第三章 邏輯門電路(電子).ppt

1、第三章 邏輯門電路,1 邏輯門電路 2 TTL集成門電路,1 邏輯門電路,門：具有開關(guān)作用。 門電路：具有控制信號通過或不通過能力的電路。,一、器件的開關(guān)作用,二、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性,開關(guān)作用,D正偏導(dǎo)通UD很小電路導(dǎo)通 UD 0.7V,硅管 UD 0.3V,鍺管,D反偏截止UD很大電路斷開,注:講課如不特殊說明,均以硅管為例.,三、半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性,開關(guān)作用,截止,飽和,放大,Vbe Vbc,反偏反偏， ibic 0，開關(guān)斷開。,正偏反偏， ic ib， 線性放大。,正偏正偏， ib Ibs ， 開關(guān)閉合。,開關(guān)作用（續(xù)）,臨界飽和： 飽和系數(shù)：,B越大，飽和越深； 反之飽和則淺,

2、Vbc0 V 時，T處于臨界飽和,例1:計算圖示電路的臨界飽和電流。, =30 Vces=0.3V,四、基本門電路,對應(yīng)三種基本邏輯運算，有三種基本門電路,二極管與門（D與門）,電路,原理,電路分析要求出輸入的 各種組合與輸出的關(guān)系,電位表：,二極管與門(續(xù)),0低電位,1高電位,實現(xiàn)了與邏輯功能,實現(xiàn)了與邏輯功能,符號, 二極管或門（D或門）,電路,原理,電位表：,0低電位,1高電位,實現(xiàn)了或邏輯功能,實現(xiàn)了或邏輯功能,符號,國標 慣用 國外, 晶體管非門 (反相器),符號,電路,原理,電位表：,實現(xiàn)了非邏輯功能,實現(xiàn)了非邏輯功能, 復(fù)合門,把單級門電路級聯(lián)起來,構(gòu)成復(fù)合門,如:與非門、或非

3、門等等。, 正邏輯,門電路的輸入、輸出電壓定義為：, 負邏輯,說明： 前面所述基本門電路均以正邏輯定義。 同一個邏輯門電路，在不同邏輯定義下， 實現(xiàn)的邏輯功能不同。 數(shù)字系統(tǒng)中，不是采用正邏輯就是采用 負邏輯，而不能混合使用。 本書中采用正邏輯系統(tǒng)。,低電位 0,高電位 1,門電路的輸入、輸出電壓定義為：,低電位 1,高電位 0,五、邏輯約定,2 TTL集成門電路(與非門),集成門電路按開關(guān)元件分類,集成：把晶體管、電阻、和導(dǎo)線等封裝在一個芯片上。,一、電路,多發(fā)射極 輸入級,中間 倒相級,推挽 輸出級,輸出級：由T3、T4、T5和R4、R5組成，其中T3、T4構(gòu)成復(fù)合管，與T5組成推拉式輸出

4、結(jié)構(gòu)，具有較強的負載能力。,1V,Vb1=0.3+0.7=1V,3.6,3.6,0.3,二、工作原理,T1深飽和 T2截止 T5截止,1. 輸入有低電平（0.3V）時,不足以讓 T2、T5導(dǎo)通,1V,uo=5-uR2-ube3-ube43.6V高電平！,1. 輸入有低電平（0.3V）時(續(xù)),T1深飽和 T2截止 T5截止,T3微飽和 T4放大,結(jié)論1:輸入有低時,輸出為高,T1:倒置,Vb1=2.1V Vc1=1.4V,全反偏,1V,2. 輸入全為高電平（3.6V）時,2.1V,1.4V,T1管:Ve1=3.6V Vb1=2.1V Vc1=1.4V T1管在倒置工作狀態(tài),3.6V,T2,T5

5、管飽和導(dǎo)通, Vce2=0.3V 所以:Vc2=1VT3:放大 Vb4=0.3V T4:截止,0.3V,T2:飽和 T5:飽和,T3:放大 T4:截止,uF=0.3V,2. 輸入全為高電平（3.6V）時(續(xù)),3.6V,T1:倒置,T2:飽和 T5:飽和,T3:放大 T4:截止,結(jié)論2:輸入全高時,輸出為低,T5飽和, Vce5=0.3V,工作原理小結(jié):,輸入有低電平（0.3V）時 VF=3.6V,2. 輸入全為高電平（3.6V）時 VF=0.3V,T1:倒置 T2:飽和 T3:放大 T4:截止 T5:飽和,T1深飽和 T2截止 T3微飽和 T4放大 T5截止,3. 邏輯功能,3. 輸入多發(fā)射

6、極的作用,TTL集成門在輸入級采用晶體管多發(fā)射極， 其作用是: 1.參數(shù)一致性好; 2.縮小體積; 3.縮短T2從飽和向截止的轉(zhuǎn)換時間加速轉(zhuǎn)換過程。 (即加速輸入由全“1”輸入有“0”的轉(zhuǎn)換過程),4. 推挽輸出電路的作用,輸出級采用推挽電路提供比較大的帶負載能力.,TTL集成電路的外特性：,電壓傳輸特性 VO = f(Vi) 輸入/輸出特性,VOH輸出高電平，,VOL輸出低電平，,VOFF關(guān)門電平，,VON開門電平：,VT門坎電平，,噪聲容限：VNH ，VNL。, 輸入伏安特性 ii = f（Vi）,輸入負載特性 Vi = f（Ri）,開門電阻 RON,，關(guān)門電阻 ROFF,輸出特性 Vo

7、= f（ io ）,輸出低電平，,輸出高電平,輸入短路電流IIS,輸入漏電流IIH,灌電流,拉電流,扇出系數(shù),三、電壓傳輸特性,輸出電壓VO隨輸入電壓Vi變化的關(guān)系曲線，即 VO = f(Vi)。,測試電路,傳輸特性曲線, 電壓傳輸特性,電壓傳輸特性分析,BC段：線性區(qū)，當(dāng)0.6VVi1.3V， 0.7VV b21.4V時，T2開始導(dǎo)通，T5仍截止，VC2隨Vb2升高而下降，經(jīng)T3、T4兩級射隨器使VO下降。,AB段：截止區(qū),當(dāng)VI0.6V，Vb11.3V時，T2、T5截止，輸出高電平VOH = 3.6V,CD段：轉(zhuǎn)折,Vi=1.4V,T2、T5飽和。,DE段：飽和區(qū),Vi1.4V VO0.3

8、V,幾個參數(shù),VOH輸出高電平：,VOL輸出低電平：,與非門輸入有低時，Vo VOH,產(chǎn)品規(guī)范值:VOH2.4V 典 型 值: VOH3.6V 標準高電平: VOH=VSH=2.4V,與非門輸入全高時，Vo VOL,產(chǎn)品規(guī)范值:VOL0.4V 典 型 值: VOL0.3V 標準低電平: VOL=VSL=0.4V,1. VOH 和 VOL都是對具體門輸出高、低電平電壓值的 要求。 2.高電平表示一種狀態(tài)，低電平表示另一種狀態(tài)， 一種狀態(tài)對應(yīng)一定的電壓范圍，而不是一個固定值。,說明：,幾個參數(shù)（續(xù)）,VOFF關(guān)門電平：,VON開門電平：,VT門坎電平：,與非門在保證輸出為高電平時， 允許的最大輸入

9、低電平值。 VOFF0.8V,與非門在保證輸出為低電平時， 允許的最小輸入高電平值。 VON2 V,此時輸入有低,此時輸入全高,噪聲容限,定義： 高電平噪聲容限 VNH VSH VON 2.420.4V 低電平噪聲容限 VNL VOFF VSL 0.80.4V0.4V,在保證輸出高、低電平性質(zhì)不變的條件下，輸入電平的允許波動范圍稱為輸入端噪聲容限。,四、輸入/輸出特性, 輸入伏安特性：輸入電壓與輸入電流之間的關(guān)系曲線，即ii = f（Vi）,IR1,Ii,-1.4mA,1.4V,IIH=50A,測試電路,特性曲線,輸入伏安特性(續(xù)1), 輸入短路電流IIS,Vi = 0V時由輸入端流出的電流。

10、,IR1,Ii,-1.4mA,Vi = 01.4V時, IC1變化很小, Ii的絕對值也只略有減少。,設(shè)定正方向,輸入有低, T2截止。,輸入伏安特性(續(xù)2),輸入漏電流IIH（輸入高電平電流）,IR1,Ii,-1.4mA,IC1,假定正方向,Vi = 3.6V時,由輸入端流入的電流。,IIH=50A,Vi 1.4V時, T2始導(dǎo)通，IC1迅速增大 Ii迅速減小。,= 3.6V,輸入全高，T1倒置，Ii流入T1,即輸入端通過電阻R接地時的特性,輸入端 “1”,“0”？,輸入負載特性,Vi,ViVT=1.4V 時,相當(dāng)輸入低電平， 所以輸出為高電平。,R較小時,R增大時,RVi=VT 時，輸入變

11、高， 輸出變低電平。此時Vi1.4V。,1.4V,Vi=VT 時，T2、T5導(dǎo)通，Vb12.1V,使Vi鉗在1.4V。,R單位: K,懸空的輸入端（Ri）相當(dāng)于接高電平。,2. 為了防止干擾，可將懸空的輸入端接高電平（如Vcc）。,說明,開門電阻 RON,關(guān)門電阻 ROFF,在保證與非門輸出為低時， 允許輸入電阻R的最小值。,在保證與非門輸出為高時，允許輸入電阻R的最大值。,RON2 K,ROFF0.8 K,當(dāng)RI RON時， 相當(dāng)輸入高電平。,當(dāng)RI ROFF時， 相當(dāng)輸入低電平。,輸出特性,輸出低電平,說明: 輸出為低,灌電流負載。,IL,20mA,0.4V, T5飽和,Rce5很小,故I

12、L上升時,VOL上升很慢,基本呈線性關(guān)系。,當(dāng)VOL VSL0.4V后，低電平輸出邏輯關(guān)系被破壞,故IL灌受限制。,輸出高電平,RL,IL,說明: 輸出為高,拉電流負載。,IL較小時,T3處在淺飽和區(qū)(VCE3 較大)，ILIR4 VR4 VCE3 VO基本不變。,當(dāng)IL5mA后,T3進入飽和區(qū)， VCE3VCES3保持不變，VO隨IL上升而下降。,3.6V,2.4V,20mA,5mA,IR4,當(dāng)VOLVSH2.4V后,高電平輸出邏輯關(guān)系被破壞,故IL拉 受限制。,門電路輸出驅(qū)動同類門的個數(shù),前級輸出為 高電平時拉電流負載。,扇出系數(shù),因IL拉受限制，故負載數(shù)量有限。,前級,前級輸出為 低電平

13、時灌電流負載。,因IL灌受限制，故負載數(shù)量有限。,輸出低電平時，流入前級的電流（灌電流）：,輸出高電平時，前級流出的電流（拉電流）：,一般與非門的扇出系數(shù)為8。,由于IOL、IOH的限制，每個門電路輸出端所帶門電路的個數(shù)有限，一般 N灌N拉。,工作速度,tpd1,tpd2,平均傳輸時間,主要性能,五、主要性能和主要參數(shù),改進措施,主要取決于存儲時間ts， 5管門電路 tpd40ns,TTL與非門的改進,存在問題：TTL門電路工作速度相對較快，但由于當(dāng)輸出為低電平時T5工作在深度飽和狀態(tài)，當(dāng)輸出由低轉(zhuǎn)為高電平，由于在基區(qū)和集電區(qū)有存儲電荷不能馬上消散，而影響工作速度。,有源泄放,由T6、R6和R

14、3構(gòu)成的有源泄放電路來代替T2射極電阻R3,可能工作在飽和狀態(tài)下的晶體管T1、T2、T3、T5都用帶有肖特基勢壘二極管（SBD）的三極管代替，以限制其飽和深度，提高工作速度。 平均 tpd24ns,抗飽和電路,SBD特點： 與普通二極管一樣，具有單項導(dǎo)電性； 開啟電壓低，約0.4V； 多數(shù)載流子導(dǎo)電，電荷存儲效應(yīng)小。,原理：當(dāng)Vbc0.4V時,SBD導(dǎo)通,將Ib分流,避免T進入深飽和。,原理：當(dāng)Vbc0.4V時,SBD導(dǎo)通,將Ib分流,避免T進入深飽和。,主要性能（續(xù)）,負載能力：,空載功耗:,抗干擾能力:,扇出系數(shù) N8,低電平抗干擾能力VNL0.4V 高電平抗干擾能力VNH0.4V,截止功

15、耗 POFF : 較小 導(dǎo)通功耗 PON :較大, PON =幾十毫瓦,工作速度:,典型 tpd40ns,主要參數(shù):,自學(xué),TTL系列說明,發(fā)展方向:,高速、低功耗,六、二種特殊門,集電極開路門(OC門),電路,VCC1,1.正常使用時，輸出端必須外接負載電阻RL。 2. VCC1和VCC2可以不等。,普通門電路,集電極開路門電路,F,A,B,C,&,符號,F,F=F1F2F3,RL,直接將兩個邏輯門的輸出連接起來，實現(xiàn)與的邏輯功能。, OC門的用途,1) 實現(xiàn)“線與”功能,F=F1F2F3?,(1)F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3有低電平時,F=F1F2F3?,所以：F=F1F2F3,(2)F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3

16、全部高電平時,問題,1. 一般的TTL與非門能否線與？,不能,2)電平轉(zhuǎn)移功能,轉(zhuǎn)移電平 “1”10V “0” 0.3V,上拉電阻RL的確定,RL的取值范圍根據(jù)其所帶負載而定。,（自看）,三態(tài)門電路,通常數(shù)字邏輯是二值的，即僅0，1值，其所對應(yīng)電路的輸出電平是高、低兩種狀態(tài)。在實際電路中，還有一種輸出為高阻抗的狀態(tài)(既非高電平又非低電平的狀態(tài)) ，被稱之為第三狀態(tài)。于是數(shù)字電路的輸出就有：0、1和Z（高阻）的三種狀態(tài)。具有這種功能輸出的電路稱三態(tài)邏輯電路或稱三態(tài)門電路。,電路,E稱為控制端、使能端,1,原理,結(jié)論：,E1時，電路具備自身邏輯功能,E=1,原理（續(xù)）,0,結(jié)論：,E0時，電路輸出

17、為高阻狀態(tài)。,FZ（高阻）,E=0,功能表,符號,功能表,分時控制各個門的CS端，就可以讓各個門的輸出信號分別進入總線。,同一時刻，只允許一個門進入總線。其他門必須保持為高阻狀態(tài),三態(tài)門用途,1,注意和OC門線與的區(qū)別！, 總線連接電路,兩個三態(tài)門組成的電路， 門1為低電平使能 門2為高電平使能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,三態(tài)門用途（續(xù)）,多余端處理,防止干擾信號引入、穩(wěn)定可靠；不改變電路的工作狀態(tài)。,TTL門電路懸空相當(dāng)于接高電平；,常用方法：,與輸入（與門、與非門、與或非門）：,或輸入（或門、或非門）：,接地電平（GND）,原則：,四、CMOS傳輸門(TG),VOVI,符號：,3. CMOS雙向模擬開關(guān),1,五、CMOS系列器件,4000系列,:基本CMOS門電路,4000B / 4500 / 5000 系列,:改進CMOS門電路,74HC/74HCT系列,:高速CMOS門電路，引腳與TTL兼容,Bi-CMOS (74BCT)系列門電路:,輸入部分使用CMOS電路，輸出部分使用TTL電路，同時具有CMOS門電路的低功耗和TTL電路的高速度，兼容TTL門電路，傳輸延遲可以低到1ns以下。,CC4011 中國造 MC4011 美,摩托羅拉 CD4011 美,無線電公司 HD4011 日,日立公司 （4011：2輸入端4與非門）,多余端處理,防止干擾信號引入、穩(wěn)定可靠；不改變電路的