数字模拟技术第三章.ppt

门电路,第三章,3.1,概述,门电路,是用以实现逻辑运算的电子电路，与已经讲过的逻辑运算相对应。常用的门电路在逻辑功能上有,与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门,等。,正逻辑,：高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0。,负逻辑,：高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1。,获得高、低电平的基本方法,：利用半导体开关元件的,导通,、,截止,（即开、关）两种工作状态。,3.2,半导体二极管门电路,3.2.1 半导体二极管的开关特性,U,i,0.5V时，二极管导通。,U,i,0.5V时，二极管截止，,i,D,=0。,u,i,0V,时，二极管截止，如同开关断开，,u,o,0V,。,u,i,5V,时二极管导通，如同0.7V的电压源，,u,o,4.3V,。,当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电场的作用下，形成较大的反向电流。经过t,s,后，存储电荷显著减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。,当外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向电流的建立稍微滞后一点。,反向恢复时间,（几纳秒内）,反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，它远大于正向导通所需要的时间。这就是说，二极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响很小，以致可以忽略不计。,因此，影响二极管的开关时间主要是,反向恢复时间，而不是开通时间。,3.2.2 二极管与门,Y=AB,A,B,Y,3.2.3 二极管或门,Y=A+B,3.5 TTL门电路,3.5.1 双极型三极管的开关特性,一、双极型三极管的结构,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,B,E,C,NPN型三极管,P,N,P,集电极,基极,发射极,B,C,E,B,E,C,PNP型三极管,二、双极型三极管的输入特性和输出特性,I,C,(mA ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,输入特性曲线,输出特性曲线,开启电压,饱和区,截止区,放大区,三、双极型三极管的基本开关电路,在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在,饱和,和,截止,两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。,四、双极型三极管的开关等效电路,开关等效电路,(1)截止状态,条件：发射结反偏,特点：电流约为,0,(2)饱和状态,条件：发射结正偏，集电结正偏,特点：,U,BES,=0.7V，U,CES,=0.3V/硅,u,i,t,u,o,t,+,Vcc,0.3V,五、双极型三极管的动态开关特性,BJT的开关时间：,是指BJT管由,截止到饱和,导通,或者由,饱和导通到截止,所需要的时间。,延迟时间,t,d,从+,V,B2,加到集电极电流,i,c,上升到0.1I,CS,所需要的时间；,上升时间,t,r,i,c,从0.1,I,CS,到0.9,I,CS,所需要的时间；,开通时间,t,on,=,t,d,+,t,r,就是建立基区电荷时间,存储时间,t,s,从输入信号降到,-,V,B1,到,i,c,降到0.9,I,CS,所需要的时间；,下降时间,t,f,i,c,从0.9,I,CS,降到0.1,I,CS,所需要的时间。,关闭时间,t,off,=,t,s,+,t,f,就是存储电荷消散的时间,集成门电路,双极型,TTL(,T,ransistor-,T,ransistor,L,ogic,Integrated Circuit,TTL,),ECL,NMOS,CMOS,PMOS,MOS型,（,M,etal-,O,xide-,S,emiconductor，,MOS,）,TTL,晶体管-晶体管逻辑集成电路,MOS,金属氧化物半导体场效应管集成电路,3.5.2 TTL反相器,输入级,倒相级,输出级,称为,推拉式电路,或,图腾柱输出电路,一、TTL反相器的电路结构和工作原理,1.输入为低电平（0.2V）时,三个PN结,导通需2.1V,0.9V,不足以让,T,2、,T,5,导通,T,2,、T,5,截止,1.输入为低电平（0.2V）时,v,o,v,o,=5,v,R,2,v,be,4,v,D2,3.4V,输出,高电平,2.输入为高电平（3.4V）时,电位被嵌,在2.1V,全导通,v,B1,=,V,IH,+,V,ON,=4.1V,发射结反偏,1V,截止,T,2,、T,5,饱和导通,2.输入为高电平（3.4V）时,v,o,=,V,CE5,0.3V 输出低电平,可见，无论输入如何，,T,4,和T,5,总是一管导通而另一管截止。,这种推拉式工作方式，,带负载能力很强,。,1.悬空的输入端相当于接高电平。,2.为了防止干扰，一般应将悬空的输入端接高电平。,说明,TTL集成门电路的封装：,双列直插式,如：TTL门电路芯片（,四2输入与非门，,型号74LS00,),地GND,外 形,管脚,电源V,CC,（+5V）,74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。,或非门,与或非门,74LS86,二,.,集电极开路门（OC门）,为什么需要OC门？,普通与非门输出不能,直接连在一起实现“线与”！,1,0,产生一个很大的电流,A,B,Y,C,D,集电极悬空,A,B,Y,OC门输出端可直接连接实现线与。,三,.,三态门（TS门),三态输出门(Three-State Output Gate)是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的。,EN,A,Y,B,EN,A,Y,B,3.5.6 TTL数字集成电路的各种系列,74H系列：,高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代价换取的，效果不够理想。,从,提高工作速度,、,降低功耗,两方面考虑进行改进。,74S系列：,肖特基系列。采用抗饱和三极管，提高了工作速度，但电路功耗加大，并且输出的低电平升高。,74LS系列：,低功耗肖特基系列。兼顾功耗和速度两个方面，得到更小的延迟功耗积。,74AS系列：,电路结构与74LS系列相似，采用低 阻值，提高了工作速度，但功耗较大。,74ALS系列：,其延迟功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种。,54、54H、54S、54LS系列：,54系列与74系列电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。54系列工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。,74系列：温度070，电源电压5V5%;,54系列:温度-55+125，电源电压5V10%。,CMOS电路与TTL电路比较：,（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。,（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。,（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在,318V，抗干扰能力比TTL电路强。,（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。,（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。,（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和,存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地,良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不,能悬空，应根据需要接地或接高电平。,CMOS电路与TTL电路比较：,多余输入端的处理措施,处理原则：不能影响输入与输出之间的逻辑关系。,数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以,并联,起来使用，也可,根据逻辑关系的要求接地或接高电平,。,TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平,；,但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作,。,对于TTL门，一般可将多余的输入端通过上拉电阻（1,3 K,）接电源正端；也可利用反相器将其输入端接地;通过大电阻接地（,逻辑1的处理,）。直接把多余端接地（,逻辑0的处理,）。,对于CMOS电路，对于输入端可根据需要直接接地（,逻辑0的处理,）；或直接接V,DD,（,逻辑1的处理,）。,要实现Y=A，输入端B应如何连接？,B=0时可实现Y=A，B端应接低电平(接地）。,要实现Y=A ，输入端B应如何连接？,B=1时可实现Y=A ，B端应接高电平（接电源）。,