數(shù)字電路：第3章門電路new

1、第3章 門電路 門電路：用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路 門電路 分立元件門電路 集成門電路 雙極型集成門 單極型集成門3.1晶體管的開關(guān)特性3.1.13.1.1晶體二極管開關(guān)特性晶體二極管開關(guān)特性3.1.23.1.2晶體三極管開關(guān)特性晶體三極管開關(guān)特性iDvDOiDvDVthO圖3- -1- -2 二極管伏安特性(c) 理想理想二極管開關(guān)特性二極管開關(guān)特性(d) 二極管特性折線簡化二極管特性折線簡化當二極管作為開關(guān)使用當二極管作為開關(guān)使用時，可將其伏安特性折線化。時，可將其伏安特性折線化。當正向偏置時，二極管導(dǎo)通，當正向偏置時，二極管導(dǎo)通，壓降為壓降為Vth值，相當于開關(guān)值，相當于開關(guān)閉合；當反向

2、偏置時，二極閉合；當反向偏置時，二極管截止，流過的電流為反向管截止，流過的電流為反向飽和電流，非常小，相當于飽和電流，非常小，相當于開關(guān)斷開。開關(guān)斷開。結(jié)論：結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)情況下，二極管開關(guān)特性與理想開關(guān)存在一在穩(wěn)態(tài)情況下，二極管開關(guān)特性與理想開關(guān)存在一定差異。主要表現(xiàn)為，正向?qū)〞r，相當于開關(guān)閉合，但兩端定差異。主要表現(xiàn)為，正向?qū)〞r，相當于開關(guān)閉合，但兩端仍有電位降落；反向截止時，相當于開關(guān)斷開，存在反向電流。仍有電位降落；反向截止時，相當于開關(guān)斷開，存在反向電流。此外，二極管的此外，二極管的Vth和和IS都與溫度有關(guān)。都與溫度有關(guān)。通常硅二極管的通常硅二極管的Vth值取值取0.7V，鍺二極

3、管取，鍺二極管取0.3V。R4VCCT4T3D4R2T2R3T1AR1Y圖3-2-2 CT54/74系列與非門 k4 .6k1 k1 0313.2.13.2.1晶體管晶體管邏輯門電路（晶體管晶體管邏輯門電路（TTL）TTL非非門由三部分組成：門由三部分組成：晶體管晶體管T1和電阻和電阻R1構(gòu)成電路構(gòu)成電路的的輸入級輸入級；T2和電阻和電阻R2、R3組成組成中間級中間級，從，從T2的集電結(jié)的集電結(jié)和發(fā)射極同時輸出兩個相位和發(fā)射極同時輸出兩個相位相反的信號，作為相反的信號，作為T3和和T4輸輸出級的驅(qū)動信號；出級的驅(qū)動信號；T3、D4、T4和和R4構(gòu)成推拉式的構(gòu)成推拉式的輸出級輸出級?；竟ぷ髑闆r

4、基本工作情況R4VCCT4T3D4R2T2R3T1AR1Y圖3-2-2 CT54/74系列與非門 k4 .6k1 k1 031當 輸 入 信 號當 輸 入 信 號 A 為為 低 電 平低 電 平(0.3V)時，時，T1的基極電位約為的基極電位約為1V，因此，因此T2和和T4均不會導(dǎo)通。均不會導(dǎo)通。VCC經(jīng)經(jīng)R2驅(qū)動驅(qū)動T3和和D4，使之處于，使之處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此輸出電壓導(dǎo)通狀態(tài)。因此輸出電壓vO為：為：D4BE32B3CCOvvRiVv 由于基流由于基流iB3很小，可忽略很小，可忽略不計，則不計，則3.6VV7 . 0V7 . 0V5D4BE3CCO vvVv即輸出為即輸出為高電平高電平，稱

5、電路處于，稱電路處于關(guān)態(tài)關(guān)態(tài)。R4VCCT4T3D4R2T2R3T1CR1Y圖3-2-2 CT54/74系列與非門 k4 .6k1 k1 031當 輸 入 信 號當 輸 入 信 號 A 為為 高 電 平高 電 平(3.6V)時，時，T1的基極電位升高，的基極電位升高，足以使足以使T1集電結(jié)、集電結(jié)、T2和和T4的發(fā)的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。射結(jié)導(dǎo)通。 T2的集電結(jié)電位約的集電結(jié)電位約為為1V，不能驅(qū)動，不能驅(qū)動T3和和D4，使之，使之處于截止狀態(tài)。輸出電壓為：處于截止狀態(tài)。輸出電壓為：V3 . 0CE(sat)4OLO VVv即輸出為即輸出為低電平低電平，稱電路，稱電路處于處于開態(tài)開態(tài)。由此可見，電路具有

6、。由此可見，電路具有非非門門的邏輯功能。的邏輯功能。T1T2T3D4T4輸出高電平（關(guān)態(tài)）輸出高電平（關(guān)態(tài)）飽和飽和截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止輸出低電平（開態(tài)）輸出低電平（開態(tài)）倒置工作倒置工作飽和飽和截止截止截止截止飽和飽和表3-2-1 TTL門電路各晶體管工作狀態(tài)vI/ /V3210123avO/ /VbcdeVth圖3-2-3 電壓傳輸特性3.2.23.2.2TTL非非門的主要外部特性門的主要外部特性電壓傳輸特性電壓傳輸特性ab段段：對應(yīng)：對應(yīng)vI1.3V，T4開始導(dǎo)通。當開始導(dǎo)通。當vI增加時，輸出電壓增加時，輸出電壓急劇下降，急劇下降，T3和和D4趨向截止，趨向截止，T4趨向飽

7、和，電路狀態(tài)由關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)趨向飽和，電路狀態(tài)由關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)換為開態(tài)。這一段稱為換為開態(tài)。這一段稱為轉(zhuǎn)折區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)。vI/ /V3210123avO/ /VbcdeVth圖3-2-3 電壓傳輸特性de段段：隨著：隨著vI增加，增加，T1進入倒置工作狀態(tài)，進入倒置工作狀態(tài)，T3、D4進入截止，進入截止， T4進入飽和，進入飽和，輸出低電平近似為輸出低電平近似為0.3V，電路進入穩(wěn)定的開態(tài)。這電路進入穩(wěn)定的開態(tài)。這一段稱為一段稱為飽和區(qū)飽和區(qū)。 1、輸入電壓與輸出電壓 2、抗干容限 3、功耗 4、輸入電流與輸出電流 5、負載能力（扇出系數(shù)） 6、工作速度3.2.23.2.2門電路的門電路的主要技術(shù)指標主要技術(shù)指標

8、R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y圖3-2-2 CT54/74系列與非門 k4 .6k1 k1 031VCCYABC3.2.3 TTL3.2.3 TTL與非門電路與非門電路BAY圖3-2-15 非門的線與連接圖示電路為兩個非門的輸出端直圖示電路為兩個非門的輸出端直接連接的情況。其輸出與輸入間的關(guān)接連接的情況。其輸出與輸入間的關(guān)系為系為BAY 兩個邏輯門輸出端相連，可以實現(xiàn)兩兩個邏輯門輸出端相連，可以實現(xiàn)兩輸出相輸出相與與的功能，稱為的功能，稱為線與線與。在用門電路組合各種邏輯電路時，在用門電路組合各種邏輯電路時，如果能將輸出端直接并接，有時能大如果能將輸出端直接并接，有時能大大

9、簡化電路。大簡化電路。前面介紹的推拉式輸出結(jié)構(gòu)的前面介紹的推拉式輸出結(jié)構(gòu)的TTL門電路是不能將兩個門門電路是不能將兩個門的輸出端直接并接的。的輸出端直接并接的。3.2.43.2.4集電極開路的集電極開路的TTL與非門（與非門（OC門）門）圖3-2-16 兩個與非門輸出 直接相連接的情況VCCT4T3D4Y1VCCT4T3D4Y2T2VOHVOL如圖如圖3-2-16所示的連接中，所示的連接中，如果如果Y1 1輸出為高電平，輸出為高電平，Y2 2輸出輸出為低電平，由于推拉式輸出級為低電平，由于推拉式輸出級總是呈現(xiàn)低阻抗，因此將會有總是呈現(xiàn)低阻抗，因此將會有一個很大的負載電流流過兩個一個很大的負載電

10、流流過兩個輸出級，該電流遠遠超過正常輸出級，該電流遠遠超過正常工作電流，甚至會損壞門電路。工作電流，甚至會損壞門電路。為了使為了使TTL門能夠?qū)崿F(xiàn)線門能夠?qū)崿F(xiàn)線與與，把輸出級改為集電極開路，把輸出級改為集電極開路的結(jié)構(gòu)，簡稱的結(jié)構(gòu)，簡稱OC門門。圖3-2-17 集電極開路的與非門 及其邏輯符號VCCT4YBAT1T2YBA&(a)(b)圖圖3-2-18表示了表示了n個個OC門并聯(lián)使用的情況，其輸出門并聯(lián)使用的情況，其輸出IJCDABIJCDABY OC門電路取消了典型門電路取消了典型TTL門電路中門電路中T3、D4的輸出的輸出電路，在使用時外接一個電電路，在使用時外接一個電阻阻RL和外

11、接電源和外接電源V。只要電阻只要電阻RL和電源和電源V的數(shù)的數(shù)值選擇恰當，就能保證輸出值選擇恰當，就能保證輸出的高、低電平符合要求，輸?shù)母?、低電平符合要求，輸出三極管出三極管T4的負載電流又不的負載電流又不過大。過大。圖3-2-18 n個OC門并聯(lián)使用YBA&DC&JI&VCCRLnVCCT4T3D4T2Y圖3-2-19 三態(tài)門電路及邏輯符號T111DPG1G2ABENENA&BENA&BYY(a)(c)(b)三態(tài)門是在普通門電路基礎(chǔ)上，增加控制端和控制電路構(gòu)三態(tài)門是在普通門電路基礎(chǔ)上，增加控制端和控制電路構(gòu)成的。成的。若若EN為有效電平，三態(tài)門與普通門

12、電路一致；否則，輸出為有效電平，三態(tài)門與普通門電路一致；否則，輸出呈現(xiàn)呈現(xiàn)高阻高阻抗狀態(tài)，輸入與輸出之間相當于斷開?？範顟B(tài)，輸入與輸出之間相當于斷開。高電平有效高電平有效低電平有效低電平有效3.2.5三態(tài)輸出門（三態(tài)門）三態(tài)輸出門（三態(tài)門）圖3-2-20 三態(tài)門接成總線結(jié)構(gòu)B1EN1&A1B2EN2&A2BnENn&An三態(tài)門實現(xiàn)總線結(jié)構(gòu)三態(tài)門實現(xiàn)總線結(jié)構(gòu)輪流定時地使各個輪流定時地使各個EN端為端為1，可把各門的輸出信號輪流傳，可把各門的輸出信號輪流傳送到總線上。送到總線上。圖3-2-21 用三態(tài)門實現(xiàn) 數(shù)據(jù)雙向傳輸11DODIEN總總 線線DO /DIG1G2三態(tài)門實

13、現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸三態(tài)門實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸門門G1和和G2為三態(tài)反相器，為三態(tài)反相器，改變控制端改變控制端EN的輸入電平，即的輸入電平，即可控制數(shù)據(jù)的傳輸方向?？煽刂茢?shù)據(jù)的傳輸方向。圖3- -3- -1 CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vI3.3.13.3.1CMOS反相器工作原理反相器工作原理CMOS反相器由一個反相器由一個P溝道增強型溝道增強型MOS管和一個管和一個N溝道增強溝道增強型型MOS管串聯(lián)組成。通常管串聯(lián)組成。通常P溝道管作為負載管，溝道管作為負載管，N溝道管作為輸溝道管作為輸入管。入管。兩個兩個MOS管的開啟電壓管的開啟電壓VGS(th)P0，通常為了保證正常工作，要，通

14、常為了保證正常工作，要求求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。若輸入若輸入vI為低電平為低電平(如如0V)，則負載，則負載管導(dǎo)通，輸入管截止，輸出電壓接近管導(dǎo)通，輸入管截止，輸出電壓接近VDD。若輸入若輸入vI為高電平為高電平(如如VDD)，則輸入管導(dǎo)通，負載管截止，則輸入管導(dǎo)通，負載管截止，輸出電壓接近輸出電壓接近0V。YVDDT1BTP圖3- -3- -10 CMOS與非門TPATNTNT4T3T2YVDDT1B圖3- -3- -11 CMOS或非門AT4T3T23.3.23.3.2其它其它CMOS邏輯門電路邏輯門電路CMOS與非與非門、門、或非或非門門當輸入信號為當輸入信號為0時，與之相連的時，與之相連的N溝道溝道MOS管截止，管截止，P溝道溝道MOS管導(dǎo)通；反之則管導(dǎo)通；反之則N溝道溝道MOS管導(dǎo)通，管導(dǎo)通，P溝道溝道MOS管截止。管截止。TNTNT4TPTPTP圖3- -3- -8 CMOS傳輸門及其邏輯符號VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIvI/vOCTN3.3.33.3