逻辑门电路基础.pptx

门电路概述门电路概述 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性 半导体半导体MOS 管的开关特性管的开关特性 TTL 门电路门电路 CMOS 门电路门电路 TTL 电路与电路与CMOS 电路的接口电路的接口3.1 3.1 概述概述门电路门电路：实现基本运算、复合运算的基本运算、复合运算的单元元 电路，如路，如:与与门、与非、与非门、或、或门电路中以高门电路中以高/低电平表示逻辑状态的低电平表示逻辑状态的1和和0获得高、低电获得高、低电平的基本原理平的基本原理高高高高/低电低电低电低电平都允平都允平都允平都允许有一许有一许有一许有一定的变定的变定的变定的变化范围化范围化范围化范围正正正正逻辑逻辑：高高高高电电平表示平表示平表示平表示1 1，低，低，低，低电电平表示平表示平表示平表示0 0负逻辑负逻辑：高高高高电电平表示平表示平表示平表示0 0，低，低，低，低电电平表示平表示平表示平表示1 13.23.2半导体二极管门电路半导体二极管门电路半半导体二极管的体二极管的结构和外特性构和外特性（Diode）VI=VIH D截止截止VO=VOH=VCCVI=VIL D导通导通VO=VOL=0.7V高电平：高电平：VIH=VCC低电平：低电平：VIL=0输输入入入入V VI I输输出出出出V Vo o3.2.1 3.2.1 二极管的开关特性：二极管的开关特性：二极管的开二极管的开二极管的开二极管的开关等效关等效关等效关等效电电路：路：路：路：二极管的动态二极管的动态电流波形电流波形：对二极管开关电路可得下列等效电路，如图对二极管开关电路可得下列等效电路，如图3-1-3(a)(b)(c)。内阻内阻rD，导通压降，导通压降VON忽略忽略rD忽忽略略rD及及VON设设VCC=5VVIH=3V;VIL=0V二极管导通时二极管导通时VDF=0.6VA AB BY Y0V0V0V0V0.6V0.6V0V0V3V3V0.6V0.6V3V3V0V0V0.6V0.6V3V3V3V3V3.6V3.6VA AB BY Y0 00 00 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1规定规定2.4V以上以上为逻辑为逻辑“1”0.8V以下以下为逻辑为逻辑“0”3.2.2 3.2.2 二极管与门二极管与门3.2.3 3.2.3 二极管或门二极管或门A AB BY Y0V0V0V0V0V0V0V0V3V3V2.4V2.4V3V3V0V0V2.4V2.4V3V3V3V3V2.4V2.4VA AB BY Y0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 11 11 1VCC=5VVIH=3V;VIL=0V二极管导通时VDF=0.6V规定规定2.4V以上以上为逻辑为逻辑“1”规定规定0.8V以下以下为逻辑为逻辑“0”3.3 TTL门电路门电路3.3.1 3.3.1 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性（BJT,Bipolar Junction Transistor）一、双极型三极管的结构一、双极型三极管的结构管芯管芯管芯管芯 +三个引出电极三个引出电极三个引出电极三个引出电极 +外壳外壳外壳外壳基区薄基区薄低掺杂低掺杂集电区集电区低掺杂低掺杂发射区发射区高掺杂高掺杂以以NPN为例说明工作原理：为例说明工作原理：n当当VCC VBBnbe 结正偏结正偏,bc结反偏结反偏ne区发射大量的电子区发射大量的电子nb区薄，只有少量的空区薄，只有少量的空穴穴nbc反偏，大量电子形成反偏，大量电子形成IC二、三极管的输入特性和输出特性二、三极管的输入特性和输出特性VON：开启电压：开启电压硅管，硅管，0.5 0.7V锗管，锗管，0.2 0.3V近似认为近似认为:VBE 0.7V 以后，基本为水平直线以后，基本为水平直线特性曲线分三个部分特性曲线分三个部分放大区放大区：条件条件VCE 0.7V,iB 0,iC随随iB成正成正比变化比变化，iC=iB。饱和区饱和区：条件条件VCE 0,VCE 很低，很低，iC 随随iB增加变缓，趋于增加变缓，趋于“饱和饱和”。截止区截止区：条件条件VBE=0V,iB=0,iC=0,ce间间“断开断开”。仿真见NPN.EWB三、双极型三极管的基本开关电路三、双极型三极管的基本开关电路当：当：当：当：VI=VIL时，时，T截止，截止，VO=VOH当：当：当：当：VI=VIH时，时，T导通，导通，VO=VOLi）当当VI VON时，三极管导通；基极电流时，三极管导通；基极电流iB 当三极管处于饱和状态时的基极饱和电流为：当三极管处于饱和状态时的基极饱和电流为：为保证为保证三极管三极管处于饱处于饱和应使：和应使：*注意注意：处于饱和时：处于饱和时小于处于线性放大区的小于处于线性放大区的值。值。等效电路：等效电路：图解分析法：图解分析法：四、三极管的开关等效电路截止状态截止状态截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态饱和导通状态饱和导通状态五、动态开关特性五、动态开关特性从二极管已知，从二极管已知，PN结存在电容结存在电容效应。效应。在饱和与截止两在饱和与截止两个状态之间转换个状态之间转换时，时，iC 的变化将的变化将滞后于滞后于VI，则，则VO的变化也滞后的变化也滞后于于VI。六六 、三极管反相器、三极管反相器三极管的基本开关电路就是三极管的基本开关电路就是三极管的基本开关电路就是三极管的基本开关电路就是非非非非门实际应用中，门实际应用中，门实际应用中，门实际应用中，为保证为保证为保证为保证V VI I=V=VILIL时时时时T T可靠截止，可靠截止，可靠截止，可靠截止，常在输入接入负压。常在输入接入负压。常在输入接入负压。常在输入接入负压。当：当：当：当：VI=VIL时，时，T截止，截止，VO=VOH当：当：当：当：VI=VIH时，时，T导通，导通，VO=VOL例例3.4.1：计算参数设计是否合理：计算参数设计是否合理VIH=5V VIL=0V=20；VCE(sat)=0.1VV VEEEE=-8V10K3.3K1KVcc=5V仿真见单管反相器仿真见单管反相器-例例.EWB将将发射极外接射极外接电路化路化为等效的等效的VB与与RB电路路当：当：当：当：又：又：因此，参数设计合理因此，参数设计合理3.4 TTL3.4 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理一、电路结构一、电路结构，设设 二、电压传输特性二、电压传输特性需要说明的几个问题：需要说明的几个问题：三、输入噪声容限三、输入噪声容限3.4.2 TTL3.4.2 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性输入特性输入特性输出特性输出特性T5导通；导通；T4截止截止。2 2）输出为低电平特性输出为低电平特性*当当iL增大时，增大时，VOL线性增大，但斜率很小，线性增大，但斜率很小，iL 16mA。例：扇出系数（例：扇出系数（Fan-outFan-out），），试计试计算算门门G1G1能能驱动驱动多少个同多少个同样样的的门电门电路路负载负载。一、传输延迟时间一、传输延迟时间1、现象3.4.3 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性二、交流噪声容限二、交流噪声容限 当输入信号为窄脉冲，当输入信号为窄脉冲，当输入信号为窄脉冲，当输入信号为窄脉冲，且接近于且接近于且接近于且接近于t tpdpd时，输出变化时，输出变化时，输出变化时，输出变化跟不上，变化很小，因此跟不上，变化很小，因此跟不上，变化很小，因此跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流交流噪声容限远大于直流交流噪声容限远大于直流交流噪声容限远大于直流噪声容限噪声容限噪声容限噪声容限。（b）负负脉冲脉冲 噪声容限噪声容限（a）正）正脉冲脉冲 噪声容限噪声容限三、电源的动态尖峰电流三、电源的动态尖峰电流1.两种静态下的电源负载电流不等空载条件下：两种静态下的电源负载电流不等空载条件下：*Vo=Vol时，时，T2,5导通，导通，T4截至截至*Vo=VoH时，仅时，仅T1导通，导通，2、动态尖峰电流、动态尖峰电流3.53.5其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路一、其他逻辑功能的门电路1.1.与非与非与非与非门门门门2.或非或非门门3.与或非门与或非门4.异或门二、集电极开路的门电路二、集电极开路的门电路1 1、推拉式输出电路结、推拉式输出电路结、推拉式输出电路结、推拉式输出电路结构的局限性构的局限性构的局限性构的局限性 输出电平不可调输出电平不可调输出电平不可调输出电平不可调 负载能力不强，尤负载能力不强，尤负载能力不强，尤负载能力不强，尤其是高电平输出其是高电平输出其是高电平输出其是高电平输出 输出端不能并联使输出端不能并联使输出端不能并联使输出端不能并联使用用用用 OCOC门门门门 2.2.OC逻辑门的特点及应用逻辑门的特点及应用.由于采用另外一组供电电源由于采用另外一组供电电源VCC，且一般，且一般VCC VCC，故可以提高输出逻辑高电平的电，故可以提高输出逻辑高电平的电压值。压值。.由于采用集电极开路输出由于采用集电极开路输出,具有较大的电流具有较大的电流驱动能力驱动能力,而且可以输出端并联进一步增加电流而且可以输出端并联进一步增加电流输出能力输出能力.构成外部逻辑构成外部逻辑”线与线与”.3、OCOC门的结构特点门的结构特点OC门实现的门实现的线与线与4、外接负载电阻外接负载电阻R RL L的计算的计算三、三态输出门三、三态输出门（Three state Output Gate,TSThree state Output Gate,TS）三态门的用途三态门的用途3.5.4 TTL3.5.4 TTL电路的改进系列电路的改进系列（改进指标：（改进指标：（改进指标：（改进指标：)一、高速系列一、高速系列一、高速系列一、高速系列74H/54H 74H/54H （High-Speed TTLHigh-Speed TTL）1.电路的改进电路的改进(1)(1)输出级采用复合管（减小输出电阻输出级采用复合管（减小输出电阻输出级采用复合管（减小输出电阻输出级采用复合管（减小输出电阻RoRo）(2)(2)减少各电阻值减少各电阻值减少各电阻值减少各电阻值2.性能特点性能特点速度提高速度提高速度提高速度提高 的同时功耗也的同时功耗也的同时功耗也的同时功耗也增加增加增加增加 二、肖特基系列二、肖特基系列74S/54S74S/54S（Schottky TTLSchottky TTL）1.电路改路改进(1)采用抗采用抗采用抗采用抗饱饱和三极管和三极管和三极管和三极管(2)用有源泄放用有源泄放用有源泄放用有源泄放电电路代替路代替路代替路代替74H74H系列中的系列中的系列中的系列中的R3R3(3)减小减小减小减小电电阻阻阻阻值值2.性能特点性能特点 速度速度速度速度进进一步提高，一步提高，一步提高，一步提高，电压传输电压传输特性没有特性没有特性没有特性没有线线性区，性区，性区，性区，功耗增大功耗增大功耗增大功耗增大三、低功耗肖特基系列三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-Low-Power Schottky TTLPower Schottky TTL）四、四、74AS,74ALS（Advanced Low-Power Advanced Low-Power Schottky TTLSchottky TTL）2.5 其他其他类型的双极型数字集成型的双极型数字集成电路路*DTLDTL：输输入入为为二极管二极管门电门电路，速度低，已路，速度低，已经经不用不用HTLHTL：电电源源电压电压高，高，VthVth高，抗干高，抗干扰扰性好，已被性好，已被CMOSCMOS替代替代ECLECL：非非饱饱和和逻辑逻辑，速度快，用于高速系，速度快，用于高速系统统I2LI2L：属属饱饱和和逻辑逻辑，电电路路简单简单，用于，用于LSILSI内部内部电电路路 3.6.1 CMOS3.6.1 CMOS门电路门电路一一.MOS.MOS管的开关特性管的开关特性1、MOS管的管的结构构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层金属层氧化物层氧化物层半导体层半导体层PN结结N N沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型：当加：当加+V+VDSDS时，且时，且VGS VGS(th)N D-SD-S间间形成导电沟道（形成导电沟道（N N型层型层型层型层）,V GS(th)N 0N N型型型型开启电压开启电压P P沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型：当加：当加-V-VDSDS时，且时，且V VGS GS VVGS(th)PGS(th)P D-SD-S间形间形成导电沟道（成导电沟道（P P型层型层型层型层）,V GS(th)P 3.4V时，一般时，一般TTL输出输出T4截止，与截止，与OC门同样。门同样。例例3.6.3 用用CMOS+电流放大（驱动）驱动电流放大（驱动）驱动TTL。iB=IOH(CMOS)VOL=VCC RC(iB-nIIL)=VCC RC(IOH(CMOS)nIIL(TTL)当IOH(CMOS)=0.5mA，IIL(TTL)=-1.6mA，n=5，=50作业一作业一（p150-157)p150-157)3.2;3.3;3.4;3.2;3.3;3.4;3.11;3.14;3.16;3.11;3.14;3.16;3.18;3.19 3.18;3.19 作业二作业二（p150-159)p150-159)3.7;3.8;3.23;3.7;3.8;3.23;3.24;3.293.24;3.29