3 2CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理 一 電路結(jié)構(gòu) T1管 P溝道增強(qiáng)型MOS管T2管 N溝道增強(qiáng)型MOS管 N P 二 電壓 電流傳輸特性 N P 無論VI高低電平 T1和T2管總是一個導(dǎo)通一個截止的互補(bǔ)狀態(tài) 該電路稱為互補(bǔ)對稱式金屬氧化物 半導(dǎo)體電路 CMOS電路 優(yōu)點(diǎn) 靜態(tài)電流極小 功耗極小 3 3 3CMOS反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性 一 輸入特性 二 輸出特性 二 輸出特性 3 3 5其他類型的CMOS門電路 一 其他邏輯功能的門電路 1 與非門2 或非門 二 漏極開路的門電路 OD門 OD門輸出端截止 輸出高電平時 為保證輸出高電平不低于規(guī)定的數(shù)值 RL不能取值太大 OD門輸出低電平時 為保證負(fù)載電流不超過MOS管允許的最大電流 RL不能取值太小 三 CMOS傳輸門 1 傳輸門 2 雙向模擬開關(guān) 四 三態(tài)輸出門 3 3 6COMS電路的正確使用 一 輸入電路的靜電防護(hù) 1 儲存 運(yùn)輸COMS器件時 不使用易產(chǎn)生靜電的材料包裝 2 組裝 調(diào)試時 使用的工具要很好的接地 3 不用的輸入端不應(yīng)懸空 3 3 6COMS電路的正確使用 二 輸入電路的過流保護(hù) 1 輸入端接低內(nèi)阻信號源時 應(yīng)在輸入端與信號源之間傳入保護(hù)電阻 2 輸入端接有大電阻時 也應(yīng)在輸入端與信號源之間接入保護(hù)電阻 3 輸入端接長線時 也應(yīng)在輸入端接入保護(hù)電阻 3 3 7CMOS數(shù)字集成電路的各種系列 標(biāo)準(zhǔn)化 系列化的產(chǎn)品有4000系列 HC HCT系列 AHC AHCT系列 VHC VHCT LVC系列 ALVC系列等 最早的COMS集成電路是有4000系列 電壓范圍較寬 傳輸延遲時間較長 帶負(fù)載能力較弱 HC HCT是高速COMS邏輯系列的簡稱 它的傳輸延遲時間縮短 帶負(fù)載能力提高 HC系列電壓范圍在2 6V之間 HCT系列工作電壓為單一的5V 可與TTL電路匹配 AHC AHCT是改進(jìn)的高速COMS邏輯系列的簡稱 工作速度提高一倍 帶負(fù)載能力提高近一倍 AHC AHCT又能與HC HCT系列產(chǎn)品兼容 為系統(tǒng)更新帶來方便 兩者的區(qū)別在工作范圍電壓和對輸入電平的要求不同上 與TI公司的AHC AHCT系列性能相近的有VHC VHCT系列 是其他公司產(chǎn)品 LVC是TI公司近年推出的低壓COMS邏輯系列的簡稱 工作在1 65 3 3V的低壓范圍 傳輸時間也縮短至3 8ns 負(fù)載能力增強(qiáng) ALVC是改進(jìn)的低壓COMS邏輯系列的簡稱 在移動式便攜電子設(shè)備上 LVC和ALVC優(yōu)勢明顯 一 高速系列74H 54H High SpeedTTL 電路的改進(jìn) 1 輸出級采用復(fù)合管 減小輸出電阻Ro 2 減少各電阻值2 性能特點(diǎn)速度提高的同時功耗也增加 3 5 6TTL電路的改進(jìn)系列 二 肖特基系列74S 54S Schottky