數(shù)字電子技術(shù)第3章邏輯門電路.ppt

1、第二章 邏輯門電路,基本要求： 了解MOS管和BJT管的開關(guān)特性 了解CMOS電路、TTL電路的組成、工作原理 掌握典型CMOS和TTL門的邏輯功能、特性、參數(shù)和使用方法 了解其他邏輯門電路的特點(diǎn) 了解邏輯門使用中應(yīng)注意的問題,前面：基本邏輯運(yùn)算（邏輯門）做為黑匣子，只關(guān)心 輸入、輸出間的邏輯關(guān)系,本章：打開黑匣子，了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理，掌握外特性。,3.2 TTL邏輯門電路,3.2.1 BJT的開關(guān)特性,1、BJT的靜態(tài)開關(guān)特性,截止?fàn)顟B(tài),-2V 0.3V,使發(fā)射結(jié)反偏或小于死區(qū)電壓,vCE VCC,3.2 TTL邏輯門電路,3.2.1 BJT的開關(guān)特性,1、BJT的靜態(tài)開關(guān)特性,5V,較

2、大正偏電壓,0.20.3V,iB較大,c、e間相當(dāng)于一個(gè)受iB控制的開關(guān),飽和狀態(tài),2、BJT的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性,對(duì)上圖的BJT施加如圖的激勵(lì)，,上升沿和下降沿都有延時(shí)。,延遲時(shí)間 td,上升時(shí)間 tr,存儲(chǔ)時(shí)間 ts,下降時(shí)間 tf,輸出電流的響應(yīng)如下圖：,ton,toff,當(dāng)BJT由截止到飽和導(dǎo)通需基區(qū)電荷積累時(shí)間開通時(shí)間ton 當(dāng)BJT由飽和導(dǎo)通到截止需基區(qū)電荷消散時(shí)間關(guān)閉時(shí)間toff,BJT的轉(zhuǎn)換過程需ton和toff的原因：,如欲ton ，加大正向基極電流； 如欲toff ，加大反向基極電流。,BJT基區(qū)存在電荷存儲(chǔ)效應(yīng),總結(jié)：,3.2.2 BJT反相器的動(dòng)態(tài)性能,當(dāng)viV1時(shí)，T截止,

3、vo=+Vcc，輸出高電平。,當(dāng)viV2時(shí)，T飽和導(dǎo)通,vo=VCES=0.2V，輸出低電平。,當(dāng)V1viV2時(shí)，T處于放大狀態(tài), vi 增大，v o減小， v o和 vi 呈線性關(guān)系 。,若vi的取值使BJT只工作于截止和飽和態(tài)，則,BJT反相器動(dòng)態(tài)性能差，工作速度低，其原因有二：,3.2.2 BJT反相器的動(dòng)態(tài)特性,1.BJT基區(qū)的電荷存儲(chǔ)效應(yīng),T 截止 飽和導(dǎo)通 需 基區(qū)電子電荷存儲(chǔ)時(shí)間 （開通時(shí)間）,T 飽和導(dǎo)通截止 需基區(qū)電子電荷消散時(shí)間 （關(guān)閉時(shí)間）,1）輸出電壓由低向高過渡,2）輸出由高向低過渡,由以上兩個(gè)原因，基本BJT反相器的動(dòng)態(tài)特性不理想,充電過程延長了 vo 的上升時(shí)間

4、放電過程延長了 vo 的下降時(shí)間,2.考慮負(fù)載電容在輸出電平轉(zhuǎn)換過程中的充、放電時(shí)間,充電=RCCL,3.2.3 TTL反相器的基本電路,TTL反相器中加入了輸入極，加速了BJT基區(qū)存儲(chǔ)電荷的存儲(chǔ)和消散，提高了開關(guān)速度。,TTL反相器引入了推挽式輸出級(jí)，加速負(fù)載電容的充放電過程，減少了時(shí)延。,針對(duì)由于BJT的開關(guān)時(shí)間引起的動(dòng)態(tài)性能下降:,針對(duì)由電容性負(fù)載引起的時(shí)延：,BJT反相器動(dòng)態(tài)特性不理想,一. 電路結(jié)構(gòu),BJT反相器,3.6V,正向偏置,反向偏置,2.1V,=0.2V,0.9V,0.2V,0.7V,實(shí)現(xiàn)了：輸入高，輸出低,二. 工作原理,0.2V,0.9V,=5V-1.4V =3.6V,

5、實(shí)現(xiàn)了：輸入低，輸出高,由此可見電路的輸出和輸入 之間滿足非邏輯關(guān)系,T2的e極、c極輸出互補(bǔ)信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)T3、T4中間級(jí)也稱倒相級(jí)。,輸出級(jí)在穩(wěn)定狀態(tài)下T3和T4總是一個(gè)導(dǎo)通而另一個(gè)截止，稱為推拉式或推挽式輸出電路。,二極管D保證T3飽和導(dǎo)通時(shí)T4可靠地截止。,三. 輸入級(jí)和輸出級(jí)的作用,1、輸入級(jí)的作用:,提高BJT管子開關(guān)速度，改善動(dòng)態(tài)特性。,0.9V,1.4V,基區(qū)電荷迅速消散,截止,T4導(dǎo)通，做電壓跟隨,集電極電流加大，T3迅速截止,2、輸出級(jí)的作用：,(1)輸出端接CL時(shí),增加推挽式輸出級(jí)，改善動(dòng)態(tài)特性，提高帶負(fù)載能力。,ii)輸入從0到1 輸出從1到0時(shí),深度飽和，ce之間呈低

6、阻 飽和導(dǎo)通電阻,(2)輸出端接RL時(shí)，帶載能力強(qiáng)。,補(bǔ)充概念：帶負(fù)載能力,帶負(fù)載能力強(qiáng)指： RL變化，VO變化小,開路電壓,內(nèi)阻,負(fù)載,i)輸出為低電平時(shí)：,輸出電阻為T3的飽和導(dǎo)通電阻， 阻值很小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。,T4、D截止，T3飽和導(dǎo)通,ii)輸出為高電平時(shí)：,T4、D導(dǎo)通，T3截止,帶負(fù)載能力強(qiáng)。,很小,輸出電阻為T4組成的射極跟隨器的輸出電阻,四、 TTL反相器的電壓傳輸特性( vo vi ),(1)AB段： vi 很小， vi 0.5V, T1飽和導(dǎo)通,VB2=vI+0.2V0.7V,T2、T3截止，T4導(dǎo)通,vo3.6V,(2)BC段： 0.5VvI1.2V, 0.7VvB21

7、.4V,且呈線性關(guān)系,T2導(dǎo)通且放大狀態(tài),T3截止，T4導(dǎo)通,四、 TTL反相器的電壓傳輸特性(VoVi),(3)CD段： vI1.2V, T2、T3飽和導(dǎo)通，vo至0.2V,四、 TTL反相器的電壓傳輸特性(VoVi),(4)DE段： vI1.4V以后, T1進(jìn)入倒置放大狀態(tài)、T3深度飽和導(dǎo)通，vo保持0.2V,四、 TTL反相器的電壓傳輸特性(VoVi),3.2.4 TTL邏輯門電路,在TTL反相器的輸入級(jí)使用多發(fā)射極BJT形成。,任一輸入為低電平T1導(dǎo)通，T2、T3截止，T4、D導(dǎo)通輸出高電平。,可看成幾個(gè)獨(dú)立的發(fā)射結(jié),全部輸入高電平 T1倒置放大， T2、T3飽和導(dǎo)通，T4、D截止輸出

8、低電平。,TTL與非門輸入端懸空相當(dāng)于輸入高電平,1.與非門電路,2. TTL或非門,若A、B中有一個(gè)為高電平:,若A、B均為低電平:,T2A和T2B均將截止， T3截止。 T4和D導(dǎo)通， 輸出為高電平。,T2A或T2B將飽和， T3飽和，T4截止， 輸出為低電平。,邏輯表達(dá)式,2.輸出高電平VOH（輸入至少一個(gè)為0）,典型值：3.6V; 標(biāo)準(zhǔn)高電平 VOH=2.4V,3.輸出低電平VOL（輸入全為1）,典型值：0.2V; 標(biāo)準(zhǔn)低電平 VOL=0.4V,補(bǔ)充： TTL與非門的參數(shù),“1”: 懸空或接+5V,（高電平下限值）,（低電平上限值）,（3.1.2邏輯電路的一般特性）,4.噪聲容限：,定

9、義： 高電平噪聲容限 VNH=VOH-VIH 低電平噪聲容限 VNL=VIL-VOL,對(duì)于TTL 74系列：,VNH=2.4V-2V=0.4V VNL=0.8V-0.4V=0.4V,體現(xiàn)一種容錯(cuò)能力,5.輸入短路電流：IIL,6.高電平輸入電流：IIH,7.開門電平和關(guān)門電平：,VON:Vi由小變大，VO 到VOL時(shí)對(duì)應(yīng)的Vi。,0.4V,1.3V左右,VOFF:Vi由大變小，VO 到VOH時(shí)對(duì)應(yīng)的Vi。,1.0V左右,低電平輸入電流,對(duì)前一級(jí)門電路相當(dāng)于一灌電流負(fù)載,IIL,IIH,對(duì)前一級(jí)門電路相當(dāng)于一拉電流負(fù)載,與非門一輸入端Vi ，其余各輸入端“1”, 0.4mA, 20A,8.扇入與

10、扇出數(shù),1）扇入數(shù):與非門輸入端的個(gè)數(shù),圖中TTL與非門的扇入數(shù) Ni=3,2）扇出數(shù):驅(qū)動(dòng)同類負(fù)載門的個(gè)數(shù)。（反映門電路的帶負(fù)載能力）,分帶灌電流負(fù)載和拉電流負(fù)載兩種情況,灌電流負(fù)載：驅(qū)動(dòng)門輸出“0”,負(fù)載門輸入級(jí)相對(duì)應(yīng)的e結(jié)導(dǎo)通，電流由負(fù)載門流進(jìn)驅(qū)動(dòng)門,拉電流負(fù)載：驅(qū)動(dòng)門輸出“1”,負(fù)載門輸入級(jí)相對(duì)應(yīng)的e結(jié)反偏，反向飽和電流從驅(qū)動(dòng)門流向負(fù)載門,0,IIL,IIH,a.當(dāng)輸出為低電平時(shí)的扇出數(shù)（灌電流負(fù)載）,能帶的灌電流負(fù)載門數(shù)： NOL=IOL/IIL,nIIL過大：,超過T3的集電極允許電流,應(yīng)使 nIILIOL,IIL、 IOL可由附錄A查出(P504),IOL :輸出低電平電流 T3

11、所允許的最大集電極電流,IIL：輸入短路電流,b)當(dāng)輸出為高電平時(shí)的扇出數(shù)（拉電流負(fù)載）,能帶拉電流負(fù)載的門數(shù)： NOH=IOH/IIH,nIIH過大： 輸出高電平不高,應(yīng)使： nIIHIOH,IIH、 IOH可由附錄A查出,IOH :輸出高電平電流 使輸出保持“1”的最大IC4,IIH：高電平輸入電流,門電路的扇出數(shù)由IOL IIL IOH IIH四個(gè)參數(shù)決定， 取NOL、NOH兩個(gè)中比較小的那個(gè)作為門電路的扇出數(shù)。 一般的74系列TTL門的扇出數(shù)為10， 74LS系列TTL門的扇出數(shù)為20，性能較好的電路可以達(dá)到3050。一般的CMOS門的扇出數(shù)為20。,IOL=8mA，IIL=0.4mA

12、 可驅(qū)動(dòng)灌電流負(fù)載的個(gè)數(shù)： NOL=8/0.4=20,IOH=0.4mA，IIH=0.02mA 可驅(qū)動(dòng)拉電流負(fù)載的個(gè)數(shù)： NOH=0.4/0.02=20,所以74LS系列門電路的扇出數(shù)為20,9.傳輸延遲時(shí)間(表征開關(guān)速度、動(dòng)態(tài)特性),tPd=(tPLH+tPHL)/2 稱tPd為門電路的平均延遲時(shí)間。ns級(jí),門電路輸出由高到低的延遲時(shí)間,輸出由低到高的延遲時(shí)間,與非門不接負(fù)載（空載）時(shí)的功耗,10.空載功耗,速度越快，功率越大。 引入延時(shí)功耗積綜合衡量數(shù)字電路的性能。 DP=tPd PD DP越小，性能越好。,11.延時(shí)功耗積：,空載截止功耗：輸入有“0”，輸出為“1” POFF =IOCHUCC,空載導(dǎo)通功耗：輸入全“1”，輸出為“0” PON=IOCLUCC,POC=IOCUCC,圖3.1.3（P73）,輸入端通過電阻R接地的情況,輸入端 “1”,“0”？,TTL門電路輸入端負(fù)載特性,R較小時(shí)，viVIL輸入屬于低電平， 輸出為高電平,R較大時(shí),vi VIH時(shí)輸入屬于高電平，輸出為低電平。,實(shí)際上，