數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)第3章PPT學(xué)習(xí)教案

1、數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)第數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)第3章章第三章 邏輯門電路3.1 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性3.3 TTL邏輯門電路3.4 MOS邏輯門電路3.2 基本邏輯門電路第1頁(yè)/共48頁(yè)3.1 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性第2頁(yè)/共48頁(yè)1、二極管的開關(guān)特性3.1 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性 + ui RL +uo D開關(guān)電路 IF 0.5 0.7 iD(mA) uD(V) 伏安特性 UBR Is + ui=0V RL +uo Dui=0V時(shí)的等效電路 + + ui=5V RL +uo D 0.7Vui=5V 時(shí)的等效電路ui0V時(shí)，二極管截止，如同開關(guān)斷開，uo0V。ui5V時(shí)，二極管導(dǎo)通，如同0.7V的電壓源，

2、uo4.3V。Ui0.5V時(shí)，二極管導(dǎo)通。iD= Is ( e q v / k T - 1 )第3頁(yè)/共48頁(yè)反向恢復(fù)時(shí)間是影響二極管開關(guān)特性的主要因素第4頁(yè)/共48頁(yè)2、三極管的開關(guān)特性3.1 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性三極管的符號(hào)及結(jié)構(gòu)圖如圖所示：三個(gè)極基極（b）、發(fā)射極（e）、集電極（c）。兩個(gè)PN結(jié)發(fā)射結(jié)、集電結(jié)。 UBE= VI - RBIBVO= UCE= VCC - RCIC第5頁(yè)/共48頁(yè)第6頁(yè)/共48頁(yè)Q2ui iB e Rb biC (mA) 直流負(fù)載線 VCC Rc 0+VCCiC uo工作原理電路輸出特性曲線80A60A40A20AiB=00 UCES VCC uCE(V)

3、0 0.5 uBE(V)輸入特性曲線iB(A)Q1Q Rc cRbRc+VCCbce截止?fàn)顟B(tài)飽和狀態(tài)iBIBSui=0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)第7頁(yè)/共48頁(yè)10kui iB eRb b+VCC=+5ViC uo Rc1k c=40ui=0.3V時(shí)，因?yàn)閡BE0.5V，iB=0，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，ic=0。因?yàn)閕c=0，所以輸出電壓：ui=1V時(shí)，三極管導(dǎo)通，基極電流：因?yàn)?iBIBS，三極管工作在飽和狀態(tài)。輸出電壓：uoUCES0.3V第8頁(yè)/共48頁(yè)三極管瞬態(tài)開關(guān)特性延遲時(shí)間上升時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間下降時(shí)間 對(duì)上升沿

4、： 三極管從截止到導(dǎo)通，稱為開通時(shí)間TON它包括： TON = Td + Tr 延遲時(shí)間TD，主要對(duì)應(yīng)位壘電容的充電過(guò)程。上升時(shí)間TR，主要對(duì)應(yīng)擴(kuò)散電容的充電過(guò)程。 對(duì)下降沿： 三極管從導(dǎo)通到截止，稱為關(guān)斷時(shí)間TOFF它包括： TOFF = TS + Tf 存儲(chǔ)時(shí)間TS，主要對(duì)應(yīng)擴(kuò)散電容的放電過(guò)程。 下降時(shí)間Tf，主要對(duì)應(yīng)位壘電容的放電過(guò)程。第9頁(yè)/共48頁(yè)一、二極管與門和或門電路1與門電路 3.2 基本邏輯門電路B+VALDD3kR（+5V）CC12&L=ABBA輸輸 入入輸出輸出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0011輸

5、入0001輸出 與邏輯真值表第10頁(yè)/共48頁(yè)輸輸 入入輸出輸出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5VLABDD3k21R1L=A+BAB0101BLA0011輸 入0111輸出 或邏輯真值表第11頁(yè)/共48頁(yè)輸輸 入入輸輸 出出VA（V）VL（V）0V5V5V0VLA01輸 入10輸 出非邏輯真值表+VALT123（+5V）bCRCCRA1AL=A1L=A第12頁(yè)/共48頁(yè)二極管與門和或門電路的缺點(diǎn)：（1）在多個(gè)門串接使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)低電平偏離標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的情況。（2）負(fù)載能力差。第13頁(yè)/共48頁(yè)解決辦法： 將二極管與門（或門）電路和三極管非門電路組合起來(lái)

6、。LBA+VD123D1kTP（+5V）1R2Rc3kCCRbDD5R14.7k4第14頁(yè)/共48頁(yè)CBAL工作原理： （1）當(dāng)A、B、C全接為高電平5V時(shí)，二極管D1D3都截止，而D4、D5和T導(dǎo)通，且T為飽和導(dǎo)通， VL=0.3V，即輸出低電平。（2）A、B、C中只要有一個(gè)為低電平0.3V時(shí)，則VP1V，從而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即輸出高電平。所以該電路滿足與非邏輯關(guān)系，即：+VLABC123DDDDD4（+5V）PR3152CC3kR4.7kR1kTc1第15頁(yè)/共48頁(yè)一、TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)及工作原理1TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)+VLABC123DDDDD4（+5

7、V）PR3152CC3kR4.7kR1kTc1C+VBA（+5V）NNNNPPPPCCRb1+V13b1（+5V）T1CRBACC第16頁(yè)/共48頁(yè)TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)+VV12312312313DTRC輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)T4Tc22R3b1BRc4Aoe211k1.6kVc2TCCVR（ +5V）e24k130第17頁(yè)/共48頁(yè)一TTL與非門的工作原理（1）輸入全為高電平3.6V時(shí)。 T2、T3飽和導(dǎo)通，V3.6V+V123D12312313Rb11K1.6k2RCC4k1（+5V）4TB飽和RRCe2TT130截止o飽和3倒置狀態(tài)c4截止c2TA實(shí)現(xiàn)了與非門的邏輯功能之一：輸入全為高電平

8、時(shí)，輸出為低電平。由于T2飽和導(dǎo)通，VC2=1V。T4和二極管D都截止。由于T3飽和導(dǎo)通，輸出電壓為： VO=VCES30.3V2.1V1.4V0.7V1V0.3V第18頁(yè)/共48頁(yè)該發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，VB1=1V。T2、T3都截止。（2）輸入有低電平0.3V 時(shí)。3.6V0.3VV+V123123123D131.6k4kTCT1k截止e2導(dǎo)通飽和4o截止T130Rb12導(dǎo)通TRRBCC3c21ARc4 實(shí)現(xiàn)了與非門的邏輯功能的另一方面： 輸入有低電平時(shí)， 輸出為高電平。忽略流過(guò)RC2的電流，VB4VCC=5V 。由于T4和D導(dǎo)通，所以： VOVCC-VBE4-VD =5-0.7-0.7=3.6（V

9、）CBAL綜合上述兩種情況，該電路滿足與非的邏輯功能，即：1V5V4.3V3.6V第19頁(yè)/共48頁(yè)1TTL與非門提高工作速度的原理（1）采用多發(fā)射極三極管加快了存儲(chǔ)電荷的消散過(guò)程。+VV0.3V3.6V12312313b14kB10.7VTiiB111kBR1.6kc2e21.4VTA1VTRCCR2oC3第20頁(yè)/共48頁(yè)+V+VVV123123DD123123（+5V）（+5V）oCC放電CCLRCTT4導(dǎo)通ToL截止c43TR導(dǎo)通3截止4截止充電導(dǎo)通c4C第21頁(yè)/共48頁(yè)2TTL與非門傳輸延遲時(shí)間tpd導(dǎo)通延遲時(shí)間tPHL從輸入波形上升沿的中點(diǎn)到輸出波形下降沿的中點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間。一般

10、TTL與非門傳輸延遲時(shí)間tpd的值為幾納秒十幾個(gè)納秒。截止延遲時(shí)間tPLH從輸入波形下降沿的中點(diǎn)到輸出波形上升沿的中點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間。2PHLPLHpdttt與非門的傳輸延遲時(shí)間tpd： tPHLtPLHVoVi第22頁(yè)/共48頁(yè)iV0.52.0V3.02.53.5(V)1.5(V)4.03.02.51.01.03.50.54.02.0o1.5三、TTL與非門的電壓傳輸特性及抗干擾能力1電壓傳輸特性曲線：Vo=f（Vi）V+V13123123D1231K21TBRCe2To3TAiV4T4kc4RRCCb11.6kR130c2ABCDEV2.4VO OH H（ m mi in n）0.4VVO

11、OL L（ m ma ax x）VO FFO NV第23頁(yè)/共48頁(yè)第24頁(yè)/共48頁(yè)（4）開門電平電壓VON是指輸出電壓下降到VOL（max）時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓。即輸入高電壓的最小值。在產(chǎn)品手冊(cè)中常稱為輸入高電平電壓，用VIH（min）表示。產(chǎn)品規(guī)定VIH（min）=2V。（5）閾值電壓Vth電壓傳輸特性的過(guò)渡區(qū)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓，即決定電路截止和導(dǎo)通的分界線，也是決定輸出高、低電壓的分界線。 近似地：Vth（VOFF+VON )/2 即ViVth，與非門關(guān)門，輸出高電平； ViVth，與非門開門，輸出低電平。 Vth又常被形象化地稱為門檻電壓。Vth的值為1.3V1.V。OH（min）3.01

12、.5B(0.6V,3.6V)DD(1.4V,0.3V)o0.4V0.5C(1.3V,2.48V)A(0V,3.6V)iVV4.00.5E(3.6V,0.3V)VVV3.52.51.5VOFFOL（max）2.4VA3.52.0(V)ONE4.02.0(V)2.51.0B1.0C3.0OH（min）3.01.5B(0.6V,3.6V)DD(1.4V,0.3V)o0.4V0.5C(1.3V,2.48V)A(0V,3.6V)iVV4.00.5E(3.6V,0.3V)VVV3.52.51.5VOFFOL（max）2.4VA3.52.0(V)ONE4.02.0(V)2.51.0B1.0C3.0第25頁(yè)/

13、共48頁(yè)TTL門電路的輸出高低電平不是一個(gè)值，而是一個(gè)范圍。高電平電壓“0”2.4V0.4V3.6V的范圍“1”0VV的范圍低電平電壓oVNHi3.6VVVG&NL12V&GoVVOL（max）OFF0.8V輸入“0”O(jiān)NOH（min）2V0V0V輸出“1”V輸出“0”V輸入“1”VoV2.4Vi3.6V0.4V同樣，它的輸入高低電平也有一個(gè)范圍，即它的輸入信號(hào)允許一定的容差，稱為噪聲容限。 由表達(dá)式可見，Voff越大，Von越?。ɑ騼烧咴浇咏┰肼暼菹拊酱螅垢蓴_能力越強(qiáng)。第26頁(yè)/共48頁(yè)第27頁(yè)/共48頁(yè)第28頁(yè)/共48頁(yè)第29頁(yè)/共48頁(yè)2、TTL與非門的輸出特性 與非

14、門處于開態(tài)時(shí)，輸出低電平，此時(shí)T4飽和，輸出電流IO從負(fù)載流進(jìn)T4，形成灌電流；當(dāng)灌電流增加時(shí)，T4飽和程度減輕，因而UO隨IO增加略有增加。T4輸出電阻約1020。 若灌電流很大，使T4脫離飽和進(jìn)入放大狀態(tài)，UO將很快增加，這是不允許的。通常為了保證UO0.35V，應(yīng)使IO25mA。 第30頁(yè)/共48頁(yè) 與非門處于關(guān)態(tài)時(shí)，輸出高電平。此時(shí)T4截止，負(fù)載電流為拉電流，從特性曲線可見，當(dāng)拉電流增加時(shí)，故UO將降低。因此，為了保證穩(wěn)定地輸出高電平，要求負(fù)載電流IO14mA，允許的最小負(fù)載電阻RL約為170。 第31頁(yè)/共48頁(yè)V+V13123123D1231K21TBRCe2To3TAiV4T4k

15、c4RRCCb11.6kR130c2 值得注意的是，在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的瞬間，由于所有管子都處于導(dǎo)通狀態(tài)，瞬間總電流很大，約32mA。因此：考慮極限電流時(shí)，不能只計(jì)算穩(wěn)態(tài)電流。 工作頻率高，轉(zhuǎn)換次數(shù)多，瞬時(shí)功耗大，散熱問題。第32頁(yè)/共48頁(yè)(mA)14151b1BCCIL RVVI五、TTL與非門的帶負(fù)載能力產(chǎn)品規(guī)定IIL1.6mA。&oV&G0G1G2Gn0.3V+V13b1B1TR1iCC4K1VILI第33頁(yè)/共48頁(yè)（a）所有輸入端均接高 T1倒置放大 ，IIH= i IB1 其中 i 為倒置放大倍數(shù)，很小，約0.05， 所以IIH很小。（IIH指流過(guò)接高輸入端的電流）

16、(b) 輸入端有高有低 因有高電平輸入，仍可與基極，集電極構(gòu)成倒置放大，所以倒置放大電流仍存在 i IB1 。 另外，高電平輸入端（作為集電極）、基極和低電平輸入端（作為發(fā)射極）構(gòu)成寄生晶體管，放大倍數(shù)為 j, j值也很小。 總之，IIH = （ I + j ） IB1 約50第34頁(yè)/共48頁(yè)ILOLOLIIN2帶負(fù)載能力 當(dāng)負(fù)載門的個(gè)數(shù)增加，灌電流增大，會(huì)使T3脫離飽和，輸出低電平升高。因此，把允許灌入輸出端的電流定義為輸出低電平電流IOL，產(chǎn)品規(guī)定IOL=16mA。由此可得出:+V+V13123123D13b1C3Rc4輸出低電平=RCCR飽和ITIL截止I4K截止IT4ILCCOLIb

17、14K3第35頁(yè)/共48頁(yè)IHOHOHIIN NOH稱為輸出高電平時(shí)的扇出系數(shù)。產(chǎn)品規(guī)定:IOH=0.4mA。由此可得出： 拉電流增大時(shí)，RC4上的壓降增大，會(huì)使輸出高電平降低。因此，把允許拉出輸出端的電流定義為輸出高電平電流IOH。+V+V1231313D123c4RCC輸出高電平I導(dǎo)通b14K4KII=RE4導(dǎo)通IHIT4T截止Rb1OHIH3CC第36頁(yè)/共48頁(yè)六、TTL與非門舉例74007400是一種典型的TTL與非門器件，內(nèi)部含有4個(gè)2輸入端與非門，共有14個(gè)引腳。引腳排列圖如圖所示。第37頁(yè)/共48頁(yè)七、 TTL門電路的其他類型1非門L+V123123D12313ATTT123R

18、e2Rc2RCCRTc4b141AL=AA=0時(shí)，T2、T3截止，T4導(dǎo)通，L=1。A=1時(shí)，T2、T3導(dǎo)通，T4截止，L=0。AL 14 13 12 11 10 9 8 74LS04 1 2 3 4 5 6 7 VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 6 反相器 74LS04 的引腳排列圖 第38頁(yè)/共48頁(yè)L+V12313123D12312313R3T1AT2AT1BT2BABTT34CCRRRR1B241AAL=A+BB1A、B中只要有一個(gè)為1，即高電平，如A1，則iB就會(huì)經(jīng)過(guò)T1集電結(jié)流入T2基極，使T2、T3飽和導(dǎo)通，輸出為低電平，即L

19、0。AB0時(shí)，iB、iB均分別流入T1A、T1B發(fā)射極，使T2A、T2B、T3均截止，T4導(dǎo)通，輸出為高電平，即L1。BAL第39頁(yè)/共48頁(yè)+VL1231231312312313DB21A1BBRCC24RTRT1B1ATTT2B2AR332A1TR41AA1和A2都為高電平（T2A導(dǎo)通）、或B1和B2都為高電平（T2B導(dǎo)通）時(shí)，T3飽和導(dǎo)通、T4截止，輸出L=0。 A1和A2不全為高電平、并且B1和B2也不全為高電平（T2A和T2B同時(shí)截止）時(shí)，T3截止、T4飽和導(dǎo)通，輸出L=1。DCBAL第40頁(yè)/共48頁(yè)與門ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B11或門AB1YY=A+B=A+B異或門AB&11YBABABABABABABABABAY)()(AB=1Y第41頁(yè)/共48頁(yè)4集電極開路門（ OC門）+V+V123123123DD1233導(dǎo)通飽和（ +5V）3CCTCCTT4R截止T截止Gc4導(dǎo)通L42截止1G為此，專門生產(chǎn)了一種可以進(jìn)行線與的門電路集電極開路門。+VL123123133RTTATB211Ke2CCRb1c21.6KR4KALB&A、B不全為1時(shí)，uB1=1V，T2、T3截止，L=1。A、B全為1時(shí)，uB1=2.1V，T2、T3飽和導(dǎo)通，L=0。BAL第42頁(yè)/共48頁(yè)（1）實(shí)現(xiàn)線與。