逻辑门电路00001.pptx
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1、引子:前面对于逻辑门仅考虑其外部逻辑功引子:前面对于逻辑门仅考虑其外部逻辑功能,以黑匣子的方式使用。能,以黑匣子的方式使用。但是,这只能建立初步的概念,对于电子设但是,这只能建立初步的概念,对于电子设计工程师来说是不够的。计工程师来说是不够的。为正确有效使用集成逻辑门,必须对其内部为正确有效使用集成逻辑门,必须对其内部电路以及对外表现的特性有所了解。电路以及对外表现的特性有所了解。重点:逻辑功能、外部特性。内部电路及工重点:逻辑功能、外部特性。内部电路及工作原理了解。作原理了解。第1页/共97页问:黑匣子里面是什么?问:黑匣子里面是什么?答:半导体器件、电阻和电容等。半导体器答:半导体器件、电
2、阻和电容等。半导体器件又分二极管、三极管和场效应管件又分二极管、三极管和场效应管问:关键器件是什么?问:关键器件是什么?答:半导体器件。答:半导体器件。以上均与模电类似,以上均与模电类似,问:数电与模电的区别?问:数电与模电的区别?答:半导体器件的工作状态不同。答:半导体器件的工作状态不同。第2页/共97页如:三极管有如:三极管有3个状态:个状态:放大:线性:放大:线性:模电模电饱和饱和 ce间好像开关闭合间好像开关闭合截止:非线性:数电:截止:非线性:数电:开关打开:开关状态开关打开:开关状态所以,半导体器件在数电中叫开关器件,它所以,半导体器件在数电中叫开关器件,它们工作在开关状态,表现出
3、开关特性们工作在开关状态,表现出开关特性门电路的工作基础:开关器件的开关特性门电路的工作基础:开关器件的开关特性(半导体器件的开关特性)(半导体器件的开关特性)第3页/共97页uIVCCuORS输输出出信信号号输输入入信信号号 图图2-1-1 获得高、低电平的基本方法获得高、低电平的基本方法 1.3 二极管和三极管的开关特性二极管和三极管的开关特性第4页/共97页1.单向导电性:单向导电性:(硅管)(硅管)正向电压正向电压VF0.7V 正向导通正向导通 :正向管压降正向管压降0.7V VF0.5V反向截止:反向截止:反向电阻无穷大反向电阻无穷大理想模型:理想模型:外加正压导通:正向电阻为外加正
4、压导通:正向电阻为0 正向管压降为正向管压降为0外加反压截止:反向电阻为无穷大外加反压截止:反向电阻为无穷大相当于一个受外加电压极性控制的相当于一个受外加电压极性控制的开关开关1.3.1 二极管的开关特性二极管的开关特性第5页/共97页取代图取代图2-1-1中的中的S,得二极管开关电路。,得二极管开关电路。当当Ui=UIH=VCC时,时,D截止,截止,Uo=UOH=VCC;当当Ui=UIL时,时,D导通,导通,Uo=UOL=0。因此可用因此可用Ui的高、低电平控制二极管的开的高、低电平控制二极管的开关状态,并可在输出端得到相应的高、低关状态,并可在输出端得到相应的高、低电平输出信号。电平输出信
5、号。1.3.1 二极管的开关特性二极管的开关特性第6页/共97页在在t1时刻输入电压由时刻输入电压由+VF跳变到跳变到-VR,会出现很大会出现很大的反向电流的原因是的反向电流的原因是电电荷存储效应荷存储效应。(a)二极管电路)二极管电路(b)输入电压波形)输入电压波形(c)理想电流波形)理想电流波形(d)实际电流波形)实际电流波形第7页/共97页二极管的开通时间二极管的开通时间:二极管从截止转为正向:二极管从截止转为正向导通所需的时间导通所需的时间与反向恢复时间相比非常短,可忽略不记与反向恢复时间相比非常短,可忽略不记开关速度主要受反向恢复时间的影响开关速度主要受反向恢复时间的影响反向恢复时间
6、反向恢复时间:用来衡量开关速度的快慢,:用来衡量开关速度的快慢,纳秒数量级,值愈小,开关速度愈快,允纳秒数量级,值愈小,开关速度愈快,允许信号频率愈高。许信号频率愈高。用一般的示波器不易观察到。用一般的示波器不易观察到。在高频信号情况下需要考虑。在高频信号情况下需要考虑。2.二极管反向恢复时间二极管反向恢复时间tre第8页/共97页1.3.2 三极管的开关特性三极管的开关特性1.开关特性开关特性如用三极管代替图如用三极管代替图2-1-1中的中的S,得,得三极管三极管开关电路。开关电路。三极管有截止、放大、三极管有截止、放大、饱和三个工作区。饱和三个工作区。第9页/共97页当当uI 0时,时,u
7、BE 0,三极管工作在截止区,三极管工作在截止区特点:基极电流特点:基极电流iB 0,集电极电流,集电极电流iC=ICE 0三极管的集三极管的集-射极之间相当于一个断开的开射极之间相当于一个断开的开关。关。这时的输出电压为这时的输出电压为uo=UOH VCC。1.3.2 三极管的开关特性三极管的开关特性第10页/共97页当当uI为正,且使为正,且使 时,三极管工作在时,三极管工作在饱和区饱和区特点:集射间的饱和压降特点:集射间的饱和压降UCES 0集射间如同开关短路一样,集射间如同开关短路一样,uo=UOL 0。因此,只要用因此,只要用uI的高、低电平控制三极管分的高、低电平控制三极管分别工作
8、在饱和和截止状态,就可控制它的开别工作在饱和和截止状态,就可控制它的开关状态,并在输出端得到相对应的高、低电关状态,并在输出端得到相对应的高、低电平。平。1.3.2 三极管的开关特性三极管的开关特性第11页/共97页当三极管在截止与饱和导通两种状态间转换当三极管在截止与饱和导通两种状态间转换时,由于三极管内部电荷的建立和消散均时,由于三极管内部电荷的建立和消散均需一定的时间,所以转化需要一定时间。需一定的时间,所以转化需要一定时间。如图,基级输入理想方波电压,如图,基级输入理想方波电压,iC变化延迟变化延迟于输入变化,且上升和下降沿变缓慢。于输入变化,且上升和下降沿变缓慢。2.三极管的开关时间
9、三极管的开关时间第12页/共97页2.三极管的开关时间三极管的开关时间开启时间:开启时间:ton=td+tr延迟时间:延迟时间:td上升时间:上升时间:tr关闭时间:关闭时间:tof=ts+tf存储时间:存储时间:ts下降时间:下降时间:tf一般一般tofton,ts tf开关时间为纳秒数量极开关时间为纳秒数量极第13页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路,称为与门。实现与逻辑功能的电路,称为与门。VA=VB=3V。由由于于R接接 到到电电源源+12V上上,故故DA、DB均导通均导通VF=3+0.7V=3.7V3V第14页/共97页2.1 分立
10、元件门电路分立元件门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路,称为与门。实现与逻辑功能的电路,称为与门。VA=3V,VB=0V,由于,由于DB优先导通,优先导通,VF=0.7V,因,因而而DA截止,通常将截止,通常将DB导通,导通,使使VF=0+0.7V=0.7V0V称为箝位。称为箝位。第15页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路,称为与门。实现与逻辑功能的电路,称为与门。VA=0V,VB=3V,由,由于于DA导通,导通,VF=0+0.7V=0.7V0V,DB截止。截止。第16页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管与门二极管
11、与门实现与逻辑功能的电路,称为与门。实现与逻辑功能的电路,称为与门。VA=VB=0V,VF=0.7V,此时,此时DA、DB均导通。均导通。VF=0+0.7V=0.7V0V第17页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路,称为与门。实现与逻辑功能的电路,称为与门。(1)VA=VB=0V VF0V(2)VA=0V,VB=3V,VF0V(3)VA=3V,VB=0V,VF0V(4)VA=VB=3V VF3V第18页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路,称为与门。实现与逻辑功能的电路,称为与门。0003 0
12、0 0 3 3 0 3 3输出输出VF(V)输入输入 VF(V)VF(V)电位关系电位关系第19页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路,称为与门。实现与逻辑功能的电路,称为与门。A B0 00 11 01 1F0001真值表真值表第20页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管二极管或门或门实现逻辑或功能的电路,称为或门。实现逻辑或功能的电路,称为或门。VA=VB=3V,由由于于R接接到到电电源源-VEE(-12V)上上,故故DA、DB均均导导通通。VF因因此为此为VA-VD=2.3V 3V。第21页/共97页2.1 分立元件门电路
13、分立元件门电路二极管二极管或门或门实现逻辑或功能的电路,称为或门。实现逻辑或功能的电路,称为或门。VA=0V,VB=3V,此时,此时DB导通,将导通,将VF钳位在钳位在2.3V,DA加反向电压截止。因加反向电压截止。因此此VF=VB-VD=2.3V3V。第22页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管二极管或门或门实现逻辑或功能的电路,称为或门。实现逻辑或功能的电路,称为或门。VA=3V,VB=0V,此时,此时DA导通,导通,DB截止,截止,VF=VA-VD=2.3V 3V。第23页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管二极管或门或门实现逻辑或功能的电路,称为或门。实
14、现逻辑或功能的电路,称为或门。VA=VB=0V,DA、DB均导通,均导通,VF=0-VD=-0.7V 0V。第24页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管二极管或门或门实现逻辑或功能的电路,称为或门。实现逻辑或功能的电路,称为或门。(1)VA=VB=0V:VF0V(2)VA=0V,VB=3V:VF3V(3)VA=3V,VB=0V:VF3V(4)VA=VB=3V:VF3V第25页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管二极管或门或门实现逻辑或功能的电路,称为或门。实现逻辑或功能的电路,称为或门。0333 0 0 0 3 3 0 3 3输出输出VF(V)输入输入 VA(V
15、)VB(V)电位关系电位关系第26页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路二极管二极管或门或门实现逻辑或功能的电路,称为或门。实现逻辑或功能的电路,称为或门。A B0 00 11 01 1F0111真值表真值表第27页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路,称作非门实现逻辑非门功能的电路,称作非门数字电路中,二极管,数字电路中,二极管,三极管均工作在开关状三极管均工作在开关状态。三极管工作在饱和态。三极管工作在饱和态和截止态。态和截止态。第28页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的
16、电路,称作非门实现逻辑非门功能的电路,称作非门饱和时,其集电极输出为饱和时,其集电极输出为低电平(低电平(VO=Vces););截止时,其集电极输出高截止时,其集电极输出高电平(无箝位时,电平(无箝位时,VO=VCC,有箝位电路时,有箝位电路时,VO高电平高电平将使将使DQ导通,由于导通,由于VQ=2.5V,故,故VO=2.5V+0.7V=3.2V)。)。第29页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路,称作非门实现逻辑非门功能的电路,称作非门3003VF(V)VI(V)电位关系电位关系1001FA真值表真值表第30页/共97页2.1 分立元
17、件门电路分立元件门电路4.与非门电路与非门电路第31页/共97页2.1 分立元件门电路分立元件门电路5.或非门电路或非门电路第32页/共97页集成逻辑门电路集成逻辑门电路:把门电路的所有元器件及连:把门电路的所有元器件及连接导线制作在同一块半导体基片上。接导线制作在同一块半导体基片上。集成电路比较分立元件电路具有体积小、重量集成电路比较分立元件电路具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、功耗低、成本低、工轻、可靠性高、寿命长、功耗低、成本低、工作速度高等优点;因此,在数字电路领域内集作速度高等优点;因此,在数字电路领域内集成电路几乎取代了所有分立元件电路。成电路几乎取代了所有分立元件电路。集成逻
18、辑门电路属于小规模集成电路集成逻辑门电路属于小规模集成电路(SSI),它,它是组成一个较大数字系统的基本单元。是组成一个较大数字系统的基本单元。2.2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路第33页/共97页集成度集成度小规模小规模(Small Scale Integrated Circuit,SSI)是由十几个门电路构成的。是由十几个门电路构成的。中规模中规模(Medium Scale Integrated Circuit,MSI)是由上百个门电路构成的。是由上百个门电路构成的。大规模大规模(Large Scale Integrated Circuit,LSI)是由几百个至几千个门电路构成的。是
19、由几百个至几千个门电路构成的。超大规模超大规模(Very Large Scale Integrated Circuit,VLSI)是由一万个以上门电路构成是由一万个以上门电路构成的。的。2.2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路第34页/共97页基于半导体工艺的特点,集成电路中管子制基于半导体工艺的特点,集成电路中管子制造较易,占芯片面积小,但电容和高阻值造较易,占芯片面积小,但电容和高阻值电阻制造较难,占芯片面积大。因此,避电阻制造较难,占芯片面积大。因此,避免使用电容和高阻值电阻,多用管子。免使用电容和高阻值电阻,多用管子。依据所用半导体器件的不同,数字集成电路依据所用半导体器件的不同,数
20、字集成电路可以分成两大类:可以分成两大类:双极型双极型数字集成电路:双极型晶体管数字集成电路:双极型晶体管单极型单极型数字集成电路:数字集成电路:MOS晶体管晶体管2.2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路第35页/共97页数字集成电路数字集成电路 2.2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路第36页/共97页目前,广泛使用的逻辑门有目前,广泛使用的逻辑门有TTL(Transistor-Transistor Logic)和和CMOS两个两个系列。系列。TTL门电路属双极型数字集成电路,其输入门电路属双极型数字集成电路,其输入级和输出级都是三极管结构,故称级和输出级都是三极管结构,故称TTL。CM
21、OS门电路属单极型数字集成电路,是由门电路属单极型数字集成电路,是由NMOS管和管和PMOS管组成的互补管组成的互补MOS集成电集成电路,。路,。2.2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路第37页/共97页我国我国TTL系列数字集成电路型号与国际型系列数字集成电路型号与国际型号对应列入表号对应列入表2-1中中 标准标准(通用系列通用系列)高速系列高速系列肖特基系列肖特基系列低功耗肖特基系列低功耗肖特基系列 54/7454/74H54/74S54/74LSCT1000CT2000CT3000CT4000TTL系列系列分类名称分类名称国际型号国际型号国产型号国产型号系列系列2.2 TTL集成逻辑门
22、电路集成逻辑门电路第38页/共97页2.2.1 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理输入级输入级中间级中间级输出级输出级第39页/共97页2.2.1 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理则则VB1=VIL+VBE1 =0.3+0.7=1V T2、T5 截止截止0.3V3.6V3.6VDA导通导通!设设A=0 B=1 C=1(VIL=0.3V),1V0.3VT3 、T4 导通导通VF =5UBE3UBE4 50.70.7=3.6V拉电流拉电流F=1第40页/共97页2.2.1 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理设设A=B=C=1,即即VA=VB=VC=VIH=3.6V,3.6V3.6V3
23、.6V2.1V1.4VT3 导通导通,T4 截止截止 VF=0.3V ,F=0VF=0.3V灌电流灌电流T2、T5导通导通VB1被箝位在被箝位在2.1V VB3=0.3+0.7=1VT1的的e结反偏,结反偏,c结正偏,倒置状态。结正偏,倒置状态。第41页/共97页2.2.1 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理有有0出出1,全全1出出0:与非门。与非门。111111100 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1FA B C真值表真值表第42页/共97页2.2.1 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理输入级:输入级:多发射极多发射极三极管实现与逻辑三极管
24、实现与逻辑功能功能 多发射极晶体管多发射极晶体管 T1 的等效电路的等效电路第43页/共97页2.2.1 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理推拉输出级:推拉输出级:T4和和T5轮流导通,使输轮流导通,使输出出F为为0或或1。输出阻抗低,提高带输出阻抗低,提高带负载能力负载能力 第44页/共97页2.2.2 TTL门电路的外特性及参数门电路的外特性及参数应用中,只有了解外特性和参数,才能很好应用中,只有了解外特性和参数,才能很好使用器件。使用器件。由外部特性和参数可判断集成电路性能优劣,由外部特性和参数可判断集成电路性能优劣,给用户提供合理、安全使用集成组件依据。给用户提供合理、安全使用集成
25、组件依据。第45页/共97页电压传输特性电压传输特性描述输出电压描述输出电压vO随输入电压随输入电压vI变化的规律。变化的规律。Q1和和Q2是转折点,将图分为三个区域。是转折点,将图分为三个区域。中,中,uO基本不随基本不随ui而变,而变,总为高电平总为高电平uOH;中,输出总是低电平中,输出总是低电平uOL,与与ui无关;无关;中,中,uO随随u1急剧变化,急剧变化,这个区域称为过渡区。这个区域称为过渡区。1.TTL与非门的电压传输特性及与非门的电压传输特性及 抗干扰能力(噪声容限)抗干扰能力(噪声容限)第46页/共97页(1)关门电平关门电平Voff(VILmax,即输入低电平最,即输入低
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