szdl3门电路.ppt
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1、第三章 门电路,概述 分立元件门电路 TTL门电路 MOS门电路 TTL门电路与CMOS门电路 小结,3.1 概述,门电路实现基本逻辑关系的电子电路 主要构成 逻辑门电路的性能和特点逻辑特性、电气特性 本章讨论:内部结构、工作原理、外部特性,3.2 分立元件门电路,分立元件的开关特性: * 理想开关特性: 开关K断开时,开关两端的电压为外部电压,通过开关的电流为0,开关等效电阻为。开关闭合时,开关两端电压为0,开关等效电阻为0 * 二极管开关特性 * 三极管开关特性 * MOS管开关特性 * 正负逻辑及其它 分立元件门电路 * 二极管与门 * 二极管或门 * 三极管反相器 * DTL门电路,3
2、.2.1 二极管开关特性,二极管 *二极管符号,图a (加正向电压),图b (加反向电压),结论二极管具有单向导电性(正向导通,反向截止),* 二极管加正向电压和伏安特性曲线及等效电路 如图a所示:若VCCV0,二极管导通,二极管导通电压VD=0.7V 硅管 (VD=0.2V 锗管),* 二极管加反向电压 如图b所示:若VCC0V 二极管截止 i=0,二极管开关特性等效电路,二极管伏安特性曲线与等效电路 三种等效电路: (a)-二极管正向导通压降和正向电阻不能忽略 (b)-二极管正向导通压降不能忽略和正向电阻忽略 (c)-二极管正向导通压降和正向电阻都忽略,3.5.1 三极管开关特性,三极管电
3、路结构与符号(NPN型 和 PNP型),三极管的工作状态 三极管的三个工作状态:截止状态、放大状态和饱和状态 分析,结论: 在数字电路中三极管作为开关元件主要工作在 饱和状态(“开”态)和截止状态(“关”态),当Vi= ViL( V BE)时,T截止 VO = VCC 当Vi= ViH时(且iB iBS),T饱和导通 VO = VCES0.2V,集电极c,发射极e,基极b,一、双极型三极管的结构 管芯 + 三个引出电极 + 外壳,基区薄 低掺杂,发射区高掺杂,集电区低掺杂,* 三极管电路结构,*双极型三极管的结构,管芯 + 三个引出电极 + 外壳,*双极型三极管工作状态分析 1. 三极管基本开
4、关电路,只要参数合理: VI=VIL时,T截止,VO=VOH VI=VIH时,T导通,VO=VOL,三极管工作状态分析,2. 三极管的工作状态-截止状态,*截止状态: 当输入电压Vi较小时, VBE 0.7 V,T截止 iB 、iE、iC0,VRC =0 ; 输出电压VCE VCC,等效电路,三极管工作状态分析,2. 三极管的工作状态-放大状态,* 放大状态: 当输入电压Vi 上升(0.7V),T导通, 有: iC= iB 、 iE = iC + iB , 在放大状态下( iB iBS),输出电压VCE = VCC - iC RC,等效电路,三极管工作状态分析,2.三极管的工作状态-饱和状态,
5、*饱和状态: 随着输入电压Vi继续上升, iB 、iE 、iC 增加, V CE = V CC i C RC 减小,三极管集电极正偏。 i B i BS,输出电压V CE = V CES ( 0.3V 硅管),等效电路,3.、三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,3.3.1 MOS管开关特性,MOS管结构图及逻辑符号,NMOS管工作原理分析 MOS管工作在截止与导通状态,结论: VGS V (thN) 时,NMOS管截止,ROFF 很大 VGS V (thN) 时,NMOS管导通,RON 较小 ( V (thN) NMOS开启电压或阈值电压) MOS管的四种类型,* MOS管结构图,*
6、 MOS管的结构 (金属-氧化物-半导体场效应管),S (Source):源极 G (Gate):栅极 D (Drain):漏极 B (Substrate):衬底,金属层,氧化物层,半导体层,PN结,NMOS管,PMOS管,NMOS管工作原理,NMOS管的工作原理,*NMOS管的基本开关电路,分析 1.在栅_源极间加正向电压VGS ,衬底感应出电子,当VGS较小时,感应的电子被衬底空穴中和, iDS =0( iDS :漏_源极电流)。 称高阻区(截止区),NMOS管的基本开关电路,NMOS管的基本开关电路,OFF ,截止状态 ON,导通状态,* MOS管的四种类型,增强型 耗尽型,大量正离子,
7、导电沟道,正负逻辑及其它,数字电路中的高电平与低电平 数字电路中的正负逻辑问题,*正负逻辑的定义: 设定: 低电平(VL)为0,高电平(VH)为1 正逻辑 低电平(VL)为1,高电平(VH) 为0 负逻辑 *正负逻辑的描述:,电路中能区分高、低电平既可使门电路导通或截止。 一般地,其取值有允许的范围由电路特性决定。,正负逻辑及其它,*正负逻辑的描述: 正与逻辑 *真值表: *真值表: *表达式: *表达式: *逻辑图 *逻辑图,负或逻辑,负逻辑,3.2.2 二极管与门,二极管与门能实现与逻辑功能的电路称为与门 二极管与门电路 分析 逻辑真值表、逻辑符号与表达式,二极管与门_原理分析,二极管与门
8、电路 分析:设输入高电平为3V,输入低电平为0V。VCC=5V,*当VA、VB =0V ,二极管DA、DB均导通,VY =VA +VDA =0+0.7=0.7V,*当VA =3V、VB =0V ,二极管DB导通,VY =VB +VDB =0+0.7=0.7V 结论:实现与关系,*当VA =0V、VB =3V ,二极管DA导通,VY =VA +VDA =0+0.7=0.7V,*当VA、VB =3V ,二极管DA、DB均导通,VY =VA +VDA =3+0.7=3.7V,3.2.3 二极管或门,二极管或门能实现或逻辑功能的电路称为或门 二极管或门电路 分析 逻辑真值表、逻辑符号与表达式,二极管或
9、门_原理分析,二极管或门电路 分析:设输入高电平为3V,输入低电平为0V,*当VA、VB =0V ,二极管DA、DB均截止,VY =0V,*当VA =3V、VB =0V ,二极管DA导通,VY =VA -VDA =3-0.7=2.3V 结论:实现或关系,*当VA =0V、VB =3V ,二极管DB导通,VY =VB -VDB =3-0.7=2.3V,*当VA、VB =3V ,二极管DA、DB均导通,VY =VA -VDA =3-0.7=2.3V,三极管反相器,三极管反相器能实现非逻辑功能的电路称为非门, 亦称反相器 非门电路 分析 三极管反相器之2 逻辑真值表、逻辑表达式和逻辑符号,三极管反相
10、器_原理分析,非门电路 分析,* 输入电压为低电平Vi=ViL=0.3V,* 输入电压为高电平Vi=ViH=3.2V,教材P114 图3.5.7,三极管反相器_之2,三极管反相器之2 非门电路如图: 分析: 输出端加入: VQ、D 功能:使输出高电平钳位在:VY= VD + VQ,DTL门电路,DTL与非门 电路图: 二极管与门+三极管反相器 实现逻辑功能: 实现与非功能,DTL或非门 电路图: 二极管或门+三极管反相器 实现逻辑功能: 实现或非功能,3.5 TTL门电路,TTL反相器及电气特性 其他的TTL门电路 特殊的TTL门电路 TTL门电路的改进 其他双极型门电路,3.5.2 TTL反
11、相器,TTL反相器 TTL反相器的电气特性 *传输特性 *输入特性 *输入负载特性 *输出特性 TTL反相器的动态特性 例题(A) 例题(B),TTL反相器_电路结构,TTL反相器的结构 TTL反相器的工作原理 结论:实现非功能,T4、D2、T5、R4为输出级,T2、R2、R3为中间级 (倒相级),T1、R1构成输入级,TTL反相器的工作原理,TTL反相器的工作原理,当输入为高电平Vi= ViH时,T1倒置、T2导通、T5为深度饱和状态,,当输入为低电平Vi= ViL,T1导通、T2截止、T5截止,输出通路由T4、D2构成,ViL,ViH,viL,ViH,VO=3.6V,VO=0.2V,TTL
12、反相器的传输特性,电压传输特性 阈值电压:VTH= 1.4V,典型参数:* 输入低电平的最大值ViL(max) 0.8V - (又称关门电压VOFF :确保输出为高电平的输入信号) * 输入高电平的最小值ViH(min) 2.0V - (又称开门电压VON :确保输出为低电平的输入信号),阈值电压: V TH 1.4 V,T2、T5截止,T4、D2导通,T2放大导通、T5截止T4、D2导通,T2、T5导通,T4、D2截止,T2、T5饱和导通,T4、D2截止,TTL反相器的静态输入特性,静态输入特性,TTL反相器的输入负载特性,输入负载特性,输入负载R 当Ri ROFF关门电阻 相当于Vi =
13、ViL 当Ri RON 开门电阻 相当于Vi = ViH,(一般有 ROFF = 0.8K ,RON = 2K ),RON,TTL反相器的输出特性,输出为低电平VOL:,输出为高电平VOH:,有电流IL从T5流入门, 称: 灌电流负载,有电流IL从T3、T4流出门, 称: 拉电流负载,IOL 灌电流负载能力,IOH 拉电流负载能力,当IL IOL 可保证 VO = VOL 当IL IOL VO 上升,当IL IOH 可保证 VO = VOH 当IL IOH VO 下降,TTL反相器的动态特性,反相器平均传输延迟时间tPd,三极管动态开关特性,输出低电平转换为高电平的传输延迟时间tPLH,TTL
14、反相器的动态特性,反相器平均传输延迟时间tPd,输出高电平转换为低电平的传输延迟时间tPHL,TTL反相器_举例(A),例1: CMOS电路如图所示, V DD分别为5V、10V, V 为3.5V,求 VO1? VO2? VO3? 例2: 已知TTL电路如图所示,其参数: VTH=1.4V, ROFF=0.8K, RON=3K, 求 VO1? VO2? VO3?,TTL反相器_举例,例3: 计算G可带多少个相同的门电路。已知门电路参数:IOH/IOL=-1.0mA /20mA,IIH/IIL=50uA /-1.43mA。求G的扇出系数N。,解: (1) 当G1输出高电平V0=VOH,(3) N
15、= NH、NL(min),(2) 当G1输出低电平V0=VOL,其它,VO=VOH,VO=VOL,Vi=ViH,Vi=ViL,=IOH,=IOL,驱动门,负载门,TTL反相器_举例2,例4:如图中所示电路,要保证Y=(A+B ) ,若在VO与VCC之间接R1 ,R1取何值? 若在V0与地之间接R2 ,R2 取何值? 例5: TTL门电路如图所示。已知其参数:VOH/VOL=3.6V/0.3V, IOH/IOL=-0.1mA/20mA,R C=1K,VC =10V,=40。 要实现P =(AB ) 、Y=P =(AB ) 。试确定RB的取值范围。,3.5.5 其他类型的TTL门电路,TTL门电路
16、 集成TTL门电路有:与门、或门、非门、与非门、或非门、 与或非门、异或门、同或门 TTL与非门 TTL或非门 TTL与或非门 TTL异或门 逻辑符号、逻辑功能、电气特性 逻辑符号、逻辑功能与前介绍同 电气特性参考TTL反相器 常用的TTL集成门电路器件 (详见教材叙述及相关手册查询),3.5.5 其他类型的TTL门电路,TTL与非门,TTL与非门的结构,TTL与非门的改进与特点: T1 多发射极三极管,构成与输入 T3、T4 达林顿结构减低输出阻值 T3、T4、T5 推拉式输出提高输出驱动能力,实现与非逻辑功能,TTL或非门,TTL或非门的结构,分析: T1、R1 ;T1 、R1 为相同结构
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