数字电子技术基础2

中南大学信息科学与工程学院第二章门电路第二章门电路(Logiccircuit)2.2半导体器件的开关特性2.4TTL逻辑门电路2.5MOS逻辑门电路2.6*集成逻辑门电路的应用2.1概述2.3分立元件门电路中南大学信息科学与工程学院第二章门电路基本要求1、了解分立元件与、或、非、或非、与非门的电路组成、工作原理、逻辑功能及其描述方法；2、掌握逻辑约定及逻辑符号的意义；3、熟练掌握TTL与非门典型电路的分析方法、电压传输特性、输入特性、输入负载特性、输出特性；了解噪声容限、TTL与非门性能的改进方法；4、掌握OC门、三态门的工作原理和使用方法，正确理解OC门负载电阻的计算及线与、线或的概念；5、掌握CMOS反相器、与非门、或非门、三态门的逻辑功能分析，CMOS反相器的电压及电流传输特性；6、熟练掌握CMOS传输门及双向模拟开关。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路5V2V0V0.8VVHVL2.1概述一、高电平、低电平低电平高电平3.4V0.2V中南大学信息科学与工程学院第二章门电路二、逻辑赋值VH-------1VL-------0正逻辑体系VH-------0VL-------1负逻辑体系中南大学信息科学与工程学院第二章门电路三、高低电平获取方法开关+5V5VVH1+5V0VVL0中南大学信息科学与工程学院第二章门电路2.2半导体器件的开关特性•理想开关•开关打开时：漏电流为零•开关闭合时：导通电压为零，导通电阻为零I=0U=0，R=0•开关动作在瞬时完成机械开关电子开关中南大学信息科学与工程学院第二章门电路一、二极管的开关特性+5V+Vi-D+Vo-R1、二极管导通：Vi=0V时，D正向导通，Vo=0.7V，相当于开关闭合。2、二极管截止：Vi=5V时，D反向截止，Vo=5V，相当于开关打开。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路3、动态开关特性反向恢复时间tre是影响开关速度的主要因素，其原因在于PN结的电容效应。i+Vi-RLtVititretre〈10nS中南大学信息科学与工程学院第二章门电路二、三极管的开关特性1、三极管截止Vi=0V时,T截止,IB=0，IC≈0，VCE≈Vcc，Vo=5V,三极管CE间相当于断开的开关。+5VRcRbT+Vi-+Vo-IBIC2、三极管饱和导通Vi=ViH时,IB=(Vi-0.7)/Rb,ICS≈Vcc/Rc,IBS=ICS/β，当IBIBS时,三极管饱和导通VCE=VCES=0.2V，Vo=0.2V，三极管CE间相当于闭合的开关。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路三、MOS管的开关特性+VDDRDRGT+Vi-+Vo-IGID1、MOS管截止Vi=0V时：VGS＜VGS(th)，MOS管工作在截止区，ID=0，MOS管DS间相当于断开的开关－－Vo=VDD2、MOS管导通Vi=VDD时：VGS＞VGS(th)，VGD＞VGS(th)，MOS管工作于可变电阻区，RON＜1KΩ，MOS管DS间相当于闭合的开关－－Vo≈0V中南大学信息科学与工程学院第二章门电路MOS管内阻大且存在寄生电容，所以开关延迟作用大，其开关特性比三极管差。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路2.3分立元件门电路一、二极管与门VAVBVY0V0V0V3V3V0V3V3VABY0000101001110.7V0.7V0.7V3.7V中南大学信息科学与工程学院第二章门电路二、二极管或门VAVBVY0V0V0V3V3V0V3V3VABY0000111011110V2.3V2.3V2.3V中南大学信息科学与工程学院第二章门电路三、三极管非门ViVo0VVCCVCC0.2VAY0110中南大学信息科学与工程学院第二章门电路二极管与门和或门电路的缺点：0V5V+V+VL5VDDDD3kΩ（+5V）RCC211CCR2（+5V）0.7V1.4V3kΩ（2）负载能力差（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。LAB+VDD3kΩ（+5V）RCC21+VALT123RRbCCC（+5V）中南大学信息科学与工程学院第二章门电路2.4TTL集成门电路•集成电路：把二极管、三极管、电阻和连线都制作在一块半导体基片上构成具有一定功能的电路。•集成电路可分为线性集成电路、数字集成电路、混合集成电路。•数字集成电路可分为SSI、MSI、LSI、VLSI。•SSI从功能可分为门电路、触发器•门电路从集成工艺可分为双极型、MOS型•双极型工艺可分为TTL、HTL、ECL、I2L•MOS型工艺可分为NMOS、PMOS、CMOS中南大学信息科学与工程学院第二章门电路1）结构TTL反相器由三部分构成：输入级、中间级和输出级。1、TTL反相器的结构和原理一、TTL逻辑门中南大学信息科学与工程学院第二章门电路A为高电平时(3.4V)，VB1≈2.1V，T1倒置，VB2≈1.4V，T2和T5饱和，T4和D2截止，Y为低电平。2）原理A为低电平时(0.2V)，T1饱和，VB1≈0.9V，VB2≈0.2V，T2和T5截止，T4和D2导通，Y为高电平；中南大学信息科学与工程学院第二章门电路2、TTL反相器的电压传输特性1+Vi_+Vo_Vo=f(Vi)中南大学信息科学与工程学院第二章门电路分为四个区段：AB段：UI＜0.6伏，截止区；BC段：0.6伏＜UI＜1.3伏，线性区；CD段：UI≈1.4伏，转折区；DE段：UI＞1.4伏，饱和区。输出高电平：VOH=3.4V输出低电平：VOL=0.2V阈值电压：VTH=1.4VVTH中南大学信息科学与工程学院第二章门电路相关参数：高电平噪声容限VNH低电平噪声容限VNL输入端噪声容限示意图中南大学信息科学与工程学院第二章门电路3、TTL反相器的静态输入和输出特性1）输入伏安特性1+Vi_IiIi=f（Vi）•输入短路电流:IIL=1mA•输入漏电流：IH=40μAVi(V)Ii(mA)11.4中南大学信息科学与工程学院第二章门电路2）输出特性Vo=f（IL）1+Vo_IL输出为高电平：带拉电流负载IL(mA)Vo(V)3.6IL(max)中南大学信息科学与工程学院第二章门电路输出为低电平：带灌电流负载1+Vo_ILIL(mA)Vo(V)中南大学信息科学与工程学院第二章门电路3）输入负载特性Vi=f（Ri）•输入端短路接地相当于接低电平•输入端电阻小于1K时相当于接低电平•输入端电阻大于1K时相当于接高电平•输入端悬空时相当于接高电平1+Vi_RiRi(K)Vi(V)1.4中南大学信息科学与工程学院第二章门电路4、TTL反相器的动态特性1+Vi_+Vo_VittVo传输延迟时间Tpd中南大学信息科学与工程学院第二章门电路5、其他逻辑功能的TTL门•TTL门电路包括与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种常见的类型。•TTL门电路输入端、端出端的电路结构形式与反相器基本相同•反相器的特性同样适用所有的TTL门电路2.4TTL集成门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理1．TTL与非门的基本结构BAC+VRPCC（+5V）PPPNNNN+V13（+5V）CCABCTb1R1+VV123123D12313CC（+5V）R130ΩABCTTTRT4kΩRb11243c2c4Re2oVVc2e2输入级中间级输出级1.6kΩ1kΩ中南大学信息科学与工程学院第二章门电路2．TTL与非门的逻辑关系（1）输入全为高电平3.4V时。实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。T2、T3导通，VB1=0.7×3=2.1（V），由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES3≈0.3V这时T2也饱和导通，故有VC2=VE2+VCE2=1V。使T4和二极管D都截止。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路中南大学信息科学与工程学院第二章门电路CBAL该发射结导通，VB1=0.9V。所以T2、T3都截止。由于T2截止，流过RC2的电流较小，可以忽略，所以VB4≈VCC=5V，使T4和D导通，则有：VO≈=VCC-VBE4-VD-VRc4=5-0.7-0.7-VRc4≈3.4（V）实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。（2）输入有低电平0.2V时。综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：中南大学信息科学与工程学院第二章门电路二、TTL与非门的开关速度1．TTL与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。+VV+VV123123D123123D（+5V）CCc4o截止T3T4导通导通R充电CLc4CC（+5V）o导通3T4T截止截止R放电CL（a）（b）中南大学信息科学与工程学院第二章门电路2PHLPLHpdttt2．TTL与非门传输延迟时间tpd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。即一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力1、电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）中南大学信息科学与工程学院第二章门电路（1）输出高电平电压VOH——在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.4V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。2、几个重要参数（2）输出低电平电压VOL——在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路（3）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。开门电平电压VON——是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路（5）阈值电压Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：Vth≈VOFF≈VON即Vi＜Vth，与非门关门，输出高电平；Vi＞Vth，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V～1.４V。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路低电平噪声容限VNL＝VOFF-VOL（max）＝0.8V-0.4V＝0.4V高电平噪声容限VNH＝VOH（min）-VON＝2.4V-2.0V＝0.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。3、抗干扰能力中南大学信息科学与工程学院第二章门电路(mA)14151b1BCCILRVVI四、TTL与非门的带负载能力1．输入低电平电流IIL与输入高电平电流IIH（1）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。可以算出：产品规定IIL＜1.6mA。&oV&&&G0G1G2Gn0.3V+V13b1B1TR1iCC4K1VILI中南大学信息科学与工程学院第二章门电路（2）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。有两种情况。①寄生三极管效应：如图（a）所示。这时IIH=βPIB1，βP为寄生三极管的电流放大系数。中南大学信息科学与工程学院第二章门电路②倒置的放大状态：如图（b）所示。这时I