數(shù)字電路基礎(chǔ)課件-數(shù)字教案(第3章).ppt

1、第三章 門電路,1、了解正負(fù)邏輯的基本概念 2、了解TTL、CMOS非門的電路結(jié)構(gòu)及工作原理 3、重點(diǎn)掌握各種門電路的邏輯功能及其電器特性（輸入輸出特性）,3.1 概述,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 ,門電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0,一、兩種邏輯約定：正邏輯與負(fù)邏輯 正邏輯：高電平表示1，低電平表示0負(fù)邏輯：高電平表示0，低電平表示1,正邏輯的與運(yùn)算對應(yīng)負(fù)邏輯的或運(yùn)算,正邏輯的與非運(yùn)算對應(yīng)負(fù)邏輯的或非運(yùn)算,正邏輯邏輯與,負(fù)邏輯邏輯或,實(shí)際開關(guān)為晶體二極管、三極管及場效應(yīng)管等電子器件,二、獲得高、低電平的基本原理,S1閉合S2斷開VO=VOH S1斷開

2、S2閉合VO=VOL,互補(bǔ)開關(guān)電路,高電平VH 輸入高電平VIH 輸出高電平VOH,低電平VL 輸入低電平VIL 輸出低電平VOL,高電平下限,低電平上限,0，1是電壓范圍，因此在數(shù)字電路中對電子元件精度要求不高,3.2半導(dǎo)體二極管門電路,3.2.1二極管的開關(guān)特性：,高電平：VIH=VCC 低電平：VIL=0,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V,二極管的開關(guān)等效電路：,二極管的動(dòng)態(tài)電流波形：,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,規(guī)定3V以上為1,0.7V以下

3、為0,3.2.3 二極管或門,加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7V,規(guī)定2.3V以上為1,0V以下為0,二極管構(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,3.3 CMOS門電路3.3.1 MOS管的開關(guān)特性,一、結(jié)構(gòu)和工作原理：以N溝道增強(qiáng)型為例,以N溝道增強(qiáng)型為例： 當(dāng)加+VDS時(shí)， VGS=0時(shí)，D-S間是兩個(gè)背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0 加上+VGS，且足夠大至VGS VGS (th), D-S間形成導(dǎo)電溝道（N型層）,開啟電壓,二、輸入特性和輸出特性,輸入特性：直流電流為0，看進(jìn)去有一個(gè)輸入電容CI，對動(dòng)態(tài)有影響。 輸出特性： iD

4、 = f (VDS) 對應(yīng)不同的VGS下得一族曲線 。,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),漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）,截止區(qū)：VGS 109,漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）,恒流區(qū)： iD 基本上由VGS決定，與VDS 關(guān)系不大,漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）,可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS 較低（近似為0），VGS 一定時(shí)， 這個(gè)電阻受VGS 控制、可變。,三、MOS管的基本開關(guān)電路,四、等效電路,OFF ，截止?fàn)顟B(tài) ON，導(dǎo)通狀態(tài),五、MOS管的四種類型,增強(qiáng)型 耗盡型,大量正離子,導(dǎo)電溝道,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：P溝道增強(qiáng)型 T2：N溝道

5、增強(qiáng)型,TN、TP參數(shù)對稱：,Y=A,無論V1是高電平還是低電平，T1T2總是工作在一個(gè)導(dǎo)通而另一個(gè)截止?fàn)顟B(tài)，即所謂互補(bǔ)狀態(tài)。 CMOS：互補(bǔ)對稱式金屬氧化物半導(dǎo)體電路,無論V1是高電平還是低電平，T1T2一個(gè)是截止?fàn)顟B(tài)，流過T1T2的靜態(tài)電流極小，因而CMOS反相器的靜態(tài)功耗極小，這也是其一大優(yōu)點(diǎn),二、電壓、電流傳輸特性,三、輸入噪聲容限,結(jié)論：可以通過提高VDD來提高噪聲容限,3.3.3 CMOS 反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性,一、輸入特性,由于電流流過RS，所以呈現(xiàn)線性狀態(tài),二、輸出特性,二、輸出特性,3.3.4 CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性,一、傳輸延遲時(shí)間,二、交流噪聲容限,交流噪聲容限遠(yuǎn)

6、高于直流噪聲容限,三、動(dòng)態(tài)功耗,3.3.5 其他類型的CMOS門電路,一、其他邏輯功能的門電路,與非門：NMOS串聯(lián) PMOS并聯(lián),或非門：NMOS并聯(lián) PMOS串聯(lián),帶緩沖極的CMOS門,以與非門為例,帶緩沖極的CMOS門,解決方法,CMOS門不足：,CMOS門輸出電壓不可調(diào) CMOS門輸出不可并聯(lián)使用,二、漏極開路的門電路（OD門）,三、 CMOS傳輸門及雙向模擬開關(guān),1. 傳輸門,2. 雙向模擬開關(guān),C=1導(dǎo)通做傳輸門用 C=0截至輸出高阻態(tài),四、三態(tài)輸出門,三態(tài)門的用途,數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu),雙向傳輸,3.3.6 CMOS電路的正確使用,(1) 輸入電路的靜電防護(hù) 措施：運(yùn)輸時(shí)最好使用金屬屏蔽

7、層作為包裝材料；組裝、調(diào)試時(shí)，儀器儀表、工作臺面及烙鐵等均應(yīng)有良好接地；不使用的多余輸入端不能懸空，以免拾取脈沖干擾。,(2) 輸入端加過流保護(hù) 措施：在可能出現(xiàn)大輸入電流的場合必須加過流保護(hù)措施。如在輸入端接有低電阻信號源時(shí)、在長線接到輸入端時(shí)、在輸入端接有大電容時(shí)等，均應(yīng)在輸入端接入保護(hù)電阻RP。,3.3.7 CMOS集成電路的各種系列,4000系列：有較寬的工作電壓范圍（3-18V），傳輸時(shí)間100ns，帶載能力差，最大負(fù)載電流0.5mA。 HC/HCT：傳輸時(shí)間10ns，帶載能力4mA，HCT工作在單一5V電源下，與TTL電平兼容。 AHC/AHCT：比HC/HCT系列工作速度帶載能力

8、都提高了一倍。 LVC：低壓系列，傳輸時(shí)間3.8ns，最大負(fù)載電流24mA。 ALVC：在LVC基礎(chǔ)上性能進(jìn)一步提高。,3.5.1 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=VCES 0,3.5 TTL門電路,一、工作狀態(tài)分析：,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),三、動(dòng)態(tài)開關(guān)特性,從二極管已知，PN結(jié)存在電容效應(yīng)。 在飽和與截止兩個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI。,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),若A為低電平，VB1=0.9V2.1V，T1

9、倒置放大，T2、T5飽和，VC20.8V，不足以使T4、D2同時(shí)通，故VO=0.2V，為低電平。,T1飽和，T2T5截止， T4導(dǎo)通放大區(qū),T1倒置，T2T5飽和導(dǎo)通， T4截止,Y=A,需要說明的幾個(gè)問題：,二、電壓傳輸特性,二、電壓傳輸特性,二、電壓傳輸特性,VTH：閾值電壓（門檻電壓），在轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)為1.4V。 由于線性區(qū)存在，電壓傳輸特性與理想開關(guān)特性差別較大。,三、輸入噪聲容限,TTL門電路噪聲容限小于CMOS門噪聲容限,3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,一. 輸入特性,輸入等效電路 輸入特性,IIL,IIH,D1作用結(jié)果,1、高電平輸出特性,二、輸出特性,2、低電平

10、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。,三、輸入端負(fù)載特性,1.4V,3.5.4 TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性,一、傳輸延遲時(shí)間 1、現(xiàn)象,二、交流噪聲容限,當(dāng)輸入信號為窄脈沖，且接近于tpd時(shí)，輸出 變化跟不上，變化很小 因此交流噪聲容限遠(yuǎn)大于直流噪聲容限。,三、電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流,T4、T5同時(shí)導(dǎo)通所造成,影響： 使電源平均電流增加 形成系統(tǒng)內(nèi)部噪聲,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,2. 或非門,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

11、能并聯(lián)使用 OC門,2、OC門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),OC門實(shí)現(xiàn)的線與,3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算,3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算,3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算,三、三態(tài)輸出門（Three state Output Gate ,TS）,三態(tài)門的用途,一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 1、電路的改進(jìn) (1)輸出級采用復(fù)合管（減小輸出電阻Ro） (2)減少各電阻值 2. 性能特點(diǎn) 速度提高 的同時(shí)功耗也增加,3.5.6 TTL電路的改進(jìn)系列（改進(jìn)指標(biāo)),二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,1、電路改進(jìn) 采用抗飽和三極管 用有源泄放電路代替74H系列中的R3 減小電阻值 2. 性能特點(diǎn) 速度進(jìn)一步提高，電壓傳輸特性沒有線性區(qū)，功耗增大,三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS