从模电到数电的电子技术课件-dz_chap12

（2-1）电子技术第二章门电路数字电路部分（2-2）第二章门电路§2.1概述§2.2分离元件门电路§2.3TTL与非门§2.4其它类型的TTL门电路§2.5MOS门电路（2-3）§2.1概述门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。门电路的输出状态与赋值对应关系：正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应“0”。混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。一般采用正逻辑负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应“1”。（2-4）100VVcc在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。K开------VO输出高电平，对应“1”。K合------VO输出低电平，对应“0”。VOKVccRVV（2-5）门(电子开关)满足一定条件时，电路允许信号通过开关接通。开门状态：关门状态：条件不满足时，信号通不过开关断开。（2-6）开关作用二极管反向截止：开关接通开关断开三极管（C,E)饱和区：截止区：开关接通CEB开关断开正向导通：CEB（2-7）R1R2AF+uccuAtuFt+ucc0.3V三极管的开关特性：（2-8）§2.2分离元件门电路一、二极管与门FD1D2AB+12VuAuBuF0V0V0.3V0V3V0.3V3V0V0.3V3V3V3.3V逻辑变量逻辑函数(uD=0.3V)（2-9）uAuBuF0V0V0.3V0V3V0.3V3V0V0.3V3V3V3.3V000010ABF100111逻辑式：F=A•B逻辑符号：&ABF（2-10）二、二极管或门uAuBuF0V0V-0.3V0V3V2.7V3V0V2.7V3V3V2.7VFD1D2AB-12V（2-11）uAuBuF0V0V-0.3V0V3V2.7V3V0V2.7V3V3V2.7V000011ABF101111逻辑式：F=A+B逻辑符号：ABF（2-12）R1DR2AF+12V+3V三、三极管非门uAuF3V0.30V3.3嵌位二极管（2-13）uAuF3V0.30V3.3AF0110逻辑式：AF逻辑符号：1AF（2-14）R1DR2F+12V+3V三极管非门D1D2AB+12V二极管与门四、与非门逻辑式：BAF&ABF逻辑符号：（2-15）1.体积大、工作不可靠。2.需要不同电源。3.各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点：采用类似的方法还可以构成或非门、异或门等。（2-16）§2.3TTL与非门数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为:Transistor—TransistorLogic。（2-17）100个以下：小规模集成电路(SmallScaleIntegration:SSI)几百个：中规模集成电路（MediumScaleIntegration:MSI)几千个：大规模集成电路（LargeScaleIntegration:LSI)一万个以上：超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegration:VLSI)名称（2-18）CBAF2.3.1TTL与非门的基本原理一、结构TTL与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k750100（2-19）输入级输出级中间级+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5T1—多发射极晶体管：实现“与”运算。（2-20）+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5“非”复合管形式与非门输出级“与”（2-21）1.任一输入为低电平（0.3V）时“0”0.7V不足以让T2、T5导通+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k750100二、工作原理三个PN结导通需2.1V（2-22）+5VFR4R2R13kR5R3T3T4T1T5b1c1ABC0.7V“0”uouo=5-uR2-ube3-ube43.4V高电平！逻辑关系：任0则1。（2-23）+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC“1”全导通电位被嵌在2.1V全反偏1V截止2.输入全为高电平（3.4V）时（2-24）+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏“1”饱和uF=0.3VABCF输入、输出的逻辑关系式：逻辑关系：全1则0。（2-25）一、电压传输特性2.3.2TTL与非门的特性和技术参数测试电路&+5Vuiuo（2-26）uo(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)传输特性曲线uo(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值UT=1.4V理想的传输特性输出高电平输出低点平（2-27）1.输出高电平UOH、输出低电平UOLUOH2.4VUOL0.4V便认为合格。典型值UOH=3.4VUOL=0.3V。2.阈值电压UTuiUT时，认为ui是低电平。uiUT时，认为ui是高电平。UT=1.4V（2-28）二、输入、输出负载特性&&？1.前后级之间电流的联系分两种情况讨论：（1）前级输出为高电平时（2）前级输出为低电平时（2-29）前级输出为高电平时前级后级反偏+5VR4R2R5T3T4R1T1+5V级间电流：流出前级，记为IOH（拉电流）。拉电流能力：维持UOH时，所允许的最大拉电流值。（2-30）前级输出为低电平时前级后级R1T1+5V级间电流：流入前级，记为IOL，约1.4mA。称为灌电流。+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1（2-31）1155RbeTTIOL结压降的压降mA4.137.03.05灌电流的计算饱和压降R1T1+5V+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1（2-32）名称及符号含义输入低电平电流IiL输入为低电平时流入输入端的电流-1.4mA。输入高电平电流IiH输入为高电平时流入输入端的电流几十μA。IOL及其极限IOL（max）当IOLIOL(max)时，输入不再是低电平。IOH及其极限IOH(max)当IOHIOH(max)时，输出不再是高电平。有关电流的技术参数（2-33）2.扇出系数扇出系数：与非门电路输出能驱动同类门的个数。IiH1IiH3IOH前级输出为高电平时：+5VR4R2R5T3T4T1前级T1T1IiH221iHiHOHIII拉电流（2-34）T1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为低电平时：21iLiLOLIII灌电流与非门的扇出系数一般是10。（2-35）3.输入端通过电阻R接地Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC问题：这时，输入是“1”还是“0”？（2-36）RRRURRRubei1113.4)5(R较小时：uiUT，T2不导通，输出高电平。R增大时：Ruiui=UT时，输出低电平。+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCRui（2-37）+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCRuik45.133.4)V(4.1临界RRR计算临界电阻值：即：当R1.45k时，可以认为输入为“1”；当R1.45k时，可以认为输入为“0”。（2-38）以上分析说明：悬空的输入端相当于接高电平。为了防止干扰，一般将悬空的输入端接高电平。TTL与非门在使用时多余输入端处理：1.接+5V。2.若悬空，UI=“1”。3.输入端并联使用。（2-39）4.平均传输时间tui0tuo050%50%tpd1tpd2)(2121pdpdpdttt典型值：310ns（2-40）2.3.2各种逻辑门的相互转换转换方法：采用反演定理。例：与非门可以转换成其他各种逻辑门。BABABABABABABABABABA把与非门的输入端连接在一起，就转换成非门。BABABABABABABA显然，与非门、或非门等也很容易得到。（2-41）§2.4其它类型的TTL门电路2.4.1集电极开路的与非门（OC门）一、问题的提出标准TTL与非门进行与运算:&ABEF&CD&G1&ABEF&CDG能否“线与”？（OpenCollector)ABCDEFEFCDABFEG（2-42）+5VR4R2T3T4T5R3TTL与非门的输出电阻很低。这时，直接线与会使电流i剧烈增加。i功耗T4热击穿UOL与非门2：不允许直接“线与”与非门1截止与非门2导通UOHUOL与非门1：i+5VR4R2T3T4T5R3问题：TTL与非门能否直接线与？（2-43）RLUCC集电极悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符号应用时输出端要接一上拉负载电阻RL。二、OC门结构特点：RL和UCC可以外接。F=ABC（2-44）1.OC门可以实现“线与”功能。&&&UCCF1F2F3F分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。F1、F2、F3全截止，则F=1。输出级RLUCCRLT5T5T5F=F1F2F3（2-45）2.负载电阻RL和电源UCC可以根据情况选择。&J+30V220VJD问题1：如何确定上拉电阻RL?（RL(max)RL(min)）参考：阎石《数字电子技术基础》P80问题2：一般的TTL与非门能否线与？参考：杨福生《电子技术》P320（2-46）2.4.2三态门E—控制端+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDEE一、结构（2-47）+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDEE二、工作原理1.控制端E=0时的工作情况：01截止ABF（2-48）+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDEE2.控制端E=1时的工作情况：10导通截止截止高阻态（2-49）&ABFE符号输出高阻0E1EABF功能表三、三态门的符号及功能表&ABFE符号输出高阻1E0EABF功能表使能端高电平起作用使能端低电平起作用（2-50）E1E2E3公用总线０１０三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。四、三态门的用途工作时，E1、E2、E3分时接入高电平。（2-51）§2.5MOS门电路MOS电路的特点：2.是电压控制元件，静态功耗小。3.允许电源电压范围宽（318V）。4.扇出系数大，抗噪声容限大。优点1.工艺简单，集成度高。缺点：工作速度比TTL低。（2-52）2.5.1MOS反相器0UDSID负载线ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”UCCuiuo（2-53）等效结构UCCuiuoT2（负载管）T1(驱动管）UGS=UDSUT导通有源负载(非线性电阻)实际结构UCCuiuo（2-54）2.5.2CMOS反相器NMOS管PMOS管CMOS电路工作原理：ui=0时：ugs2=UCC，T2导通、T1截止，uo=“１”；ui=1时：T1导通、T2截止，uo=“0”。UCCST2DT1uiuoDSComplementary-SymmetryMOS互补对称式MOST1:ONT2:OFF同一电平:OFFON（2-55）2.5.3CMOS与非门&ABF工作原理:+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG结构001011101110ABT1T2T3T4FBAF（2-56）ABT1T2T3T4FABF工作原理:+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS结构00××101××010××011××02.5.4CMOS或非门BAF（2-57）附:门电路的常见逻辑符号与门或门非门F=A•BF=A+BAF&ABFABFABFABFABFABFA1FAF