《數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)》PPT課件.ppt

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1、20.9.20,1,第3章 集成邏輯門(mén)電路,學(xué)習(xí)目標(biāo)：,1.了解半導(dǎo)體二極管、三極管和CMOS管的開(kāi)關(guān)特性及等效電路。 2.了解TTL與非門(mén)的工作原理和主要性能指標(biāo)。 3.掌握集電極開(kāi)路門(mén)（OC門(mén)）、三態(tài)輸出門(mén)的邏輯功能、特點(diǎn)和用途。 4.熟悉TTL與非門(mén)、CMOS邏輯門(mén)使用注意事項(xiàng)。,20.9.20,2,3.1概述,集成邏輯門(mén)電路主要有TTL門(mén)電路和COMS門(mén)電路。TTL門(mén)由雙極型晶體管組成，CMOS門(mén)電路由單極型MOS管組成。,TTL門(mén)電路的工作速度高，但功耗也較大，集成度不高；CMOS門(mén)電路功耗小，集成度高，但工作速度較低。,20.9.20,3,各種門(mén)電路的輸入和輸出，只有高電平和低電平

2、兩種不同的狀態(tài)。高電平和低電平都有一定的范圍。,,,,,,,,,,高低電平示意圖,標(biāo)準(zhǔn)高電平USH常取3.6V；低電平USL常取0.3V。,20.9.20,4,關(guān)于正邏輯和負(fù)邏輯的概念,正邏輯體系：用1表示高電平，用0表示低電平。 負(fù)邏輯體系：用1表示低電平，用0表示高電平。,1. 正負(fù)邏輯的規(guī)定,2. 正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換,對(duì)于同一個(gè)門(mén)電路，可以采用正邏輯，也可以采用負(fù)邏輯。 本書(shū)若無(wú)特殊說(shuō)明，一律采用正邏輯體制。 同一個(gè)門(mén)電路，對(duì)正、負(fù)邏輯而言，其邏輯功能是不同的。,20.9.20,5,3.2 半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性,3.2.1 二極管的開(kāi)關(guān)特性,數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MO

3、S管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 導(dǎo)通狀態(tài)：相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合 截止?fàn)顟B(tài)：相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。,20.9.20,6,半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管，則是構(gòu)成這種電子開(kāi)關(guān)的基本開(kāi)關(guān)元件。,(1) 靜態(tài)特性： 斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)兩端的電壓不管多大，等效電阻ROFF = 無(wú)窮，電流IOFF = 0。,閉合時(shí)，流過(guò)其中的電流不管多大，等效電阻RON = 0，電壓UAK = 0。,理想開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性：,20.9.20,7,客觀(guān)世界中，沒(méi)有理想開(kāi)關(guān)。 乒乓開(kāi)關(guān)、繼電器、接觸器等的靜態(tài)特性十分接近理想開(kāi)關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很差，無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)字電路一秒鐘開(kāi)關(guān)幾百萬(wàn)次乃至數(shù)千萬(wàn)次的需要。 半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管做為開(kāi)關(guān)使用時(shí)，其靜態(tài)

4、特性不如機(jī)械開(kāi)關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很好。,20.9.20,8,1. 靜態(tài)特性及開(kāi)關(guān)等效電路,正向?qū)〞r(shí)UD(ON)0.7V（硅） 0.3V（鍺） RD幾 幾十 相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合,20.9.20,9,反向截止時(shí) 反向飽和電流極小 反向電阻很大（約幾百k） 相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi),20.9.20,10,2. 動(dòng)態(tài)特性：,二極管從截止變?yōu)閷?dǎo)通和從導(dǎo)通變?yōu)榻刂苟夹枰欢ǖ臅r(shí)間。通常后者所需的時(shí)間長(zhǎng)得多。一般為納秒數(shù)量級(jí)。,20.9.20,11,3.2.2 三極管的開(kāi)關(guān)特性,1. 靜態(tài)特性及開(kāi)關(guān)等效電路,在數(shù)字電路中，三極管作為開(kāi)關(guān)元件，主要工作在飽和和截止兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過(guò)渡狀態(tài)。,三極管的三種工作

5、狀態(tài) （a）電路 （b）輸出特性曲線(xiàn),20.9.20,12,開(kāi)關(guān)等效電路,(1) 截止條件,條件：發(fā)射結(jié)反偏 特點(diǎn)：電流約為0,,20.9.20,13,(2)飽和條件,,條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏 特點(diǎn)：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅,20.9.20,14,三極管開(kāi)關(guān)等效電路 飽和時(shí),三極管的飽和條件：,20.9.20,15,2. 三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間（動(dòng)態(tài)特性）,三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間,20.9.20,16,(1) 開(kāi)啟時(shí)間ton 三極管從截止到飽和所需的時(shí)間。 ton = td +tr td ：延遲時(shí)間 tr ：上升時(shí)間,(2) 關(guān)閉時(shí)間toff 三極管從飽和到截止所需的時(shí)間。 tof

6、f = ts +tf ts ：存儲(chǔ)時(shí)間（幾個(gè)參數(shù)中最長(zhǎng)的；飽和越深越長(zhǎng)） tf ：下降時(shí)間,toff ton 。 開(kāi)關(guān)時(shí)間一般在納秒數(shù)量級(jí)。高頻應(yīng)用時(shí)需考慮。,20.9.20,17,3.2.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,一般采用增強(qiáng)型MOS組成開(kāi)關(guān)電路，并由柵源電壓uGS控制MOS管的截止或?qū)ā?截止?fàn)顟B(tài),導(dǎo)通狀態(tài),NMOS管電路圖,20.9.20,18,3.2.4抗飽和三極管,它是在三極管基極和集電極之間并接一個(gè)肖特基二極管（簡(jiǎn)稱(chēng)SBD）構(gòu)成的。肖特基二極管的正向壓降小，約為0.4V，容易導(dǎo)通，可分流三極管的一部分基極電流，使三極管工作在淺飽和狀態(tài)，從而大大縮短三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間，提高工作速度。在

7、集成電路中肖特基二極管和三極管制作在一起。,20.9.20,19,門(mén)電路的概念： 實(shí)現(xiàn)基本和常用邏輯運(yùn)算的電子電路，叫邏輯門(mén)電路。實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算的叫與門(mén)，實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算的叫或門(mén)，實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算的叫非門(mén)，也叫做反相器，等等。,分立元件門(mén)電路和集成門(mén)電路: 分立元件門(mén)電路：用分立的元件和導(dǎo)線(xiàn)連接起 來(lái)構(gòu)成的門(mén)電路。簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、功耗低，負(fù)載差。 集成門(mén)電路：把構(gòu)成門(mén)電路的元器件和連線(xiàn)都 制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，再封裝起來(lái)，便構(gòu)成了集成門(mén)電路。現(xiàn)在使用最多的是CMOS和TTL集成門(mén)電路。,3.3 分立元件門(mén)電路,20.9.20,20,3.3.1二極管與門(mén)電路,1. 電路,2. 工作原理,A、B為輸入信號(hào) （

8、+5V或0V） Y 為輸出信號(hào) VCC+5V,電路輸入與輸出電壓的關(guān)系,20.9.20,21,用邏輯1表示高電平（此例為+3.6V） 用邏輯0表示低電平（此例為0.3V）,3. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平,4. 真值表,20.9.20,22,5. 邏輯符號(hào),6. 邏輯表達(dá)式Y(jié)A B,,&,,,,20.9.20,23,1. 電路,2. 工作原理,電路輸入與輸出電壓的關(guān)系,A、B為輸入信號(hào)（+5V或0V） Y為輸出信號(hào),3.3.2二極管或門(mén)電路,20.9.20,24,4. 真值表,可見(jiàn)實(shí)現(xiàn)了或邏輯,3. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平,用邏輯1表示高電平（此例為+3.6V） 用邏輯0表示低電平（此例為0.3V

9、）,,A、B有1，Y就1。,二極管或門(mén)的真值表,20.9.20,25,5. 邏輯符號(hào),6. 邏輯表達(dá)式FA+ B,,1,,,,20.9.20,26,1. 電路,2. 工作原理,A、為輸入信號(hào) （+3.6V或0.3V） Y為輸出信號(hào),,1,,,,3.3.3三極管非門(mén)電路（反相器）,20.9.20,27,3. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平,用邏輯1表示高電平（此例為+3.6V） 用邏輯0表示低電平（此例為0.3V）,4. 真值表,,三極管非門(mén)的真值表,可見(jiàn)實(shí)現(xiàn)了非邏輯,A與Y相反,20.9.20,28,3.3.4 組合邏輯門(mén)電路,1.與非門(mén)電路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,&,,,,,,,,

10、20.9.20,29,二、或非門(mén)電路,,,,,,1,20.9.20,30,3.4.1概述,3.4.2 TTL與非門(mén),3.4 TTL集成邏輯門(mén)電路,3.4.6 TTL集成邏輯門(mén)電路的使用注意事項(xiàng),3.4.5 其它系列的TTL門(mén)電路,3.4.3 TTL與非門(mén)的主要性能指標(biāo),3.4.4 TTL與非門(mén)電路的改進(jìn),20.9.20,31,3.4.1 概述,TTL集成邏輯門(mén)電路的輸入和輸出結(jié)構(gòu)均采用半導(dǎo)體三極管，所以稱(chēng)晶體管晶體管邏輯門(mén)電路，簡(jiǎn)稱(chēng)TTL電路。,TTL電路的基本環(huán)節(jié)是反相器。 簡(jiǎn)單了解TTL反相器的電路及工作原理，重點(diǎn)掌握其特性曲線(xiàn)和主要參數(shù)（應(yīng)用所需知識(shí)）。,20.9.20,32,,,,,,

11、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí),,,,,,,一、TTL與非門(mén)的工作原理,1. 電路組成,,,20.9.20,33,(1) 輸入級(jí),當(dāng)輸入低電平時(shí)， uI=0.3V，發(fā)射結(jié)正向?qū)ǎ?uB1=1.0V 當(dāng)輸入高電平時(shí)， uI=3.6V，發(fā)射結(jié)受后級(jí)電路的影響將反向截止。 uB1由后級(jí)電路決定。,20.9.20,34,(2) 中間級(jí),反相器V2 實(shí)現(xiàn)非邏輯,反相輸出,同相輸出,向后級(jí)提供反相與同相輸出。,輸入高電 壓時(shí)飽和,輸入低電壓時(shí)截止,20.9.20,35,(3) 輸出級(jí)（推拉式輸出）,V3、V4為復(fù)合管,低輸入,

12、高輸入,飽和,截止,低輸入,高輸入,截止,導(dǎo)通,20.9.20,36,2. 邏輯功能,1.當(dāng)輸入A、B中有低電平UIL=0.3V時(shí),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí),1V,,,,,,,20.9.20,37,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí),1V,5V,,,,,,,輸出高電平,與非門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài),20.9.20,38,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí),2.1V,,,,,,,1.當(dāng)輸入A、B都為高電平UIH=3.6V時(shí),1V,20.9.20,39,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí),2.1V,,,,,,,0.3V,1V,輸出低電平,與非門(mén)處于開(kāi)通狀態(tài),,,,20.9.20,40,綜上所述：輸入A、B中有低電平0（0.3V）時(shí)，輸出Y為高電平1（3.6V）；輸入A、B全高電平1（3.6V）時(shí)，輸出Y為低電平0（0.3V）。因此，該電路輸出Y與輸入A、B之間為與非邏輯關(guān)系，其輸出邏輯表達(dá)式為：,