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文檔簡介

1、第三章 門電路,概述 分立元件門電路 TTL門電路 MOS門電路 TTL門電路與CMOS門電路 小結(jié),3.1 概述,門電路實現(xiàn)基本邏輯關(guān)系的電子電路 主要構(gòu)成 邏輯門電路的性能和特點邏輯特性、電氣特性 本章討論:內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、外部特性,3.2 分立元件門電路,分立元件的開關(guān)特性: 理想開關(guān)特性: 開關(guān)K斷開時,開關(guān)兩端的電壓為外部電壓,通過開關(guān)的電流為0,開關(guān)等效電阻為。開關(guān)閉合時,開關(guān)兩端電壓為0,開關(guān)等效電阻為0 二極管開關(guān)特性 三極管開關(guān)特性 MOS管開關(guān)特性 正負邏輯及其它 分立元件門電路 二極管與門 二極管或門 三極管反相器 DTL門電路,3.2.1 二極管開關(guān)特性,二極管符號

2、 * 二極管加正向電壓和伏安特性曲線及等效電路 如圖a所示:若VCCV0,二極管導通,二極管導通電壓VD=0.7V 硅管 (VD=0.2V 鍺管) * 二極管加反向電壓 如圖b所示:若VCC0V 二極管截止 i=0 結(jié)論二極管具有單向?qū)щ娦?正向?qū)?反向截止),圖a (加正向電壓) 圖b (加反向電壓),二極管開關(guān)特性等效電路,二極管伏安特性曲線與等效電路 三種等效電路: (a)-二極管正向?qū)▔航岛驼螂娮璨荒芎雎?(b)-二極管正向?qū)▔航挡荒芎雎院驼螂娮韬雎?(c)-二極管正向?qū)▔航岛驼螂娮瓒己雎?3.5.1 三極管開關(guān)特性,三極管符號(NPN型 和 PNP型) 三極管的工作狀態(tài)

3、 三極管的三個工作狀態(tài):截止狀態(tài)、放大狀態(tài)和飽和狀態(tài) 分析 結(jié)論:在數(shù)字電路中三極管作為開關(guān)元件主要工作在飽和狀態(tài)(“開”態(tài))和截止狀態(tài)(“關(guān)”態(tài)) 當Vi= ViL( VBE)時,T截止 VO = EC 當Vi= ViH時(且iB iBS),T飽和導通 VO = VCES0.2V,三極管工作狀態(tài)分析,三極管的工作狀態(tài) 截止狀態(tài):當輸入電壓Vi較小時,VBE0, iB 、iE、iC0,RC上無壓降。輸出電壓VCE等于VCC 放大狀態(tài):當輸入電壓Vi上升(0.7V),三極管導通,有iC= iB 、 iE = iC + iB ,在放大狀態(tài)下( iB iBS),輸出電壓VCE = VCC - iC

4、RC 飽和狀態(tài):隨著輸入電壓Vi繼續(xù)上升, iB 、iE、iC增加, VCE = VCC - iC RC減小,三極管集電極正偏。 iB iBS,輸出電壓VCE = VCES ( 0.3V 硅管),3.3.1 MOS管開關(guān)特性,MOS管結(jié)構(gòu)圖及邏輯符號 NMOS管工作原理分析 MOS管工作在截止與導通狀態(tài) 結(jié)論: VGS VTHN時,NMOS管截止,r很大 VGS VTHN 時,NMOS管導通,r較小 ( VTHN NMOS開啟電壓或閾值電壓),NMOS管工作原理,NMOS管的工作原理 分析 1.在柵_源極間加正向電壓VGS ,襯底感應(yīng)出電子,當VGS較小時,感應(yīng)的電子被襯底空穴中和, iDS

5、=0( iDS :漏_源極電流)。 稱高阻區(qū)(截止區(qū)),工作狀態(tài),2.當VGS 電子 ,產(chǎn)生電子層N溝道.當VGSVTH,在外電場VDS作用下, iDS0。 稱電阻區(qū)。NMOS為導通狀態(tài)。,3.由于iDS,沿溝道D S有壓降,當VDS VGD ,使VGD VTH 導電溝道處于斷開臨界狀態(tài), iDS 恒定。稱:恒流區(qū).,NMOS管工作狀態(tài),MOS管的工作狀態(tài) 截止狀態(tài):若VGS小于NMOS管的開啟電壓VT,則NMOS管工作在截止狀態(tài),iDS0,輸出電壓VDSVDD 稱“關(guān)態(tài)” 導通狀態(tài):若VGS大于NMOS管的開啟電壓VT,則NMOS管工作在導通狀態(tài),iDS= VDD /(RD+rDS),輸出電

6、壓VDS=rDS VDD /(RD+rDS) (當rDS RD ,則VDS0V) 稱“開態(tài)”,正負邏輯及其它,數(shù)字電路中的高電平與低電平 電路中能區(qū)分高、低電平既可使門電路導通或截止。 一般地,其取值有允許的范圍由電路特性決定。 數(shù)字電路中的正負邏輯問題 正負邏輯的定義: 設(shè)定: VL為0,VH為1正邏輯 VL為1,VH為0負邏輯 正負邏輯的描述: 正與邏輯 負或邏輯 *真值表: *表達式: *真值表: *表達式: *邏輯圖 *邏輯圖,3.2.2 二極管與門,二極管與門能實現(xiàn)與邏輯功能的電路稱為與門 二極管與門電路 分析 邏輯真值表、邏輯符號與表達式,二極管與門_原理分析,二極管與門電路 分析

7、:設(shè)輸入高電平為3V,輸入低電平為0V。VCC=5V,*當VA、VB =0V ,二極管DA、DB均導通,VY =VA +VDA =0+0.7=0.7V,*當VA =3V、VB =0V ,二極管DB導通, VY =VB +VDB =0+0.7=0.7V 結(jié)論:實現(xiàn)與關(guān)系,*當VA =0V、VB =3V ,二極管DA導通, VY =VA +VDA =0+0.7=0.7V,*當VA、VB =3V ,二極管DA、DB均導通,VY =VA +VDA =3+0.7=3.7V,3.2.3 二極管或門,二極管或門能實現(xiàn)或邏輯功能的電路稱為或門 二極管或門電路 分析 邏輯真值表、邏輯符號與表達式,二極管或門_原

8、理分析,二極管或門電路 分析:設(shè)輸入高電平為3V,輸入低電平為0V,*當VA、VB =0V ,二極管DA、DB均截止,VY =0V,*當VA =3V、VB =0V ,二極管DA導通, VY =VA -VDA =3-0.7=2.3V 結(jié)論:實現(xiàn)或關(guān)系,*當VA =0V、VB =3V ,二極管DB導通, VY =VB -VDB =3-0.7=2.3V,*當VA、VB =3V ,二極管DA、DB均導通,VY =VA -VDA =3-0.7=2.3V,三極管反相器,三極管反相器能實現(xiàn)非邏輯功能的電路稱為非門, 亦稱反相器 非門電路 分析 三極管反相器之2 邏輯真值表、邏輯表達式和邏輯符號,三極管反相器

9、_原理分析,非門電路 分析 * 輸入電壓為低電平Vi=ViL=0.3V VBVBE T管截止 有: V0 = VCC * 輸入電壓為高電平Vi=ViH=3.2V 設(shè):T導通 則:VB=VBE=0.7V IB0 T導通成立 又 有 IBIBS T飽和導通 有: VO=VCES=0.3V,三極管反相器_之2,三極管反相器之2 非門電路如圖: 分析: 輸出端加入: VQ、D 功能:使輸出高電平鉗位在: VY= VD + VQ,DTL門電路,DTL與非門 電路圖: 二極管與門+三極管反相器 實現(xiàn)邏輯功能:實現(xiàn)與非功能,DTL或非門 電路圖: 二極管或門+三極管反相器 實現(xiàn)邏輯功能:實現(xiàn)或非功能,3.5

10、 TTL門電路,TTL反相器及電氣特性 其他的TTL門電路 特殊的TTL門電路 TTL門電路的改進 其他雙極型門電路,3.5.2 TTL反相器,TTL反相器 TTL反相器的電氣特性 *傳輸特性 *輸入特性 *輸入負載特性 *輸出特性 TTL反相器的動態(tài)特性 例題(A) 例題(B),TTL反相器_電路結(jié)構(gòu),TTL反相器的結(jié)構(gòu) T1、R1構(gòu)成輸入級 T2、R2、R3為中間級(倒相級) T4、D2、T5、R4為輸出級 TTL反相器的工作原理 結(jié)論:實現(xiàn)非功能,TTL反相器的工作原理,TTL反相器的工作原理 當輸入為低電平Vi= ViL,T1導通、T2截止、T5截止,輸出通路由T4、D2構(gòu)成, VO

11、= VCC iB3 R2 -VBE3 V BE4 5-0.7-0.7V=3.6V 當輸入為高電平Vi= ViH時,T1倒置、T2導通、T5為深度飽和狀態(tài),則: VO = VOL = VCES50.2V,TTL反相器的傳輸特性,電壓傳輸特性 閾值電壓:VTH= 1.4V,典型參數(shù): 輸入低電平的最大值ViL(max) 0.8V (又稱關(guān)門電壓VOFF ) 輸入高電平的最小值ViH(min) 2.0V (又稱開門電壓VON ),閾值電壓: V TH 1.4 V,TTL反相器的靜態(tài)輸入特性,靜態(tài)輸入特性 當Vi= 0V時,有電流流出門,且最大 Ii= IIS(輸入短路電流) 當Vi= ViL ,有電

12、流流出門,當Vi Ii 當Vi VT時,有電流流入門,較小 Ii= IIH(輸入漏電流),TTL反相器的輸入負載特性,輸入負載特性,輸入負載R 當Ri ROFF關(guān)門電阻 相當于Vi= ViL 當Ri RON 開門電阻 相當于Vi= ViH (一般有 ROFF = 0.8K ,RON = 2K ),TTL反相器的輸出特性,輸出為低電平VOL: 有電流IL從T5流入門, 稱: 灌電流負載 當IL IOL VO = VOL 當IL IOL VO 上升 IOL 灌電流負載能力,輸出為高電平VOH: 有電流IL從T3、T4流出門, 稱: 拉電流負載 當IL IOH VO = VOH 當IL IOH VO

13、 下降 IOH 拉電流負載能力,TTL反相器的動態(tài)特性,平均傳輸延遲時間tPd,三極管動態(tài)開關(guān)特性,TTL反相器_舉例(A),例1:已知TTL電路如圖所示,其參數(shù):VTH=1.4V, ROFF=0.8K, RON=3K, 求 VO1? VO2? VO3? 例2:CMOS電路如上圖所示。VDD分別為5V、10V,V為3.5V,求 VO1? VO2? VO3?,TTL反相器_舉例,例3:計算G可帶多少個相同的門電路。已知門電路參數(shù):IOH/IOL=-1.0mA/20mA,IIH/IIL=50uA/-1.43mA。求G的扇出系數(shù)N。 其它,解: (1)當G1輸出高電平V0=VOH,(3)N=NH、N

14、L(min),(2)當G1輸出低電平V0=VOL,TTL反相器_舉例2,例4:如圖中所示電路,要保證 ,若在V0與地之間接RL ,RL取何值?若在VO與VE之間接RL , RL取何值? 例5:TTL門電路如圖所示。已知其參數(shù):VOH/VOL=3.6V/0.3V, IOH/IOL=-0.1mA/20mA,RC=1K,VC=10V,B=40。 要實現(xiàn) 。試確定RB的取值范圍。,3.5.5 其他類型的TTL門電路,TTL門電路 集成TTL門電路有:與門、或門、非門、與非門、或非門、 與或非門、異或門、同或門 TTL與非門 TTL或非門 TTL與或非門 TTL異或門 邏輯符號、邏輯功能、電氣特性 邏輯

15、符號、邏輯功能與前介紹同 電氣特性參考TTL反相器 常用的TTL集成門電路器件 (詳見教材敘述及相關(guān)手冊查詢),TTL與非門,TTL與非門的結(jié)構(gòu) TTL與非門的改進與特點: T1 多發(fā)射極三極管,構(gòu)成與輸入 T3、T4 達林頓結(jié)構(gòu)減低輸出阻值 T3、T4、T5 推拉式輸出提高輸出驅(qū)動能力 實現(xiàn)與非邏輯功能,TTL或非門,TTL或非門的結(jié)構(gòu) T1、R1 ;T1 、R1為相同結(jié)構(gòu) T2、T2并接發(fā)射極T5,集電極接R2構(gòu)成中間級 T2、T2任一導通,T5導通 結(jié)論:實現(xiàn)或非功能,TTL與或非門,TTL與或非門的結(jié)構(gòu) 結(jié)論:實現(xiàn)與或非功能,T1實現(xiàn)與關(guān)系(AB) T1實現(xiàn)與關(guān)系(CD),T2、T2

16、構(gòu)成或非關(guān)系與或非關(guān)系,TTL異或門,TTL異或門的電路結(jié)構(gòu) (P130 圖3.5.31) 特點: T1構(gòu)成: T2、T3、T4、T5構(gòu)成: T6、T7為: 邏輯表達式: 結(jié)論:實現(xiàn)異或功能,3.5.5 特殊的TTL門電路,集電極開路門電路(OC門) 三態(tài)門(TS門),集電極開路門電路OC門,電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號 正確使用:需外接電阻及外接電源 實現(xiàn)邏輯功能:“線與” 外接負載電阻RL的計算,集電極開路門電路OC門(計算RL),外接負載電阻RL的計算,(計算RL(max),(計算RL(min),集電極開路門電路OC門(計算RL(max),外接負載電阻RL的計算,集電極開路門電路OC門(計算RL(

17、min),外接負載電阻RL的計算,三態(tài)門,電路 典型應(yīng)用,邏輯符號,邏輯功能,三態(tài)門典型應(yīng)用,實現(xiàn)總線傳輸 在任何時候,n個三態(tài)門僅允 許其中一個控制端有效,其他 門處于高阻態(tài),被選擇有效的門將數(shù)據(jù)送上總線。,實現(xiàn)雙向傳輸 當EN=1時,數(shù)據(jù)送入總線 當EN=0時,數(shù)據(jù)由總線送出,3.5.6 TTL集成電路及改進,高速系列 電路特點:輸出級采用復合管(減小輸出電阻Ro)、減少各電阻值 優(yōu)點: 提高開關(guān)速度 有源泄放電路 電路特點:增加T6通路,為T5基極回路提供低阻泄放回路 優(yōu)點: 提高開關(guān)速度 提高抗干擾能力 抗飽和電路 電路特點:改用抗飽和三極管、帶肖特基二極管鉗位的三極管 優(yōu)點: 提高開

18、關(guān)速度,一、高速系列74H/54H (High-Speed TTL) 電路的改進 (1)輸出級采用復合管(減小輸出電阻Ro) (2)減少各電阻值 2. 性能特點 速度提高 的同時功耗也增加,3.5.6 TTL電路的改進系列 (改進指標: ),二、肖特基系列74S/54S(Schottky TTL),電路改進 采用抗飽和三極管 用有源泄放電路代替74H系列中的R3 減小電阻值 2. 性能特點 速度進一步提高,電壓傳輸特性沒有線性區(qū),功耗增大,三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS (Low-Power Schottky TTL) 四、74AS,74ALS (Advanced Low-Power

19、 Schottky TTL),3.6 其他雙極型門電路,DTL: 輸入為二極管門電路,速度低,已經(jīng)不用 HTL: 電源電壓高,Vth高,抗干擾性好,已被CMOS替代 射極耦合邏輯電路(ECL) 主要特點:電路速度快、負載能力強 缺點: 功耗大、噪聲容限低 集成注入邏輯電路(I2L) 主要特點:電路簡單,功耗低, 便于大規(guī)模集成能在低電壓、微電流下工作, 缺點: 各晶體管輸入特性不一致, 基極電路分配出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象, 噪聲容限較低,3.4 MOS門電路,電阻負載NMOS反相器 CMOS反相器及電氣特性 其它的CMOS門電路 特殊的CMOS門電路 正確使用CMOS門電路 其它的有源負載MOS門電路

20、,電阻負載NMOS反相器,電路 NMOS管驅(qū)動管 R 負載 分析 設(shè): NMOS管的開啟電壓 VTN = 4V,導通時漏電阻rDS=1K * 當輸入為低電平,VA=0V VGSVTN,T管工作在截止區(qū),輸出VL=10V * 當輸入為高電平,VA=10V VGSVTN,T管導通,輸出 VL電平為 特點,為使其輸出低電平等于0V,負載電阻RD的阻值必須很大,使集成度下降,并影響C的充放電速度。改進采取有源負載 負載能力強,功耗低,但工作速度較慢,MOS反相器的主要類型,電阻負載反相器 負載電阻 驅(qū)動MOS管 同型反相器 負載、驅(qū)動同型MOS管 E/E MOS (增強型增強型) E/D MOS (增

21、強型耗盡型) (NNMOS、PPMOS反相器) 互補對稱型反相器 負載PMOS管 驅(qū)動NMOS管,3.3.2 CMOS反相器,CMOS反相器及工作原理 電氣特性 * 電壓傳輸特性 * 電流傳輸特性 * 輸入保護電路與輸入特性 * 輸出特性 例題(A) 例題(B),CMOS反相器及工作原理,電路 組成: NMOS管T1(驅(qū)動管) PMOS管T2(負載管) 分析: 設(shè) NMOS管的開啟電壓為VTN(0);PMOS管的開啟電壓為VTP (0) 且 VDD VTN +|VTP| *當輸入為低電平, VI=0V, *當輸入為高電平, VI= VDD =10V, 特點,VGS2 =0V VTN,NMOS管

22、截止,VGS1 =0-10V VTP,PMOS管導通,輸出VOVDD=10V 輸出高電平,VGS2 =10V VTN,NMOS管導通, VGS1 =0V VTP,PMOS管截止,輸出VO=0V 輸出低電平,CMOS反相器_特點,分析: *當Vi =ViL ,NMOS管截止,PMOS管導通,輸出VOVDD =VOH *當Vi =ViH ,NMOS管導通,PMOS管截止,輸出VO=0V =VOL 特點,* 電路由NMOS和PMOS構(gòu)成互補MOS反相器 * NMOS管和PMOS管總有一個處于截止狀態(tài) (VI =VIL NMOS管截止,VI =VIH PMOS管截止) 因此靜態(tài)功耗小 * PMOS管視

23、為可變電阻,導通時R很小,截止時R很大 有源負載,CMOS反相器的電壓傳輸特性,電壓傳輸特性 閾值電壓: VTH= 1/2VDD (當TN、TP參數(shù)完全對稱時) 輸入低電平: Vi VTH Vi= ViL 輸入高電平: Vi VTH Vi= ViH,CMOS反相器的電流傳輸特性,電流傳輸特性 輸入電平ViVGSN (A段);T2 (N)管截止 iD = 0 輸入電平Vi VGSP (D段);T1 (P)管截止 iD = 0 在1/2VDD 附近,T1,T2管均導通, iD 最大 * 靜態(tài)功耗小,CMOS反相器的輸入特性,輸入保護電路 電路圖: 當Vi VDD D1導通 輸入電壓被鉗位在VDD+

24、VD 當Vi 0 D2導通 輸入電壓被鉗位在 -VD,輸入特性 在 -VD Vi VDD+ VD 有: ii = 0,CMOS反相器的輸出特性,低電平輸出特性(VOL):,高電平輸出特性(VOH),*VDD越大,灌(拉)電流負載能力越強,負載電流IL注入T2(N)管, 稱: 灌電流負載 當IL IOL 可保證 VO = VOL 當IL IOL VOL 增高 IOL 灌電流負載能力,負載電流IL從由輸出端T1(P)管流出, 稱: 拉電流負載 當IL IOH 可保證 VO = VOH 當IL IOH VOH 下降 IOH 拉電流負載能力,3.3.5 其它的CMOS門電路,CMOS與非門 電路特點

25、NMOS管串接,PMOS管并接 當兩個NMOS管均導通(A=1和B=1)輸出Y=0 實現(xiàn)邏輯功能,CMOS或非門 電路特點 NMOS管并接,PMOS管串接 當任一NMOS管導通(A=1或B=1)輸出Y=0 實現(xiàn)邏輯功能,*輸出電阻與輸出緩沖器,CMOS輸出電阻與輸出緩沖器,CMOS與非門輸出電阻分析: * 輸出電阻由輸入狀態(tài)的不同而不一致,帶輸出緩沖器的CMOS與非門,CMOS輸出緩沖器,帶輸出緩沖器的CMOS與非門 電路特點: *輸入/輸出級均為CMOS反相器,使輸入/輸出電阻一致 *實現(xiàn)邏輯功能需進行邏輯變換,3.3.5 特殊的CMOS門電路,CMOS傳輸門及模擬開關(guān) CMOS三態(tài)門(TS

26、門) CMOS漏極開路門(OD門),3.3.5 CMOS傳輸門及模擬開關(guān),電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號 組成: NMOS、PMOS并聯(lián) 源極相接輸入端VI 漏極相接輸出端VO 控制信號C為一對互為反相信號 分析 *當C=1,在0ViVDD范圍內(nèi),總有TN或TP導通 稱:傳輸門導通, VO=Vi *當C=0,在0VIVDD范圍內(nèi),TN、TP截止(VGSN0V、VGSP 0V) 稱:傳輸門截止,VO為高阻態(tài) 特點,CMOS傳輸門及模擬開關(guān)_特點,分析 * Y=A(VO=Vi) 當C=1 稱:傳輸門導通 * Y呈高阻態(tài) 當C=0 稱:傳輸門截止 特點 * 可雙向傳輸, VO VI * 可傳輸數(shù)字信號、模擬信號

27、可做模擬開關(guān)用 * 靜態(tài)功耗小、抗干擾能力強、負載能力強,但工作速度較慢,3.3.5 CMOS三態(tài)門,電路結(jié)構(gòu)與邏輯符號 組成: CMOS反相器 反相器源極接NMOSTN2 反相器漏極接PMOSTP2 分析 當 ,TN2、TP2導通,輸出 當 ,TN2、TP2均截止,Y為高阻態(tài) 特點:低電平有效的三態(tài)門 三態(tài)門的邏輯描述 (邏輯符號與TTL三態(tài)門相同),三態(tài)門的邏輯描述,邏輯符號 邏輯功能 典型應(yīng)用,3.3.5 CMOS漏極開路門電路(OD門),電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號 正確使用:需外接電阻及外接電源 實現(xiàn)邏輯功能:“線與”,3.3.6 正確使用CMOS門電路,輸入電路的靜電防護 * 在儲存和運輸CMOS器件時不要使用易產(chǎn)生靜電高壓

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