《數(shù)字電子技術基礎》(第四版).ppt

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四川理工學院電子教研室2009,《數(shù)字電子技術基礎》（第四版）教學課件,地址:四川自貢市匯興路學苑街180號郵政編碼：643000電子信箱：zbzbzb123@聯(lián)系電話：0813-5505869,四川理工學院電子教研室2009,第二章門電路2-1概述2-2二極管、三極管、MOS管開關等效電路2-3最簡單的與、或、非門電路2-4TTL門電路2-5CMOS門電路,四川理工學院電子教研室2009,2—1.概述,如果以輸出的高電平表示邏輯“1”，則為正邏輯，反之為負邏輯。,用以實現(xiàn)基本邏輯運算和復合邏輯運算的單元電路統(tǒng)稱為門電路,一、門電路,二、正、負邏輯,本課件中，全部采用正邏輯。,2—2.二極管三極管和MOS管開關等效電路,開關閉合,當Ua>Ub時，D導通,開關斷開,,當Ua≤Ub時,D截止,,當Ub為高電平UIH時，T飽和,當Ub為低電平UIL時，T截止,開關閉合,開關斷開,一、二極管開關等效電路（理想情況下）,二、三極管開關等效電路（理想情況下）,四川理工學院電子教研室2009,三.MOS管開關等效電路（理想情況下）,當UGS≥2v時，,當UGS-2v時,,,,（等效開關圖同上）,TN截止,1、NMOS管開關等效電路,TN導通：,TP導通：,TP截止：,四川理工學院電子教研室2009,2—3最簡單的與、或、非門電路,2-3-1二極管與門,2.工作原理,DaDb,UY,,,,UaUb,0003v3v03v3v,3.真值表（狀態(tài)表）,4.輸出函數(shù)式,Y=A?B,5.邏輯符號,&,Y,,,,導通,導通,導通,導通,導通,導通,截止,截止,0.7V,0.7V,0.7V,3.7v,AB,1.電路組成（以二輸入為例）,+VCC,R,A,B,Y,Da,Db,設：VCC=5V，,UIH=3v,UIL=0v,二極管正向壓降0.7V。,四川理工學院電子教研室2009,1。電路組成(以二輸入為例),2。工作原理,UaUb0003v3v03v3v,,,3。真值表,4.輸出函數(shù)式,Y=A+B,5。邏輯符號,,截止,截止,截止,截止,導通,導通,導通,導通,DaDb,UY,2.3v,2.3v,2.3v,Y,,,,AB,,≥1,0,2-3-2二極管或門,四川理工學院電子教研室2009,,,,Vcc,3.真值表,,,A01,Y10,4.輸出函數(shù)式,5.邏輯符號,2.工作原理,注：為了保證在輸入低電平時三極管可靠截止，常將電路接成上圖形式。由于接入了負電源VEE，即使輸入低電平信號稍大于零，也能使三極管的基極為負電位，使三極管可靠截止，輸出為高電平。,1。電原理圖,,Ua,0,3v,T,截止,飽和,UY,0,,2-3-3.三極管非門,四川理工學院電子教研室2009,2-3-4.其它門電路,一、其它門電路,其它門電路有與非門、或非門、同或門、異或門等等。,（略）,二、門電路的“封鎖”和“打開”問題,當C=1時，Y=AB.1=AB,與門打開，與功能成立。,當C=0時，Y=AB.0=0,與門封鎖，與門不能工作。,,,,當C=1時，Y=A+B+1=1,或門封鎖，或門不能工作。,當C=0時，Y=A+B+0=A+B,,,或門打開，或功能成立。,,能“打開”或者“封鎖”門電路的信號叫“控制信號”。,控制信號的輸入端叫“控制端”，或“使能端”。,,與門、與非門可用“0”封鎖，用“1”打開；,或門、或非門可用“1”封鎖，用“0”打開；,,四川理工學院電子教研室2009,2-4TTL門電路,3、真值表和邏輯符號,1、電路結(jié)構(gòu)圖,,,輸入級,倒相級,輸出級,,,,,,2、工作原理,設Vcc=5V,UIH=3.4v,UIL=0.2v,PN結(jié)的導通電壓為0.7v。,,2.1V,UA,T1發(fā)射結(jié),UB1,T2,T3,T4,UY,0.2V,導通,0.9v,截止,導通,截止,3.4v,3.4V,導通,4.1v,導通,截止,導通,0.2v,?,T1集電結(jié),截止,導通,T1,T2,T3,T4,R1,Y,+VCC,A,,UB1,2-4-1TTL非門,T2，T4導通后，把UB1鉗制在2.1V。,此時：T1處于倒置工作狀態(tài)；β、IIH都很小,74系列門電路的每個輸入端的IIH≤40μA。,IIH,T1,UB1,3.4V,2.1V,1.4V,,5、電壓傳輸特性,,當非門的UI,,,UTH,當非門的UI,≤UTH時，,,TTL門電路有71?74系列，74系列的標準參數(shù)：UOH（min）=2.4vUOL(max)=0.4vUIH(min)=2.0vUIL(max)=0.8v,≥UTH時，,TTL非門的電壓傳輸特性如圖，其轉(zhuǎn)折區(qū)對應的輸入電壓叫閾值電壓，記為UTH,VO/V,VI/V,UTH=1.4v,,=U0L,,U0,U0,=U0H,因為：,四川理工學院電子教研室2009,2.輸入為高電平（UIH≥2v）時,等效簡化電路如圖：,T1管倒置工作β?0，高電平輸入電流IIH很小，為?A級。,低電平輸入電流IIL較大，當Vcc=5v，UIL=0.2v時，IIL?1mA。,輸入簡化電路如圖：,一.輸入特性（討論T1管）,1.輸入低電平（UIL≤0.8v)時,近似分析時，常用IIS來代替。,IIS是輸入短路（UIL=0）時的電流。,74系列門電路的每個輸入端的IIH≤40μA。,UIL,IIL,截止,,,UIH,IIH,導通,be2,be4,2-4-2TTL非門的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,四川理工學院電子教研室2009,二.輸出特性,1.輸出為低電平時（U0=U0L≤0.4V),輸出端帶負載的情形如圖：,低電平輸出電流:IOL=N1IIL?N1IIS,由于T4管的導通電阻為RON，,,N1是輸出低電平時負載門的數(shù)目。,所以，UOL=IOLRON。,為了保證UOL≤0.4v，,要限制負載門的數(shù)目N1。,截止,導通,UOL,,,,驅(qū)動門,負載門,IIL,IIL,IOL,高電平輸出電流：,由于T3管的導通電阻為RON，所以：UOH?VCC-N2IIH(RC3+RON)-0.7v,為了保證UOH≥2.4v，要限制負載門的數(shù)目N2。,2.輸出端為高電平時(U0=UOH≥2.4v),輸出端帶負載的情形如圖：,扇出系數(shù)N是門電路可以驅(qū)動同類門電路的最大數(shù)目。N應該確定為上述N1和N2的較小值.,N2是輸出高電平時負載門的數(shù)目。,導通,截止,UOH,,,驅(qū)動門,負載門,IIH,IIH,IOH,,三.門電路的扇出系數(shù)N,IOH=N2IIH,四川理工學院電子教研室2009,四、門間限流電阻的確定,R,為了保證G1輸出的高、低電平能正確地傳輸?shù)紾2的輸入端，門間限流電阻R不能太大，要求：,1、當UO1=UOH時，UI2≥UIH（min)應滿足,此時，門間電流流向如圖，,UOH,UIH,IIH,所以，下式應滿足:,UOH-IIHR≥UIH（min),（1）,……,2、當UO1=UOL時，UI2≤UIL（max)應滿足,所以，下式應滿足:,UOL+IILR≤UIL（max),（2）,……,此時，門間電流流向如圖，,UOL,UIL,IIL,根據(jù)（1）、（2）式可確定門間連接電阻R的數(shù)值。,通常，R≤1KΩ。,,四川理工學院電子教研室2009,TTL門電路中的與非門、或非門、與或非門、異或門、同或門等，,2-4-3.其它類型的TTL門電路,下面重點介紹TTLOC門和三態(tài)門,四川理工學院電子教研室2009,1.線與問題,在數(shù)字系統(tǒng)中，有些場合需要將門電路的輸出端并聯(lián)使用，即“線與”。,Y=0,2.OC門,解決上述問題的辦法：需要線與時，用OC門。,,線與,電流大,損壞T4,,,,,導通,導通,截止,截止,1,0,,IIL,1）結(jié)構(gòu),但推拉式輸出的門電路不能并聯(lián)。,例如，如圖所示情形時,門電路會損壞。,一、OC門（集電極開路的門）,2）邏輯符號,（以OC與非門為例）,四川理工學院電子教研室2009,3.OC門的使用,使用OC門時，應外接上拉電阻RL和電源VCC’。,4.線與輸出函數(shù)式,若電路如圖：,Y,,,,,,,RL,+VCC’,則：,(與非與）,（與或非）,RL的大小應根據(jù)公式計算，,通常在1?2K?之間。,VCC’的數(shù)值根據(jù)UOH的需要選定；,四川理工學院電子教研室2009,二、三態(tài)門（TS門）,1、三態(tài)門的組成及工作原理,EN端為“使能端”。,當EN=1時：,同時，二極管D截止，對T2、T3也沒有影響，,原非門電路正常工作。,當EN=0時：,同時，二極管D導通，T3基極為低電平，T3截止。,T3、T4均截止，非門電路輸出為高阻狀態(tài)。,T1輸入端被封鎖，UB1為低電平，T2、T4截止；,,EN,EN,,三態(tài)非門邏輯符號,對T1沒有影響；,,,,邏輯符號,名稱,輸出表達式,,,,2、常用三態(tài)門的圖形符號和輸出邏輯表達式,,,,Y=,高阻（EN=0時）,Y=,,Y=,,高阻（EN=0時）,Y=,,三態(tài)非門,（1控制有效）,三態(tài)非門,（0控制有效）,三態(tài)與非門,（1控制有效）,三態(tài)與非門,（0控制有效）,四川理工學院電子教研室2009,1）同一條線上分時傳送數(shù)據(jù)，其連線方式稱為“總線結(jié)構(gòu)”。,工作原理：（以三路輸入為例）,2）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,,,,1,工作,傳輸結(jié)果,EN,G1G2,,,EN1EN2EN3,總線傳遞,,Y1路數(shù)據(jù),,Y2路數(shù)據(jù),Y3路數(shù)據(jù),001,010,100,0,,,總線,,,,,,,工作原理,高阻態(tài),工作,高阻態(tài),3、三態(tài)門的應用,四川理工學院電子教研室2009,2-5CMOS門電路,基本電路用TP管和TN管構(gòu)成。,輸入脈沖幅度通常為VDD。,,,VA,0V,TPTN,UY,VDD,,真值表,,當UI,,≥VDD/2時,,,=U0L?0,當UI,≤VDD/2時,,,,=U0H?VDD,,,表達式,Y=A,,U0,U0,其閾值電平VTH=VDD/2,0,VDD,VDD,截止,截止,導通,導通,0,TN,TP,,,,,+VDD,,,,A,Y,,,VDD/2,VDD,VDD/2,VDD,,2-5-1CMOS反向器的工作原理,一.電路結(jié)構(gòu),二.工作原理,三.電壓傳輸特性,四川理工學院電子教研室2009,由于CMOS反向器的柵極和襯底之間有SiO2絕緣層，所以CMOS反向器正常工作時，有II=IG=0成立。,但絕緣層非常薄，極易擊穿,所以，制作CMOS器件時，集成了“輸入保護電路”,以保護絕緣層不被擊穿。,輸入保護措施是有限度的，使用時還必須注意器件的正確使用方法。,2-5-2CMOS反向器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,一、輸入特性,四川理工學院電子教研室2009,由于UGS越大，TN管的導通電阻RON就越小，,1.低電平輸出特性,U0=U0L時:,所以：在同樣的IOL值下，VDD越高，使TN管導通時的UGS就越大，其RON就越小，UOL也就越低。,+VDD,,,,,,UIH,UOL,IOL,RL,IOL從負載電路注入TN管。,TN管導通，,TP管截止，,,,,VDD=5V,10V,15V,二、輸出特性,四川理工學院電子教研室2009,2.高電平輸出特性,由于UGS越負，TP管的導通電阻RON就越小，,U0=U0H時：,所以：在同樣的IOH值下，VDD越高，使TP管導通時的UGS就越負，其RON就越小，VOH也就越高。,,,,,,UIL,UOH,IOH,RL,IOH從TP管流向負載電路。,TP管導通，,TN管截止，,,,,,VDD,VDD=5V,10V,15V,四川理工學院電子教研室2009,CMOS門電路中的與或非門、異或門、同或門等,2-5-3其它類型的CMOS門電路,四川理工學院電子教研室2009,一、CMOS與非門（以二輸入為例）,1、組成,,兩TP管在上，并聯(lián)；,兩TN管在下，串聯(lián)；,2、工作原理,只有當AB同為1、使串聯(lián)的TN管同時導通時，輸出才為0，其它情況輸出為1。,,,AB,00,01,10,11,T3PT1PT2NT4N,,Y,,,,,B,A,功能特點：,3、輸出邏輯表達式,1,1,1,0,通,通,通,通,通,通,通,通,止,止,止,止,止,止,止,止,四川理工學院電子教研室2009,二、CMOS或非門（以二輸入為例）,3、輸出邏輯表達式：,Y=A?B,1、組成,,兩TP管在上，串聯(lián)；,兩TN管在下，并聯(lián)；,2、工作原理,只有當AB同為0、使串聯(lián)的TP管同時導通時，輸出才為1，其它情況輸出為0。,功能特點：,,,,,,AB,00,01,10,11,T3PT1PT2NT4N,,Y,,,,,B,A,通止通止,通通止止,止止通通,止通止通,1,0,0,0,=A+B,四川理工學院電子教研室2009,為了克服上述缺點，可在門電路的輸入、輸出端增設“緩沖器”。,CMOS門電路的優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單,CMOS門電路的缺點：,1）輸出電阻RO的大小，受輸入端狀態(tài)的影響,2）輸出電平UOL、UOH，受輸入端數(shù)目的影響,緩沖器可由CMOS非門組成。,增加緩沖器后，電路的邏輯功能將改變：,&,≥1,Y=A+B,Y=AB,,,,,,,,,三.帶緩沖級的CMOS門電路,四川理工學院電子教研室2009,1.CMOS傳輸門（TG）,組成和邏輯符號,如同TTLOC門，CMOSOD門，可用來實現(xiàn)“線與邏輯”。,工作時，要求UI在0?VDD之間變化。,CMOS傳輸門是雙向輸入和輸出器件，兩端可以互易使用。,C,VI/VO,VO/VI,C,VI/VO,VO/VI,四.OD門（漏極開路的門電路）,五.CMOS傳輸門,T1、T2截止，傳輸門截止。,四川理工學院電子教研室2009,2.CMOS傳輸門應用舉例,利用CMOS傳輸門和CMOS非門可以組成各種復雜的邏輯電路。,當C=0時，SW截止；,CMOS雙向模擬開關的組成和符號：,CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)舉例見下頁,例如做模擬開關，用來傳輸模擬信號，這是一般的邏輯門無法實現(xiàn)的。,,C,VI/VO,VO/VI,,,,,,,C,VI/VO,VO/VI,六.CMOS三態(tài)輸出門（TS門）,當C=1時，SW導通。,四川理工學院電子教研室2009,例1、電路結(jié)構(gòu)見圖,工作原理,輸出邏輯表達式和圖形符號：,,Y=,高阻,CMOS三態(tài)輸出門（TS門）舉例,,,00,10,11,T1P’T1PT2NT2N’,,10高阻高阻,Y,,,EN,A,通止通止,止通止通,,,通通止止,通通止止,01,四川理工學院電子教研室2009,例2.電路結(jié)構(gòu)見圖,工作原理,00,10,11,B,1110,T1PT2NT2N,Y,高阻高阻01,,,EN,B,輸出邏輯表達式和圖形符號：,Y=,,A,高阻,,,ENA,,止止止通,,,通通通止,止止通通,（EN=1時）,（EN=0時）,’,01,四川理工學院電子教研室2009,例3.電路結(jié)構(gòu)見圖,工作原理,,,,TG,Y,00,10,11,輸出邏輯表達式和圖形符號：,Y=,,A（EN=0時）,高阻（EN=1時）,,,,01,導通,截止,截止,導通,高阻,高阻,0,1,