二极管电阻的和门和或门电路教育课件.ppt

二极管电阻二极管电阻的和门和或的和门和或门电路门电路PPTPPT讲座讲座 2或门电路或门电路二、三极管非门电路二、三极管非门电路二极管与门和或门电路的缺点：二极管与门和或门电路的缺点：（1 1）在在多多个个门门串串接接使使用用时时，会会出出现现低低电电平平偏偏离离标标准准数数值值的情况。的情况。（2 2）负载能力差）负载能力差解决办法：解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。三、三、DTL与非门电路与非门电路工作原理：工作原理：（1）当当A、B、C全全接接为为高高电电平平5V时时，二二极极管管D1D3都都截截止止，而而D4、D5和和T导通，且导通，且T为为饱和饱和导通导通，VL=0.3V=0.3V，即输出低电平。，即输出低电平。（2）A、B、C中中只只要要有有一一个个为为低低电电平平0.3V时时，则则VP1V，从从而而使使D4、D5和和T都截止，都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：所以该电路满足与非逻辑关系，即：2.2 2.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理与非门的基本结构及工作原理1TTL与非门的基本结构与非门的基本结构2 2TTL与非门的逻辑关系与非门的逻辑关系（1 1）输入全为高电平）输入全为高电平3.63.6V时。时。T2 2、T3 3导通，导通，VB1 1=0.73=2.1=0.73=2.1（V ），），由于由于T3 3饱和导通，输出电压为：饱和导通，输出电压为：VO O=VCES3CES30.30.3V这时这时T2 2也饱和导通，也饱和导通，故有故有VC2C2=VE2E2+VCE2CE2=1=1V。使使T4 4和二极管和二极管D都截止。都截止。实现了与非门的逻辑功能之一：实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。该该发发射射结结导导通通，VB1 1=1=1V。所所以以T2 2、T3 3都都截截止止。由由于于T2 2截截止止，流流过过RC2 2的的电电流较小，可以忽略，所以流较小，可以忽略，所以VB4B4VCCCC=5=5V ，使，使T4 4和和D导通，则有：导通，则有：VO OVC CC C-VBE4BE4-VD D=5-0.7-0.7=3.6=5-0.7-0.7=3.6（V）实现了与非门的逻辑功能的另一方面：实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平输入有低电平时，输出为高电平。综合上述两种情况，综合上述两种情况，该电路满足与非的该电路满足与非的逻辑功能，即：逻辑功能，即：（2 2）输入有低电平）输入有低电平0.30.3V 时。时。二、二、TTL与非门的开关速度与非门的开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。（2 2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。2 2TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd导导通通延延迟迟时时间间tPHL从从输输入入波波形形上上升升沿沿的的中中点点到到输输出出波波形形下下降降沿沿的中点所经历的时间。的中点所经历的时间。截止延迟时间截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd是是tPHL和和tPLH的平均值。即的平均值。即 一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。三、三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力与非门的电压传输特性及抗干扰能力1电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）（1 1）输输出出高高电电平平电电压压V VOHOH在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“1”“1”的的输输出出电电压压。VOH的理论值为的理论值为3.63.6V，产品规定输出高电压的最小值，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4=2.4V。（2 2）输输出出低低电电平平电电压压V VOLOL在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“0”“0”的的输输出出电电压压。VOL的理论值为的理论值为0.30.3V，产品规定输出低电压的最大值，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4=0.4V。（3 3）关关门门电电平平电电压压V VOFFOFF是是指指输输出出电电压压下下降降到到VOH（min）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入低低电电压压的的最最大大值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为输输入入低低电电平平电电压压，用用VIL（max）表示。产品规定表示。产品规定VIL（max）=0.8=0.8V。（4 4）开开门门电电平平电电压压V VONON是是指指输输出出电电压压下下降降到到VOL（max）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入高高电电压压的的最最小小值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为输输入入高高电电平平电电压压，用用VIH（min）表示。产品规定表示。产品规定VIH（min）=2=2V。（5 5）阈阈值值电电压压V Vthth电电压压传传输输特特性性的的过过渡渡区区所所对对应应的的输输入入电电压压，即即决决定定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：近似地：VthVOFFVON 即即ViVth，与非门关门，输出高电平；，与非门关门，输出高电平；ViVth，与非门开门，输出低电平。，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为又常被形象化地称为门槛电压门槛电压。Vth的值为的值为1.31.3V1.1.V。2几个重要参数几个重要参数低电平噪声容限低电平噪声容限 VNLVOFF-VOL（max）0.80.8V-0.4-0.4V0.40.4V高电平噪声容限高电平噪声容限 VNHVOH（min）-VON2.42.4V-2.0-2.0V0.40.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限噪声容限。3 3抗干扰能力抗干扰能力四、四、TTL与非门的带负载能力与非门的带负载能力1 1输入低电平电流输入低电平电流IIL与输入高电平电流与输入高电平电流IIH（1 1）输入低电平电流输入低电平电流I IILIL是指当门电路的输入端接低是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。电平时，从门电路输入端流出的电流。可以算出：可以算出：产品规定产品规定IIL1.61.6mA。（2 2）输入高电平电流输入高电平电流I IIHIH是指当门电路的输入端接高电是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况。平时，流入输入端的电流。有两种情况。寄生三极管效应：如图（寄生三极管效应：如图（a）所示。）所示。这时这时IIH=P PIB1B1，P P为寄生三极管的为寄生三极管的电流放大系数。电流放大系数。由于由于p和和i的值都远小于的值都远小于1 1，所以所以IIH的数值比较小，产品规定：的数值比较小，产品规定：IIH4040uA。倒置的放大状态：如图（倒置的放大状态：如图（b）所）所示。这时示。这时IIH=iIB1B1，i为倒置为倒置放大的电流放大系数。放大的电流放大系数。（1 1）灌电流负载）灌电流负载2 2带负载能力带负载能力当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当当负负载载门门的的个个数数增增加加，灌灌电电流流增增大大，会会使使T3 3脱脱离离饱饱和和，输输出出低低电电平平升升高高。因因此此，把把允允许许灌灌入入输输出出端端的的电电流流定定义义为为输输出出低低电电平平电电流流I IOLOL，产产品品规规定定IOL=16=16mA。由此可得出由此可得出:N NOLOL称为输出低电平时的扇出系数。称为输出低电平时的扇出系数。（2 2）拉电流负载。）拉电流负载。NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定产品规定IOH=0.4=0.4mA。由此可得出：。由此可得出：当当驱驱动动门门输输出出高高电电平平时时，电电流流从从驱驱动动门门拉拉出出,流流至至负载门的输入端。负载门的输入端。拉拉电电流流增增大大时时，RC4C4上上的的压压降降增增大大，会会使使输输出出高高电电平平降降低低。因因此此，把把允允许许拉拉出出输输出出端端的的电电流流定定义为义为输出高电平电流输出高电平电流I IOHOH。一一般般NOLNOH，常常取取两两者者中中的的较较小小值值作作为为门门电电路路的的扇扇出出系系数数，用用NO表示。表示。五、五、TTL与非门举例与非门举例7400740074007400是是一一种种典典型型的的TTL与与非非门门器器件件，内内部部含含有有4 4个个2 2输输入入端端与非门，共有与非门，共有1414个引脚。引脚排列图如图所示。个引脚。引脚排列图如图所示。六、六、TTL门电路的其他类型门电路的其他类型1 1非门非门2或非门或非门 3与或非门与或非门在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为称为线与线与。普通的普通的TTL门电路不能进行线与门电路不能进行线与。为此，为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开路门。集电极开路门。4集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）（1 1）实现线与。）实现线与。电路如右图所示，逻辑关系为电路如右图所示，逻辑关系为:OC门主要有以下几方面的应用：门主要有以下几方面的应用：（2 2）实现电平转换。）实现电平转换。如图示，可使输出高电平变为如图示，可使输出高电平变为1010V。（3 3）用做驱动器。）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。如图是用来驱动发光二极管的电路。（1）当输出高电平时，当输出高电平时，RP不能太大。不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由，由OC门进行线与时，外接上拉电阻门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：的选择：得：得：得：得：（2）当输出低电平时，当输出低电平时，RP不能太小。不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由由所以：所以：RP（min）RPRP（max）（1 1）三态输出门的结构及工作原理。）三态输出门的结构及工作原理。当当EN=0=0时时，G输输出出为为1 1，D1 1截截止止，相相当当于于一一个个正正常常的的二二输输入入端端与与非非门门，称为正常工作状态。称为正常工作状态。当当EN=1时时，G输输出出为为0，T4、T3都都截截止止。这这时时从从输输出出端端L看看进进去去，呈呈现现高高阻，称为高阻态，或禁止态。阻，称为高阻态，或禁止态。5 5三态输出门三态输出门三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（a）组成单向总线，）组成单向总线，实现信号的分时单向传送实现信号的分时单向传送.（b）组成双向总线，）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。实现信号的分时双向传送。（2 2）三态门的应用）三态门的应用5 57474LS系系列列为为低低功功耗耗肖肖特特基基系系列。列。6 67474AS系列系列为先进肖特基系列，为先进肖特基系列，它是它是7474S系列的后继产品。系列的后继产品。7 77474ALS系列系列为先进低为先进低功耗肖特基系列，功耗肖特基系列，是是74LS系列的后继产品。系列的后继产品。七、七、TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑门电路系列简介1 17474系列系列为为TTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTL器件。器件。2 27474L系列系列为低功耗为低功耗TTL系列，又称系列，又称LTTL系列。系列。3 37474H系列系列为高速为高速TTL系列。系列。4 47474S系列系列为肖特基为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。如图示。系列，进一步提高了速度。如图示。所以输出为低电平。所以输出为低电平。一、一、NMOS门电路门电路1 1NMOS非门非门2.3 2.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路逻辑关系：（设两管的开启电压为逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1T1=VT2T2=4=4V，且，且gm1 1gm2 2）（1 1）当当输输入入Vi为为高高电电平平8 8V时时，T1 1导导通通，T2 2也也导导通通。因因为为gm1 1gm2 2，所以两管的导通电阻，所以两管的导通电阻RDS1DS1RDS2DS2，输出电压为：，输出电压为：（2 2）当输入）当输入Vi为低电平为低电平0 0V时，时，T1 1截止，截止，T2 2导通。所以输出电压为导通。所以输出电压为VOH=VDD-VT=8=8V，即输出为高电平。，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。所以电路实现了非逻辑。2 2NMOS门电路门电路（1 1）与非门）与非门（2）或非门）或非门1 1逻辑关系：逻辑关系：（设（设VDD（VTN+|+|VTP|），且），且VTN=|=|VTP|）（1 1）当）当Vi=0=0V时，时，TN截止，截止，TP导通。输出导通。输出VOVDD。（2 2）当）当Vi=VDD时，时，TN导通，导通，TP截止，输出截止，输出VO00V。二、二、CMOS非门非门CMOS逻辑门电路是由逻辑门电路是由N沟道沟道MOSFET和和P沟道沟道MOSFET互补而成。互补而成。（1 1）当）当Vi2 2V，TN截止，截止，TP导通，输出导通，输出VoVDD=10=10V。（2 2）当）当2 2VVi5 5V，TN工作在饱和区，工作在饱和区，TP工作在可工作在可 变电阻区。变电阻区。（3 3）当）当Vi=5=5V，两管都工作在饱和区，两管都工作在饱和区，Vo=（VDD/2/2）=5=5V。（4 4）当）当5 5VVi8 8V，TP工作在饱和区，工作在饱和区，TN工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。（5 5）当）当Vi8 8V，TP截止，截止，TN导通，输出导通，输出Vo=0=0V。可见：可见：CMOS门电路的阈值电压门电路的阈值电压 Vth=VDD/2/22电压传输特性电压传输特性：（设：（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）3 3工作速度工作速度由由于于CMOS非非门门电电路路工工作作时时总总有有一一个个管管子子导导通通，所所以以当当带带电电容容负负载载时时，给给电电容容充充电电和和放放电电都都比比较较快快。CMOS非非门门的的平平均传输延迟时间约为均传输延迟时间约为1010ns。（2）或非门）或非门三、其他的三、其他的CMOS门电路门电路1 1CMOS与非门和或非门电路与非门和或非门电路（1）与非门）与非门（3）带缓冲级的门电路）带缓冲级的门电路 为为了了稳稳定定输输出出高高低低电电平平，可可在在输输入入输输出出端端分分别别加加反反相相器器作作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。L L=后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：2 2CMOS异或门电路异或门电路由两级组成，前级为或非门，输出为由两级组成，前级为或非门，输出为当当EN=1=1时，时，TP2 2和和TN2 2同时截止，输出为同时截止，输出为高阻状态高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。所以，这是一个低电平有效的三态门。3 3 CMOS三态门三态门工作原理：工作原理：当当EN=0=0时，时，TP2 2和和TN2 2同时导通，同时导通，为为正常的非门，输出正常的非门，输出4 CMOS传输门传输门工作原理：（设两管的开启电压工作原理：（设两管的开启电压VTN=|=|VTP|）（1 1）当当C接接高高电电平平VDD，接接低低电电平平0 0V时时，若若Vi在在0 0VVDD的的范范围围变变化化，至少有一管导通，至少有一管导通，相当于一闭合开关相当于一闭合开关，将输入传到输出，即，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2 2）当当C接接低低电电平平0 0V，接接高高电电平平VDD，Vi在在0 0VVDD的的范范围围变变化化时时，TN和和TP都截止，输出呈高阻状态，都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开相当于开关断开。1 1CMOS逻辑门电路的系列逻辑门电路的系列（1 1）基本的）基本的CMOS40004000系列。系列。（2 2）高速的）高速的CMOSHC系列。系列。（3 3）与）与TTL兼容的高速兼容的高速CMOSHCT系列。系列。2 2CMOS逻辑门电路主要参数的特点逻辑门电路主要参数的特点（1 1）VOH（min）=0.9=0.9VDD；VOL（max）=0.01=0.01VDD。所以所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2 2）阈值电压）阈值电压Vth约为约为VDD/2/2。（3 3）CMOS非非门门的的关关门门电电平平VOFF为为0.450.45VDD，开开门门电电平平VON为为0.550.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达因此，其高、低电平噪声容限均达0.450.45VDD。（4 4）CMOS电路的功耗很小，一般小于电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；门；（5 5）因）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达5050。四、四、CMOS逻辑门电路的系列及主要参数逻辑门电路的系列及主要参数一、一、TTL与与CMOS器件之间的接口问题器件之间的接口问题 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：足下列条件：驱动门的驱动门的VOH（min）负载门的负载门的VIH（min）驱动门的驱动门的VOL（max）负载门的负载门的VIL（max）驱动门的驱动门的IOH（max）负载门的负载门的IIH（总）（总）驱动门的驱动门的IOL（max）负载门的负载门的IIL（总）（总）2.4 2.4 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 （b）用用TTL门门电电路路驱驱动动5 5V低低电电流流继继电电器器，其其中中二二极极管管D作作保保护，用以防止过电压。护，用以防止过电压。二、二、TTL和和CMOS电路带负载时的接口问题电路带负载时的接口问题1 1对于电流较小、电平能够匹配对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。的负载可以直接驱动。（a a）用）用TTL门电路驱动发光二极门电路驱动发光二极管管LED，这时只要在电路中串接，这时只要在电路中串接一个约几百一个约几百W W的限流电阻即可。的限流电阻即可。2 2带大电流负载带大电流负载（a a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（a）所示。）所示。（b b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（b）所示。）所示。（2 2）对对于于或或非非门门及及或或门门，多多余余输输入入端端应应接接低低电电平平，比比如如直直接接接接地地；也也可可以以与与有有用用的的输输入入端端并并联使用。联使用。三、多余输入端的处理三、多余输入端的处理（1 1）对于与非门及与门，多余输入端）对于与非门及与门，多余输入端应接应接高电平高电平，比如直接接电源正端，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（或通过一个上拉电阻（1 13 3kW W）接）接电源正端；在前级驱动能力允许时，电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。也可以与有用的输入端并联使用。3 3一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。2 2任一条线一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。任一条线一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。2.5 2.5 混合逻辑中逻辑符号的变换混合逻辑中逻辑符号的变换1 1逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。本章小结本章小结 1 1最最简简单单的的门门电电路路是是二二极极管管与与门门、或或门门和和三三极极管管非非门门。它它们们是是集集成逻辑门电路的基础。成逻辑门电路的基础。2 2目目前前普普遍遍使使用用的的数数字字集集成成电电路路主主要要有有两两大大类类，一一类类由由NPNNPN型型三三极极管组成，简称管组成，简称TTLTTL集成电路；另一类由集成电路；另一类由MOSFETMOSFET构成，简称构成，简称MOSMOS集成电路。集成电路。3 3TTLTTL集集成成逻逻辑辑门门电电路路的的输输入入级级采采用用多多发发射射极极三三级级管管、输输出出级级采采用用达达林林顿顿结结构构，这这不不仅仅提提高高了了门门电电路路的的开开关关速速度度，也也使使电电路路有有较较强强的的驱驱动动负负载载的的能能力力。在在TTLTTL系系列列中中，除除了了有有实实现现各各种种基基本本逻逻辑辑功功能能的的门门电电路以外，还有集电极开路门和三态门。路以外，还有集电极开路门和三态门。4 4MOSMOS集集成成电电路路常常用用的的是是两两种种结结构构。一一种种是是NMOSNMOS门门电电路路，另另一一类类是是CMOSCMOS门门电电路路。与与TTLTTL门门电电路路相相比比，它它的的优优点点是是功功耗耗低低，扇扇出出数数大大，噪噪声容限大，开关速度与声容限大，开关速度与TTLTTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。接近，已成为数字集成电路的发展方向。5 5为为了了更更好好地地使使用用数数字字集集成成芯芯片片，应应熟熟悉悉TTLTTL和和CMOSCMOS各各个个系系列列产产品品的的外外部部电电气气特特性性及及主主要要参参数数，还还应应能能正正确确处处理理多多余余输输入入端端，能能正正确确解解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。