第2章邏輯門電路

1、第第3章章 邏輯門電路邏輯門電路3.5 BiCMOS3.5 BiCMOS門電路門電路3.2 3.2 基本邏輯門電路基本邏輯門電路3.3 TTL3.3 TTL集成門電路集成門電路3.4 CMOS3.4 CMOS門電路邏門電路門電路邏門電路3.1 3.1 晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性3.6 3.6 幾個問題說明幾個問題說明3.1 3.1 晶體管的開關(guān)特性及參數(shù)晶體管的開關(guān)特性及參數(shù)作用于開作用于開關(guān)器件關(guān)器件1 1 接通接通2 2 截止截止阻抗小阻抗小阻抗大阻抗大短路短路開路開路脈沖脈沖信號信號(MHz)(MHz)晶體管的開關(guān)特性即：晶體管的開關(guān)特性即：1 1與與2 2及其轉(zhuǎn)化特點(diǎn)及其轉(zhuǎn)化特點(diǎn)

2、脈沖脈沖f 很高，要求開關(guān)狀態(tài)變化很快，很高，要求開關(guān)狀態(tài)變化很快，t:sns半導(dǎo)體器件如晶體二極管、三極管和MOS管都有導(dǎo)通和截止的開關(guān)作用，器件特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性，前者指器件在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)下的特性，后者指器件在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的特性。 一、二極管的開關(guān)特性一、二極管的開關(guān)特性（1）單向?qū)щ娦裕﹩蜗驅(qū)щ娦哉驅(qū)ㄅc反向截止正向?qū)ㄅc反向截止1、特性、特性:iRLDvI（2）說明：）說明：（1）必須限制正向電流；（2）二極管導(dǎo)通時(shí)，都有一定的管壓降，這相當(dāng)于接通時(shí)有一定的電阻；（3）二極管的反向電阻并非無窮大； 2、過渡過程：、過渡過程：正通正通反止，存在反止，存在反向恢復(fù)時(shí)間反向

3、恢復(fù)時(shí)間tre，ns級級反止反止正通，正通，開通時(shí)間開通時(shí)間，比，比tre很短很短特點(diǎn)：二極管從反向截止到正向?qū)ǖ臅r(shí)間比從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟臅r(shí)間短得多，即過渡過程主要考慮反向恢復(fù)過程。 一、二極管的開關(guān)特性一、二極管的開關(guān)特性2、過渡過程：、過渡過程：tttstrevitVF-VRIFit0.1IR-IRt1iRLDvI反向過程為反向過程為: :0t，二極管導(dǎo)通，則，二極管導(dǎo)通，則LFLDFFRVRVVIt時(shí)，時(shí)，vI I突變，實(shí)際情況中，突變，實(shí)際情況中，二極管并不立即截止，而是二極管并不立即截止，而是電流由正向的電流由正向的I IF F變?yōu)橐淮蟮淖優(yōu)橐淮蟮姆聪螂娏鞣聪螂娏鱅 IR R=

4、V=VR R/R/RL L，維持時(shí)，維持時(shí)間間t ts s后，經(jīng)過后，經(jīng)過t tt t，下降到，下降到0.1I0.1IR R，此時(shí)二極管才進(jìn)入反，此時(shí)二極管才進(jìn)入反向截止?fàn)顟B(tài)。向截止?fàn)顟B(tài)。Key words:Key words:存儲時(shí)間存儲時(shí)間t ts s，渡越時(shí)間，渡越時(shí)間t tt t，反向恢復(fù)時(shí)間，反向恢復(fù)時(shí)間t trere(ns)(ns)！由于！由于t trere的存在，二極管的開關(guān)速度受到限制。的存在，二極管的開關(guān)速度受到限制。二、二、BJT的開關(guān)特性的開關(guān)特性 1 1、BJTBJT的開關(guān)作用：的開關(guān)作用：VCCiCvCEiB=0IB0IBS=IB4IB3IB2IB1ACOVCESVC

5、C /RCIB1ICSRbRc cVccTiB BvI I+ +ic c- -Vo（1 1）截止?fàn)顟B(tài)）截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)e e結(jié)和結(jié)和c c結(jié)均反偏結(jié)均反偏，iC0，iB0 VCEVCC VBE0.6v 時(shí)，T2開始導(dǎo)通，但T2的C結(jié)電阻較大，取電流很小 IIIB1在VI1.3v，T5開始導(dǎo)通，VB1被箝在2.1v左右，只要VI再增加一點(diǎn)，則T1進(jìn)入倒置工作狀態(tài)，II急劇減小，并改變方向。由于VI繼續(xù)升高，ce間的等效電阻總不可能做到無窮大，所以II還會有極微小的增加。在VIVT時(shí)II為負(fù)；在VI UT導(dǎo)通導(dǎo)通有源有源負(fù)載負(fù)載(非線性電阻非線性電阻)實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)際結(jié)

6、構(gòu)UCCuiuo一、一、MOSMOS反相器反相器工作設(shè)想T1導(dǎo)通時(shí)，T2截止，從而ID=0，使輸出低電平更低。T1截止時(shí)，T2導(dǎo)通，從而RON2較小，CL充電更快。 二、二、CMOSCMOS反相器反相器NMOS管管PMOS管管CMOS電路電路工作原理：工作原理：ui=0時(shí)：時(shí)： ugs2= UCC ， T2導(dǎo)通、導(dǎo)通、T1截止，截止，uo=“”；ui=1時(shí)：時(shí)： T1導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2截截止，止，uo=“0”。UCCST2DT1uiuoDSComplementary -Symmetry MOS互補(bǔ)對稱式互補(bǔ)對稱式MOST1 : ONT2: OFF同一電平同一電平:OFFON二、二、CMOSCMO

7、S反相器反相器電路特點(diǎn)電路特點(diǎn)（1）電路利用率高。）電路利用率高。VOL0v，VOH VCC，輸出電壓幾乎等于外加電源值，輸出電壓幾乎等于外加電源值，可以充分利用電源電壓。可以充分利用電源電壓。（2）靜態(tài)功耗小。電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，）靜態(tài)功耗小。電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，TN，TP總是一個導(dǎo)通，另一個截止，總是一個導(dǎo)通，另一個截止，靜態(tài)電流近似為零，所以靜態(tài)功耗小。靜態(tài)電流近似為零，所以靜態(tài)功耗小。（3）開關(guān)速度高。無論輸出高電平，）開關(guān)速度高。無論輸出高電平，還是低電平，負(fù)載都是通過導(dǎo)通管與還是低電平，負(fù)載都是通過導(dǎo)通管與VCC或地相連，負(fù)載電容充放電較快，或地相連，負(fù)載電容充放電較快，提高了開關(guān)速度。提

8、高了開關(guān)速度。當(dāng)當(dāng)VI由低變高時(shí)，由低變高時(shí)，T1為導(dǎo)通狀態(tài)，為為導(dǎo)通狀態(tài)，為CL放電提供了一個低阻通道。放電提供了一個低阻通道。當(dāng)當(dāng)VI由高變低時(shí)，由高變低時(shí)，T2為導(dǎo)通狀態(tài)，為為導(dǎo)通狀態(tài)，為CL充電提供了一個低阻通道。充電提供了一個低阻通道。 VCCST2DT1uiuoDS三、三、CMOSCMOS與非門與非門&ABF工作原理工作原理:+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)0 0 10 1 11 0 11 1 0A B T1 T2 T3 T4 FBAF A B T1 T2 T3 T4 F ABF工作原理工作原理:+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)0 0 10 1 0

9、 1 0 0 1 1 0 四、四、CMOSCMOS或非門或非門BAF 工作原理工作原理:1+UDDLET2T1AT3T4結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)五、五、CMOSCMOS三態(tài)門三態(tài)門EAL11001d10高阻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):六、六、CMOSCMOS傳輸門傳輸門+5V CVICVO-5VTGCC符號符號:工作原理工作原理:設(shè)被傳輸?shù)哪M信號的變化范圍為5v+5v。設(shè)控制信號：高電平VCH=+5v，低電平VCL=5v，兩管的VT均為2v。 （1）當(dāng)C端接低電平時(shí)，TN的柵壓為5v，VI在5v+5v時(shí)，TN截止，同時(shí)TP亦截止開關(guān)斷開。（2）當(dāng)C端接高電平時(shí)： 若5vVI3v VGSN8vVTN TN導(dǎo)通 VGSP2vVT

10、P TP截止 3vVI+3v VGSN2vVTN TN導(dǎo)通 VGSP2vVTP TP導(dǎo)通 +3vVI+5v VGSN2vVTN TN截止 VGSP8vVTP TP導(dǎo)通 即：在5vVI+5v的范圍內(nèi)，或者TN、TP單獨(dú)導(dǎo)通，或者它們同時(shí)導(dǎo)通，傳輸門被打開，VI順利通過傳輸門開關(guān)閉合。 2.5 BiCMOS門電路門電路雙極型雙極型CMOS一、一、BiCMOSBiCMOS反相器反相器特點(diǎn)：雙極型器件的快速度，特點(diǎn)：雙極型器件的快速度，MOSFET的低功耗的低功耗兩方兩方面的優(yōu)勢。面的優(yōu)勢。V VDDDDM MP PT T1 1M M1 1M MN NvIM M2 2vOT T2 21、電路組成、電路

11、組成vI 為高，為高， MN、M1導(dǎo)通，導(dǎo)通， MP 、M2截止，截止， T1 止，止，T2通。通。vI 為低，為低， MN 、 M1截止，截止， MP 、 M2 、導(dǎo)通，、導(dǎo)通， T2 止，止， T1通。通。 T1 ， T2 基極可經(jīng)由基極可經(jīng)由M1 、 M2放電放電 ，從而加速脫離飽和。，從而加速脫離飽和。 T1 與與VDD ，T2 與地，分別與負(fù)與地，分別與負(fù)載構(gòu)成對負(fù)載的充放電回路，從載構(gòu)成對負(fù)載的充放電回路，從而減小容性負(fù)載的滯后影響而減小容性負(fù)載的滯后影響輸入級輸入級推拉式推拉式輸出級輸出級2、工作原理、工作原理BiCMOSBiCMOS二輸入端或非門二輸入端或非門V VDDDDM

12、MPAPAT T1 1M M1A1AM MNANAvIAM M2 2vO=A+BT T2 2M MNBNBM MPBPBM M1B1BvIB同理可構(gòu)成與非門電路。同理可構(gòu)成與非門電路。( (課本課本P86P86圖圖2.6.1)2.6.1)二、二、BiCMOSBiCMOS門電路門電路ABL0001101110002.6 正負(fù)邏輯問題正負(fù)邏輯問題一、正負(fù)邏輯的規(guī)定一、正負(fù)邏輯的規(guī)定如果令如果令H=1,L=0-H=1,L=0-正邏輯體制正邏輯體制如果令如果令H=0,L=1-H=0,L=1-負(fù)邏輯體制負(fù)邏輯體制例如與非門，在這兩種邏輯體制下的真值表為例如與非門，在這兩種邏輯體制下的真值表為A B LA

13、 B LL L HL L HL H HL H HH L HH L HH H LH H LA B LA B L0 0 10 0 10 1 10 1 11 0 11 0 11 1 01 1 0A B LA B L1 1 01 1 01 0 01 0 00 1 00 1 00 0 10 0 1電平表示電平表示正正( (邏輯邏輯) )與非門與非門負(fù)負(fù)( (邏輯邏輯) )或非門或非門本書采用正邏輯本書采用正邏輯二、正負(fù)邏輯的等效變換二、正負(fù)邏輯的等效變換1 1、基本概念基本概念設(shè)設(shè) Z=ABZ=AB 兩邊同時(shí)取非兩邊同時(shí)取非2、變換原則、變換原則（1）將門電路符號的輸入端加小圓圈，表示輸入取非。）將門電

14、路符號的輸入端加小圓圈，表示輸入取非。（2）將門電路符號的輸出端加小圓圈，表示輸出取非。若）將門電路符號的輸出端加小圓圈，表示輸出取非。若該處原來已有小圓圈，則根據(jù)非該處原來已有小圓圈，則根據(jù)非非相消的原則，可把原非相消的原則，可把原有的小圓圈刪掉。有的小圓圈刪掉。（3 3）將與門符號變?yōu)榛蜷T符號或反之。）將與門符號變?yōu)榛蜷T符號或反之。 結(jié)論：一個門的輸出和所有輸入端同時(shí)取非，則正邏輯變結(jié)論：一個門的輸出和所有輸入端同時(shí)取非，則正邏輯變?yōu)樨?fù)邏輯，這個門電路對正邏輯來說實(shí)現(xiàn)的是為負(fù)邏輯，這個門電路對正邏輯來說實(shí)現(xiàn)的是“與與”邏輯，邏輯，對負(fù)邏輯來說實(shí)現(xiàn)的是對負(fù)邏輯來說實(shí)現(xiàn)的是“或或”邏輯，即正與

15、門同負(fù)或門等邏輯，即正與門同負(fù)或門等效。效。電路是一樣的，只是描述的邏輯體制不同電路是一樣的，只是描述的邏輯體制不同BAABZ第二章第二章 結(jié)束結(jié)束3.93.9邏輯門電路使用中的幾個實(shí)際問題邏輯門電路使用中的幾個實(shí)際問題3.9.1、各種門電路之間的接口問題、各種門電路之間的接口問題由于每種器件的由于每種器件的電壓電壓、電流電流參數(shù)參數(shù)不同不同，故需要接口電路。，故需要接口電路。一般需要考慮：一般需要考慮：(1)(1)驅(qū)動器件必須能對負(fù)載器件提供灌電流最大值；驅(qū)動器件必須能對負(fù)載器件提供灌電流最大值；(2)(2)驅(qū)動器件必須能對負(fù)載器件提供足夠大拉電流；驅(qū)動器件必須能對負(fù)載器件提供足夠大拉電流；

16、(3)(3)驅(qū)動器件的輸出電壓必須處在負(fù)載器件所要求的輸入電驅(qū)動器件的輸出電壓必須處在負(fù)載器件所要求的輸入電壓范圍內(nèi)，包括高、低電壓值。壓范圍內(nèi)，包括高、低電壓值。-電壓兼容性問題。電壓兼容性問題。扇出數(shù)扇出數(shù)問題問題(4)(4)其它，如：噪聲容限、輸入輸出電容、開關(guān)速度等。其它，如：噪聲容限、輸入輸出電容、開關(guān)速度等。1 1、CMOSCMOS門驅(qū)動門驅(qū)動TTLTTL門門只要電壓參數(shù)兼容，不需要另加接口，僅按電流大小計(jì)算扇只要電壓參數(shù)兼容，不需要另加接口，僅按電流大小計(jì)算扇出數(shù)即可。出數(shù)即可。例例3.9.13.9.1：74HC0074HC00與非門用來驅(qū)動一個基本的與非門用來驅(qū)動一個基本的TT

17、LTTL反相器和六反相器和六個個74LS74LS門電路。驗(yàn)算此時(shí)門電路。驗(yàn)算此時(shí)CMOSCMOS門是否過載？門是否過載？解：解：(1)(1)查技術(shù)參數(shù)手冊得查技術(shù)參數(shù)手冊得基本基本TTLTTL門電路：門電路：IIL=1.6mA六個六個74LS74LS門的輸入電流：門的輸入電流：IIL=60.4mA=2.4mA總的輸入電流：總的輸入電流：IIL(Total)=1.6mA+2.4mA=4mA(2)74HC00(2)74HC00門的門的IOH= IOL=4mA，所以未過載。，所以未過載。V VDDDDT1vI IT2R1 1iDPiDNR2 2R3 3T3 3T4 4V VCCCCCMOSCMOS門

18、驅(qū)動門驅(qū)動TTLTTL門門R1 1R2 2R3 3T1 1T2 2V VCCCCV VDDDDT4T5T3 3RP P TTL TTL門驅(qū)動門驅(qū)動CMOSCMOS門門2 2、TTLTTL門驅(qū)動門驅(qū)動CMOSCMOS門門由技術(shù)參數(shù)手冊知：由技術(shù)參數(shù)手冊知：TTLTTL輸入為低電平時(shí)，它的輸出電壓參輸入為低電平時(shí)，它的輸出電壓參數(shù)與數(shù)與CMOS HCCMOS HC的輸入電壓參數(shù)是不兼容的。如的輸入電壓參數(shù)是不兼容的。如LSTTLLSTTL的的V VOH(min)OH(min)為為2.7V2.7V，而，而HC CMOSHC CMOS的的V VIH(min)IH(min)為為3.5V3.5V。通常用上

19、拉電阻。通常用上拉電阻R RP P接接到到V VDDDD，可將，可將TTLTTL的輸出高電平升到的輸出高電平升到5V5V，上拉電阻的取值由負(fù)，上拉電阻的取值由負(fù)載器件的數(shù)目及載器件的數(shù)目及TTLTTL、CMOSCMOS的電流參數(shù)決定。此時(shí)的電流參數(shù)決定。此時(shí)R RP P的具體的具體值采用扇出數(shù)計(jì)算公式來確定。值采用扇出數(shù)計(jì)算公式來確定。由技術(shù)參數(shù)手冊，由技術(shù)參數(shù)手冊，TTLTTL門驅(qū)動門驅(qū)動CMOS HCTCMOS HCT時(shí)，由于電壓參數(shù)兼時(shí)，由于電壓參數(shù)兼容，不需要另加接口電路。容，不需要另加接口電路。常用常用CMOS HCTCMOS HCT當(dāng)作接口器件，以當(dāng)作接口器件，以免除上拉電阻。免除

20、上拉電阻。3.9.2、門電路帶負(fù)載時(shí)的接口問題、門電路帶負(fù)載時(shí)的接口問題1 1、用門電路直接驅(qū)動顯示器件、用門電路直接驅(qū)動顯示器件顯示器件顯示器件-發(fā)光二極管。電路如圖：發(fā)光二極管。電路如圖：1 11/6 74HC04LEDR輸入輸入信號信號1 1LEDR輸入輸入信號信號VCCCMOSCMOS反相器反相器74HC04 74HC04 驅(qū)動驅(qū)動LEDLED的電路的電路電路中電路中串接串接限流電阻限流電阻R R以保護(hù)以保護(hù)LEDLED(a)(a)(b)(b)圖圖a a中，中，R=(VR=(VOHOH-V-VF F)/I)/ID D圖圖b b，R=(VR=(VCCCC-V-VF F- V- VOLOL

21、)/I)/ID DV VF F為為LEDLED正向壓降正向壓降I ID D為為LEDLED的電流的電流求限流電阻求限流電阻-例例3.9.23.9.2：P75P752 2、門電路之機(jī)電性負(fù)載借口、門電路之機(jī)電性負(fù)載借口數(shù)字電路的機(jī)電控制對象：電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速、繼電器通數(shù)字電路的機(jī)電控制對象：電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速、繼電器通斷、閥門開閉、機(jī)械手的多參數(shù)控制，等等。斷、閥門開閉、機(jī)械手的多參數(shù)控制，等等。如對繼電器控制電路為：如對繼電器控制電路為：1 11/6 74HC0450輸入輸入信號信號1 11/6 74HC0450繼電器繼電器繼電器驅(qū)動電路繼電器驅(qū)動電路繼電器本身有額定電壓、電流繼電器本身有額定電

22、壓、電流參數(shù)，一般情況須用運(yùn)放以提參數(shù)，一般情況須用運(yùn)放以提升到必須的數(shù)升到必須的數(shù)- -模電壓和電流模電壓和電流值。（也可用光電開關(guān)耦合）值。（也可用光電開關(guān)耦合）對小型繼電器可將兩個反相器對小型繼電器可將兩個反相器并聯(lián)作為驅(qū)動電路，如左圖。并聯(lián)作為驅(qū)動電路，如左圖。3.9.3、門電路使用中的抗干擾措施、門電路使用中的抗干擾措施1、多余輸入端處理、多余輸入端處理原則：處理措施不可改變電路狀態(tài)，要穩(wěn)定可靠原則：處理措施不可改變電路狀態(tài)，要穩(wěn)定可靠做法：對做法：對TTLTTL與非門，多余輸入端通過上拉電阻與非門，多余輸入端通過上拉電阻(1(13K)3K)接電源正端；也可用輸入接地反相器的輸出高電位接電源正端；也可用輸入接地反相器的輸出高電位接到接到TTLTTL與非門多余輸入端。與非門多余輸入端。對對CMOSCMOS門，多余輸入端可根據(jù)需要接地（或非門），門，多余輸入端可根據(jù)需要接地（或非門），或直接接或直接接V VDDDD(