數字電子技術2章課件

本章主要內容：1、熟悉二極管和BJT（三極管）的開關特性原理；2、熟練掌握基本邏輯門電路和TTL邏輯門電路邏輯功能（包括工作原理和技術參數、邏輯運算）；3、熟悉cmos和nmos邏輯門電路；4、學會邏輯電路邏輯功能分析。；5、熟悉正負邏輯問題和邏輯門電路應用中的問題重點和難點：熟練掌握基本邏輯門電路和TTL邏輯門電路邏輯功能（包括工作原理和技術參數）第二章邏輯門電路1實現基本邏輯運算和復合邏輯運算的單元電路。1邏輯門電路：2邏輯門電路的分類：二極管門電路三極管門電路TTL門電路MOS門電路PMOS門CMOS門邏輯門電路分立集成NMOS門TTL--三極管-三極管HTL–高閾值ECL–射極耦合I2L–集成注入概述－構成數字邏輯電路的基本元件23高、低電平產生的原理當S閉合，vO=當S斷開，vO=0V+5V(低電平)(高電平)理想的開關應具有兩個工作狀態(tài)：接通狀態(tài)：斷開狀態(tài)：要求阻抗越小越好，相當于短路（導通）要求阻抗越大越好，相當于開路（截止）3二、二極管的動態(tài)特性在0～t1期間，vi＝

VF時，D導通，電路中有電流流過：RLvii＋－D1.二極管從正向導通到反向截止的過程vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit5二、二極管的動態(tài)特性RLvii＋－D1.二極管從正向導通到反向截止的過程：通常將二極管從導通轉為截止所需的時間稱為反向恢復時間:tre=ts+ttvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存儲時間渡越時間在t1時，突然I

＝

－VR時，電路中電流i=?6反向恢復時間一般在納秒數量級。1.二極管從正向導通到反向截止的過程二、二極管的動態(tài)特性正向（飽和）電流愈大，電荷的濃度分布梯度愈大，存儲的電荷愈多，電荷消散所需的時間也愈長。產生反向恢復的過程的原因：存儲電荷消散需要時間72.2BJT的開關特性1.

BJT的開關作用2.

BJT的開關時間91.BJT的開關作用

IB5

iC

IBS=IB4

IB3

IB2

IB1

A

vCE

VCC

iB=0

VCES

O

ICS

VCC

/Rc

CIBS=VCC/RcICS=VCC/RcCE＝VCES≈0.2V

VCC

RC

iC

T

Rb

ib

+

–

v1

-VB1

VCC

RC

iC

T

Rb

ib

+

–

v1

+VB110截止狀態(tài)cbe飽和狀態(tài)Vb=0.7v,Vc=0.3vebc1.BJT的開關作用11

v1

+VB2

–VB2

O

t

iC

ICS

0.9ICS

0.1ICS

O

tr

ts

t

tf

td

3.BJT的開關時間開通時間ton=td+trtd–延遲時間tr–上升時間關閉時間toFF=ts+tfts–存儲時間

tf-下降時間開關時間隨管子類型的不同而不同，一般為幾十～幾百納秒。開關時間越短，開關速度越高。一般可用改進管子內部構造和外電路的方法來提高三極管的開關速度。13基本邏輯關系與

(and)

或

(or)

非(not)13.2基本邏輯關系141.與邏輯關系UABY真值表ABY000010100111規(guī)定:

開關合為邏輯“1”

開關斷為邏輯“0”

燈亮為邏輯“1”

燈滅為邏輯“0”真值表特點:

任0則0,全1則1一、“與”邏輯關系和與門與邏輯：決定事件發(fā)生的各條件中，所有條件都具備，事件才會發(fā)生（成立）。15VCC+(5V)

R

3kW

L

D1

D2

D3

A

B

C

0v若輸入端中有任意一個為0V,另兩個為+5V輸入與輸出電壓關系0V5V5V

輸入輸出VAVBVCVL000000+5V00+5V000+5V+5V0+5V0+5V0+5V0+5V0+5V+5V00+5V+5V+5V+5V例：17

輸入輸出VAVBVCVL000000+5V00+5V000+5V+5V0+5V0+5V0+5V0+5V0+5V+5V00+5V+5V+5V+5V

輸入輸出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHVCC+(5V)

R

3kW

L

D1

D2

D3

A

B

C

＋5vA、B、C三個都輸入高電平+5V5V5V5V

輸入輸出ABCL000000100100011010001010110011112.3.1二極管與門電路真值表18與邏輯運算規(guī)則—邏輯乘3.與邏輯關系表示式Y=A?B=AB

與門符號:&ABY基本邏輯關系000010100111ABY與邏輯真值表0?0=00?1=01?0=01?1=1192、二極管組成的“或”門電路0.3V=邏輯0,3V=邏輯1此電路實現“或”邏輯關系。

VAVBVO

0.30.30.30.33330.33333輸入輸出電平對應表(忽略二極管壓降)000011101111VAVBVOR-5V基本邏輯關系或門符號:ABY≥121或邏輯運算規(guī)則—邏輯加3.或邏輯關系表示式

Y=A＋B

或門符號:ABY≥1000011101111ABY或邏輯真值表基本邏輯關系0+0=00+1=11+0=11+1=122三、“非”邏輯關系與非門“非”邏輯：決定事件發(fā)生的條件只有一個，條件不具備時事件發(fā)生（成立），條件具備時事件不發(fā)生。特點:1則0,0則1真值表0110AYYRAU1、“非”邏輯關系基本邏輯關系23非邏輯—邏輯反非邏輯真值表

AY0110運算規(guī)則：

0＝11＝03.非邏輯關系表示式非邏輯關系表示式:

Y＝A25四、基本邏輯關系的擴展將基本邏輯門加以組合，可構成“與非”、“或非”、“異或”等門電路。1、與非門表示式：Y=AB

真值表

ABABY0001010110011110Y=ABC多個邏輯變量時:&ABY符號：26用基本邏輯門組成異或門11&&≥1ABY=AB=AB+AB表示式：ABABABY=AB+AB異或門29在工程上，一般先提出邏輯命題，然后用真值表加以描述，最后寫出邏輯函數表達式。通過一個簡單的例子加以介紹。圖1.6.1是一個控制樓梯照明燈的電路。為了省電，人在樓下開燈，上樓后可關燈；反之亦然。A、B是兩個單刀雙擲開關，A裝在樓上，B裝在樓下。只有當兩個開關同時向上或向下時，燈才被點亮。試用一個邏輯函數來描述開關A、B與照明燈之間的關系。1.從邏輯問題建立邏輯函數的過程應用：30(1)設開關A、B為輸入變量:開關接上面為“1”，開關接下面為“0”設電燈L為輸出變量，燈亮L=1，燈滅L=0。(2)列出A、B所有狀態(tài)及對應輸出L的狀態(tài)，即真值表。(3)根據真值表，寫出邏輯表達式：ABL001

010

10

1101解：把對應函數值為“1”的變量組合挑出（即第1、4）組合，寫成一個乘積項；ABAB凡取值為“1”的寫成原變量A，取值為“0”的寫成反變量A；最后，將上述乘積項相加，即為所求函數：31該式表明：A、B兩變量取值相同的所有組合，使函數為“1”，也就是說，當開關A、B都向上或都向下時，燈亮，否則不亮。該函數還稱為同或函數。其邏輯符號為：ABL32門電路是實現一定邏輯關系的電路。類型:與門、或門、非門、與非門、或非門、異或門……。1、用二極管、三極管實現2、數字集成電路(大量使用)1)TTL集成門電路

2)MOS集成門電路實現方法:門電路小結33門電路小結門電路符號表示式與門&ABYABY≥1或門非門1YAY=ABY=A+BY=A與非門&ABYY=AB或非門ABY≥1Y=A+B異或門=1ABYY=AB34輸入A、B波形如圖所示,請畫出與非門的輸出（Y）波形。ABYY=AB課堂練習:&ABY

ABY001011101110真值表352.4TTL邏輯門電路2.4.7改進型TTL門電路抗飽和TTL電路2.4.1基本的BJT反相器的動態(tài)性能2.4.2TTL反相器的基本電路2.4.3TTL反相器的傳輸特性2.4.4TTL與非門電路2.4.5TTL與非門的技術參數2.4.6TTL或非門、集電極開路門和三態(tài)門電路362.4.1基本的BJT反相器的動態(tài)性能TTL反相器的產生:

若考慮基本反相器負載電容CL的影響，在反相器輸出電壓O由低向高過渡時，電路由VCC通過Rc對CL充電。

vccRcTCL

反之，當O由高向低過渡時，CL又將通過BJT放電。CL的充、放電過程均需經歷一定的時間，必然會增加輸出電壓O波形的上升時間和下降時間，導致基本的BJT反相器的開關速度不高。故需尋求更為實用的TTL電路結構。

371.TTL反相器的基本電路

Rb1

4kW

Rc2

1.6kW

Rc4

130W

T4

D

T2

T1

+

–

vI

T3

+

–

vO

負載

Re2

1KW

VCC(5V)

輸入級

中間級

輸出級

2.4.2TTL反相器382.TTL反相器的工作原理

（1）當輸入為低電平（I=0.2V）0.9V0.2VO≈VCC－VBE4－VD

＝5－0.7－0.7=3.6V

I低電平(0.2V)T1深飽和T2截止T3截止T4放大O高電平（3.6V）392.TTL反相器的工作原理當輸入為高電平（I=3.6V）3.6V4.3V2.1V1.4V0.2VI全為高電平(3.6V)T1倒置放大T2飽和T3飽和T4截止O低電平0.2V）403.采用輸入級以提高工作速度

（1）當TTL反相器I由3.6V變0.2V的瞬間0.9V1.4V

T1管的變化先于T2、T3管的變化；T1管Je正偏、Jc反偏，T1工作在放大狀態(tài)。T1管射極電流1

iB1很快地從T2的基區(qū)抽走多余的存儲電荷,從而加速了狀態(tài)轉換。414.采用推拉式輸出級以提高開關速度和帶負載能力當輸出為低電平時，T3處于深度飽和狀態(tài)，T4截止，T3的集電極電流可以全部用來驅動負載。輸出為高電平時，T3截止，T4組成的電壓跟隨器的輸出電阻很小，所以輸出高電平穩(wěn)定，帶負載能力也較強。3.6V

2.1V1.4V

0.2V

0.9V

0.2V

3.6V波形上升沿陡直。而當輸出電壓由高變低后，CL很快放電，輸出波形的上升沿和下降沿都很好。輸出端接有負載電容CL時，在輸出由低到高跳變的瞬間，CL充電，其時間常數很小，使輸出42THEEND43

2vO/V

5

4

3

2

1

0

3.6V

.48V

0.2V

1

2

E

D

C

B

A

0.4V

1.1V

1.2V

vI/V

I很低，T1的發(fā)射結為正向偏置。T1飽和使T2、T3截止，同時T4和D導通。O=3.6V。

I=B

，T1仍維持飽和。但B2=C1增大使T2的發(fā)射結剛好正偏。B2=I+VCES

，

I(B)=VF－VCES=0.6V－0.2V≈0.4VCD段：當I的值繼續(xù)增加C點后，使T3飽和導通，O0.2VI(D)=BE3+BE2－CES1=(0.7+0.7－0.2)V=1.2V當I的值從D點再繼續(xù)增加時，T1將進入倒置放大狀態(tài)，保持O=0.2V

△B2=△I，BC段的斜率為dO/dI=Rc2/Re2=1.6。I>B時，由T1的集電極供給T2的基極電流，但T1仍保持為飽和狀態(tài)。在BC段內，T2對I的增量作線性放大:

2.4.3TTL反相器的傳輸特性442.4.4TTL與非門1.TTL與非門電路多發(fā)射極BJT

A

B

&

BAL=

T1

e

e

e

e

b

b

c

c

452.TTL與非門電路的工作原理

任一輸入端為低電平時:T1的發(fā)射結正向偏置而導通，T2截止。輸出為高電平。TTL與非門各級工作狀態(tài)

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

IT1T2T3T4O輸入全為高電平(3.6V)倒置使用的放大狀態(tài)飽和飽和截止低電平（0.2V）輸入有低電平(0.2V)深飽和截止截止放大高電平（3.6V）只有當全部輸入端為高電平時：

T1將轉入倒置放大狀態(tài)，T2和T3均飽和，輸出為低電平。46

vO/V

5

4

3

2

1

0

3.6V

2.48V

0.2V

1

2

E

D

CB

A

0.4V

1.1V

1.2V

vI/V

各種類型的TTL門電路，其傳輸特性大同小異。VOH≈VO(A)＝3.6VVOL＝VCES

＝0.2VVIL

＝VI(B)＝0.4VVIH

＝VI(D)＝1.2V1、TTL與非門傳輸特性2、輸入、輸出的高、低電壓2.4.5TTL與非門的技術參數473.TTL與非門噪聲容限

輸入噪聲容限:輸入高電平的噪聲容限為

VNH=VOH(min)–VIH(min)

1

驅動門

vo

1

負載門

vI

噪聲

1輸出

1輸入

0輸入

0輸出

vo

vI

+VDD

0

VNH

VOH(min)

VIH(min)

VNL

VOL(max)

VIL(max)

+VDD

0

輸入低電平的噪聲容限為VNL=VIL(max)–VOL(max)

當電路受到干擾時，在保證輸出高、低電平基本不變的條件下，輸入電平的允許波動范圍。48

4.扇入與扇出系數

扇入數:取決于門的輸入端的個數扇出數:帶同類門的個數。有帶灌電流負載和拉電流負載兩種情況:負載門驅動門0

VCC(5V)

Rb1

4kW

T1

IIL

T4

T3

Rc4

130W

D

當負載門的個數增加時，總的灌電流IIL將增加,引起輸出低電壓VOL的升高。帶灌電流負載：輸出低電平時。IILIOL2.4.5TTL與非門的技術參數101&491&

4.扇入與扇出系數

負載門驅動門1

VCC(5V)

Rb1

4kW

T1

IIL

T4

T3

Rc4

130W

D

2.4.5TTL與非門的技術參數01帶拉電流負載：門輸出高電平時當負載門的個數增多時，必將引起輸出高電壓的降低。IIHIOH50例查得基本的TTL與非門7410的參數如下：IOL＝16mA，IIL＝－1.6mA，IOH＝0.4mA，IIH＝0.04mA.試計算其帶同類門時的扇出數。解：(1)低電平輸出時的扇出數

(2)高電平輸出時的扇出數若NOL≠NOH，則取較小的作為電路的扇出數。例題：扇出數計算舉例2.4.5TTL與非門的技術參數51電路在輸入脈沖波形的作用下，其輸出波形相對于輸入波形延遲了多長的時間。5.傳輸延遲時間

輸入

同相

輸出

反相

輸出

50%

tPLH

50%

90%

10%

tr

tPLH

90%

50%

10%

tf

50%

tPHL

tPHL

90%

50%

10%

tf

90%

50%

10%

tr

VOL

VOH

VOL

VOH

0V

VCC

平均傳輸延遲時間tPd＝tPLH為門電路輸出由低電平轉換到高電平所經歷的時間;tPHL為由高電平轉換到低電平所經歷的時間。(tPLH＋tPHL)/2——表征門電路開關速度的參數526.功耗/延時功耗積/封裝1、功耗分為:靜態(tài)功耗：動態(tài)功耗：對于TTL門電路來說，靜態(tài)功耗是主要的。2、延時功耗積DP=tpdPD2.4.5TTL與非門的技術參數指的是當電路沒有狀態(tài)轉換時的功耗是在門的狀態(tài)轉換的瞬間的功耗。是一綜合性的指標，用DP表示，其單位為焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情況。531.TTL或非門

2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路R1A

R1

R1B

R4

VCC

T1A

T2A

T2B

B

D

T3

R3

T4

AT1BL54

R1A

R1

R1B

R4

VCC

A

T1A

T2A

T2B

T1B

B

D

L

T3

R3

T4

1.TTL或非門

TTL或非門的邏輯電路若二輸入端為低電平

0.9v0.2v0.2v0.9v3.6V

2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路551.TTL或非門

若A、B兩輸入端都為高電平

R1A

R1

R1B

R4

VCC

A

T1A

T2A

T2B

T1B

B

D

L

T3

R3

T4

2.1v3.6v3.6v2.1v0.3V

問題：若A、B兩輸入端中有一個為高電平，輸出L=?2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路562.集電極開路門(OpenCollectorGate)

vOHvOLX2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路572.集電極開路門

TTL

電路

TTL

電路

D

C

B

A

T1

T2

VCC

RP

L

A

B

C

D

&

)()(CDABL=

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路58集電極開路門上拉電阻Rp的計算

TTL

電路

TTL

電路

D

C

B

A

T

1

T

2

VCCL

R

P

在極限情況，上拉電阻Rp具有限制電流的作用。以保證IOL不超過額定值IOL(max)，故必須合理選用Rp的值。

另一方面，Rp的大小影響OC門的開關速度，Rp的值愈大，因而開關速度愈慢Rp(min)

2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路59集電極開路門上拉電阻Rp的計算舉例

例2.4.2設TTL與非門74LS01(OC)驅動八個74LS04(反相器)，試確定一合適大小的上拉電阻Rp，設VCC＝5V。解：從器件手冊查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL=400A，VIH(min)=2V，IIH=20A。IIL(total)=400A×8=3.2mA得

VCC=5V，IIH(total)=20A×8=0.16mA。

Rp的值可在985至18.75k,之間選擇,可選1k的電阻器為宜。所以2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路60集電極開路門的缺點：由于OC門輸出不是推拉式(Totem)結構，電路的上升延遲很大，這是因為：T3退出飽和狀態(tài)很慢；對輸出負載電容的充電電流只能通過外接的RL來提供。因此，輸出波形的上升沿時間很大。2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路61

3.三態(tài)與非門(TSL)三態(tài)鉗位電路

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1與非門A

B

CS

T5

T6

T7

R5

R66

VCC

D3.6V1.4V0.7V當CS=1時CS數據輸入端輸出端LAB10010111011100三態(tài)與非門真值表=AB2.4.6TTL或非門、OC門和三態(tài)門電路62

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1與非門A

B

CS

T5

T6

T7

R5

R66

VC