数字电路与系统(精)

1数字电路与系统第三章、逻辑门电路Part1数字电路与系统2第三章习题第五版教科书3.11；3.12；3.1；3.21；3.16；3.17；3.18；3.133.20；3.7-(a,b,c)；3.29；3.28如果采用第四版教科书2.1；2.22.3；2.5；2.6；2.10；2.142.16；2.17；2.21；2.23数字电路与系统3第三章逻辑门电路——引言在电子线路中，用高、低电平表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态。例如：当开关S断开后，输出电压vO为高电平，当开关S闭合后，输出为低电平；通常，开关S由晶体管电路构成，可以通过输入信号来控制输出信号的电平。数字电路与系统4第三章逻辑门电路——引言定义：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的电路称为门电路；常用的门电路有与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门等；门电路中的晶体管经常处于“开”、“关”的工作状态：PN结、二极管：导通、截止；场效应管：导通、截止；双结型三极管（BJT）：饱和、截止。数字电路与系统5第三章逻辑门电路回顾：正逻辑与负逻辑如果以输出高电平表示逻辑1，以低电平表示逻辑0，则这种表示方法称为正逻辑，反之，称为负逻辑。同一个逻辑电路，在不同的逻辑假定下，其逻辑功能是不同的。例：ABF逻辑000010与100111ABF逻辑111101或011000ABFVLVLVLVLVHVLVHVLVLVHVHVH(a)电平关系(b)正逻辑(c)负逻辑数字电路与系统6第三章逻辑门电路正逻辑与负逻辑（如图）既然只要能够区分出高低电平就可以确定所表示的逻辑状态，那么，高低电平都有一个允许的范围；数字电路对元器件的精度以及电源的稳定度要求都要比模拟电路低。数字电路与系统7第三章逻辑门电路§3.1分立元件门电路——二极管和BJT三极管§3.2TTL门电路§3.3MOS-FET元件的开关特性§3.4CMOS门电路§3.5TTL电路与CMOS电路的接口数字电路与系统8§3.1分立元件门电路——二极管、三极管提纲：半导体PN结和二极管的开关特性BJT三极管的开关特性分立元件门电路数字电路与系统9PN结——以面接触型PN结为例动态平衡浓度梯度——载流子扩散（宏观效果：多子扩散运动）；势垒——阻止多子扩散，增强少子漂移运动；由于内建电场存在，PN结单向导电。P+型N型空间电荷区；耗尽区；阻挡层——势垒区。数字电路与系统10§3.1分立元件门电路——二极管、三极管半导体二极管的开关特性二极管开关电路理想二极管伏安特性)1(T/SDVveIiIS：反向饱和电流，与材料、工艺、几何尺寸有关，定值；VT：常温下，26mV热力学电压VT=kT/qPN结电流方程数字电路与系统11§3.1分立元件门电路——二极管、三极管二极管伏安特性的近似方法VCC、RL较小VCC较小，RL大VCC、RL大数字电路与系统12§3.1分立元件门电路——二极管、三极管半导体BJT三极管的开关特性BJT三极管的结构NPN型PNP型数字电路与系统13§3.1分立元件门电路——二极管、三极管双极型三极管输入特性•三极管的输入特性近似为指数曲线•通常用折线近似•硅管VON：0.7V•锗管VON：0.3V数字电路与系统14双极型三极管输出特性输出特性曲线可分为三个区域：放大区，饱和区，截止区•在放大区iC随iB的变化成正比变化，几乎不受vCE的影响；•在饱和区，iC不随iB成正比变化，而趋向饱和，硅三极管的饱和vCE=0.6V，在深度饱和下，vCE在0.3V以下；•在iB=0以下为截止区，在截止区iC几乎等于零。数字电路与系统15§3.1分立元件门电路——二极管、三极管双极型三极管如何进入饱和状态？作图法分析：•取固定的负载；•输出特性曲线v.s.负载曲线。数字电路与系统16§3.1分立元件门电路——二极管、三极管双极型三极管开关电路等效：截止饱和导通数字电路与系统17§3.1分立元件门电路——二极管、三极管二极管与门电路输入VA（V）VB（V）输出VY（V）003303030.70.73.70.7数字电路与系统18§3.1分立元件门电路——二极管、三极管二极管或门电路输入VA（V）VB（V）输出VY（V）0033030302.32.32.3数字电路与系统19§3.1分立元件门电路——二极管、三极管二极管门电路优点：与门和或门电路结构简单缺点：•通过输入信号源的电流较大；并且工作时功耗大；•输出信号受负载阻抗的影响；•会造成电平偏移。例如：D1D20V5VR+VCC=+5Vk3D1D25VR+VCC=+5Vk30.7V1.4VF数字电路与系统20§3.1分立元件门电路——二极管、三极管三极管非门电路输入VA（V）输出VY（V）0550数字电路与系统21§3.1分立元件门电路——二极管、三极管DTL（Diode-TransistorLogic）电路例：三输入端的二极管与门和三极管非门组合而成的与非门将基极电阻Rb换成两个二极管D4、D5，提高输入低电平的抗干扰能力，当输入低电平有波动时，保证三极管可靠截止，以输出高电平；注意：当三极管从饱和向截止转换时，基区存储电荷通过R1泄放。ABCL+VDDD123DD1R23CC（+5V）R1RcT45P3kΩ1kΩ4.7kΩF数字电路与系统22§3.2TTL门电路TTL:Transistor-TransistorLogic提纲：TTL反相器的结构与原理TTL反相器的输入输出特性TTL反相器的动态特性TTL门电路及其扩展TTL门电路输入/输出级的改进（见附录）数字电路与系统23§3.2.1TTL反相器的结构与原理TTL反相器的结构与原理利用T2放大作用，为T5提供较大的基极电流，加速T5导通T2和电阻R2、R3组成的放大器有两个反相的输出端VC2和VE2，驱动T5、T4组成的推拉式输出级T5和T4受两个互补信号Ve2和Vc2的驱动，因此总是一个导通，另一个截止推拉式输出级D2确保T5饱和导通时T4可靠截止T1传递输入信号钳位二极管D1，消除负相干扰输入数字电路与系统24输入为高电平时，输出为低电平3.4V1.4V0.7V1V2.1V约0.3V倒置饱和截止数字电路与系统25输入为低电平时，输出为高电平0.2V约4.3V约5V0.9V约3.6V深饱和截止导通如考虑R2上的压降，则vO为3.4V数字电路与系统26§3.2.2TTL反相器的输入输出特性截止区线性区，T2导通过渡区饱和区阈值电压VTH数字电路与系统27§3.2.2TTL反相器的输入输出特性输入T1T2T4T5输出有低电平深饱和截止导通截止高全高电平倒置导通截止饱和低数字电路与系统28§3.2.2TTL反相器的输入输出特性噪声容限噪声容限表示门电路的抗干扰能力低电平噪声容限VNL＝VIL（max）-VOL（max）＝0.8V-0.4V＝0.4V高电平噪声容限VNH＝VOH（min）-VIH（min）＝2.4V-2.0V＝0.4V03.62.43.620.800.4数字电路与系统29§3.2.2.1TTL反相器的输入特性输入特性-1mA数字电路与系统30§3.2.2.1TTL反相器的输入特性输入高电平电流与输入低电平电流输入低电平电流IIL•输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流，•一般产品IIL=1mA。输入高电平电流IIH•输入高电平电流IIH是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流，•一般产品IIH=40uA。IIHIIL数字电路与系统31§3.2.2.1输入特性输入负载特性)(11beccPPIVVRRRV随着RP增大，VI上升，到1.4V以后将不再上升，此时相当于输入接高电平，输出为低电平。开门电阻数字电路与系统32§3.2.2.1TTL反相器的输入特性G1输出正确传输到G2的输入端，对RP有限制(min)IHPIHOHVRIVvO1=VOH时，vI2≥VIH(min)k351004.00.24.33IH(min)IHOHPIVVR数字电路与系统33（续）(max)ILOLPP1OL1BECCVVRRRVVVk69.01(max)IL1BECCOL(max)ILPRVVVVVRVOL690PRvO1=VOL时，vI2≤VIL(max)数字电路与系统34§3.2.2.2TTL反相器的输出特性输出特性高电平输出特性•受功耗限制，输出高电平时，负载电流一般不可超过0.4mA数字电路与系统35§3.2.2.2TTL反相器的输出特性输出特性低电平输出特性数字电路与系统36§3.2.2.2TTL反相器的输出特性输出带载能力——灌电流负载驱动门输出低电平时，电流从负载门的输入端灌入驱动门的T5管输出低电平时允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL一般产品IOL=16mA输出低电平时所能驱动同类门的个数NOL称为输出低电平时的扇出系数。IOLILOLOLIIN数字电路与系统37§3.2.2.2TTL反相器的输出特性输出带载能力——拉电流负载驱动门输出高电平时，电流从驱动门的T4、D拉出而流至负载门的输入端输出高电平时允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH，一般产品规定IOH=0.4mA输出高电平时所能驱动同类门的个数NOH称为输出高电平时的扇出系数。IOH一般NOL≠NOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。IHOHOHIIN数字电路与系统38§3.2.3TTL反相器的动态特性传输延迟三极管存储电荷的注入和消散；PN结寄生电容和负载电容的充放电导致门延迟。导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间；截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值2PHLPLHpdttt一般几纳秒～十几个纳秒数字电路与系统39§3.2.3TTL反相器的动态特性交流噪声容限由于三极管的开关时间和分布电容的充放电过程，输入信号必须有足够的变化幅度和作用时间，输出才能够变化，故交流噪声容限比较大。数字电路与系统40§3.2.3TTL反相器的动态特性电源动态尖峰电流在动态情况下，特别是输出电压突然由低电平变为高电平时，由于T5原来工作在深饱和状态，所以T4的导通必然先于T5的截止，这样出现了短时间的T4，T5同时导通，有很大的瞬间电流通过T4和T5，使电源出现尖峰电流。解决数字电路与系统41§3.2.4TTL门电路及其扩展TTL反相器TTL与非门、或非门、与或非门、异或门集电极开路门（OC门）TTL三态门数字电路与系统42§3.2.4TTL门电路及其扩展与非门多发射极三极管ABY“与”扩展器数字电路与系统43§3.2.4TTL门电路及其扩展或非门BAY“或”扩展器反相反相数字电路与系统44§3.2.4TTL门电路及其扩展与或非门CDABY数字电路与系统45§3.2.4TTL门电路及其扩展异或门BAY数字电路与系统46普通TTL门电路应用的限制当vO=VOH时，iOH≤400μA；输出级不能并联•错误的逻辑功能•“拉”电流过大，损坏电路集电极开路门回顾：输出级的负载驱动能力如何提高输出带载能力？数字电路与系统47§3.2.4TTL门电路及其扩展集电极开路（OC）门国标符号曾用符号ABYABY美标符号外接上拉电阻数字电路与系统48集电极开路门线与CDABCDABYYY21YV’CC数字电路与系统49集电极开路门OC门的用途“线与”•例如：LTPB总线网络上电操作，I2C总线，CAN总线等。实现电平转换：VCCV(1)CC用作驱动器数字电路与系统50集电极开路门的上拉电阻RL的选择•当所有的OC门都截止时，输出vO应为高电平；•如果：规定高电平≥VOH（m