深入详解逻辑门电路.pptx
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1、1概概 述述1.门电路是用以实现逻辑关系的电子电路,与门电路是用以实现逻辑关系的电子电路,与我们所讲过的基本逻辑关系相对应,门电路主要有:我们所讲过的基本逻辑关系相对应,门电路主要有:与门与门、或门或门、与非门与非门、或非门或非门、异或门异或门等。等。按工艺:双极型按工艺:双极型TTL、MOS型型COMS按逻辑功能:与、或、非、与非等按逻辑功能:与、或、非、与非等按输出结构:推拉式、按输出结构:推拉式、OC门、三态门门、三态门按集成度按集成度2.分分类类小规模集成电路小规模集成电路SSI中规模集成电路中规模集成电路MSI大规模集成电路大规模集成电路LSI超大规模集成电路超大规模集成电路VLSI
2、 小小规规模模集集成成电电路路(SSI-Small Scale Integration),每每片片组组件件内包含内包含10100个元件个元件(或或1020个等效门个等效门)。中中规规模模集集成成电电路路(MSI-Medium Scale Integration),每每片片组组件内含件内含1001000个元件个元件(或或20100个等效门个等效门)。大大规规模模集集成成电电路路(LSI-Large Scale Integration),每每片片组组件件内含内含1000100 000个元件个元件(或或1001000个等效门个等效门)。超超大大规规模模集集成成电电路路(VLSI-Very Large
3、 Scale Integration),每片组件内含每片组件内含100 000个元件个元件(或或1000个以上等效门个以上等效门)。2在数字电路中,用高、低电平分别表示逻辑代数中的在数字电路中,用高、低电平分别表示逻辑代数中的1、0获得高、低电平的基本方法:获得高、低电平的基本方法:当当S打开时,打开时,vO为高电平为高电平当当S闭合时,闭合时,vO为低电平为低电平S用用二极管二极管或或三极管三极管或或场效应管场效应管来实现控来实现控制管子工作在截止和导通状态,它们就制管子工作在截止和导通状态,它们就可起到图中可起到图中S的作用的作用VCCvOvIS输输出出信信号号输输入入信信号号3若以高电平
4、表示若以高电平表示1,低电平表示,低电平表示0,则称,则称正逻辑正逻辑若以高电平表示若以高电平表示0,低电平表示,低电平表示1,则称,则称负逻辑负逻辑10正逻辑正逻辑01负逻辑负逻辑本书采用正逻辑本书采用正逻辑只要能判断高只要能判断高低电平即可低电平即可高电平下限高电平下限低电平上限低电平上限42.1基本逻辑门电路基本逻辑门电路2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性外加正向电压时,外加正向电压时,D导通;导通;UD=0,相当于一个闭合的,相当于一个闭合的开关。开关。EDIUDEIU外加反向电压时,外加反向电压时,D截止;截止;I反反=0,相当于一个断开的相当于一个断开的开关。开关。EDI
5、反反UDEI反反U 二极管具有单向导电性,在数字电路中表现为一个受外二极管具有单向导电性,在数字电路中表现为一个受外电压控制的开关。电压控制的开关。52.1.2 二极管与门二极管与门VCC=5VR=3KD1ABYD2设:设:VIL=0V,VIH=3V,二极管正向压降忽略不计,二极管正向压降忽略不计分析可得:分析可得:若定义若定义1表示高电平,表示高电平,0表示低电平,则得真值表:表示低电平,则得真值表:结论:该电路实现了与的关系,为与门结论:该电路实现了与的关系,为与门ABY62.1.3 二极管或门二极管或门分析可得:分析可得:若定义若定义1表示高电平,表示高电平,0表示低电平,则得真值表:表
6、示低电平,则得真值表:设:设:VIL=0V,VIH=3V,二极管正向压降忽略不计,二极管正向压降忽略不计RD1ABYD2结论:该电路实现了或的关系,为或门结论:该电路实现了或的关系,为或门ABY72.1.4 三极管的开关特性三极管的开关特性1.三极管开关电路三极管开关电路只要参数配合得当,可做到:只要参数配合得当,可做到:当当vI为低电平时,三极管工作在截止状态,为低电平时,三极管工作在截止状态,输出为高电平;输出为高电平;当当vI为高电平,三极管工作在饱和状态,为高电平,三极管工作在饱和状态,输出为低电平。输出为低电平。vIvOVCCRcRBiCiB+-+-当当vI=VIL(VIL=-1V)
7、时,时,vBE0,则,则iB=0,iC0,三极管截止三极管截止。此时,此时,RC上无压降,上无压降,vOVCC,为,为高电平高电平。一般认为,在一般认为,在vIVON时,有时,有iB产生,相应地有产生,相应地有iC产生,三极管进入产生,三极管进入放大区放大区;vIiBvO;定义放大倍数:定义放大倍数:2.1.4 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性1.三极管开关电路三极管开关电路vIvOVCCRcRBiCiB+-+-9vI继续增加继续增加,RC上的压降也随之增上的压降也随之增大,大,vCE下降,当下降,当vCE0时,三极管时,三极管处于深度处于深度饱和状态饱和状态,vO0,为,为低电低
8、电平平。2.1.4 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性1.三极管开关电路三极管开关电路vIvOVCCRcRBiCiB+-+-当当iBIBS时,三极管为饱和状态;时,三极管为饱和状态;发射结饱和压降发射结饱和压降 VCES=0.10.3V注:当注:当VCE=VBE时,三极管为临界饱和导通;时,三极管为临界饱和导通;集电极临界饱和导通电流集电极临界饱和导通电流 ICSVCC/RC基极临界饱和导通电流基极临界饱和导通电流 IBS=ICS/=VCC/(RC)10总结:当总结:当vIVON时,三极管处于放大状态;时,三极管处于放大状态;当当vI增加到使增加到使iBIBS时,三极管处于饱和状态。
9、时,三极管处于饱和状态。当当vI=VIL时,三极管截止,时,三极管截止,iC0,相当于开关断开,相当于开关断开,vOVCC;当当vI=VIH时,三极管饱和,时,三极管饱和,uCE0,相当于开关闭合,相当于开关闭合,vO0;vIvOVCCRcRBiCiB+-+-VCCvOvIS112.三极管的开关时间三极管的开关时间快快慢慢从截止到饱和导通所需的时间称为开启时间从截止到饱和导通所需的时间称为开启时间 ton从饱和导通到截止所需时间称为从饱和导通到截止所需时间称为关闭时间关闭时间toff输出输出vO落后于输入落后于输入vIvIiCvOttttontoff发射区变窄、基区建立电荷所需要的时间。发射区
10、变窄、基区建立电荷所需要的时间。清除三级管内存电荷所需要的时间。清除三级管内存电荷所需要的时间。122.1.5 三极管非门电路三极管非门电路实际应用中,接实际应用中,接R2和和VEE,使,使T可靠截止。可靠截止。-VEER2A为低电平(为低电平(0),T截止,截止,Y为高电平(为高电平(1)A为高电平(为高电平(1),T导通,导通,Y为低电平(为低电平(0)实现了非门的关系实现了非门的关系 又称反相器。又称反相器。(vI)A(vO)VCCR1RcYAY131.体积大、工作不可靠。体积大、工作不可靠。2.需要不同电源。需要不同电源。3.各种门的输入、输出电平不匹配。各种门的输入、输出电平不匹配。
11、分立元件门电路的缺点分立元件门电路的缺点4.带负载能力差。带负载能力差。与分立元件电路相比,与分立元件电路相比,集成电路集成电路具有体积小、具有体积小、可靠性高、速度快的特点,而且输入、输出电平匹可靠性高、速度快的特点,而且输入、输出电平匹配,所以早已广泛采用。根据电路内部的结构,可配,所以早已广泛采用。根据电路内部的结构,可分为分为DTL、TTL、HTL、MOS管管集成门电路等。集成门电路等。142.2.1 TTL与非门的基本结构和工作基本原理与非门的基本结构和工作基本原理2.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路一、基本结构一、基本结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1A
12、BC 输入级输入级倒相级倒相级输出级输出级15典型的典型的TTL与非门电路与非门电路(a)电路原理图;电路原理图;(b)多射极晶体管的等效电路多射极晶体管的等效电路161.任一输入为低电平(任一输入为低电平(0.3V)时)时“0”1V不足以让不足以让T2、T5导通导通三个三个PN结结导通需导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 二、工作原理二、工作原理17+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC1.任一输入为低电平(任一输入为低电平(0.3V)时)时“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube4 3.6V高电平!高电平!182.输入全
13、为高电平(输入全为高电平(3.6V)时)时“1”全导通全导通电位被嵌电位被嵌在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 1.4V192.输入全为高电平(输入全为高电平(3.6V)时)时+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏全反偏“1”饱和饱和uF=0.3V 20一、电压传输特性一、电压传输特性(输入电压与输出电压的关系曲线)(输入电压与输出电压的关系曲线)2.2.2 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测试电路测试电路+5Vuiu021UOH(3.6V)UOL(0.3V)传输特性曲
14、线传输特性曲线输出高电平输出高电平uO(V)ui(V)123输出低电平输出低电平理想的传输特性理想的传输特性u0(V)ui(V)123UOH“1”UOL“0”阈值阈值UT=1.4V截截止止区区放放大大区区过过渡渡区区饱和区饱和区22二、主要参数二、主要参数uO(V)ui(V)1231)输出高电平)输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOLUOHUOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。典型值典型值UOH=3.6V UOL=0.3V(3.6V)(0.3V)2)输入高电平)输入高电平UIHUIH 输入低电平输入低电平UILUIL 典型值典型值UIH=3.6V UIL=
15、0.3V 开门电平开门电平Uon=UIH(min)Uon关门电平关门电平Uoff=UIL(max)Uoff 典型值典型值Uon=1.8V Uoff=0.8V 233)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=1.4Vu0(V)ui(V)123UOHUOL阈值阈值UT=1.4VT5输出管由截止转为导通输出管由截止转为导通(输出高电平转为低电平输出高电平转为低电平)时所对应的输入电压时所对应的输入电压244)抗干扰能力(输入噪声容限)抗干扰能力(输入噪声容限)uO(V)ui(V)123UOHUOL(3.6V)(0.3V)UIHUILUonUoff低电平噪声容限:低
16、电平噪声容限:UNL=Uoff-UILUNL高电平噪声容限:高电平噪声容限:UNH=UIH-UonUNH用来说明用来说明门电路抗门电路抗干扰能力干扰能力25一、输入特性一、输入特性(输入端的伏安特性)(输入端的伏安特性)1.vI=VIL=0.3V时时负号表示输入电流流出门负号表示输入电流流出门.2.2.3 TTL与非门的输入特性、输出特性和带负载能力与非门的输入特性、输出特性和带负载能力VIL=0.3VIIL=?R13kT10.3VIILVCCbe2be5输入端等效电路输入端等效电路vI=0V时时输入短路电流输入短路电流262.vI=VIH=3.6V时时T1处于倒置放大状态处于倒置放大状态一般
17、情况下,一般情况下,IIH40A正号表示输入电流流进门正号表示输入电流流进门.VIH=3.6VIIH=?R13kT13.6VIIHVCCbe2be5VB1=2.1V输入端等效电路输入端等效电路274.输入端悬空相当于接高电平输入端悬空相当于接高电平输入端悬空时,输入端悬空时,VCC通过通过R1加在加在T1集电结、集电结、T2、T5发射结上,使发射结上,使T2、T5导通,导通,输出低电平输出低电平。故相当于输入端故相当于输入端接高电平接高电平。3.输入端伏安特性曲线输入端伏安特性曲线结论:结论:当输入为低电平时,当输入为低电平时,输入电流流出门,大小为输入电流流出门,大小为1.4mA;当输入为高
18、电平时,当输入为高电平时,输入电流流进门,很小输入电流流进门,很小40A。iI/mA0.5 1.0 1.5 2.0-0.5-1.0-1.5-2.0-0.5-1.0vI /V40uAR14kT1VCCbe2be5VB1=2.1V28二、输出特性二、输出特性(输出电压随负载电流的变化情况)(输出电压随负载电流的变化情况)1.高电平输出特性高电平输出特性输出高电平时,输出高电平时,T4导通,导通,T5截止截止,电流流出门:电流流出门:拉电流拉电流从图上看,负载电流为从图上看,负载电流为10mA时时,电平下电平下降不多,但考虑到功耗,实际使用时降不多,但考虑到功耗,实际使用时负载电流不能超过负载电流不
19、能超过0.4mARL|iL|vR4 VOHRLVOHiLVCCR4T3R2T4R5iL/mA2030103.02.01.0VOH /V3.640292.低电平输出特性低电平输出特性RLiL T 5 饱和程度饱和程度 vCE5 VOL 输出低电平时,输出低电平时,T4截止,截止,T5饱和饱和VCCR3VOLT5iLRL电流流进门:电流流进门:灌电流灌电流为了保证输出为低电平,实际使用时灌电流不能为了保证输出为低电平,实际使用时灌电流不能超过超过16mAiL/mA2030 102.01.0VOL/V0.3504030三、带负载能力三、带负载能力?1.前后级之间电流的联系前后级之间电流的联系31R1
20、T1+5V前级输出为前级输出为 高电平时高电平时前级前级后级后级反偏反偏前级流出前级流出电流电流IOH(拉电流)(拉电流)+5VR4R2R5T3T4 32前级输出为前级输出为 低电平时低电平时R1T1+5V前级前级后级后级流入前级的电流流入前级的电流IOL(灌电流灌电流)+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1 33关于电流的技术参数关于电流的技术参数342.扇出系数扇出系数驱动同类门的最大数目。驱动同类门的最大数目。IiH1IiH3IiH2IOH前级输出为前级输出为 高电平时高电平时+5VR4R2R5T3T4T1前级前级T1T1 输出高电平时,前级流出的电流(拉电流)输出高电平时,前级流出
21、的电流(拉电流)35+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为前级输出为 低电平时低电平时 输出低电平时,流入前级的电流(灌电流)输出低电平时,流入前级的电流(灌电流)36输出低电平时的扇出系数:输出低电平时的扇出系数:一般与非门的扇出系数为一般与非门的扇出系数为10。由于由于IOL、IOH的限制,每个门电路输出端所的限制,每个门电路输出端所带同类门电路的个数,称为带同类门电路的个数,称为扇出系数扇出系数。输出高电平时的扇出系数:输出高电平时的扇出系数:取取NOH和和NOL中小的一个。中小的一个。37四、四、输入端负载特性输入端负载特性(输入端通
22、过电阻(输入端通过电阻R接地)接地)Rui输入端输入端“1”,“0”?+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 38R较小时较小时R较小时,较小时,uiUT 相当输入低电平相当输入低电平,所以,所以输出为高电平。输出为高电平。Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 39R增大增大Ruiui UT时,输入变高,输出变时,输入变高,输出变低电平。低电平。R临界临界=1.45K Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 401.悬空的输入端相当于接高电平。悬空的输入端相当于接高电平。2.为了防止干扰,可将悬空
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