門電路知識介紹課件

1、第二章 門電路2.1 概述 門電路：用來實現(xiàn)基本邏輯運算和復(fù)合邏輯運算的單元電路,如與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門。 用高低電平分別表示二值邏輯的1和0兩種邏輯狀態(tài) 獲得高低電平的基本原理：獲得高低電平的基本原理S 斷開：v0為高電平S 接通：v0為低電平開關(guān)為二極管或三極管 通過輸入信號vi，控制二極管或三極管工作在截止和導(dǎo)通兩個狀態(tài)，就可以達(dá)到開關(guān)S的作用。正邏輯和負(fù)邏輯正邏輯：高電平1；低電平0負(fù)邏輯：高電平0；低電平1高低電平都有一個允許的范圍2.2 半導(dǎo)體二極管和三極管的開關(guān)特性二極管：具有單向?qū)щ娦浴Ｏ喈?dāng)于一個受外加電壓極性控制的開關(guān)。假定：VIH=VCC,VI

2、L=0 D為理想二極管（正向?qū)?，電阻?；反向電阻為無窮大）當(dāng)vI=VIH時： D截止，vo=VoH=VCC當(dāng)vI=VIL時： D導(dǎo)通，vo=VoL=0結(jié)論 所以：可以用vI的高低電平，控制二極管的開關(guān)狀態(tài)，并在輸出端得到相應(yīng)的高低電平輸出信號。動態(tài)及tre 動態(tài)情況下（加到二極管兩端的電壓突然反向時：電流的變化過程 反向恢復(fù)時間tre：(峰值10峰值時間)tre數(shù)值很小，幾納秒量級。三極管的輸出特性及基本開關(guān)電路三極管輸出特性曲線雙極性三極管的基本開關(guān)電路：uAtR1R2AF+uccuFt+ucc0.3V三極管的開關(guān)特性：飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。即：UCEUBE ， IBIC，UC

3、E0.3V C、E間相當(dāng)于開關(guān)閉合。截止區(qū)： UBEIBS時，三極管工作在深度飽和狀態(tài)，輸出為低電平。 三極管：vO=vCE=VCC-iCRC=VCC-ibRC深度飽和時，三極管的基極飽和電流為： IBS=(VCC-VCE(Sat)/(RC)MOS管開關(guān)特性Metal-Oxidesemiconductor-field-Effect-Transistor N溝道，P溝道 增強(qiáng)型，耗盡型 是電壓控制型器件uItuOt+VDD0VMOS管的開關(guān)特性：可變電阻區(qū)：UGSUth ， UDS 0V D、S間相當(dāng)于開關(guān)閉合。夾斷區(qū)： UGS Uth， ID=0 D、S間相當(dāng)于開關(guān)斷開。23 最簡單的與、或、

4、非門電路2-3-1 二極管與門 2. 工作原理Da DbUYUa Ub0 0 0 3v 3v 03v 3v3. 真值表（狀態(tài)表）4. 輸出函數(shù)式Y(jié)=AB 5. 邏輯符號&YA B0 O0 11 01 1Y0001導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止0.7V0.7V0.7V3.7vAB1. 電路組成（以二輸入為例）+VCCRABYDaDb設(shè)：VCC=5V，UIH=3v,UIL=0v二極管正向壓降0.7V。二極管與門的特點缺點： 輸出的高低電平數(shù)值與輸入的高低電平數(shù)值不相等，相差VDF。多極時，發(fā)生高低電平的偏移。 當(dāng)輸出端對地接上負(fù)載電阻時，負(fù)載電阻的改變有時會影響輸出的高電平。僅用作集成電路內(nèi)部的

5、邏輯單元。1。 電路組成(以二輸入為例) 2。 工作原理Ua Ub0 00 3v3v 03v 3v3。真值表A B0 00 11 01 1Y0111 4.輸出函數(shù)式Y(jié)=A+B5。邏輯符號截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通Da DbUY2.3v2.3v2.3vYAB102-3-2 二極管或門-VEEVcc3. 真值表A01Y104.輸出函數(shù)式 Y = A 5.邏輯符號1AY2.工作原理注：為了保證在輸入低電平時三極 管可靠截止，常將電路接成上圖形式。由于接入了負(fù)電源VEE，即使輸入低電平信號稍大于零，也能使三極管的基 極為負(fù)電位，使三極管可靠截止，輸出為高電平。1。電原理圖Ua03vT截止飽和UY

6、02-3-3. 三極管非門當(dāng)uA0V時，由于uGSuA0V，小于開啟電壓UT，所以MOS管截止。輸出電壓為uYVDD10V。當(dāng)uA10V時，由于uGSuA10V，大于開啟電壓UT，所以MOS管導(dǎo)通，且工作在可變電阻區(qū)，導(dǎo)通電阻很小，只有幾百歐姆。輸出電壓為uY0V。與非門2-3-4. 其它門電路一、 其它門電路 其它門電路有與非門、或非門、同或門、異或門等等。 （略） 二、 門電路的“封鎖”和“打開”問題&ABCY當(dāng)C=1時，Y=AB.1=AB與門打開，與功能成立。當(dāng)C=0時，Y=AB.0=0與門封鎖，與門不能工作。ABCY當(dāng)C=1時，Y=A+B+1=1或門封鎖，或門不能工作。當(dāng)C=0時，Y=

7、A+B+0=A+B或門打開，或功能成立。能“打開”或者“封鎖”門電路的信號叫“控制信號”。控制信號的輸入端叫“控制端”，或“使能端”。與門、與非門可用“0”封鎖，用“1”打開；或門、或非門可用“1”封鎖，用“0”打開；2.4 TTL門電路 集成電路，IC: Integrated Circuit小規(guī)模集成電路SSI: Small Scale Integration中規(guī)模集成電路MSI: Medium Scale Integration大規(guī)模集成電路LSI: Large Scale Integration超大規(guī)模集成電路VLSI: Very Large Scale Integration 根據(jù)制造

8、工藝不同，分為：雙極性、單極性 一類為雙極型晶體管集成電路，它主要有晶體管晶體管邏輯(TTL-Transistor Transistor Logic)、射極耦合邏輯(ECL-Emitter Coupled Logic)和集成注入邏輯(I2L-Integrated Injection Logic)等幾種類型。 另一類為MOS(Metal Oxide Semiconductor)集成電路， 其有源器件采用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，它又可分為NMOS、 PMOS和CMOS等幾種類型。 目前數(shù)字系統(tǒng)中普遍使用TTL和CMOS集成電路。 TTL集成電路工作速度高、 驅(qū)動能力強(qiáng)，但功耗大、集成度低； MO

9、S集成電路集成度高、功耗低。超大規(guī)模集成電路基本上都是MOS集成電路，其缺點是工作速度略低。目前已生產(chǎn)了BiCMOS器件，它由雙極型晶體管電路和MOS型集成電路構(gòu)成，能夠充分發(fā)揮兩種電路的優(yōu)勢， 缺點是制造工藝復(fù)雜。 2.4.1 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)：電源電壓VCC=5V,輸入信號VIH=3.4V, VIL=0.2VPN結(jié)開啟電壓VOH為0.7V 圖2.4.1 TTL反相器的典型電路輸入為低電平（0.2V）時“0”不足以讓T2、T5導(dǎo)通三個PN結(jié)導(dǎo)通需2.1V0.9V輸入低電平（0.3V）“0”1Vuouo=5-uR2-ube4-uD23.4V高電平！輸入為高電平（3

10、.4V）時全導(dǎo)通電位被鉗在2.1V反偏1V截止思考：二極管D1、D2的作用？D1：抑制輸入端可能出現(xiàn)的負(fù)極性干擾脈沖；又防止輸入電壓為負(fù)時T1的發(fā)射極電流過大，起到保護(hù)作用。D2：為了保證T5飽和導(dǎo)通時T4可靠地截止。二、電壓傳輸特性TTL非門的特性和技術(shù)參數(shù)測試電路u0(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)傳輸特性曲線u0(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)閾值UTH=1.4V理想的傳輸特性輸出高電平輸出低電平1、輸出高電平UOH、輸出低電平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便認(rèn)為合格。 典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。 2、閾值電壓U

11、TuiUT時，認(rèn)為ui是高電平。UT=1.4V三、輸入端噪聲容限 由電壓傳輸特性：當(dāng)輸入信號偏離正常的低電平(0.2V)而升高時，輸出的高電平并不立刻改變；同樣，當(dāng)輸入信號偏離正常的高電平(3.4V)而降低時，輸出的低電平也不會馬上改變。 允許輸入的高、低電平信號各有一個波動的范圍。 在保證輸出高、低電平基本不變（變化的大小不超過允許限度）的條件下，輸入電平的允許波動范圍稱為噪聲容限。 噪聲容限定義的示意圖VOH(min): 輸出高電平的下限VOL(max): 輸出低電平的上限VIL(max): 輸入低電平的上限VIH(min): 輸入高電平的下限輸入為高電平的噪聲容限為：VNH=VOH(mi

12、n)-VIH(min) 抗反向干擾輸入為低電平的噪聲容限為：VNL=VIL(max)-VOL(max) 抗正向干擾 圖2.4.3 輸入端噪聲容限示意圖2.4.2 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性 正確地處理門電路和門電路、門電路和其它電路之間的連接問題一、輸入特性 輸入信號為高、低電平時，輸入端的等效電路：圖2.4.4 TTL反相器的輸入端等效電路輸 入 特 性 曲 線當(dāng)VCC=5V,vI=VIL=0.2V時：輸入低電平電流：IIL=-(VCC-vBE1-VIL)/R1=-1mA當(dāng)vI=VIH=3.4V時，T1管vBC0,vBE0,倒置狀態(tài)，極小(0.01)故：高電平輸入電流IIH很小，I

13、IH40A輸入特性曲線：圖2.4.5 TTL反相器的輸入特性二、輸出特性1、高電平輸出特性 vO=VOH時，T4,D2導(dǎo)通，T5截止，輸出端的等效電路為：圖中：T4工作在射極輸出狀態(tài)，電路的輸出電阻很小，在負(fù)載電流較小的范圍內(nèi)，負(fù)載電流的變化對VOH的影響很小。隨著負(fù)載電流iL絕對值的增加，R4上壓降增大，T4的b-c結(jié)正向偏置，T4進(jìn)入飽和狀態(tài)。此時T4失去跟隨功能，VOH隨iL的增加而線性地下降。圖2.4.6 TTL反相器高電平輸出等效電路高電平輸出特性曲線圖中：|iL|5mA時，VOH變化很小。受功耗限制： |iL| 5mA74系列： | iL | 0.4mA圖2.4.7 TTL反相器高

14、電平輸出特性2. 低電平輸出特性T5飽和導(dǎo)通，T4截止，輸出等效電路如下：T5飽和導(dǎo)通時，c-e間的內(nèi)阻很小(10歐)負(fù)載電流iL增加時，輸出的低電平VOL僅稍有升高圖2.4.8 TTL反相器低電平輸出等效電路圖2.4.9 TTL反相器低電平輸出特性門電路的扇出系數(shù)例2.4.1計算門G1最多可以驅(qū)動多少個同樣的門電路負(fù)載？ P67.門電路的扇出系數(shù):門電路輸出驅(qū)動同類負(fù)載門的個數(shù)三、輸入端負(fù)載特性 使用門電路時，有時需要在輸入端與地之間，或者輸入端與信號的低電平之間，接入電阻Rp 由圖：vI=Rp(Vcc-vBE1)/(R1+Rp)圖2.4.11 TTL反相器輸入端經(jīng)電阻接地時的等效電路輸入端

15、負(fù)載特性在RpVCC時，必須選用集電極開路（OC門）TTL電路。 CMOS電源電壓VDD = 5V時，一般的TTL門可以直接驅(qū)動CMOS門。OC門可以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能3. 三態(tài)輸出門電路(TS門)圖2.4.31 三態(tài)輸出門的電路圖和圖形符號 （a）控制端高電平有效 （b）控制端低電平有效功能表低電平起作用&ABFEN TSL門輸出具有高、低電平狀態(tài)外，還有第三種輸出狀態(tài) 高阻狀態(tài)，又稱禁止態(tài)或失效態(tài)。輸出F端處于高阻狀態(tài)記為 當(dāng)E=1時，E使能端當(dāng) E= 0時，電路執(zhí)行正常與非功能F=AB。總線結(jié)構(gòu)1、在同一條導(dǎo)線上，分時傳遞若干個門電路的輸出信號。 圖2.4.32 用三態(tài)輸出門接成總線結(jié)構(gòu)總

16、線驅(qū)動器2、三態(tài)門經(jīng)常做成單輸入、單輸出。輸入輸出有同相反相兩種接法。3、利用三態(tài)門實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送。圖2.4.33 用三態(tài)輸出門實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸TTL 電路的改進(jìn)系列 p83目的：提高工作速度，降低功耗。74系列、74H、74S、74LS、74AS、74ALS54系列與74系列具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)。不同之處：54系列的工作溫度范圍更寬，電源允許的工作范圍更大。74系列： 070 5V5%54系列： 55125 5V10% 不同系列的TTL器件中，只要器件型號的后幾位數(shù)碼一樣，則其邏輯功能、外形尺寸、引腳排列就完全相同。 2.6 MOS門電路2.6.1 MOS反相器0UDS

17、IDui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1” CMOS反相器工作原理Complementary-Symmetery Metal-Oxide-SemiconductorNMOS管PMOS管CMOS電路PMOSNMOS 襯底與漏源間的PN結(jié)始終處于反偏，NMOS管的襯底總是接到電路的最低電位，PMOS管的襯底總是接到電路的最高電位。柵極相連作輸入端漏極相連作輸出端工作原理：1. 輸入為低電平VIL = 0V時，VGS1VT1T1管截止；|VGS2| VT2 電路中電流近似為零（忽略T1的截止漏電流）,VDD主要降落在T1上，輸出為高電平VOHVDD。T2導(dǎo)通。2. 輸入為高電平VIH =

18、VDD時，T1通T2止，VDD主要降在T2上，輸出為低電平VOL0V。實現(xiàn)邏輯“非”功能一、CMOS反相器工作原理CMOS門的VT= 0.5VDD ，TTL門的VT一般在1.01.4V。CMOS門輸出：高電平為VOH= VDD ，低電平為VOL=0V。TTL門輸出：高電平為VOH=3.6V， 低電平為VOL=0.3V。二、CMOS門電路和TTL門電路比較對CC4000系列門電路，通常輸入高電平的值不能低于0.7VDD，即VIH(min) 0.7VDD輸入低電平的值不能大于0.3VDD，即VIL(max) 0.3VDDCMOS傳輸特性矩型性比TTL好，且隨VDD按比例變化。三、CMOS門電路輸入

19、端保護(hù)電路輸入保護(hù)電壓VDD + VDF二極管反向擊穿電壓30V2.5.3 其它類型的CMOS門TP2TP1TN2TN1uoui1ui2UDD一、CMOS與非門TP2TP1TN2TN1uoui1ui2UDD任一輸入端為低，設(shè)ui1=0ui1=0uO=1斷開導(dǎo)通TP2TP1TN2TN1uoui1ui2UDD輸入全為高電平uO=0ui1=1ui2=1導(dǎo)通斷開TN2TN1TP1TP2ui1ui2UDD二、 CMOS或非門TN2TN1TP1TP2ui1ui2UDD任一輸入端為高，設(shè)ui1=1ui1=1uO=0導(dǎo)通斷開TN2TN1TP1TP2ui1ui2UDD輸入端全為低uO=1ui1=0ui2=0導(dǎo)通

20、斷開例：判斷如圖CMOS電路輸出為何狀態(tài)？Y0=1 Y1=1 Y2=0&10KY1VCCY21VCC10K&Y010 K三、 CMOS傳輸門CMOS傳輸門TG由TN和TP管構(gòu)成，C=1（或C=0）時傳輸門接通，VO=VI。C=0（或C=1）時，傳輸門關(guān)閉，入、出阻斷。該傳輸門的特點是即可以傳輸數(shù)字信號，又可以傳輸模擬信號。當(dāng)C的高低電平分別為VDD和0V時，傳輸門可傳輸0 VDD之間的信號。該門的另一個特點是VO，VI端可以互換，信號既可以從左向右傳送，也可以從右向左傳送。1、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理C=0（C=1）時，TN和TP管D、S間無導(dǎo)電溝道，入、出阻斷。C=1（C=0）時， 0 vI VDD-VT ，則TN導(dǎo)通； VT vI VDD，則TP導(dǎo)通；VT vI VDD-VT ，則TN 、TP都導(dǎo)通。在0 VDD 之間，從輸入到輸出之間相當(dāng)于兩個電阻并聯(lián)。傳輸門模擬開關(guān)：用來傳輸連續(xù)變