數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課件-002

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)信息科學(xué)與工程學(xué)院·基礎(chǔ)電子教研室第二章門電路內(nèi)容提要

本章介紹數(shù)字電路的基本邏輯單元—門電路。首先復(fù)習(xí)二極管、三極管的工作特性，然后講述由三極管構(gòu)成的TTL電路的工作原理，重點(diǎn)介紹TTL電路電氣特性，即輸入特性和輸出特性，為以后應(yīng)用這些器件打下基礎(chǔ)，最后簡單介紹了CMOS門電路。第二章門電路§2.1概述§2.3最簡單的與、或、非門電路§2.4TTL門電路§2.5CMOS門電路§2.1概述

1.門電路是用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路，與我們所講過的基本邏輯關(guān)系相對應(yīng)，門電路主要有：與門、或門、與非門、或非門、異或門等。2.分類按工藝：雙極型TTL、MOS型CMOS按邏輯功能：與、或、非、與非等按輸出結(jié)構(gòu)：推拉式、OC門按集成度小規(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

小規(guī)模集成電路(SSI-SmallScaleIntegration)，每片組件內(nèi)包含10~100個元件(或10~20個等效門)。中規(guī)模集成電路(MSI-MediumScaleIntegration)，每片組件內(nèi)含100~1000個元件(或20~100個等效門)。大規(guī)模集成電路(LSI-LargeScaleIntegration)，每片組件內(nèi)含1000~100000個元件(或100~1000個等效門)。超大規(guī)模集成電路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)，每片組件內(nèi)含100000個元件(或1000個以上等效門)。

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vivoKVccR只要能判斷高低電平即可K開------vo=1,輸出高電平K合------vo=0,輸出低電平可用三極管代替3.高、低電平的獲取方法在數(shù)字電路中，一般用高電平代表1、低電平代表0，即所謂的正邏輯系統(tǒng)。2.3最簡單的與、或、非門電路YABVILVILVILVILVIHVIHVIHVIH設(shè)：VIL=0V,VIH=3V

VD=0.7V3.7V0.7V0.7V0.7VFD1D2ABFD1D2ABVCCYD1D2AB2.3.1二極管與門YABVILVILVILVILVIHVIHVIHVIH3.7V0.7V0.7V0.7VYAB000011111000二極管與門ABY&二極管或門2.3.2二極管或門YD1D2ABYABVILVILVILVILVIHVIHVIHVIH0V2.3V2.3V2.3VABY≥1設(shè)：VIL=0V,VIH=3V

VD=0.7V2.3.3三極管非門-VEEVCC+-R1RCICIBVOVi+-R2例：

=30，VCC

=VEE

=12V，VCES=0.3V，R1

=5.1k，RC

=2k,R2

=20k，當(dāng)Vi

=0、5V、懸空時，晶體管的靜態(tài)工作狀態(tài)及Vo的值？分析：Vi’由疊加定理或戴維南等效定理可知例：

=30，VCC

=VEE

=12V，VCES=0.3V，R1

=5.1k，RC

=2k,R2

=20k，當(dāng)Vi

=0、5V、懸空時，晶體管的靜態(tài)工作狀態(tài)及Vo的值？分析：當(dāng)Vi

=0時：Q位于截止區(qū)，Vo=12V

-VEEVi’VCC+-R1RCICIBVOVi+-R22.3.3三極管非門例：

=30，VCC

=VEE

=12V，VCES=0.3V，R1

=5.1k，RC

=2k,R2

=20k，當(dāng)Vi

=0、5V、懸空時，晶體管的靜態(tài)工作狀態(tài)及Vo的值？分析：當(dāng)Vi

=5V時：由于發(fā)射結(jié)的鉗位，故：Vi’=0.7V由：IB=(Vi-0.7)/R1-(VEE+0.7)/R2得：IB=0.33mA而：ICS=(VCC-VCES)/RC=4.85mA

IBS=ICS/β

=0.16mA∵IB>

IBS∴三極管飽和Q位于飽和區(qū)，Vo=VCES=0.3V

-VEEVi’VCC+-R1RCICIBVOVi+-R22.3.3三極管非門-VEEICIBR1RCVCCVOVi++--R2例：

=30，VCC

=VEE

=12V，VCES=0.3V，R1

=5.1k，RC

=2k,R2

=20k，當(dāng)Vi

=0、5V、懸空時，晶體管的靜態(tài)工作狀態(tài)及Vo的值？分析：Vi’當(dāng)Vi

懸空時：Q位于截止區(qū)，Vo=12V

1.體積大、工作不可靠。2.需要不同電源。3.各種門的輸入、輸出電平不匹配。分立元件門電路的缺點(diǎn)4.帶負(fù)載能力差。作業(yè)：P125思考題和習(xí)題2.1題中的（a）小題§2.1概述

1.門電路是用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路，與我們所講過的基本邏輯關(guān)系相對應(yīng)，門電路主要有：與門、或門、與非門、或非門、異或門等?！尽績?nèi)容回顧2.分類按工藝：雙極型TTL、MOS型CMOS按邏輯功能：與、或、非、與非等按輸出結(jié)構(gòu)：推拉式、OC門按集成度小規(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【】內(nèi)容回顧

vivoKVccR只要能判斷高低電平即可K開------vo=1,輸出高電平K合------vo=0,輸出低電平可用三極管代替3.高、低電平的獲取方法在數(shù)字電路中，一般用高電平代表1、低電平代表0，即所謂的正邏輯系統(tǒng)。【】內(nèi)容回顧2.2.2二極管與門FD1D2ABFD1D2ABVCCYD1D2AB【】內(nèi)容回顧YAB000011111000二極管與門ABY&二極管或門2.2.2二極管或門YD1D2ABABY≥1【】內(nèi)容回顧YAB000011111011ICIBRBRCVCCVOVi++--三極管工作狀態(tài)判斷方法：(1)判斷UBE(2)計算ICS

和IBS

(3)計算IB(4)判斷IB

是否大于IBS,若大于則三極管工作于飽和狀態(tài)，反之，則工作于放大狀態(tài)?！尽績?nèi)容回顧§2.3三極管及其構(gòu)成的非門電路

三極管截止時相當(dāng)于開關(guān)斷開，在開關(guān)電路的輸出端給出高電平；三極管飽和導(dǎo)通時相當(dāng)于開關(guān)接通，在開關(guān)電路的輸出端給出低電平。三極管的開關(guān)等效電路【】內(nèi)容回顧2.3.3三極管非門-VEEICIBR1RCVCCUOUi++--R2Ui’三極管位于截止區(qū)，Uo=12V，

Uo為高電平。當(dāng)Ui

=0時：

（為低電平時）當(dāng)Ui

=5V時：

（為高電平時）三極管位于飽和區(qū)，Uo=UCES=0.3V，Uo為低電平?！尽績?nèi)容回顧2.4.1TTL非門的電路結(jié)構(gòu)和工作原理與分立元件電路相比，集成電路具有體積小、可靠性高、速度快的特點(diǎn)，而且輸入、輸出電平匹配，所以早已廣泛采用。根據(jù)電路內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可分為TTL、MOS管集成門電路等?！?.4TTL集成門電路一、TTL非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)輸入級倒相級輸出級AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c11.輸入為低電平（0.3V）時0.3V1V不足以讓T2、T5導(dǎo)通三個PN結(jié)導(dǎo)通需2.1VAVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1VCC＝5V1.輸入為低電平（0.3V）時uo=5-uR2-ube4-uD23.4V高電平！uoA0.3V1VYR4R2R1T4T1VCCD2b1c1VCC＝5V2.輸入為高電平（3.4V）時全導(dǎo)通電位被嵌在4.1V倒置1V截止AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c13.4V2.1V1.4V0.7VVCC＝5V飽和2.輸入為高電平（3.4V）時全導(dǎo)通反偏AVCCR2R1T2R3T1T5D1b1c13.4V飽和uo0.3V低電平！＝5VVCCR1b1c1TTL非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1圖騰柱輸出拉電流灌電流VCC＝5V一、電壓傳輸特性2.4.2TTL非門的主要特性測試電路1+5Vuiu0(3.4V)u0(V)ui(V)123UOHUOL(0.3V)傳輸特性曲線輸出高電平輸出低電平閾值電壓UTH=1.4V截止區(qū)飽和區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)線性區(qū)噪聲容限voviVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)11噪聲容限voviVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)VNH=VOH(min)－VIH(min)VNL=VIL(max)－VOL(max)2.4.2

TTL非門的靜態(tài)輸入特性和輸出特性一、輸入特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1vILiIL1.4V-1mAiI

(mA)vi(V)0vIHiIH<40μA一、輸入特性倒置狀態(tài)二、輸出特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1iL

(mA)vO

(V)0iL<400μAiL<10mATTL非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1AVCCYR4R1T4T1D2b1c1R2VCC前級輸出為高電平時前級后級111N1IIHIIHIIHIOH顯然：N1×IIH≤IOHN1≤IOH/IIH

N1≤400μA/40μA=10前級輸出為低電平時前級后級R1T1+5V+5VR2T2R3T5111N2IILIILIILIOL顯然：N2×IIL≤IOLN2≤IOL/IIL

N2≤10mA/1mA=10一般TTL門的扇出系數(shù)為10。由于IOL、IOH的限制，每個門電路輸出端所帶門電路的個數(shù)，稱為扇出系數(shù)。注意：當(dāng)前級輸出高、低電平時如果N1

和N2不相等，則較小者為扇出系數(shù)。輸入端“1”,“0”？三、輸入端負(fù)載特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1uiRP簡化電路RP較小時當(dāng)RP<<R1時,

ui∝RPRPui0VCCRPuiAR1T1be2be5簡化電路RPuiAVCCR1T1be2be5RP增大時1.4VRPui0Ruiui≥UT（1.4V）時，輸入變?yōu)楦唠娖?，由于uBE1的鉗位作用，ui

動態(tài)固定為1.4V。對TTL電路而言，當(dāng)輸入端對地電阻RP≤0.7kΩ時，認(rèn)為ui為低電平，稱為關(guān)門電阻ROFF。對TTL電路而言，當(dāng)輸入端對地電阻RP≥

1.5kΩ時，認(rèn)為ui為高電平，稱為開門電阻RON。2.4.3其他類型TTL門電路一、TTL與非門AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2？AB端懸空AB端接不同電阻扇出系數(shù)的計算相當(dāng)接高電平與電阻值有關(guān)

FD1D2ABFD1D2ABVCCYD1D2AB&&&N1顯然：N1×2IIH≤IOHN1≤IOH/2IIH前級輸出為高電平時IIHIIHIIHIOHIIHIIHN2顯然：N2×IIL≤IOLN2≤IOL/IIL前級輸出為低電平時IILIILIOLIIL與非門扇出系數(shù)的計算前級輸出為高電平時，N1決定于輸入端的個數(shù)；前級輸出為低電平時，N2決定于門的個數(shù)。取較小者為扇出系數(shù)。二、TTL或非門當(dāng)A＝1，B=0時，T2和T5導(dǎo)通，T2’

、T4

截止，

Y＝0。

當(dāng)B＝1，A=0時，T2’

和T5導(dǎo)通，T2、T4

截止，Y＝0。

只有A＝B＝0，T2

和T2’同時截止，T4導(dǎo)通，Y＝1?；蚍情T扇出系數(shù)的計算前級無論輸出為高低電平，N都決定于輸入端的個數(shù)。2.4.1TTL非門的電路結(jié)構(gòu)和工作原理§2.4TTL集成門電路【】內(nèi)容回顧一、TTL非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)輸入級倒相級輸出級AYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1【】內(nèi)容回顧VCC1.輸入為低電平（0.3V）時uo=5-uR2-ube4-uD23.4V高電平！uoA0.3V1VYR4R2R1T4T1VCCD2b1c1VCC＝5V2.輸入為高電平（3.4V）時全導(dǎo)通反偏AVCCR2R1T2R3T1T5D1b1c13.4V飽和uo0.3V低電平?。?VVCCR1b1c1TTL非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1圖騰柱輸出拉電流灌電流VCC＝5V一、電壓傳輸特性2.4.2TTL非門的主要特性【】內(nèi)容回顧(3.4V)u0(V)ui(V)123UOHUOL(0.3V)傳輸特性曲線輸出高電平輸出低電平閾值電壓UTH=1.4V截止區(qū)飽和區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)線性區(qū)2.4.2

TTL非門的靜態(tài)輸入特性和輸出特性一、輸入特性【】內(nèi)容回顧AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1vILiIL1.4V-1mAiI

(mA)vi(V)0vIHiIH<40μA倒置狀態(tài)二、輸出特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1iL

(mA)vO

(V)0iL<400μAiL<10mA【】內(nèi)容回顧前級輸出為高電平時【】內(nèi)容回顧111N1IIHIIHIIHIOH顯然：N1×IIH≤IOHN1≤IOH/IIH前級輸出為低電平時【】內(nèi)容回顧111N2IILIILIILIOL顯然：N2×IIL≤IOLN2≤IOL/IIL一般TTL門的扇出系數(shù)為10。由于IOL、IOH的限制，每個門電路輸出端所帶門電路的個數(shù)，稱為扇出系數(shù)。注意：當(dāng)前級輸出高、低電平時如果N1

和N2不相等，則較小者為扇出系數(shù)?！尽績?nèi)容回顧輸入端“1”,“0”？三、輸入端負(fù)載特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D2b1c1uiRP【】內(nèi)容回顧對TTL電路而言，當(dāng)輸入端對地電阻RP≤0.7kΩ時，認(rèn)為ui為低電平，稱為關(guān)門電阻ROFF。對TTL電路而言，當(dāng)輸入端對地電阻RP≥

1.5kΩ時，認(rèn)為ui為高電平，稱為開門電阻RON?！尽績?nèi)容回顧&&&N1顯然：N1×2IIH≤IOHN1≤IOH/2IIH前級輸出為高電平時IIHIIHIIHIOHIIHIIH【】內(nèi)容回顧2.4.4其他類型TTL門電路N2顯然：N2×IIL≤IOLN2≤IOL/IIL前級輸出為低電平時IILIILIOLIIL與非門扇出系數(shù)的計算前級輸出為高電平時，N1決定于輸入端的個數(shù)；前級輸出為低電平時，N2決定于門的個數(shù)。取較小者為扇出系數(shù)?！尽績?nèi)容回顧二、TTL或非門或非門扇出系數(shù)的計算前級無論輸出為高低電平，N都決定于輸入端的個數(shù)。【】內(nèi)容回顧1.懸空的輸入端相當(dāng)于接高電平。2.為了防止干擾，可將懸空的輸入端接高電平或并聯(lián)使用。說明【例1】說明圖中TTL電路的輸出狀態(tài)。&≥1VCC懸空&10k51ΩVIHROFF＝

0.7kΩRON＝1.5kΩROFF＝

0.7kΩRON＝1.5kΩ【例2】說明圖下列情況下，萬用表的測量結(jié)果是多少？&vIV（1）vI懸空；（2）vI接低電平（0.2V）；（3）vI接高電平（3.2V）；（4）vI經(jīng)51Ω電阻接地；（5）vI經(jīng)10kΩ電阻接地。AYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2100k（1）vI懸空1.4V萬用表的內(nèi)阻

&vIVAYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2100k（2）vI接低電平（0.2V）0.2V

&vIVAYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2100k（3）vI接高電平（3.2V）1.4V

&vIVAYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2100k（4）vI經(jīng)51Ω電阻接地0V

&vIVAYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD2100k（5）vI經(jīng)10kΩ電阻接地1.4V

&vIV三、集電極開路的門（OC門）&&Y1Y2YVCCYR4R3T4T5D2Y1Y2（1）輸出電平固定；（2）輸出端不能“線與”。（輸出端并聯(lián)使用）AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5D1D3b1c1BD21.電路結(jié)構(gòu)AVCCYR2R1T2R3T1T5D1b1c1BD2T5管集電極開路1.電路結(jié)構(gòu)符號&！應(yīng)用時輸出端要接一上拉負(fù)載電阻RLRLVCC+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC2.OC門可以實現(xiàn)“線與”功能&&&UCCF1F2F3FF=F1F2F3RL輸出級UCCRLT5T5T5FF=F1F2F3?任一導(dǎo)通F=0UCCRLF1F2F3F全部截止F=1F=F1F2F3?所以：F=F1F2F3UCCRLF1F2F3F個門n3.負(fù)載電阻RL的選擇當(dāng)了保證OC門輸出高電平VOHIIHIIHIIHIIHIIHIOHIOHIOHIOH：OC門輸出三極管截止時的漏電流IIH：負(fù)載門每個輸入端的高電平輸入電流n個門個門m當(dāng)OC門中只有一個導(dǎo)通時ILM：OC門的最大允許的負(fù)載電流電流IIL：每個負(fù)載門的低電平輸入電流的絕對值ILMIILIILIIL01截止+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB四、三態(tài)門（TS門）E---控制端YDE110導(dǎo)通+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB截止截止Y高阻態(tài)0.7V0.7VDE1功能表低電平起作用&ABY符號&ABY符號功能表高電平起作用０１０三態(tài)門主要作為TTL電路與總線間的接口電路用途：E1、E2、E3輪流接入高電平，將不同數(shù)據(jù)（A、B、C）分時送至總線。E1E2E3公用總線ABC&&&54系列的TTL門電路。其電路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)與74系列相同，主要區(qū)別在于54系列比74系列的工作溫度范圍更寬(74系列為0~70℃，54系列為-55~+125℃)，電源允許的工作范圍也更大(74系列為5V(1±5%)，54系列為5V(1±10%))。

四、其他系列TTL電路作業(yè)：P123自我檢測題（一）、（三）題P126思考題和習(xí)題2.5、2.7題2.6.2CMOS反相器UCCST2DT1AFNMOS管PMOS管CMOS電路VDDST1DT2vivovi

=VIL

=0截止ugs2=VDD導(dǎo)通v０=VOH

=VDD工作原理：SVDD>UGS(th)N

＋｜UGS(th)P｜UGS(th)N>0UGS(th)P<0v０=

"１"VDDST1DT2vivovi=VOH

=VDD導(dǎo)通截止v０=VIL

=０工作原理：Svi=１UGS(th)N>0UGS(th)P<0VDD>UGS(th)N

＋｜UGS(th)P｜vOVvIVDDVDD21VDD21DD0CMOS反相器電壓傳輸特性曲線UGS2＞UGS(th)N

，|UGS1|

＞|UGS(th)P

|T1導(dǎo)通，T2導(dǎo)通UGS2＜UGS(th)N,|UGS1|＞|UGS(th)P|

T1導(dǎo)通，T2截止UGS2>UGS(th)N,|UGS1|<|U