数字电路 康华光(第五版)ch3逻辑门电路.ppt
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1、3 逻辑门电路逻辑门电路3.1 分立元件分立元件逻辑门电路逻辑门电路3.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.4 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题3.5 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题11、了解半导体器件的开关特性。了解半导体器件的开关特性。2、熟熟练练掌掌握握基基本本逻逻辑辑门门(与与、或或、与与非非、或或非非、异或门)、三态门、异或门)、三态门、OC门和传输门的逻辑功能。门和传输门的逻辑功能。3、熟熟练练掌掌握握逻逻辑辑门门电电路路的的技技术术参参数数及及在在应应用用中中的的接口问题。接口问题。本章要求:本章要求:2逻辑门
2、逻辑门:用以实现逻辑运算的电子电路。用以实现逻辑运算的电子电路。分类:分类:二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门3 由电子电路实现逻辑由电子电路实现逻辑运算时,它的输入和输运算时,它的输入和输出信号都是用电位(或出信号都是用电位(或称电平)的高低表示的。称电平)的高低表示的。高电平和低电平都高电平和低电平都不是一个固定的数值,不是一个固定的数值,而是有一定的变化范围。而是有一定的变化范围。100VVCC高电平高电平低电平低电平注意:注意:43.1 分立
3、元件逻辑门电路分立元件逻辑门电路3.1.1 二极管二极管的开关特性的开关特性 v vi 二极管从反向截止到正向导二极管从反向截止到正向导通的时间极短,可以忽略不计;通的时间极短,可以忽略不计;但二极管从正向导通到反向但二极管从正向导通到反向截止要经过反向恢复的过程,反截止要经过反向恢复的过程,反向恢复时间为向恢复时间为tre。外加正向电压,二极管外加正向电压,二极管导通导通,相当于,相当于开关闭合开关闭合;外加反向电压,二极管外加反向电压,二极管截止截止,相当于,相当于开关断开开关断开。5输入输入A、B、C全为全为“1”时,输出时,输出 L为为“1”。输入输入A、B、C有有“0”时,输出时,输
4、出 L 为为“0”。0V0V0V0V0V3V+12VRDADCABLDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABLC 真值表真值表0V3V3.1.2 二极管二极管与门电路与门电路6有有“0”出出“0”,全全“1”出出“1”。L=A B C逻辑表达式:逻辑表达式:逻辑符号:逻辑符号:&ABLC00000010101011001000011001001111ABLC 真值表真值表实现实现“与与”逻辑关系逻辑关系70V0V0V0V0V3V3V3V3V0V00000011101111011001011101011111ABLC 真值表真值表3V3V-12V
5、RDADCABLDBC输入输入A、B、C全为全为“0”时,输出时,输出 L 为为“0”。输入输入A、B、C有有“1”时,输出时,输出 L为为“1”。3.1.3 二极管二极管或门电路或门电路8有有“1”出出“1”,全全“0”出出“0”。00000011101111011001011101011111ABLC 真值表真值表实现实现“或或”逻辑关系逻辑关系L=A+B+C逻辑表达式:逻辑表达式:逻辑符号:逻辑符号:ABLC 193.1.4 BJT的开关特性的开关特性BJT截止截止,iB 0,iC 0,vOVCEVCC,c、e极之间近似于开路极之间近似于开路,相当于相当于开关断开开关断开。vI=0V时:
6、时:vI=5V时:时:BJT饱和饱和,iB=IBS,iC=ICS,vOVCES0.2V,c、e极之间近似于短路极之间近似于短路,相当于开关相当于开关闭合闭合。10很小,很小,约为约为数数百欧,相当于百欧,相当于开关开关闭闭合合可可变变 很大,很大,约为约为数百千欧,相数百千欧,相当于开关断开当于开关断开 c、e间间等等效内阻效内阻VCES 0.20.3 VVCEVCCiCRcVCEO VCC管管压压降降 且不随且不随iB增加而增加而增加增加ic iBiC 0集集电电极极电电流流 发发射射结结和集和集电电结结均均为为正偏正偏 发发射射结结正偏,正偏,集集电结电结反偏反偏 发发射射结结和集和集电结
7、电结均均为为反偏反偏偏置情况偏置情况工工作作特特点点 iB iB0条件条件饱饱 和和放放 大大截截 止止工作状工作状态态 0 iB BJT的工作状态及特点的工作状态及特点iCICS11BJT的开关时间的开关时间从截止到导通:从截止到导通:开通开通时间时间ton=td+tr从导通到截止:从导通到截止:关闭时间关闭时间toff=ts+tf BJT饱和与截止两种状态的相饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成。互转换需要一定的时间才能完成。12 1 0截止截止截止截止饱和饱和 逻辑表达式:逻辑表达式:LA“0”10“1”“0”“1”AL真值表真值表逻辑符号:逻辑符号:1AL3.1.5 BJ
8、T非门电路非门电路13CL的充、放电过程均需经历一定的充、放电过程均需经历一定的时间,必然会增加输出电压的时间,必然会增加输出电压 O波波形的上升时间和下降时间,导致基形的上升时间和下降时间,导致基本的本的BJT反相器的反相器的开关速度开关速度不高。不高。基本基本BJT反相器的动态性能反相器的动态性能若带电容负载若带电容负载故需设计有较快开关速度的实用型故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路。门电路。14CMOS集成电路集成电路 广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT74LVC 74VAUC 7
9、4系列系列74LS系列系列74AS系列系列74ALS1、TTL与与CMOS逻辑器件逻辑器件型号系列型号系列数字集成电路简介数字集成电路简介TTL集成电路集成电路 广泛应用于中、小规模集成电路广泛应用于中、小规模集成电路15表面贴装表面贴装(SMT)集成度高,面积小,引脚密度高集成度高,面积小,引脚密度高2、TTL与与CMOS逻辑器件逻辑器件的封装的封装数字集成电路简介数字集成电路简介双列直插式双列直插式(DIP)强度高,耐高温性能好强度高,耐高温性能好163.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.2.1 TTL反相器的基本电路反相器的基本电路3.2.2 TTL与非门电路与非门电路3.2.3 TTL
10、或非门或非门电路电路3.2.4 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门电路电路17输出级输出级T3、D、T4和和Rc4构构成推拉式的输出级。成推拉式的输出级。用于提高开关速度用于提高开关速度和带负载能力。和带负载能力。中间级中间级T2和电阻和电阻Rc2、Re2组成,从组成,从T2的集电结和发射的集电结和发射极同时输出两个相极同时输出两个相反的信号,作为反的信号,作为T T3 3和和T T4 4输出级的驱动输出级的驱动信号;信号;Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1+vI T3+vO 负载 Re2 1K W VCC(5V)输入级输入级 中间级中间级输
11、出级输出级 3.2.1 TTL反相器反相器1.电路组成电路组成输入级输入级T1和电阻和电阻Rb1组成。用于提高组成。用于提高电路的开关速度电路的开关速度182.TTL反相器的工作原理(逻辑关系、性能改善)反相器的工作原理(逻辑关系、性能改善)(1 1)当输入为低电平)当输入为低电平 T3LRb14k T4T2+5V T1Rc21.6kRc4130 DRe21kA(0.2V)“0”VL=VB4 V BE4 VD=5-0.7-0.7=3.6V(“1”)T1 饱和饱和VB1=0.9VT2、T3截止截止T4、D导通导通19VB4=VC2=0.9V2.TTL反相器的工作原理(逻辑关系、性能改善)反相器的
12、工作原理(逻辑关系、性能改善)(2 2)当输入为高电平)当输入为高电平 T3L Rb14k T4T2+5V T1Rc21.6kRc4130 DRe21kA(3.6V)“1”vL=vCES3 =0.2V(“0”)T2、T3饱和饱和T4、D截止截止VB1=2.1VVC1=1.4VT1 倒置倒置放大放大20输入输入A输出输出L0110逻辑真值表逻辑真值表 逻辑表达式逻辑表达式 L =A T3L Rb14k T4T2+5V T1Rc21.6kRc4130 DRe21kA 21(3)采用输入级以提高工作速度)采用输入级以提高工作速度 当当TTL反相器反相器 I由由3.6V变变0.2V的瞬间的瞬间 T2、
13、T3管的状态变化管的状态变化滞后于滞后于T1管,仍处于饱管,仍处于饱和导通状态。和导通状态。T1管集极电流管集极电流 1iB1很很快地从快地从T2的基区抽走多的基区抽走多余的存储电荷余的存储电荷,使使T2迅迅速脱离饱和进入截止状速脱离饱和进入截止状态。态。T3L Rb14k T4T2+5V T1Rc21.6kRc4130 DRe21kA T4立刻导通,使立刻导通,使T3的集电极电流的集电极电流加大多余的存储电荷迅速从集电极加大多余的存储电荷迅速从集电极消散而达到截止,从而加速了输出消散而达到截止,从而加速了输出由低电平到高电平的转换。由低电平到高电平的转换。T1 放大放大22(4)采用推拉式输
14、出级以提高开关速度和带负载能力)采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当当 O=0.2V时时 T4截止,截止,T3饱和导通,其饱和导通,其饱和电流全部用来驱动负载。饱和电流全部用来驱动负载。a)带负载能力带负载能力当当 O=3.6V时时 T3截止,截止,T4组成组成的电压跟的电压跟随器的输出电阻很小,所以随器的输出电阻很小,所以输出高电平稳定,带负载能输出高电平稳定,带负载能力也较强。力也较强。T3L Rb14k T4T2+5V T1Rc21.6kRc4130 DRe21kA 23 O由低到高电平跳变的由低到高电平跳变的瞬间,瞬间,CL充电,其时间常充电,其时间常数很小使输出波形上升沿数很
15、小使输出波形上升沿陡直。陡直。输出端接负载输出端接负载电容电容CL时时,b)输出级对提高开关速度的作用输出级对提高开关速度的作用 而当而当 O由高变低后,由高变低后,CL很快放电,输出波形的很快放电,输出波形的下降沿也很好。下降沿也很好。T3L Rb14k T4T2+5V T1Rc21.6kRc4130 DRe21kA CL24多发射极多发射极BJT T1e1 e 2bc e2e1b c3.2.2 TTL与非门电路与非门电路25TTL与非门电路的工作原理与非门电路的工作原理 任一输入端为低电平时任一输入端为低电平时:TTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态 IT1T2T4T3 O输入全为高电
16、输入全为高电平平(3.6V)倒置放大状态倒置放大状态饱和饱和截止截止饱和饱和低电平低电平(0.2V)输入有低电平输入有低电平 (0.2V)饱和饱和截止截止饱和饱和截止截止高电平高电平(3.6V)当输入端全部为高电平时:当输入端全部为高电平时:输出低电平输出低电平输出高电平输出高电平 A&BAL=B26实际实际的与非的与非门门器件器件74LS002输入输入4与非门与非门74LS308输入与非门输入与非门17148&17148&273.2.3 TTL或非门或非门 若若A、B中有一个为高电平中有一个为高电平:若若A、B均为低电平均为低电平:T2A和和T2B均将截止,均将截止,T3截止。截止。T4和和
17、D饱和,饱和,输出为高电平。输出为高电平。T2A或或T2B将饱和,将饱和,T3饱和,饱和,T4截止,截止,输出为低电平。输出为低电平。A1 BA+L=B28vOHvOL形成低阻通路,形成低阻通路,产生很大的电流,产生很大的电流,从而有可能导致从而有可能导致器件损坏。器件损坏。3.2.4 集电极开路门和三态门电路集电极开路门和三态门电路1、集电极开路门电路、集电极开路门电路291)集电极开路与非门电路集电极开路与非门电路2)使用时的外电路连接使用时的外电路连接3)逻辑功能逻辑功能L=A B4)OC门输出端连接实现线与门输出端连接实现线与VCC302、三态门、三态门(TSL)当当EN=3.6V时时
18、EN数据数据输输入端入端输输出端出端LAB10010111011100三态与非门真值表三态与非门真值表 EN31当当EN=0.2V时时EN数据数据输输入端入端输输出端出端L LAB10010111011100高阻高阻高电平高电平使能使能=高阻状态高阻状态与非逻辑与非逻辑 ZL ABLEN=0_EN=1真值表真值表逻辑符号逻辑符号ABEN&L EN32ENA2B2E2&ENA3B3E3&ENA1B1E1&三态门的用途:三态门的用途:三态门的用途:三态门的用途:实现用一根导线轮流传实现用一根导线轮流传送几个不同的数据或控制送几个不同的数据或控制信号。信号。G1G2G3L333.3 MOS逻辑门电路
19、逻辑门电路3.3.1 MOS开关开关及其等效电路及其等效电路3.3.2 CMOS反相器反相器3.3.3 CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.3.5 CMOS传输门传输门3.3.4 CMOS漏极开路门和三态门电路漏极开路门和三态门电路3.3.6 逻逻辑门电路的外部特性辑门电路的外部特性34MOS管工作在可变电阻区,输出低电平。管工作在可变电阻区,输出低电平。MOS管截止,输出高电平。管截止,输出高电平。当当v vI=0:当当vI=VDD:3.3.1 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路N沟道增强型沟道增强型MOS管管35 MOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制控制的无触点开关。的无触点开关。
20、MOS管工作在可变电阻区,管工作在可变电阻区,相当于开关相当于开关“闭合闭合”,输出为低电平。输出为低电平。MOS管截止,管截止,相当于开关相当于开关“断开断开”输出为高电平。输出为高电平。当输入为低电平时:当输入为低电平时:当输入为高电平时:当输入为高电平时:36MOS管截止,输出低电平。管截止,输出低电平。当当v vI=0:当当vI=VDD:MOS管工作在可变电阻区,输出高电平。管工作在可变电阻区,输出高电平。P沟道增强型沟道增强型MOS管管373.3.2 CMOS 反相器反相器1.1.工作原理工作原理+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTP
21、vO0V 0V-10V 截止截止导通导通10VVTN=2 VVTP=2 V383.3.2 CMOS 反相器反相器1.1.工作原理工作原理+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0V 0V-10V 截止截止导通导通10V10V10V 0V导通导通 截止截止0VVTN=2 VVTP=2 V393.3.2 CMOS 反相器反相器1.1.工作原理工作原理+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0V 0V-10V 截止截止导通导通10V10V10V 0V导通导通 截止截止0VVTN=2 VVTP=2
22、VAL1逻辑符号逻辑符号逻辑表达式逻辑表达式vi(A)0vO(L)1 真值表真值表1040P沟道沟道MOS管输出特性曲线坐标变换管输出特性曲线坐标变换输入高电平时的工作情况输入高电平时的工作情况输入低电平时的工作情况输入低电平时的工作情况作图分析:作图分析:410V10VvA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvL与非门与非门1.CMOS 与与非门非门AB&VTN=2 VVTP=2 V3.3.3 CMOS 逻辑门逻辑门A B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止 导通导通导通导通 导通导通截止截止截止截止导通导通导通导通截止截止截止截止
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