數(shù)字電路1課件2018第3章學(xué)生版

1、第三章門電路基本邏輯門電路TTL 集成邏輯門電路CMOS 集成邏輯門電路3.1概論門電路：實(shí)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 ······門電路中以高、低電平表示邏輯狀態(tài)的1、0。由門電路種類等決定高電平和低電平的含義高電平和低電平為某規(guī)定范圍的電位值，而非一固定值。01高電平高電平低電平低電平10 負(fù)邏輯體制 正邏輯體制 3.2半導(dǎo)體二極管門電路3.2.1 二極管的開關(guān)特性為低電平 VIL時，當(dāng)二極管反向截止。為高電平 VIH時，二當(dāng)極向?qū)ā?R可以不要嗎？ 二極管的伏安特性3.2.2二極管與門設(shè)VCC = 5

2、V，加到A、B端VIH=3V，VIL=0V二極管導(dǎo)通時 VD=0.7V規(guī)定3V以上為10.7V以下為0ABY000010100111ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.2.3二極管或門設(shè)VCC = 5V，加到A、B端VIH=3V，VIL=0V二極管導(dǎo)通時VD=0.7V規(guī)定2.3V以上為10V以下為0ABY000011101111ABY0V0V0 V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V二極管門電路的缺點(diǎn)1. 電平有偏移2. 帶負(fù)載能力差只用于IC內(nèi)部電路3.4TTL 集成邏輯門主要要求：了解 三極管的開關(guān)特性。掌握 TTL 基本門的邏輯功能和主要

3、外特性。了解其他類型TTL門電路的邏輯功能和應(yīng)用。三極管為什么能用作開關(guān)？3.4.1三極管的開關(guān)特性怎樣它的開和關(guān)？臨界飽和線iC放大區(qū)TMSIB飽和區(qū)直流負(fù)載線Q+截止區(qū)vBEvI=VILAI 0-BvCEOVCE(sat)N三極管截止?fàn)顟B(tài)等效電路當(dāng)為低電平，使vBE < VON時，三極管截止。v< Vi » 0，i» 0，C、E 間相當(dāng)ONBEBC于開關(guān)斷開。臨界飽和線iC放大區(qū)TMIC(sat)飽和區(qū)OSIBSQ截止區(qū)AIB0VCE(sat)vCENvI 增大使 vBE > VON時，三極管開始導(dǎo)通，iB > 0，三極管工作于放大導(dǎo)通狀態(tài)。臨界

4、飽和線iC放大區(qū)TM ICSSIBSQ+vBE-截止區(qū)v =VIIHAOVCE(sat)vCEN 三極管飽和時VBE等于多少？三極管 飽和狀態(tài)等效電路當(dāng)為高電平，使iB IBS 時，三極管飽和。vCE » VCE(sat) » 0.3 V » 0， C、E 間相當(dāng)于開關(guān)合上。從邏輯關(guān)系上考慮，三極管相當(dāng)于一個什么門？飽和區(qū)三極管工作于開關(guān)狀態(tài)的條件截止條件飽和條件可靠截止條件為 vBE 0i愈大于 I，BBS則飽和愈深。由于VCE(Sat) » 0，因此飽和后 iC 基本上為恒值，VCC -VCE(sat)Vi» I=»CCCCSRC

5、RCI= ICS» VCCBSbb RCiB IBSvBE VON3.4.2 TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)設(shè)：VCCVIHVIL PN= 5V= 3.4V= 0.2V結(jié)導(dǎo)通壓降VON= 0.7V V= V= 0.2V(A = 0)(Y = 1)IIL VO = VOH VI= VI H = 3.4V ( A = 1)VO = VOL(Y = 0) 二極管D1和D2的作用？推拉式輸出電路二、電壓傳輸特性性截止區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)閾值電壓VTHTTL非門電壓傳輸特性曲線線性區(qū)是長些好還是短些好？三、輸入端噪聲容限輸入信號上疊加的噪聲電壓只要不超過值，就不會影響電路的正常邏輯功能

6、，這個值稱為噪聲容限。輸入低電平噪聲容限 VNLVNL = VIL(max) - VOL(max)輸入高電平噪聲容限 VNHVNH = VOH(min) -VI H(min)噪聲容限越大，能力越強(qiáng)。74系列門電路VNH=VNL=0.4V噪聲容限大好還是小好？3.4.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性輸入短路電流一、輸入特性 當(dāng)vI=VIL=0時= - VCC - vBE11.輸入伏安特性» -1mAi = IIILR1 當(dāng)vI=VIH=3.4V時- vB1= VCC» 0.01mA輸入漏電流i= IIIHR1 » 0輸入端等效電路TTL反相器的輸入特性TTL

7、 電路輸入端懸空時相當(dāng)于輸入什么電平？2.輸入負(fù)載特性vI /V1.4VOFF0RONRP/kWROFF輸入負(fù)載特性曲線輸入負(fù)載特性測試電路RPv =- v(V)iCCBE1R+ R1PRP > RON 時，相應(yīng)輸入端相當(dāng)于輸入高電平。對TTL 系列，RON » 2.5 kW。RP < ROFF 時，相應(yīng)輸入端相當(dāng)于輸入低電平。對 TTL 系列，ROFF » 700 W。NF二、輸出特性1.高電平輸出特性高電平輸出等效電路高電平輸出特性TTL系列規(guī)定輸出高電，最大負(fù)載電流不超過0.4mA。2.低電平輸出特性低電平輸出等效電路低電平輸出特性3.4.4 其他類型的T

8、TL門電路一、其他邏輯功能的門電路1.與非門AB與結(jié)構(gòu)( AB)' 推拉式輸出結(jié)構(gòu)=2.或非門(A + B)'A+ B= (A + B)'或非結(jié)構(gòu) 這是什么門？ 3.與或非門AB+CDABAB+CDCD 這是什么門？4.異或門A+B+ABABA+BA + BBA二、集電極開路的門電路（OC門）即 Open collector gate，簡稱 OC 門。YOC門可以實(shí)現(xiàn)線與因?yàn)閅1、 Y2有一個低，Y即為低，只有兩者同高，Y才為高，所以Y = Y1Y2 = (AB)(CD) = (AB + CD)需外接上拉電阻三、三態(tài)輸出門輸出有三個狀態(tài)： VOL ,VOH，高阻 (Z)

9、(1) EN = 0, P = 1, D截止，為“工作狀態(tài)” 、 Y = (AB)(2) EN = 1, P = 0, D導(dǎo)通，為“高阻狀態(tài)” 、 Y = Z三態(tài)門的用途VCC懸空與與非門的多余輸入端接邏輯 1 或者與有用輸入端并接。邏輯門多余輸入端的處理或非門的多余輸入端接邏輯 0或或者與有用輸入端并接例欲用下列電路實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算，試改錯。(ROFF » 700 W，RON » 2.1 kW)RCVCCVCC5.1kVCC題 3.8作業(yè)3.2、 3.3、3.83.14（3.11）3.3 CMOS 門電路主要要求：掌握 CMOS 反相器的電路、工作原理和主要外特性。掌握 CMO

10、S 與非門、或非門、開路門、三態(tài)傳輸門的電路和邏輯功能。了解 CMOS 數(shù)字集成電路的應(yīng)用要點(diǎn)。3.3.1MOS管的開關(guān)特性一、MOS管的結(jié)構(gòu)氧化物層半導(dǎo)體層PN結(jié)源極S (Source) 、柵極G (Gate)漏極D (Drain) 、襯底B (Substrate)以N溝道增強(qiáng)型為例：以N溝道增強(qiáng)型為例：當(dāng)VGS=0時，D-S間是兩個背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0當(dāng)VGS>0時，且足夠大至VGS >VGS (th), D-S間形成導(dǎo)電溝道（N型層）開啟電壓二、輸入特性和輸出特性輸入特性：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V

11、GS下得一族曲線 。輸出特性曲線（分三個區(qū)域）截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)：VGS<VGS(th)，iD = 0,ROFF > 109恒流區(qū)： iD 基本上由VGS決定，與VDS 關(guān)系不大VGSi= I-1 )2(DDSVGS(th)2>>VµV當(dāng)V時，iGSGS(th)DGS可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS 較低（近似為0），VGS 一定時，這個電阻受VGS、可變。iD »常數(shù)（電阻）VDS三、MOS管的基本開關(guān)電路當(dāng)VI =VIL <VGS (th)®T截止®VO=VOH»VDD當(dāng)VI =VIH >VGS (th)&

12、#174;T導(dǎo)通®VO=VOL» 0所以 MOS管D -S間相當(dāng)于一個受 VI的開關(guān)。四、等效電路為什么等效為電容OFF ，截止?fàn)顟B(tài)ON，導(dǎo)通狀態(tài)五、MOS管的四種類型增強(qiáng)型大量正離子耗盡型導(dǎo)電溝道3.3.2 CMOS反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理 當(dāng)VIL = 0 時， 增強(qiáng)型 PMOS 管(負(fù)V載管»)VVDDTOHDDPiD 當(dāng)VIH = VDD時， 互補(bǔ)vOvI» 0對稱結(jié)VO構(gòu)L增強(qiáng)型 NMOS 管(驅(qū)動管)TN要求VDD > VGS(th)N +VGS(th)P且 VGS(th)N =VGS(th)PVDDTPiDvOvITN無論輸入高低，P

13、 中總有一管截止，使靜態(tài)漏極電流 iD » 0， 因此 CMOS 反相器靜態(tài)功耗極微小?？梢娫撾娐稢MOS 非門， 又稱 CMOS 反相器。3.3.5 其他類型的CMOS門電路一、其他邏輯功能的門電路2. 或非門1. 與非門帶緩沖級的CMOS門電路與非門存在的缺點(diǎn)：(1) :輸出電阻RO受輸入狀態(tài)影響A = 1, B = 1則RO = RON2 + RON4 = 2RON= 1 RONA = 0, B = 0則RO = RON1/RON3A = 0, B = 1則RO = RON1 = RONA = 1, B = 0則RO = RON3 = RON2(2)輸出的高低電平受輸入端數(shù)目的

14、影響輸入端越多， VOL越高，VOH也更高解決方法或非門+緩沖器Þ與非門二、漏極開路的門電路（OD門）OD門的使用1.可將輸出并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)線與或用作電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動器外接 RL ,V D¢D (V D¢D可以不等于V DD )2.使用時三、 CMOS傳輸門及雙向模擬開關(guān)1. 傳輸門設(shè)RL >> RON ,VIH(1) 當(dāng)C = 0,C' = 1=VDD ,VIL = 0則只要VI = 0 VDD ,則T1、 T2均截止, 相當(dāng)于斷開(2)當(dāng)C = 1, C¢ = 0V I = 0 V DD時0 <V IT1導(dǎo)通<V DD -

15、VGS(th)N ,VGS(th)P<V I <V DD ,T2導(dǎo)通所以V I在0 V DD , T1和T2至少一個導(dǎo)通,V I -VO之間為低電阻.2. 雙向模擬開關(guān)四、三態(tài)輸出門EN ¢ = 0時，Y = A¢EN ¢ = 1時，Y = Z( 高阻 )CMOS電路邏輯功能的分析CMOS電路邏輯功能的分析CMOS電路邏輯功能的分析A'( A'B'C')'A'B'C' = ( A+ B + C )'B'C'3.3.6CMOS 集成邏輯門使用要點(diǎn)不懸空。與或與非門的閑置輸入端可接正電源或高電平；或非門的閑置輸入端可接地或低電平。3.輸入電路要有保護(hù)2.閑置輸入端的處理1.注意不同系列 CMOS 電路的電源電壓范圍不同， 一般多用 + 5 V。電源電壓越高，能力也越強(qiáng)。CMOS 門