1、第三章 門電路,1,PPT學(xué)習(xí)交流,重點(diǎn)：門電路外部特性,輸入與輸出邏輯關(guān)系 外部電氣特性：電壓傳輸特性 輸入特性 輸出特性,第三章 門電路,2,PPT學(xué)習(xí)交流,3.1 概述,一.門電路 實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算的單元電路 如與門、與非門、或門 ,條件開關(guān),輸入信號(hào)滿足一定條件時(shí)，門開啟，允許信號(hào)通過 。,開門狀態(tài)：,關(guān)門狀態(tài)：,輸入信號(hào)條件不滿足，門關(guān)閉，信號(hào)通不過 。,門,3,PPT學(xué)習(xí)交流,與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等。,輸出和輸入之間存在著一定的邏輯關(guān)系。 不同的門電路，輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系也不同，如：,門電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0,4,PPT學(xué)習(xí)

2、交流,二.電平信號(hào),1.電壓范圍 輸入：VIH 、 VIL 輸出：VOH 、 VOL,常用TTL器件,若MOS器件，高低電平界限不同,5,PPT學(xué)習(xí)交流,2.獲得高、低電平信號(hào)的方法,開關(guān)S,理想開關(guān)S,合：,開：,S開關(guān)可用VI信號(hào)控制,門電路中器件：二極管和三極管可作開關(guān),6,PPT學(xué)習(xí)交流,負(fù)邏輯：高電平表示0，低電平表示1,高/低電平都允許有一定的變化范圍,正邏輯：高電平表示1，低電平表示0,三 正、負(fù)邏輯,7,PPT學(xué)習(xí)交流,二極管的伏安特性,正向?qū)▍^(qū),反向截止區(qū),反向擊穿區(qū),3.2 半導(dǎo)體二極管門電路,8,PPT學(xué)習(xí)交流,3.2.1二極管的開關(guān)特性：,高電平：VIH=VCC 低電

3、平：VIL=0,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V,二極管特性：加正向向電壓導(dǎo)通 加反向電壓截止,可作開關(guān),二極管作開關(guān) 缺點(diǎn)： 有0.7V壓降（硅管） 有延遲,9,PPT學(xué)習(xí)交流,3.2.2 二極管與門,設(shè)VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7V,3.7V,3V,3V,0.7V,0V,3V,0.7V,3V,0V,0.7V,0V,0V,Y,B,A,1,1,1,0,0,1,0,1,0,0,0,0,Y,B,A,規(guī)定3V以上為1,0.7V以下為0,與邏輯電平關(guān)系,與邏輯真值表,10,PPT學(xué)習(xí)交流

4、,缺點(diǎn)：,當(dāng)VIL=0.3V時(shí)， Vo=1V.（無法確定高低電平），應(yīng)避免 輸入與輸出差0.7v，若多級(jí)會(huì)電平偏移,11,PPT學(xué)習(xí)交流,3.2.3 二極管或門,設(shè)VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7V,2.3V,3V,3V,2.3V,0V,3V,2.3V,3V,0V,0V,0V,0V,Y,B,A,規(guī)定2.3V以上為1,0V以下為0,12,PPT學(xué)習(xí)交流,二極管構(gòu)成的門電路的缺點(diǎn),電平有偏移 帶負(fù)載能力差 只用于IC內(nèi)部電路,13,PPT學(xué)習(xí)交流,雙極型三極管的開關(guān)特性 （BJT, Bipolar Junction Transistor）,3

5、.5 TTL門電路3.5.1 半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性,14,PPT學(xué)習(xí)交流,二、三極管的輸入特性和輸出特性 三極管的輸入特性曲線（NPN）,VON ：開啟電壓 近似認(rèn)為: VBE VON iB = 0 VBE VON iB 的大小由外電路電壓，電阻決定,15,PPT學(xué)習(xí)交流,三極管的輸出特性,16,PPT學(xué)習(xí)交流,特性曲線分三個(gè)部分 放大區(qū)：條件VCE 0.7V, iB 0, iC隨iB成正比變化， iC=iB。 飽和區(qū)：條件VCE 0, VCE 很低，iC 隨iB增加變緩，趨于“飽和”。 截止區(qū)：條件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce間“斷開” 。,17,PPT學(xué)習(xí)交流

6、,一、雙極型三極管的基本開關(guān)電路,只要參數(shù)合理： VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOH VI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL,18,PPT學(xué)習(xí)交流,工作狀態(tài)分析：,19,PPT學(xué)習(xí)交流,工作狀態(tài)分析：,20,PPT學(xué)習(xí)交流,二、三極管的開關(guān)等效電路,截止?fàn)顟B(tài),飽和導(dǎo)通狀態(tài),21,PPT學(xué)習(xí)交流,三、三極管反相器,三極管的基本開關(guān)電路就是非門 實(shí)際應(yīng)用中，為保證VI=VIL時(shí) T可靠截止，常在輸入接入負(fù)壓。,參數(shù)合理？ VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOH VI=VIH時(shí)，T截止，VO=VOL,22,PPT學(xué)習(xí)交流,數(shù)字集成電路,數(shù)字集成電路分為雙極型、單極型和混合型。,簡(jiǎn)稱IC,數(shù)字集成電路從

7、集成度上分小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI） 。,TTL型與CMOS型。,23,PPT學(xué)習(xí)交流,TTL 即 Transistor-Transistor Logic,CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,輸入端和輸出端都用三極管的邏輯門電路。,用互補(bǔ)對(duì)稱 MOS 管構(gòu)成的邏輯門電路。,24,PPT學(xué)習(xí)交流,TTL電路的致命缺點(diǎn)是：功耗大，只能制造SSI，MSI，而無法制作LSI和VLSI。 CMOS突出優(yōu)點(diǎn)是：功耗極低，非常適合制作VLSI。隨著其工藝不斷進(jìn)步，無論在工

8、作速度還是驅(qū)動(dòng)能力上，都已不比TTL遜色。 CMOS已經(jīng)取代TTL，成為IC的主導(dǎo)技術(shù) 不過現(xiàn)有的舊設(shè)備中，有的仍在用TTL，因此了解TTL的某些知識(shí)仍有必要。,25,PPT學(xué)習(xí)交流,3.5.2 TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理 一、電路結(jié)構(gòu) 設(shè),推拉式電路,26,PPT學(xué)習(xí)交流,輸入級(jí),倒相級(jí),輸出級(jí),推拉式電路,27,PPT學(xué)習(xí)交流,1.輸入為低電平（0.2V）時(shí),0.9V,不足以讓 T2、T5導(dǎo)通,T2、T5截止,28,PPT學(xué)習(xí)交流,1.輸入為低電平（0.2V）時(shí),vo=5vR2vbe4vD23.4V 輸出高電平,N,P,29,PPT學(xué)習(xí)交流,2.輸入為高電平（3.4V）時(shí),電位被嵌

9、在2.1V,vB1=VIH+VON=4.1V,發(fā)射結(jié)反偏,1V,T2、T5飽和導(dǎo)通,30,PPT學(xué)習(xí)交流,2.輸入為高電平（3.4V）時(shí),vo =VCE50.2V 輸出低電平,31,PPT學(xué)習(xí)交流,無論輸入如何，T4和T5總是一管導(dǎo)通而另一管截止。 這種推拉式工作方式，靜態(tài)功耗低，帶載能力強(qiáng)。,32,PPT學(xué)習(xí)交流,一般用T5的狀態(tài)表示門的工作狀態(tài) T5截止，稱門電路處于關(guān)態(tài) （關(guān)斷狀態(tài)） T5導(dǎo)通，稱門電路處于開態(tài) （開通狀態(tài)）,33,PPT學(xué)習(xí)交流,34,PPT學(xué)習(xí)交流,二、電壓傳輸特性,35,PPT學(xué)習(xí)交流,電壓傳輸特性可以反映TTL非門的幾個(gè)主要電參數(shù)：, 輸出高、低電平,VOH,VO

10、L,輸出高電平VOH 輸出低電平VOL,關(guān)門電平(Voff)和開門電平(Von),Voff(VILmax),Von(VIHmin),在保證輸出高于VOHmin允許的輸入低電平的最大值，稱為關(guān)門電平Voff (VILmax); 在保證輸出低于VOLmax允許的輸入高電平的最小值，稱為開門電平Von (VIHmin)。,0.8V,2V,3.4V,0.3V,36,PPT學(xué)習(xí)交流, 輸出高、低電平的最小值,輸出高電平最小值VOHmin 輸出低電平最大值VOLmax, 閾值電壓(Vth):,轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電壓稱閾值電壓Vth。,2.4V,0. 4V,VOH,VOL,37,PPT學(xué)習(xí)交流,4 噪聲容

11、限,VNH= VOHmin-VIHmin,VNL= VILmax-VOLmax,VNH= 2.4-2=0.4V,VNL= 0.8-0.4=0.4V,38,PPT學(xué)習(xí)交流,一、輸入特性,3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,輸入端的等效電路如圖所示,輸入低電平電流,輸入高電平電流,39,PPT學(xué)習(xí)交流,一、輸入特性,3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,輸入電流隨輸入電壓變化的曲線輸入特性曲線如圖所示。,1.輸入伏安特性,輸入短路電流IIS(IIL),高電平輸入電流IIH,注：以流入門的電流為正,40,PPT學(xué)習(xí)交流,2.輸入負(fù)載特性,1 2 3,1.4,1, ，相當(dāng)于接

12、0, ，相當(dāng)于接1,3.輸入端懸空，相當(dāng)于接1,41,PPT學(xué)習(xí)交流,數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻RP RON或RP ROFF ，否則輸入信號(hào)將不在高低電平范圍內(nèi)。,為了防止 干擾，一般將懸空的輸入端人為接高電平。,42,PPT學(xué)習(xí)交流,二. 輸出特性,非門輸出為 高電平時(shí)：,輸出電流的方向?yàn)榱鞒觯ɡ娏鳎?實(shí)際工作中，受到功耗的限制，輸出電流不能超過0. 4mA。,IOHmax= -0. 4mA,由于非門輸出電阻的存在，輸出電壓隨輸出電流的增大而下降,拉電流： IOH,反映輸出電壓vO與輸出電流iL的關(guān)系。規(guī)定灌入電流為正方向。拉出電流為負(fù)方向。,43,PPT學(xué)習(xí)交流,非門輸出為 低電平時(shí)：,

13、灌電流： IOL,輸出電流的方向?yàn)榱魅?灌電流)，,輸出電壓隨輸出電流的增大而增大。,IOLmax=16mA,IOL(max),44,PPT學(xué)習(xí)交流,3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,例：扇出系數(shù)（Fan-out）， 試計(jì)算門G1能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門電路負(fù)載。,扇出系數(shù)N=,IO（驅(qū)動(dòng)門）,II（負(fù)載門）,45,PPT學(xué)習(xí)交流,解：G1的負(fù)載電流是所有負(fù)載門輸入電流之和；對(duì)于低電平，由輸入特性可知，當(dāng)VI=0.2V時(shí)每個(gè)門的輸入電流iI=-1mA。,46,PPT學(xué)習(xí)交流,對(duì)于高電平，由輸入特性可知，每個(gè)門的輸入電流為40微安。,取N=10。,47,PPT學(xué)習(xí)交流,當(dāng)RP RON

14、時(shí)，相當(dāng)于輸入端接高電平。,輸入端懸空，相當(dāng)于接高電平。,當(dāng)RP ROFF時(shí)，相當(dāng)于輸入端接低電平。,適用所有的TTL門電路,例題：寫出圖中門電路的邏輯式:,48,PPT學(xué)習(xí)交流,TTL門電路的動(dòng)態(tài)特性,一、傳輸延遲時(shí)間tpd,tpd表征門電路的開關(guān)速度,49,PPT學(xué)習(xí)交流,tpHL,tpLH,導(dǎo)通傳輸 時(shí)間,截止傳輸 時(shí)間,平均傳輸延遲時(shí)間 （Propagation delay),tpd =515ns,上升沿,下降沿,問：哪個(gè)長(zhǎng)？為什么？,50,PPT學(xué)習(xí)交流,tpHL,tpLH,平均傳輸延遲時(shí)間 （Propagation delay),8ns，12ns,T5管導(dǎo)通時(shí)工作在深度飽和狀態(tài)，其

15、從導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止（對(duì)應(yīng)輸出從低電平跳變?yōu)楦唠娖剑┑拈_關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，因此tpHL tpLH,51,PPT學(xué)習(xí)交流,3.5.5其他類型的TTL門電路,一、其他邏輯功能的門電路 1. 與非門,52,PPT學(xué)習(xí)交流,二、集電極開路的門電路,1、推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性 輸出電平不可調(diào) 負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用 OC門,53,PPT學(xué)習(xí)交流,2、OC門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),注：此時(shí)T5管存在截止的漏電流，約0.5ma,54,PPT學(xué)習(xí)交流,OC門實(shí)現(xiàn)的線與,55,PPT學(xué)習(xí)交流,3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算,56,PPT學(xué)習(xí)交流,3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算,57,PPT學(xué)習(xí)交流,3、外接負(fù)

16、載電阻RL的計(jì)算,58,PPT學(xué)習(xí)交流,三、三態(tài)輸出門（Three state Output Gate ,TS）,59,PPT學(xué)習(xí)交流,三態(tài)門的用途,1.總線結(jié)構(gòu),2.雙向數(shù)據(jù)傳輸,60,PPT學(xué)習(xí)交流,輸入特性：直流電流為0，看進(jìn)去有一個(gè)輸入電容CI，對(duì)動(dòng)態(tài)有影響。 輸出特性： iD = f (VDS) 對(duì)應(yīng)不同的VGS下得一族曲線 。,3.3 CMOS門電路 MOS管的開關(guān)特性,一 輸入特性和輸出特性,61,PPT學(xué)習(xí)交流,漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）,截止區(qū) 恒流區(qū) 可變電阻區(qū),截止區(qū),恒流區(qū),可變電阻區(qū),62,PPT學(xué)習(xí)交流,三、MOS管的基本開關(guān)電路,63,PPT學(xué)習(xí)交流,四、等效電路

17、,OFF ，截止?fàn)顟B(tài) ON，導(dǎo)通狀態(tài),64,PPT學(xué)習(xí)交流,3.3.2 CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理,一、電路結(jié)構(gòu),T1管：P溝道增強(qiáng)型MOS管 T2管：N溝道增強(qiáng)型MOS管,N,P,65,PPT學(xué)習(xí)交流,二、電壓、電流傳輸特性,N,P,66,PPT學(xué)習(xí)交流,無論VI高低電平，T1和T2管總是一個(gè)導(dǎo)通一個(gè)截止的互補(bǔ)狀態(tài)。 該電路稱為互補(bǔ)對(duì)稱式金屬氧化物-半導(dǎo)體電路（CMOS電路） 優(yōu)點(diǎn)：靜態(tài)電流極小，功耗極小,67,PPT學(xué)習(xí)交流,3.3.3 CMOS 反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性,一、輸入特性,68,PPT學(xué)習(xí)交流,二、輸出特性,69,PPT學(xué)習(xí)交流,二、輸出特性,70,PPT學(xué)習(xí)交流,

18、3.3.5 其他類型的CMOS門電路,一、其他邏輯功能的門電路,1. 與非門 2.或非門,71,PPT學(xué)習(xí)交流,二、漏極開路的門電路（OD門）,72,PPT學(xué)習(xí)交流,73,PPT學(xué)習(xí)交流,OD門輸出端截止、輸出高電平時(shí)，為保證輸出高電平不低于規(guī)定的數(shù)值，RL不能取值太大。,74,PPT學(xué)習(xí)交流,OD門輸出低電平時(shí)，為保證負(fù)載電流不超過MOS管允許的最大電流，RL不能取值太小。,75,PPT學(xué)習(xí)交流,三、 CMOS傳輸門,1. 傳輸門,76,PPT學(xué)習(xí)交流,2. 雙向模擬開關(guān),77,PPT學(xué)習(xí)交流,四、三態(tài)輸出門,78,PPT學(xué)習(xí)交流,3.3.6 COMS電路的正確使用,一、輸入電路的靜電防護(hù),

19、（1）儲(chǔ)存、運(yùn)輸COMS器件時(shí)，不使用易產(chǎn)生靜電的材料包裝。,（2）組裝、調(diào)試時(shí)，使用的工具要很好的接地。,（3）不用的輸入端不應(yīng)懸空。,79,PPT學(xué)習(xí)交流,3.3.6 COMS電路的正確使用,二、輸入電路的過流保護(hù),（1）輸入端接低內(nèi)阻信號(hào)源時(shí)，應(yīng)在輸入端與信號(hào)源之間傳入保護(hù)電阻。,（2）輸入端接有大電阻時(shí)，也應(yīng)在輸入端與信號(hào)源之間接入保護(hù)電阻。,（3）輸入端接長(zhǎng)線時(shí)，也應(yīng)在輸入端接入保護(hù)電阻。,80,PPT學(xué)習(xí)交流,3.3.7CMOS數(shù)字集成電路的各種系列,標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的產(chǎn)品有4000系列、HC/HCT系列、AHC/AHCT系列、VHC/VHCT、LVC系列、ALVC系列等。,最早的COMS集成電路是有4000系列。電壓范圍較寬，傳輸延遲時(shí)間較長(zhǎng)，帶負(fù)載能力較弱。,HC/HCT是高速COMS邏輯系列的簡(jiǎn)稱。它的傳輸延遲時(shí)間縮短，帶負(fù)載能力提高。HC系列電壓范圍在2-6V之間；HCT系列工作電壓為單一的5V，可與TTL電路匹配。,81,PPT學(xué)習(xí)交流,AHC/AHCT是改進(jìn)的高速COMS邏輯系列的簡(jiǎn)稱。工作速度提高一倍，帶負(fù)載能力提高近一倍。AHC/AHCT又能與HC/HCT系列產(chǎn)品兼容，為系統(tǒng)更