数字电子技术基础课件：第三章 门电路

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1、第三章第三章 门电路门电路1、了解正负逻辑的基本概念、了解正负逻辑的基本概念2、了解、了解TTL、CMOS非门的电路结构非门的电路结构及工作原理及工作原理3、重点掌握各种门电路的逻辑功能及、重点掌握各种门电路的逻辑功能及其电器特性（输入输出特性）其电器特性（输入输出特性）3.1 概述概述 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门 一、逻辑电平用来表示1和0的电压称为逻辑电平。以高低电平表示两种不同逻辑状态时，有两种定义方法：正逻辑、负逻辑正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1正逻辑的与运算对应负逻辑的或运算正逻辑的与运算对应负逻辑的或运算正逻

2、辑的与非运算对应负逻辑的或非运算正逻辑的与非运算对应负逻辑的或非运算A/v B/v Y/vVLVLVLVLVHVLVHVLVLVHVHVHABY000010100111ABY111101011000正逻辑正逻辑逻辑与逻辑与 负逻辑负逻辑逻辑或逻辑或理想情况：一个电平表示高电压，理想情况：一个电平表示高电压，另一个电平表示低电压。另一个电平表示低电压。实际电路中：高低电平可以是指定的最小值和最大值之间实际电路中：高低电平可以是指定的最小值和最大值之间 的任意值。的任意值。高电平高电平H H(二进制二进制1)1)低电平低电平L L(二进制二进制0)0)不允许出现的区域不允许出现的区域VH(max)

3、VH(min)VL(max)VL(min)1.中间区域值既可以是高电平，也可以是低电平。所以不允许这些值出现。2.不同晶体管构成电路 和 是不同的。VminVmax0，1是电压范围，因此在数字电路中对电子元件精度要求不高二、获得高、低电平的基本原理二、获得高、低电平的基本原理互补开关电路互补开关电路CMOSPMOSNMOSMOSLIECLTTLDTL2集成门电路）、（双极型集成门电路集成门电路分立元件门电路路电门分立元件：功耗大，可靠性差集成门：体积小，功耗低3.2半导体二极管门电路3.2.1二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC

4、VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V二极管的开关等效电路：二极管的动态电流波形：3.2.2 3.2.2 二极管与门二极管与门设设V VCCCC=5V=5V加到加到A,BA,B的的 V VIHIH=3V =3V V VILIL=0V=0V二极管导通时二极管导通时 V VDFDF=0.7V=0.7VA AB BY Y0V0V0V0V0.7V0.7V0V0V3V3V0.7V0.7V3V3V0V0V0.7V0.7V3V3V3V3V3.7V3.7VA AB BY Y0 00 00 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1规定规定3V3V以上为以上为1 10.7V0.7V以下为以下

5、为0 03.2.3 二极管或门加到加到A,BA,B的的 V VIHIH=3V =3V V VILIL=0V=0V二极管导通时二极管导通时 V VDFDF=0.7V=0.7VA AB BY Y0V0V0V0V0V0V0V0V3V3V2.3V2.3V3V3V0V0V2.3V2.3V3V3V3V3V2.3V2.3VA AB BY Y0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 11 11 1规定规定2.3V2.3V以上为以上为1 10V0V以下为以下为0 0二极管构成的门电路的缺点 电平有偏移电平有偏移 带负载能力差带负载能力差 只用于只用于IC内部电路内部电路一、结构和工作原理：以N沟

6、道增强型为例开启电压开启电压二、输入特性和输出特性 输入特性：直流电流为输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电，看进去有一个输入电容容CI，对动态有影响。，对动态有影响。输出特性：输出特性：iD=f(VDS)对应不同的对应不同的VGS下得一族曲线下得一族曲线。漏极特性曲线（分三个区域）截止区截止区恒流区恒流区可变电阻区可变电阻区漏极特性曲线（分三个区域）截止区：截止区：VGS 109漏极特性曲线（分三个区域）恒流区：恒流区：iD 基本上由基本上由VGS决定，与决定，与VDS 关系不大关系不大2)(2)()1(GSDthGSGSthGSGSDSDViVVVVIi 下，下，当当漏极特性曲线（分

7、三个区域）可变电阻区：当可变电阻区：当VDS 较低（近似为较低（近似为0），），VGS 一定时，一定时，这个电阻这个电阻受受VGS 控制、可变。控制、可变。常数（电阻）常数（电阻）DDSiV三、MOS管的基本开关电路控制的开关。间相当于一个受管所以导通当截止当则：只要因为IOLOGSIHIDDOHOGSILIOFFDONONOFFVSDMOSVVTthVVVVVVTthVVVRRRKRR01109)()(,四、等效电路OFF，截止状态 ON，导通状态五、MOS管的四种类型 增强型增强型 耗尽型耗尽型大量正离子大量正离子导电沟道导电沟道3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构P

8、thGSNthGSDDVVV)()(PthGSNthGSVV)()(）截止电阻（）导通电阻（9OFFON10R1Rk DDOHOPPthGSDDGSPNNthGSGSNILIVVVTVVVTVVVVVV导通截止、,001DDIHILVVVV 0 VVVTVVTVVVVVVOLOPPthGSGSPNNthGSDDGSNDDIHI0,0,2截止导通、二、电压、电流传输特性DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121021211221时，参数完全对称，若同时导通段：截止导通，段：截止导通，段

9、：,)()()()(三、输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在OILIHIVVVV),min(max)(max)(min)(min)NLNHNOLILNLIHOHNHVVVVVVVVV 结论：可以通过提高结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限来提高噪声容限3.3.3 CMOS 3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性一、输入特性二、输出特性二、输出特性OLGSOLOLOLVVIIfV下，同样的低电平输出特性)(.1二、输出特性二、输出特性越少下，同样的高电平输出特性OHGSOHOHOHVVIIfV)

10、(.23.3.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性一、传输延迟时间。系列为，系列为，影响、受较大充放电影响也较大所以充放电，因为和原因：5ns74AHC10ns74HC.3;,.2.1PLHPHLDDLPLHPHLLONLIttVCttCRCC二、交流噪声容限三、动态功耗三、动态功耗功耗相比，可以忽略静态功耗极小，与动态)(,.214311ttttTTTAVTAVDDTdtidtiTIIVP其中导通功耗2212DDLCNLIPLDDICfVCPiTCViCTVVP可得平均功耗放电，有经当充电，有向经当负载电容充放电功耗,.CTDPPP总的动态功耗.33.3.5 其他类型的其他类型的CM

11、OS门电路门电路一、其他逻辑功能的门电路与非与非门：门：NMOS串联串联 PMOS并联并联 或非或非门：门：NMOS并联并联 PMOS串联串联 带缓冲极的带缓冲极的CMOS门门以与非门为例值不同对应的达到开启电压时，的、使也更高越高，输入端越多，端数目的影响输出的高低电平受输入则则则则受输入状态影响输出电阻存在的缺点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR4231314232011021002111)()(,/,:)(带缓冲极的带缓冲极的CMOS门门解决方法与非门缓冲器或非门CMOS门不足：门不足：CMOS门输

12、出电压不可调 CMOS门输出不可并联使用二、漏极开路的门电路（二、漏极开路的门电路（OD门）门）)(,.2.1DDDDDDLVVVR可以不等于使用时允许外接、驱动器现线与或用作电平转换可将输出并联使用，实三、三、CMOS传输门及双向模拟开关传输门及双向模拟开关1.传输门接地为正，另一端经设LIRV之间为低电阻至少一个导通和在所以导通导通时当相当于断开均截止、则则只要当设OIDDIDDIPthGSNthGSDDIDDIDDIILDDIHONLVVTTVVTVVVTVVVVVCCTTVVCCVVVRR21212100001201010,)(,)(,)()(2.2.双向模拟开关双向模拟开关四、三态输

13、出门四、三态输出门)(高阻时，时，ZYNEAYNE10三态门的用途三态门的用途3.3.6 CMOS电路的正确使用电路的正确使用(1)输入电路的静电防护输入电路的静电防护措施：运输时最好使用金属屏蔽层作为包装材料；组装、措施：运输时最好使用金属屏蔽层作为包装材料；组装、调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地；不使调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地；不使用的用的多余输入端不能悬空多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。，以免拾取脉冲干扰。(2)输入端加过流保护输入端加过流保护措施：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措施。措施：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措施

14、。如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻RP。3.3.7 CMOS集成电路的各种系列集成电路的各种系列 4000系列：有较宽的工作电压范围（3-18V），传输时间100ns，带载能力差，最大负载电流0.5mA。HC/HCT：传输时间10ns，带载能力4mA，HCT工作在单一5V电源下，与TTL电平兼容。AHC/AHCT：比HC/HCT系列工作速度带载能力都提高了一倍。LVC：低压系列，传输时间3.8ns，最大负载电流24mA。ALVC：在

15、LVC基础上性能进一步提高。3.5.1 3.5.1 双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路一、工作状态分析：一、工作状态分析：。近似为截止，则设0,0)1(CBONBEILIiiTVVVVIOVOCBICBCCCCCCCEOCBCBONIBBONIVVAViiVRiVRiVVVRiiRVViiVV三极管工作在放大区所以。于是得到流过并有对应的产生有后，上升至当,)2(。态三极管工作在深饱和状。时，上压降接近于当继续下降。继续上升，继续上升，当00)3()(satCEOLOOCCCOBIVVVVVRViV二、三极管的开关等效电路二、三极管的开关等效电路三、动态开关特性三、动态开关特

16、性3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理VVPNVVVVVVONILIHCC7020435.结导通压降一、电路结构若A为低电平，VB1=0.9V2.1V，T1倒置放大，T2、T5饱和，VC20.8V，不足以使T4、D2同时通，故VO=0.2V，为低电平。)()(.1020YVVAVVVOHOILI)()(.0143YVVAVVVOLOIHI需要说明的几个问题：故称倒相级。变化方向相反和的输出,222eCVVT。带负载能力，称推拉式既能降低功耗又提高了止。总有一个导通、一个截和输出级在稳态下，54TT可靠地截止。导通时保证抑制负向干扰4521TTDD二、电压传输特性二、电压传输特性二、电压

17、传输特性二、电压传输特性OIIDBERCCOHBIVVTTTVVVBCVVVVVVTTTTVVVVAB导通，截止，导通且工作在放大区段：线性区导通截止，导通，段：截止区452242452113170433160,.,.,.二、电压传输特性二、电压传输特性OLOOIOLOBTHIVVVVDEVVTTTVVVVVCD不变，而继续段：饱和区迅速所以截止，同时导通，所以段：转折区012414521,.,.VTH：阈值电压（门槛电压），在转折区中点为1.4V。由于线性区存在，电压传输特性与理想开关特性差别较大。三、输入噪声容限三、输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不

18、变；的一定范围内，和偏离在OILIHIVVVV(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV3.5.3 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一.输入特性 输入等效电路 输入特性IILIIHD1作用结果例：扇出系数（Fan-out），试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。）（查得时，）（查得时，要求保证mAiVVVVmAiVVVVOLOLIHIOHOHILI16204023.;.三、输入端负载特性1.4V相当于高电平，、相当于低电平，、IPIPVk2R2V700R13.5.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性一、传输延迟时间1

19、、现象分布电容的影响）的存在和结电容（、原因,TD2二、交流噪声容限二、交流噪声容限当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出变化跟不上，变化很小因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。三、电源的动态尖峰电流T4、T5同时导通所造成影响：使电源平均电流增加 形成系统内部噪声3.5.53.5.5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.与非门0,1.21,9.02.05241451OLOBOHOBVVTTTVVBAVVTTVVVBABA导通，和截止，同为高电平时，和当导通，截止，时，有一个为和当由多发射极三极管实现加倍：每个值相同，并联后时相同：并联后与仅一个接地输入电

20、流计算：IHILII2.或非门或非门均加倍和输入电流计算时，导通截止，才有同为、只有截止导通，均使任何一个为、所以的输出并联和因为路两个完全一样的输入电ILIHOHOOLOIIVVTTBAVVTTBATT45452201二、集电极开路的门电二、集电极开路的门电路路1、推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用 OC门2、OC门的结构特点门的结构特点VmASNTTOC3040740755/:如，可承受较大电压、电流，三极管输出端为与”输出端并联可实现“线）可以不等于（截止时，为或饱和同为高时，取值合适，定可使只要工作时需要外接CCCCCCOOL

21、CCLCCLVVVVTBAVTBAVRVR5500,;,OC门实现的线与门实现的线与)()()(CDABCDABYYYYYYY2121所以才为高，即为低，只有两者同高有一个低，、因为3、外接负载电阻、外接负载电阻RL的计算的计算下限）过大（得不能太小，否则门仅一个输出管道通，、的上限）不能太大（得门输出管全部截止时，、要求：LLLLLOHORiROCRRVVOC213、外接负载电阻、外接负载电阻RL的计算的计算(max)(,LIHOHOHCCLOHIHOHLCCOHOIHOHRmInIVVRVmInIRVVVIIOC所以则为保证负载输入电流为截止漏电流为门同时截止，3、外接负载电阻、外接负载电

22、阻RL的计算的计算(min),LILLMOLCCLLLOLOILLMRImIVVRRIVVIIOCOC所以不能太小不过大，且为保证负载门输入电流为流为门饱和时允许的最大电门导通，当仅一个三、三态输出门（三、三态输出门（Three state Output Gate,TS）)(,ZVVOHOL，高阻输出有三个状态：ZYDPENABYDPEN导通，为“高阻状态”截止，为“工作状态”,)()(,)(012101三态门的用途三态门的用途一、高速系列一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL）1、电路的改进、电路的改进(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Ro

23、）(2)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 的同时功耗也增加的同时功耗也增加 3.5.6 TTL电路的改进系列（改进指标)()(mwPnstdppdmWPnstpd101074,系列：标准21)(nstpd倍2)(mwP二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）1、电路改进、电路改进采用抗饱和三极管采用抗饱和三极管用有源泄放电路代替用有源泄放电路代替74H系列中的系列中的R3减小电阻值减小电阻值2.性能特点性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大左右至左右，下降到VVVVOLTH4011.三

24、、低功耗肖特基系列三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-Power Schottky TTL）四、四、74AS,74ALS（Advanced Low-Power Schottky TTL）3.6 其他类型的双极型数字集成电路其他类型的双极型数字集成电路*DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被高，抗干扰性好，已被CMOS替代替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路内部电路