第三章门电路(1).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字电子技术基础,（第五版）,教学课件,信息科学与工程学院,基础电子教研室,数字电子技术基础,第五版,第三章 门电路,内容提要,本章介绍数字电路的基本逻辑单元,门电路。首先复习二极管、三极管的工作特性，然后讲述由三极管构成的,TTL,电路的工作原理，重点介绍,TTL,电路电气特性，即输入特性和输出特性,，为以后应用这些器件打下基础，最后简单介绍了,CMOS,门电路。,本章主要内容,3.1,概述,3.2,半导体二极管门电路,3.5 TTL,门电路,3.6,其他类型的双极型集成门电路,3.3 CMOS,门电路,3.4,其他类型的,MOS,集成门电路,3.1,概述,1.,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：,与门,、,或门,、,与非门,、,或非门,、,异或门,等。,2.,分类,按工艺：双极型,TTL,、,MOS,型,CMOS,按逻辑功能：与、或、非、与非等,按输出结构：推拉式、,OC,门,按集成度,小规模集成电路,SSI,中规模集成电路,MSI,大规模集成电路,LSI,超大规模集成电路,VLSI,1,0,只要能判断高低电平即可,K,开-,v,o,=1,输出高电平,K,合-,v,o,=0,输出低电平,可用三极管代替,3.,高、低电平的获取方法,在数字电路中，一般用高电平代表,1,、低电平代表,0,，即所谓的正逻辑系统,。,互补开关电路：,开关,S,1,和,S,2,受同一输入信号,v,I,的控制，而且导通和断开的状态相反。当,S,1,闭合时，,S,2,断开，输出为高电平“,1”,；相反当,S,1,断开时，,S,2,闭合，输出为低电平“,0”,。,3.2,最简单的与、或、非门电路,Y,A,B,V,IL,V,IL,V,IL,V,IL,V,IH,V,IH,V,IH,V,IH,设：,V,IL,=0V,V,IH,=3V,V,D,=0.7V,3.7V,0.7V,0.7V,0.7V,3.2.2,二极管与门,Y,A,B,V,IL,V,IL,V,IL,V,IL,V,IH,V,IH,V,IH,V,IH,3.7V,0.7V,0.7V,0.7V,Y,A,B,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,二极管与门,EWB,仿真,二极管或门,3.2.3,二极管或门,Y,A,B,V,IL,V,IL,V,IL,V,IL,V,IH,V,IH,V,IH,V,IH,0V,2.3V,2.3V,2.3V,设：,V,IL,=0V,V,IH,=3V,V,D,=0.7V,EWB,仿真,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。,二极管门电路的缺点,4.,带负载能力差。,多用于集成电路（,IC,）内部电路,3.5 TTL,门电路（,P109,）,一、晶体管的结构和类型,NPN,型,基区,发射区,集电区,发射结,集电结,发射极,基极,集电极,b,e,c,【,】,内容回顾,PNP,型,3.5.1,三极管及其构成的非门电路,1.,输入特性,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.5,0.8,导通电压：硅管,U,BE,0.60.8V,锗管,U,BE,0.20.3V,。,开启电压,:,硅管,0.5V,锗管,0.1V,【,】,内容回顾,二、晶体管的共射特性曲线,2.,输出特性,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,放大区,【,】,内容回顾,饱和区,截止区,输出特性三个区域的特点,:,放大区,：,发射结正偏，集电结反偏。,即：,I,C,=,I,B,且,I,C,=,I,B,(2),饱和区,：,发射结正偏，集电结正偏。,即：,U,CE,U,BE,，,I,B,I,C,，,U,CES,0.3V,(3),截止区,：,U,BE,I,BS,三、,三极管的开关特性,v,i,=0,i,B,=0,T,截止,i,C,=0,v,RC,=0,v,O,=Vcc,i,C,i,B,R,B,R,C,V,CC,v,O,v,i,+,+,-,-,三、三极管的开关特性,i,C,i,B,R,B,R,C,V,CC,v,O,v,i,+,+,-,-,v,i,较大,i,C,=,i,B,v,RC,=,i,C,R,C,v,O,=Vcc-,i,C,R,C,T,饱和,v,o=,V,CES,i,C,i,B,R,B,R,C,V,CC,v,O,v,i,+,+,-,-,三极管工作状态判断方法：,当,U,BE,0.7V,时，,截止,0.7V,时，,放大或饱和,晶体管的基本开关电路,i,C,i,B,R,B,R,C,V,CC,v,O,v,i,+,+,-,-,三极管工作状态,判断方法：,当,v,BC,0,时，,放大,0,时，,饱和,假设三极管饱和，,I,C,最大饱和电流为,I,CS,I,BS,=,I,CS,/,I,B,I,BS,时，,饱和,I,BS,时，,放大,i,C,i,B,R,B,R,C,V,CC,v,O,u,i,+,+,-,-,+,-,U,CES,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,(1),判断,U,BE,(2),计算,I,CS,和,I,BS,(3),计算,I,B,(4),判断,I,B,是否大于,I,BS,若大于则三极管工作于饱和状态，反之，则工作于放大状态。,三极管的开关电路的分析方法,三极管,截止,时相当于,开关断开,，在开关电路的输出端给出,高电平,；,三极管,饱和导通,时相当于,开关接通,，在开关电路的输出端给出,低电平,。,三极管的开关等效电路,四、三极管非门,R,C,V,CC,+,-,R,1,I,C,I,B,V,O,V,i,+,-,-V,EE,R,2,例：,=30,，,V,CC,=,V,EE,=12V,，,V,CES,=0.3V,，,R,1,=5.1k,，,R,C,=2k,R,2,=20k,，,当,V,i,=0,、,5V,、悬空时，晶体管的静态工作状态及,V,o,的值？,分析：,V,i,由叠加定理或戴维南等效定理可知,例：,=30,，,V,CC,=,V,EE,=12V,，,V,CES,=0.3V,，,R,1,=5.1k,，,R,C,=2k,R,2,=20k,，,当,V,i,=0,、,5V,、悬空时，晶体管的静态工作状态及,V,o,的值？,分析：,当,V,i,=0,时：,晶体管位于截止区，,V,o,=12V,-V,EE,V,i,V,CC,+,-,R,1,R,C,I,C,I,B,V,O,V,i,+,-,R,2,例：,=30,，,V,CC,=,V,EE,=12V,，,V,CES,=0.3V,，,R,1,=5.1k,，,R,C,=2k,R,2,=20k,，,当,V,i,=0,、,5V,、悬空时，晶体管的静态工作状态及,V,o,的值？,分析：,当,V,i,=5V,时：,晶体管位于饱和区，,V,o,=,V,CES,=0.3V,-V,EE,V,i,V,CC,+,-,R,1,R,C,I,C,I,B,V,O,V,i,+,-,由于发射结的钳位，故：,V,i,=0.7V,由：,I,B,=(,V,i,-0.7)/,R,1,-(,V,EE,+0.7)/,R,2,得：,I,B,=0.33mA,而：,I,CS,=(,V,CC,-,V,CES,)/,R,C,=,4.85mA,I,BS,=,I,CS,/,=,0.16mA,I,B,I,BS,三极管饱和,R,2,-V,EE,I,C,I,B,R,1,R,C,V,CC,V,O,V,i,+,+,-,-,R,2,例：,=30,，,V,CC,=,V,EE,=12V,，,V,CES,=0.3V,，,R,1,=5.1k,，,R,C,=2k,R,2,=20k,，,当,V,i,=0,、,5V,、悬空时，晶体管的静态工作状态及,V,o,的值？,分析：,V,i,当,V,i,悬空时：,晶体管位于截止区,，,V,o,=12V,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,4.,带负载能力差。,半导体,二极管,与门 或门,钳位,【,】,内容回顾,I,C,I,B,R,B,R,C,V,CC,V,O,V,i,+,+,-,-,三极管工作状态,判断方法：,(1),判断,U,BE,(2),计算,I,CS,和,I,BS,(3),计算,I,B,(4),判断,I,B,是否大于,I,BS,若大于则三极管工作于饱和状态，反之，则工作于放大状态。,【,】,内容回顾,三极管及其构成的非门电路,与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为,TTL,、,MOS,管,集成门电路等。,3.5.2,TTL,反相器的电路结构和工作原理,输入级,倒相级,输出级,一、,TTL,非门的电路结构和工作原理,1.,输入为低电平（,0.2V,）时,0.2V,0.9V,不足以让,T,2,、,T,5,导通,三个,PN,结,导通需,2.1V,V,CC,5V,0.2V,0.9V,1.,输入为低电平（,0.2V,）时,u,o,u,o,=5-,u,R2,-,u,be4,-u,D2,3.4V,高电平,！,V,CC,5V,2.,输入为高电平（,3.4V,）时,全导通,电位被钳,在,4.1V,倒置,0.9V,截止,3.4V,2.1V,1.4V,0.7V,饱和,V,CC,5V,2.,输入为高电平（,3.4V,）时,饱和,3.4V,u,o,0.2V,低电平,！,V,CC,5V,输入级,倒相级,输出级,TTL,非门的内部结构,图,腾,柱,输,出,拉电流,灌电流,1,、电压传输特性,二、,TTL,非门的主要特性,1,+5V,u,i,u,0,(3.4V),u,0,(V),u,i,(V),1,2,3,U,OH,U,OL,(0.2V),传输特性曲线,输出高电平,输出低电平,阈值电压,U,TH,=1.4V,截止区,饱和区,转折区,线性区,噪声容限,74,系列典型值为：,V,OH,（,min),=2.4V,V,OL,（,max),=0.4V,V,IH,（,min),=,2.0V,V,IL,（,max),=0.8V,V,NH,=0.4V,V,NL,=0.4V,3.5.3,TTL,反相器的静态输入特性和输出特性,一、输入特性,（,1,）高电平输入电流,I,IH,：,I,IH,指被,测输入端接高电平,而其余输入端接地时，流入输入端的电流。,（,2,）低电平输入电流,I,IL,：,I,IL,指被,测输入端接,低电平，而其余输入端,悬空,时，由被测输入端流向“地”端的电流。,V,IL,I,IL,1.4V,-1mA,i,I,(mA),v,i,(V),0,V,IH,I,IH,40A,一、输入特性,倒置状态,D,1,导通,输入低电平,输入高电平,二、输出特性,i,L,(mA),v,O,(V),0,i,L,400A,i,L,10,m,A,前级输出为 高电平时,前级,后级,N,1,I,IH,I,IH,I,IH,I,OH,显然：,N,1,I,IH,I,OH,N,1,I,OH,/,I,IH,N,1,400A/40A=10,前级输出为 低电平时,前级,后级,N,2,I,IL,I,IL,I,IL,I,OL,显然：,N,2,I,IL,I,OL,N,2,I,OL,/,I,IL,N,2,10mA/1mA=10,一般,TTL,门的扇出系数为,10,。,由于,I,OL,、,I,OH,的限制，每个门电路输出端所带门电路的个数，称为,扇出系数,。,注意：当前级输出高、低电平时如果,N,1,和,N,2,不相等，则较小者为,扇出系数,。,输入端,“,1”,“0”,？,三、输入端负载特性,u,i,R,P,简化电路,R,P,较小时,当,R,P,R,1,时,u,i,R,P,R,P,u,i,0,简化电路,R,P,增大时,1.4V,R,P,u,i,0,R,u,i,u,i,U,T,（,1.4V,）时，输入变为高电平，由于,u,BE1,的钳位作用，,u,i,动态固定为,1.4V,。,输入端悬空，怎样处理,对,TTL,电路而言，当输入端对地电阻,R,P,0.7k,时，认为,u,i,为低电平，称为,关门电阻,R,OFF,。,对,TTL,电路而言，当输入端对地电阻,R,P,1.5k,时，认为,u,i,为高电平，称为,开门电阻,R,ON,。,【,例,1】,说明图中,TTL,电路的输出状态。,R,OFF,0.7k,R,ON,1.5k,R,OFF,0.7k,R,ON,1.5k,3.5.5,其他类型的,TL,门电路,一、与非门,二、或非门,三、,OC,门,四、三态门,一、,TTL,与非门,？,AB,端悬空,AB,端接不同电阻,扇出系数的计算,相当接高电平,与电阻值有关,N,1,显然：,N,1,2,I,IH,I,OH,N,1,I,OH,/2,I,IH,前级输出为高电平时,I,IH,I,IH,I,IH,I,OH,I,IH,I,IH,N,2,显然：,N,2,I,IL,I,OL,N,2,I,OL,/,I,IL,前级输出为低电平时,I,IL,I,IL,I,OL,I,IL,与非门扇出系数的计算,前级输出为高电平时，,N,1,决定于门电路输入端的个数；,前级输出为低电平时，,N,2,决定于门电路的个数。,取较小者为扇出系数。,注意：在计算时,I,OL,、,I,IL,、,I,OH,、,I,IH,均取绝对值,1.,悬空的输入端相当于接高电平。,2.,为了防止干扰，可将与非门多余的输入端接高电平或并联使用。,说明,器件手册（,pdf,）,【,例,2】,说明图下列情况下，万用表的测量,结果是多少？,（,1,）,v,I1,悬空；,（,2,）,v,I1,接低电平（,0.2V,）；,（,3,）,v,I1,接高电平（,3.2V,）；,（,4,）,v,I1,经,51,电阻接地；,（,5,）,v,I1,经,10k,电阻接地。,v,I1,V,v,I2,（,1,）,v,I1,悬空,1.4V,万用表的内阻,100k,100k,（,2,）,v,I1,接低电平,（,0.2V,）,0.2V,100k,（,3,）,v,I1,接高电平,（,3.2V,）,1.4V,100k,（,4,）,v,I,经,51,电阻接地,0V,100k,（,5,）,v,I,经,10k,电阻接地,1.4V,二、,TTL,或非门,或非门扇出系数的计算,无论前级输出为高还是低电平，,N,都需要考虑后一级门电路输入端的个数。,1.,悬空的输入端相当于接高电平。,2.,为了防止干扰，可将或非门多余的输入端接 高电平 或并联使用。,说明,低电平,三、集电极开路的门（,OC,门）,（,1,）输出电平固定；,（,2,）不能提供较大的驱动电流；,（,3,）不能,“,线与,”,。,1.,电路结构,1.,电路结构,符号,！,T,5,管集电极开路,应用时输出端要接一上拉负载电阻,R,L,2.,OC,门可以实现“线与”功能,Y=Y,1,Y,2,Y,3,输出级,V,CC,T,5,T,5,T,5,Y,Y=Y,1,Y,2,Y,3,?,任一导通,Y,=0,V,CC,T,5,T,5,T,5,Y,全部截止,Y,=1,Y=Y,1,Y,2,Y,3,?,所以：,Y=Y,1,Y,2,Y,3,V,CC,T,5,T,5,T,5,Y,个门,n,3.,负载电阻,R,L,的,选择,I,IH,I,IH,I,IH,I,IH,I,IH,I,OH,I,OH,I,OH,I,OH,：,OC,门输出三极,管截止时的漏电流,I,IH,：负载,门每个输入端的高电平输入电流,为了保证,OC,门输出高电平,V,OH,个门,n,当,OC,门中只有一个导通时,I,OL,（,max,）,：,OC,门的最大允许,的负载电流,I,IL,：,每个负载门的低电平输入电流的绝对值,I,OL(max),I,IL,I,IL,I,IL,I,IL,I,IL,四、三态门（,TS,门）,EN,-,控制端,0,1,截止,截止,截止,高阻态,0.7V,0.7V,1,0,导通,&,A,B,Y,符号,功能表,低电平起作用,&,A,B,F,功能表,高电平起作用,三态门主要作为,TTL,电路与,总线,间的,接口电路,用途：,E,1,、,E,2,、,E,3,轮流接入高电平，将不同数据（,A,、,B,、,C,）分时送至总线。,E,1,E,2,E,3,公用总线,A,B,C,&,&,&,小结,基本要求：,1,、掌握,TTL,门电路的结构及静态特性。,2,、掌握各种,TTL,门的符号、特性及使用方法。,3,、掌握扇出系数的计算方法,4,、掌握,OC,门上拉电阻的计算方法,作,业,【,题,3.2】,【,题,3.14】,（书上）,【,题,3.16】,【,题,3.17】,思 考,【,题,3.3】,