逻辑门电路恢复.pptx
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1、(2-1)3.1 概述概述门电路的作用:门电路的作用:是用以实现逻辑关系的电子电是用以实现逻辑关系的电子电路,与基本逻辑关系相对应。路,与基本逻辑关系相对应。门电路的主要类型:门电路的主要类型:与门、或门、与非门、或与门、或门、与非门、或非门、异或门等。非门、异或门等。门电路的输出状态与赋值对应关系:门电路的输出状态与赋值对应关系:正逻辑:正逻辑:高电位对应高电位对应“1”;低电位对应;低电位对应“0”。混合逻辑:混合逻辑:输入用正逻辑、输出用负逻辑;或者输输入用正逻辑、输出用负逻辑;或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。入用负逻辑、输出用正逻辑。一般采用一般采用正逻辑正逻辑负逻辑:负逻辑:高电位对
2、应高电位对应“0”;低电位对应;低电位对应“1”。(2-2)100VVcc在数字电路中,对电压值为多少并不重要,在数字电路中,对电压值为多少并不重要,只要能判断高低电平即可。只要能判断高低电平即可。K开开-VO输出高电平,对应输出高电平,对应“1”。K合合-VO输出低电平,对应输出低电平,对应“0”。VOKVccR V V(2-3)门门(电子开关电子开关)满足一定条件时,电路允满足一定条件时,电路允 许信号通过许信号通过 开关接通开关接通。开门状态:开门状态:关门状态:关门状态:条件不满足时,信号通不条件不满足时,信号通不过过 开关断开开关断开。(2-4)开关开关作用作用二极管二极管反向截止:
3、反向截止:开关接通开关接通开关断开开关断开三极管三极管(C,E)饱和区:饱和区:截止区:截止区:开关接通开关接通CEB开关断开开关断开 正向导通:正向导通:CEB(2-5)3.2半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.2.1二极管的开关特性二极管的开关特性 1.二极管开关原理二极管开关原理 由于半导体二极管具有单向导电性,即外加正向由于半导体二极管具有单向导电性,即外加正向电压时导通,外加反向电压时截止,所以它相当于电压时导通,外加反向电压时截止,所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关。一个受外加电压极性控制的开关。DRVCCvivo+-二极管开关电路二极管开关电路0tv二极管伏安特性二极管
4、伏安特性二极管伏安特性方程二极管伏安特性方程:i=Is(eV/VT-1)(2-6)2.二极管的近似伏安特性和对应的等效电路二极管的近似伏安特性和对应的等效电路 由二极管伏安特性方程和曲线可以看出,半导由二极管伏安特性方程和曲线可以看出,半导体二极管反向电阻不是无穷大,正向电阻也不是体二极管反向电阻不是无穷大,正向电阻也不是0。而且,电压和电流之间是非线性关系。此外,。而且,电压和电流之间是非线性关系。此外,由于存在着由于存在着PN结表面的漏电阻以及半导体的体电结表面的漏电阻以及半导体的体电阻,所以真正的二极管的伏安特性与上面给出的阻,所以真正的二极管的伏安特性与上面给出的还略有差别。还略有差别
5、。因此,因此,在分析二极管组成的电路时,通常需要通在分析二极管组成的电路时,通常需要通过近似的分析来判断二极管的开关状态。过近似的分析来判断二极管的开关状态。为此,为此,必须利用近似的简化特性或电路模型,以简化分必须利用近似的简化特性或电路模型,以简化分析和计算过程。析和计算过程。(2-7)图图图图3.2.3 3.2.3 二极管伏安特性的几种近似方法二极管伏安特性的几种近似方法二极管伏安特性的几种近似方法二极管伏安特性的几种近似方法a.当外加电源当外加电源电压和电阻相电压和电阻相对二极管的导对二极管的导通电压和正向通电压和正向电阻均在同一电阻均在同一数量级时的等数量级时的等效。效。b.当正向电
6、压不能忽略时的等效当正向电压不能忽略时的等效c.当正向电压和导通电阻均可忽略时的等效当正向电压和导通电阻均可忽略时的等效(2-8)图图图图3.2.4 3.2.4 二极管的动态电流波形二极管的动态电流波形二极管的动态电流波形二极管的动态电流波形3.二极管的开关时间:二极管的开关时间:加于二极管上的电压波形加于二极管上的电压波形二极管上产生的相应电流波形二极管上产生的相应电流波形二极管由截止到饱和二极管由截止到饱和二极管由饱和到二极管由饱和到截止截止(2-9)3.2.2 二极管与门电路二极管与门电路 FD1D2AB+12V逻辑变量逻辑变量逻辑函数逻辑函数(uD=0.3V )(2-10)0 0 00
7、 1 0 A B F1 0 01 1 1逻辑式:逻辑式:F=A B逻辑符号:逻辑符号:&ABF(2-11)3.2.3二极管或门二极管或门FD1D2AB-12V(2-12)0 0 00 1 1 A B F1 0 11 1 1逻辑式:逻辑式:F=A+B逻辑符号:逻辑符号:ABF(2-13)3.5 TTL门电路(门电路(P109)数字集成电路:数字集成电路:在一块半导体基片上制作出一个在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接:电源、输入和输出。数字集成电使用时接:电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价
8、路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。格便宜的特点。TTL型电路:型电路:输入和输出端结构都采用了半导体晶输入和输出端结构都采用了半导体晶体管,称之为体管,称之为:Transistor Transistor Logic。(2-14)uFt0.3VtruAt-VB1+VB2R1R2AF+ucc+ucc3.5.1双极型三极管的开关特性(双极型三极管的开关特性(P109)iCttdtftsIcs0.9Ics三极管三极管截止截止饱和饱和基极临界饱和电流基极临界饱和电流 IBS=Vcc/Rc集电极饱和电流集电极饱和电流Ics=Vcc/Rc一、一、三极管的开关特性三极管的开关特性(2-15)
9、R1DR2AF+12V+3V二、三极管反相器二、三极管反相器钳位二极管钳位二极管(2-16)逻辑式:逻辑式:逻辑符号:逻辑符号:1AF(2-17)R1DR2F+12V+3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门三、二极管、三极管电路与非门三、二极管、三极管电路与非门逻辑式:逻辑式:&ABF逻辑符号:逻辑符号:(2-18)3.5.2TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理一、结构一、结构TTL与非门的内部结构与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100(2-19)输入级输入级输出级输出级中间级
10、中间级+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5T1 多发射极晶多发射极晶体管:体管:实现实现“与与”运算。运算。(2-20)+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5“非非”复合管形式复合管形式与非门与非门输出级输出级“与与”(2-21)1.任一输入为低电平(任一输入为低电平(0.3V)时)时“0”0.7V不足以让不足以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 三个三个PN结结导通需导通需2.1V(2-22)+5VFR4R2R13kR5R3T3T4T1T5b1c1ABC0.7V“0”uouo=5-
11、uR2-ube3-ube4 3.4V 高电平!高电平!逻辑关系:逻辑关系:任任0则则1。(2-23)+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC“1”全导通全导通电位被钳电位被钳在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止2.输入全为高电平(输入全为高电平(3.4V)时)时(2-24)+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏全反偏“1”饱和饱和uF=0.3V输入、输出的逻辑关系式:输入、输出的逻辑关系式:逻辑关系:逻辑关系:全全1则则0。(2-25)二、电压传输特性二、电压传输特性测试电路测试电路&+5Vuiuo(2-26)uo(V)ui(V)123UOH(3.
12、4V)UOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线uo(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值阈值UT=1.4V理想的传输特性理想的传输特性输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平UOH(min)(2.4V)UIL(max),(2V)UOL(max)UIH(min)VNLVNHUOL(max)UOH(min)(2-27)1.输出高电平输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。典型值典型值UOH=3.4V UOL=0.3V。2.阈值电压阈值电压UTuiUT时,认为时,认为ui是高电平。是高电平。UT=1.4V(2-2
13、8)三、输入端的噪声容限三、输入端的噪声容限从电压传输特性上可以看到,当输入信号偏离正从电压传输特性上可以看到,当输入信号偏离正常的低电平(常的低电平(0.3V)而升高时,输出的高电平并)而升高时,输出的高电平并不立刻改变;同样,当输入高电平偏离正常值不立刻改变;同样,当输入高电平偏离正常值(3.4V)而下降时,输出低电平也不会马上改变。)而下降时,输出低电平也不会马上改变。因此,允许的高低电平信号各有一个波动范围。因此,允许的高低电平信号各有一个波动范围。输入端噪声容限:输入端噪声容限:在保证输出高、低电平基本不变的条件在保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围。下,输入电
14、平的允许波动范围。在由许多门电路互相连接组成的数字系统中,往往前在由许多门电路互相连接组成的数字系统中,往往前一级门电路的输出就是后一级门电路的输入。所以输入端一级门电路的输出就是后一级门电路的输入。所以输入端的噪声容限可用下图示意。的噪声容限可用下图示意。(2-29)图图图图3.3.14 3.3.14 输入端噪声容限示意输入端噪声容限示意输入端噪声容限示意输入端噪声容限示意图中先确定工作门输出高图中先确定工作门输出高电平的最小值电平的最小值VOH(min)(TTL为为2.4V),最大输),最大输出低电平出低电平VOL(max)(TTL为为0.4V)。)。然后可根据然后可根据VOH(min)从
15、电从电压传输特性上定出输入低压传输特性上定出输入低电平的上限电平的上限VIL(max),并,并根据根据VOL(max)定出输入高定出输入高电平的下限电平的下限VIH(min)。输入高电平噪声容限:输入高电平噪声容限:VNH=VOH(min)-VIH(min)输入低电平噪声容限:输入低电平噪声容限:VNL=VIL(max)-VOL(max)74系列门的标准参数:系列门的标准参数:VOH(min)=2.4 V,VOL(max)=0.4V,VIH(min)=2V,VIL(max)=0.8V,故可得,故可得VNH=0.4V,VNL=0.4V。(2-30)图图图图3.5.1 1 TTL3.5.1 1 T
16、TL反相器的反相器的反相器的反相器的输输输输入端入端入端入端等效电路等效电路等效电路等效电路图图图图3.5.12 TTL3.5.12 TTL反相器反相器反相器反相器的的的的输入特性输入特性输入特性输入特性3.5.3TTL反相器的输入、输出特性反相器的输入、输出特性(P119)一、输入特性一、输入特性(2-31)图图图图3.3.124 TTL3.3.124 TTL反相器高电反相器高电反相器高电反相器高电平输出特性平输出特性平输出特性平输出特性图图图图3.5.13 TTL3.5.13 TTL反相器反相器反相器反相器高电平输出等效电路高电平输出等效电路高电平输出等效电路高电平输出等效电路二、输出特性
17、二、输出特性1.高电平输出特性高电平输出特性vOH(MIN)(2-32)图图图图3.5.15 TTL3.5.15 TTL反相器反相器反相器反相器低电平输出等效电路低电平输出等效电路低电平输出等效电路低电平输出等效电路图图图图3.5.16 TTL3.5.16 TTL反相器低反相器低反相器低反相器低电平输出特性电平输出特性电平输出特性电平输出特性162.低电平输出特性低电平输出特性(2-33)有关电流的技术参数有关电流的技术参数(2-34)T1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3 扇出系数扇出系数扇出系数:扇出系数:与非门电路输出能驱动同类门的个
18、数与非门电路输出能驱动同类门的个数N。(2-35)例例3.5.2在图在图3.5.17所示的电路中,试计所示的电路中,试计算门算门G1最多可以驱动多少个同样的门最多可以驱动多少个同样的门电路负载。这些门电路的输入特性和电路负载。这些门电路的输入特性和输出特性分别由图输出特性分别由图3.5.12、图、图3.5.14和和图图3.5.16给出。要求给出。要求G1输出的高、低电输出的高、低电平满足平满足V OH3.2V,VOL0.2V。图图图图3.5.17 3.5.17 例例例例 3.5.23.5.2的电路的电路的电路的电路解:先计算保证解:先计算保证VOL0.2V时可以驱动的电路数时可以驱动的电路数目
19、目N1由图由图3.5.16查到,查到,VOL=0.2V时的负载电流时的负载电流iL=16mA;由图;由图3.5.12查到查到VOL=0.2V时每个时每个负载门的输入电流负载门的输入电流iIL=-1mA,所以有,所以有N1iIL iL(2-36)计算保证计算保证VOH3.2V时能驱动的负载门数目时能驱动的负载门数目N2。由图。由图3.5.14高高电平输出特性上查到,电平输出特性上查到,VOH=3.2V时,对应的时,对应的iL为为-7.5mA。但手册上规定(但手册上规定(TTL的)的)IOH 0.4mA,故应取,故应取0.4mA计计算。又由图算。又由图3.5.12输入特性可知,每个输入端的高电平输
20、入输入特性可知,每个输入端的高电平输入电流电流IIH=40A,故可得:,故可得:N2IIH IL 综合以上两种情况可得出结论:在给定条件下,综合以上两种情况可得出结论:在给定条件下,TTL(74)系列门电路最多可以驱动)系列门电路最多可以驱动10个同类门。(产品规个同类门。(产品规定定8个)个)(2-37)3.输入端的负载特性输入端的负载特性图图图图3.5.18 TTL3.5.18 TTL反相器反相器反相器反相器输入端输入端输入端输入端经电阻接地经电阻接地经电阻接地经电阻接地 时的等效电路时的等效电路时的等效电路时的等效电路图图图图3.5.19 TTL3.5.19 TTL反相器反相器反相器反相
21、器输入输入输入输入端负载特性端负载特性端负载特性端负载特性在具体使用门电路时,有时需要在输入端与地之间或者输在具体使用门电路时,有时需要在输入端与地之间或者输入端与信号的低电平之间接入电阻入端与信号的低电平之间接入电阻RP,如图,如图3.5.18所示。所示。(2-38)RPRRPVRPRRP1.4V=be+=-+1113.4)5(由图可知,因为输入电流流过由图可知,因为输入电流流过RP上产生压降而形成输入电位上产生压降而形成输入电位Vi。而且,。而且,RP越大越大Vi也越高。实际测量结果如图也越高。实际测量结果如图3.5.19所示。所示。曲线表明,当电阻曲线表明,当电阻RP较小时,输入电压较小
22、时,输入电压Vi基本上呈线性增基本上呈线性增长,而当长,而当RP大到使大到使Vi接近接近1.4V后基本不再随后基本不再随RP变化。这是因变化。这是因为为Vi接近接近1.4V后,后,T1基极电位已接近基极电位已接近2.1V,它足以使门电路,它足以使门电路的的T2和和T5导通,并将导通,并将T1基极电位钳位。基极电位钳位。RP的临界值可计算如下:的临界值可计算如下:RP=1.4K(R1=3K)为安全起见,如要求输入等)为安全起见,如要求输入等效为低电平时,对效为低电平时,对TTL门电路应使门电路应使RP小于小于1 K;如;如要求输入等效为高电平时,对要求输入等效为高电平时,对TTL门电路应使门电路
23、应使RP大大于于2K。(2-39)例例3.5.3 在图在图3.5.20所示的电路中,为保证门所示的电路中,为保证门G1输出的高、低电平输出的高、低电平能正确地传送到门能正确地传送到门G2的输入端,要求的输入端,要求vo1=VOH时时vI2VIH(min),),vO1=VOL时,时,vI2VIL(max),试计算,试计算RP的最大允许值是多少?已知的最大允许值是多少?已知G1和和G2均为均为74系列反相器,系列反相器,VCC=5V,VOH=3.4V,VOL=0.2V,VIH(min)=2.0V,VIL(max)=0.8V。G1和和G2的输入特性和输出特性的输入特性和输出特性见图见图3.5.12和
24、图和图3.5.14、图、图3.5.16。图图图图3.5.20 3.5.20 例例例例3.5.33.5.3的电路的电路的电路的电路当当vo1=VOH时,接入时,接入RP后应保证有后应保证有vI2VIH(min),所以可得,所以可得VOH-IIH RPVIH(min)从图从图3.5.12输入特性曲输入特性曲线上查到线上查到vI =VIH(min)=2.0V时的时的输入电流输入电流IIH=0.04mA当当vO1=VOL时,接入时,接入RP后应保证有后应保证有vI2VIL(max),所以可得,所以可得综合以上两种情况,应取综合以上两种情况,应取RP 0.68K 也就是说也就是说G1和和G2之间的串联电
25、阻应小于之间的串联电阻应小于680,否则当,否则当vO1=VOL时可能超过时可能超过VIL(max)(2-40)一、一、平均传输时间平均传输时间tui0tuo050%50%tpd1tpd2典型值:典型值:3 10 ns3.5.4TTL反相器的动态特性反相器的动态特性(2-41)二、交流噪声容限二、交流噪声容限对窄脉冲的噪声容限对窄脉冲的噪声容限 由于由于TTL门电路中存在三极管门电路中存在三极管的的开关时间和分布电容开关时间和分布电容的充放电的充放电过程,因而输入信号状态变化时过程,因而输入信号状态变化时必须有足够的变化幅度和作用时必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出状态变化。当输入间才能
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