數(shù)字電子技術(shù)2章課件

本章主要內(nèi)容：1、熟悉二極管和BJT（三極管）的開關(guān)特性原理；2、熟練掌握基本邏輯門電路和TTL邏輯門電路邏輯功能（包括工作原理和技術(shù)參數(shù)、邏輯運(yùn)算）；3、熟悉cmos和nmos邏輯門電路；4、學(xué)會邏輯電路邏輯功能分析。；5、熟悉正負(fù)邏輯問題和邏輯門電路應(yīng)用中的問題重點(diǎn)和難點(diǎn)：熟練掌握基本邏輯門電路和TTL邏輯門電路邏輯功能（包括工作原理和技術(shù)參數(shù)）第二章邏輯門電路1實現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路。1邏輯門電路：2邏輯門電路的分類：二極管門電路三極管門電路TTL門電路MOS門電路PMOS門CMOS門邏輯門電路分立集成NMOS門TTL--三極管-三極管HTL–高閾值ECL–射極耦合I2L–集成注入概述－構(gòu)成數(shù)字邏輯電路的基本元件23高、低電平產(chǎn)生的原理當(dāng)S閉合，vO=當(dāng)S斷開，vO=0V+5V(低電平)(高電平)理想的開關(guān)應(yīng)具有兩個工作狀態(tài)：接通狀態(tài)：斷開狀態(tài)：要求阻抗越小越好，相當(dāng)于短路（導(dǎo)通）要求阻抗越大越好，相當(dāng)于開路（截止）3二、二極管的動態(tài)特性在0～t1期間，vi＝

VF時，D導(dǎo)通，電路中有電流流過：RLvii＋－D1.二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟倪^程vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit5二、二極管的動態(tài)特性RLvii＋－D1.二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟倪^程：通常將二極管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止所需的時間稱為反向恢復(fù)時間:tre=ts+ttvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存儲時間渡越時間在t1時，突然I

＝

－VR時，電路中電流i=?6反向恢復(fù)時間一般在納秒數(shù)量級。1.二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟倪^程二、二極管的動態(tài)特性正向（飽和）電流愈大，電荷的濃度分布梯度愈大，存儲的電荷愈多，電荷消散所需的時間也愈長。產(chǎn)生反向恢復(fù)的過程的原因：存儲電荷消散需要時間72.2BJT的開關(guān)特性1.

BJT的開關(guān)作用2.

BJT的開關(guān)時間91.BJT的開關(guān)作用

IB5

iC

IBS=IB4

IB3

IB2

IB1

A

vCE

VCC

iB=0

VCES

O

ICS

VCC

/Rc

CIBS=VCC/RcICS=VCC/RcCE＝VCES≈0.2V

VCC

RC

iC

T

Rb

ib

+

–

v1

-VB1

VCC

RC

iC

T

Rb

ib

+

–

v1

+VB110截止?fàn)顟B(tài)cbe飽和狀態(tài)Vb=0.7v,Vc=0.3vebc1.BJT的開關(guān)作用11

v1

+VB2

–VB2

O

t

iC

ICS

0.9ICS

0.1ICS

O

tr

ts

t

tf

td

3.BJT的開關(guān)時間開通時間ton=td+trtd–延遲時間tr–上升時間關(guān)閉時間toFF=ts+tfts–存儲時間

tf-下降時間開關(guān)時間隨管子類型的不同而不同，一般為幾十～幾百納秒。開關(guān)時間越短，開關(guān)速度越高。一般可用改進(jìn)管子內(nèi)部構(gòu)造和外電路的方法來提高三極管的開關(guān)速度。13基本邏輯關(guān)系與

(and)

或

(or)

非(not)13.2基本邏輯關(guān)系141.與邏輯關(guān)系UABY真值表ABY000010100111規(guī)定:

開關(guān)合為邏輯“1”

開關(guān)斷為邏輯“0”

燈亮為邏輯“1”

燈滅為邏輯“0”真值表特點(diǎn):

任0則0,全1則1一、“與”邏輯關(guān)系和與門與邏輯：決定事件發(fā)生的各條件中，所有條件都具備，事件才會發(fā)生（成立）。15VCC+(5V)

R

3kW

L

D1

D2

D3

A

B

C

0v若輸入端中有任意一個為0V,另兩個為+5V輸入與輸出電壓關(guān)系0V5V5V

輸入輸出VAVBVCVL000000+5V00+5V000+5V+5V0+5V0+5V0+5V0+5V0+5V+5V00+5V+5V+5V+5V例：17

輸入輸出VAVBVCVL000000+5V00+5V000+5V+5V0+5V0+5V0+5V0+5V0+5V+5V00+5V+5V+5V+5V

輸入輸出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHVCC+(5V)

R

3kW

L

D1

D2

D3

A

B

C

＋5vA、B、C三個都輸入高電平+5V5V5V5V

輸入輸出ABCL000000100100011010001010110011112.3.1二極管與門電路真值表18與邏輯運(yùn)算規(guī)則—邏輯乘3.與邏輯關(guān)系表示式Y(jié)=A?B=AB

與門符號:&ABY基本邏輯關(guān)系000010100111ABY與邏輯真值表0?0=00?1=01?0=01?1=1192、二極管組成的“或”門電路0.3V=邏輯0,3V=邏輯1此電路實現(xiàn)“或”邏輯關(guān)系。

VAVBVO

0.30.30.30.33330.33333輸入輸出電平對應(yīng)表(忽略二極管壓降)000011101111VAVBVOR-5V基本邏輯關(guān)系或門符號:ABY≥121或邏輯運(yùn)算規(guī)則—邏輯加3.或邏輯關(guān)系表示式

Y=A＋B

或門符號:ABY≥1000011101111ABY或邏輯真值表基本邏輯關(guān)系0+0=00+1=11+0=11+1=122三、“非”邏輯關(guān)系與非門“非”邏輯：決定事件發(fā)生的條件只有一個，條件不具備時事件發(fā)生（成立），條件具備時事件不發(fā)生。特點(diǎn):1則0,0則1真值表0110AYYRAU1、“非”邏輯關(guān)系基本邏輯關(guān)系23非邏輯—邏輯反非邏輯真值表

AY0110運(yùn)算規(guī)則：

0＝11＝03.非邏輯關(guān)系表示式非邏輯關(guān)系表示式:

Y＝A25四、基本邏輯關(guān)系的擴(kuò)展將基本邏輯門加以組合，可構(gòu)成“與非”、“或非”、“異或”等門電路。1、與非門表示式：Y=AB

真值表

ABABY0001010110011110Y=ABC多個邏輯變量時:&ABY符號：26用基本邏輯門組成異或門11&&≥1ABY=AB=AB+AB表示式：ABABABY=AB+AB異或門29在工程上，一般先提出邏輯命題，然后用真值表加以描述，最后寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式。通過一個簡單的例子加以介紹。圖1.6.1是一個控制樓梯照明燈的電路。為了省電，人在樓下開燈，上樓后可關(guān)燈；反之亦然。A、B是兩個單刀雙擲開關(guān)，A裝在樓上，B裝在樓下。只有當(dāng)兩個開關(guān)同時向上或向下時，燈才被點(diǎn)亮。試用一個邏輯函數(shù)來描述開關(guān)A、B與照明燈之間的關(guān)系。1.從邏輯問題建立邏輯函數(shù)的過程應(yīng)用：30(1)設(shè)開關(guān)A、B為輸入變量:開關(guān)接上面為“1”，開關(guān)接下面為“0”設(shè)電燈L為輸出變量，燈亮L=1，燈滅L=0。(2)列出A、B所有狀態(tài)及對應(yīng)輸出L的狀態(tài)，即真值表。(3)根據(jù)真值表，寫出邏輯表達(dá)式：ABL001

010

10

1101解：把對應(yīng)函數(shù)值為“1”的變量組合挑出（即第1、4）組合，寫成一個乘積項；ABAB凡取值為“1”的寫成原變量A，取值為“0”的寫成反變量A；最后，將上述乘積項相加，即為所求函數(shù)：31該式表明：A、B兩變量取值相同的所有組合，使函數(shù)為“1”，也就是說，當(dāng)開關(guān)A、B都向上或都向下時，燈亮，否則不亮。該函數(shù)還稱為同或函數(shù)。其邏輯符號為：ABL32門電路是實現(xiàn)一定邏輯關(guān)系的電路。類型:與門、或門、非門、與非門、或非門、異或門……。1、用二極管、三極管實現(xiàn)2、數(shù)字集成電路(大量使用)1)TTL集成門電路

2)MOS集成門電路實現(xiàn)方法:門電路小結(jié)33門電路小結(jié)門電路符號表示式與門&ABYABY≥1或門非門1YAY=ABY=A+BY=A與非門&ABYY=AB或非門ABY≥1Y=A+B異或門=1ABYY=AB34輸入A、B波形如圖所示,請畫出與非門的輸出（Y）波形。ABYY=AB課堂練習(xí):&ABY

ABY001011101110真值表352.4TTL邏輯門電路2.4.7改進(jìn)型TTL門電路抗飽和TTL電路2.4.1基本的BJT反相器的動態(tài)性能2.4.2TTL反相器的基本電路2.4.3TTL反相器的傳輸特性2.4.4TTL與非門電路2.4.5TTL與非門的技術(shù)參數(shù)2.4.6TTL或非門、集電極開路門和三態(tài)門電路362.4.1基本的BJT反相器的動態(tài)性能TTL反相器的產(chǎn)生:

若考慮基本反相器負(fù)載電容CL的影響，在反相器輸出電壓O由低向高過渡時，電路由VCC通過Rc對CL充電。

vccRcTCL

反之，當(dāng)O由高向低過渡時，CL又將通過BJT放電。CL的充、放電過程均需經(jīng)歷一定的時間，必然會增加輸出電壓O波形的上升時間和下降時間，導(dǎo)致基本的BJT反相器的開關(guān)速度不高。故需尋求更為實用的TTL電路結(jié)構(gòu)。

371.TTL反相器的基本電路

Rb1

4kW

Rc2

1.6kW

Rc4

130W

T4

D

T2

T1

+

–

vI

T3

+

–

vO

負(fù)載

Re2

1KW

VCC(5V)

輸入級

中間級

輸出級

2.4.2TTL反相器382.TTL反相器的工作原理

（1）當(dāng)輸入為低電平（I=0.2V）0.9V0.2VO≈VCC－VBE4－VD

＝5－0.7－0.7=3.6V

I低電平(0.2V)T1深飽和T2截止T3截止T4放大O高電平（3.6V）392.TTL反相器的工作原理當(dāng)輸入為高電平（I=3.6V）3.6V4.3V2.1V1.4V0.2VI全為高電平(3.6V)T1倒置放大T2飽和T3飽和T4截止O低電平0.2V）403.采用輸入級以提高工作速度

（1）當(dāng)TTL反相器I由3.6V變0.2V的瞬間0.9V1.4V

T1管的變化先于T2、T3管的變化；T1管Je正偏、Jc反偏，T1工作在放大狀態(tài)。T1管射極電流1

iB1很快地從T2的基區(qū)抽走多余的存儲電荷,從而加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換。414.采用推拉式輸出級以提高開關(guān)速度和帶負(fù)載能力當(dāng)輸出為低電平時，T3處于深度飽和狀態(tài)，T4截止，T3的集電極電流可以全部用來驅(qū)動負(fù)載。輸出為高電平時，T3截止，T4組成的電壓跟隨器的輸出電阻很小，所以輸出高電平穩(wěn)定，帶負(fù)載能力也較強(qiáng)。3.6V

2.1V1.4V

0.2V

0.9V

0.2V

3.6V波形上升沿陡直。而當(dāng)輸出電壓由高變低后，CL很快放電，輸出波形的上升沿和下降沿都很好。輸出端接有負(fù)載電容CL時，在輸出由低到高跳變的瞬間，CL充電，其時間常數(shù)很小，使輸出42THEEND43

2vO/V

5

4

3

2

1

0

3.6V

.48V

0.2V

1

2

E

D

C

B

A

0.4V

1.1V

1.2V

vI/V

I很低，T1的發(fā)射結(jié)為正向偏置。T1飽和使T2、T3截止，同時T4和D導(dǎo)通。O=3.6V。

I=B

，T1仍維持飽和。但B2=C1增大使T2的發(fā)射結(jié)剛好正偏。B2=I+VCES

，

I(B)=VF－VCES=0.6V－0.2V≈0.4VCD段：當(dāng)I的值繼續(xù)增加C點(diǎn)后，使T3飽和導(dǎo)通，O0.2VI(D)=BE3+BE2－CES1=(0.7+0.7－0.2)V=1.2V當(dāng)I的值從D點(diǎn)再繼續(xù)增加時，T1將進(jìn)入倒置放大狀態(tài)，保持O=0.2V

△B2=△I，BC段的斜率為dO/dI=Rc2/Re2=1.6。I>B時，由T1的集電極供給T2的基極電流，但T1仍保持為飽和狀態(tài)。在BC段內(nèi)，T2對I的增量作線性放大:

2.4.3TTL反相器的傳輸特性442.4.4TTL與非門1.TTL與非門電路多發(fā)射極BJT

A

B

&

BAL=

T1

e

e

e

e

b

b

c

c

452.TTL與非門電路的工作原理

任一輸入端為低電平時:T1的發(fā)射結(jié)正向偏置而導(dǎo)通，T2截止。輸出為高電平。TTL與非門各級工作狀態(tài)

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

IT1T2T3T4O輸入全為高電平(3.6V)倒置使用的放大狀態(tài)飽和飽和截止低電平（0.2V）輸入有低電平(0.2V)深飽和截止截止放大高電平（3.6V）只有當(dāng)全部輸入端為高電平時：

T1將轉(zhuǎn)入倒置放大狀態(tài)，T2和T3均飽和，輸出為低電平。46

vO/V

5

4

3

2

1

0

3.6V

2.48V

0.2V

1

2

E

D

CB

A

0.4V

1.1V

1.2V

vI/V

各種類型的TTL門電路，其傳輸特性大同小異。VOH≈VO(A)＝3.6VVOL＝VCES

＝0.2VVIL

＝VI(B)＝0.4VVIH

＝VI(D)＝1.2V1、TTL與非門傳輸特性2、輸入、輸出的高、低電壓2.4.5TTL與非門的技術(shù)參數(shù)473.TTL與非門噪聲容限

輸入噪聲容限:輸入高電平的噪聲容限為

VNH=VOH(min)–VIH(min)

1

驅(qū)動門

vo

1

負(fù)載門

vI

噪聲

1輸出

1輸入

0輸入

0輸出

vo

vI

+VDD

0

VNH

VOH(min)

VIH(min)

VNL

VOL(max)

VIL(max)

+VDD

0

輸入低電平的噪聲容限為VNL=VIL(max)–VOL(max)

當(dāng)電路受到干擾時，在保證輸出高、低電平基本不變的條件下，輸入電平的允許波動范圍。48

4.扇入與扇出系數(shù)

扇入數(shù):取決于門的輸入端的個數(shù)扇出數(shù):帶同類門的個數(shù)。有帶灌電流負(fù)載和拉電流負(fù)載兩種情況:負(fù)載門驅(qū)動門0

VCC(5V)

Rb1

4kW

T1

IIL

T4

T3

Rc4

130W

D

當(dāng)負(fù)載門的個數(shù)增加時，總的灌電流IIL將增加,引起輸出低電壓VOL的升高。帶灌電流負(fù)載：輸出低電平時。IILIOL2.4.5TTL與非門的技術(shù)參數(shù)101&491&

4.扇入與扇出系數(shù)

負(fù)載門驅(qū)動門1

VCC(5V)

Rb1

4kW

T1

IIL

T4

T3

Rc4

130W

D

2.4.5TTL與非門的技術(shù)參數(shù)01帶拉電流負(fù)載：門輸出高電平時當(dāng)負(fù)載門的個數(shù)增多時，必將引起輸出高電壓的降低。IIHIOH50例查得基本的TTL與非門7410的參數(shù)如下：IOL＝16mA，IIL＝－1.6mA，IOH＝0.4mA，IIH＝0.04mA.試計算其帶同類門時的扇出數(shù)。解：(1)低電平輸出時的扇出數(shù)

(2)高電平輸出時的扇出數(shù)若NOL≠NOH，則取較小的作為電路的扇出數(shù)。例題：扇出數(shù)計算舉例2.4.5TTL與非門的技術(shù)參數(shù)51電路在輸入脈沖波形的作用下，其輸出波形相對于輸入波形延遲了多長的時間。5.傳輸延遲時間

輸入

同相

輸出

反相

輸出

50%

tPLH

50%

90%

10%

tr

tPLH

90%

50%

10%

tf

50%

tPHL

tPHL

90%

50%

10%

tf

90%

50%

10%

tr

VOL

VOH

VOL

VOH

0V

VCC

平均傳輸延遲時間tPd＝tPLH為門電路輸出由低電平轉(zhuǎn)換到高電平所經(jīng)歷的時間;tPHL為由高電平轉(zhuǎn)換到低電平所經(jīng)歷的時間。(tPLH＋tPHL)/2——表征門電路開關(guān)速度的參數(shù)526.功耗/延時功耗積/封裝1、功耗分為:靜態(tài)功耗：動態(tài)功耗：對于TTL門電路來說，靜態(tài)功耗是主要的。2、延時功耗積DP=tpdPD2.4.5TTL與非門的技術(shù)參數(shù)指的是當(dāng)電路沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的功耗是在門的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的瞬間的功耗。是一綜合性的指標(biāo)，用DP表示，其單位為焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情況。531.TTL或非門

2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路R1A

R1

R1B

R4

VCC

T1A

T2A

T2B

B

D

T3

R3

T4

AT1BL54

R1A

R1

R1B

R4

VCC

A

T1A

T2A

T2B

T1B

B

D

L

T3

R3

T4

1.TTL或非門

TTL或非門的邏輯電路若二輸入端為低電平

0.9v0.2v0.2v0.9v3.6V

2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路551.TTL或非門

若A、B兩輸入端都為高電平

R1A

R1

R1B

R4

VCC

A

T1A

T2A

T2B

T1B

B

D

L

T3

R3

T4

2.1v3.6v3.6v2.1v0.3V

問題：若A、B兩輸入端中有一個為高電平，輸出L=?2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路562.集電極開路門(OpenCollectorGate)

vOHvOLX2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路572.集電極開路門

TTL

電路

TTL

電路

D

C

B

A

T1

T2

VCC

RP

L

A

B

C

D

&

)()(CDABL=

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路58集電極開路門上拉電阻Rp的計算

TTL

電路

TTL

電路

D

C

B

A

T

1

T

2

VCCL

R

P

在極限情況，上拉電阻Rp具有限制電流的作用。以保證IOL不超過額定值IOL(max)，故必須合理選用Rp的值。

另一方面，Rp的大小影響OC門的開關(guān)速度，Rp的值愈大，因而開關(guān)速度愈慢Rp(min)

2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路59集電極開路門上拉電阻Rp的計算舉例

例2.4.2設(shè)TTL與非門74LS01(OC)驅(qū)動八個74LS04(反相器)，試確定一合適大小的上拉電阻Rp，設(shè)VCC＝5V。解：從器件手冊查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL=400A，VIH(min)=2V，IIH=20A。IIL(total)=400A×8=3.2mA得

VCC=5V，IIH(total)=20A×8=0.16mA。

Rp的值可在985至18.75k,之間選擇,可選1k的電阻器為宜。所以2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路60集電極開路門的缺點(diǎn)：由于OC門輸出不是推拉式(Totem)結(jié)構(gòu)，電路的上升延遲很大，這是因為：T3退出飽和狀態(tài)很慢；對輸出負(fù)載電容的充電電流只能通過外接的RL來提供。因此，輸出波形的上升沿時間很大。2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路61

3.三態(tài)與非門(TSL)三態(tài)鉗位電路

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1與非門A

B

CS

T5

T6

T7

R5

R66

VCC

D3.6V1.4V0.7V當(dāng)CS=1時CS數(shù)據(jù)輸入端輸出端LAB10010111011100三態(tài)與非門真值表=AB2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路62

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1與非門A

B

CS

T5

T6

T7

R5

R66

VC