四川理工學(xué)院電子教研室2009,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）教學(xué)課件,地址:四川自貢市匯興路學(xué)苑街180號(hào)郵政編碼：643000電子信箱：zbzbzb123聯(lián)系電話：0813-5505869,四川理工學(xué)院電子教研室2009,第二章門電路2-1概述2-2二極管、三極管、MOS管開關(guān)等效電路2-3最簡(jiǎn)單的與、或、非門電路2-4TTL門電路2-5CMOS門電路,四川理工學(xué)院電子教研室2009,21.概述,如果以輸出的高電平表示邏輯“1”，則為正邏輯，反之為負(fù)邏輯。,用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路統(tǒng)稱為門電路,一、門電路,二、正、負(fù)邏輯,本課件中，全部采用正邏輯。,22.二極管三極管和MOS管開關(guān)等效電路,開關(guān)閉合,當(dāng)Ua>Ub時(shí)，D導(dǎo)通,開關(guān)斷開,當(dāng)UaUb時(shí),D截止,當(dāng)Ub為高電平UIH時(shí)，T飽和,當(dāng)Ub為低電平UIL時(shí)，T截止,開關(guān)閉合,開關(guān)斷開,一、二極管開關(guān)等效電路（理想情況下）,二、三極管開關(guān)等效電路（理想情況下）,四川理工學(xué)院電子教研室2009,三.MOS管開關(guān)等效電路（理想情況下）,當(dāng)UGS2v時(shí)，,當(dāng)UGS-2v時(shí),（等效開關(guān)圖同上）,TN截止,1、NMOS管開關(guān)等效電路,TN導(dǎo)通：,TP導(dǎo)通：,TP截止：,四川理工學(xué)院電子教研室2009,23最簡(jiǎn)單的與、或、非門電路,2-3-1二極管與門,2.工作原理,DaDb,UY,UaUb,0003v3v03v3v,3.真值表（狀態(tài)表）,4.輸出函數(shù)式,Y=AB,5.邏輯符號(hào),&,Y,導(dǎo)通,導(dǎo)通,導(dǎo)通,導(dǎo)通,導(dǎo)通,導(dǎo)通,截止,截止,0.7V,0.7V,0.7V,3.7v,AB,1.電路組成（以二輸入為例）,+VCC,R,A,B,Y,Da,Db,設(shè)：VCC=5V，,UIH=3v,UIL=0v,二極管正向壓降0.7V。,四川理工學(xué)院電子教研室2009,1。電路組成(以二輸入為例),2。工作原理,UaUb0003v3v03v3v,3。真值表,4.輸出函數(shù)式,Y=A+B,5。邏輯符號(hào),截止,截止,截止,截止,導(dǎo)通,導(dǎo)通,導(dǎo)通,導(dǎo)通,DaDb,UY,2.3v,2.3v,2.3v,Y,AB,1,0,2-3-2二極管或門,四川理工學(xué)院電子教研室2009,Vcc,3.真值表,A01,Y10,4.輸出函數(shù)式,5.邏輯符號(hào),2.工作原理,注：為了保證在輸入低電平時(shí)三極管可靠截止，常將電路接成上圖形式。由于接入了負(fù)電源VEE，即使輸入低電平信號(hào)稍大于零，也能使三極管的基極為負(fù)電位，使三極管可靠截止，輸出為高電平。,1。電原理圖,Ua,0,3v,T,截止,飽和,UY,0,2-3-3.三極管非門,四川理工學(xué)院電子教研室2009,2-3-4.其它門電路,一、其它門電路,其它門電路有與非門、或非門、同或門、異或門等等。,（略）,二、門電路的“封鎖”和“打開”問題,當(dāng)C=1時(shí)，Y=AB.1=AB,與門打開，與功能成立。,當(dāng)C=0時(shí)，Y=AB.0=0,與門封鎖，與門不能工作。,當(dāng)C=1時(shí)，Y=A+B+1=1,或門封鎖，或門不能工作。,當(dāng)C=0時(shí)，Y=A+B+0=A+B,或門打開，或功能成立。,能“打開”或者“封鎖”門電路的信號(hào)叫“控制信號(hào)”。,控制信號(hào)的輸入端叫“控制端”，或“使能端”。,與門、與非門可用“0”封鎖，用“1”打開；,或門、或非門可用“1”封鎖，用“0”打開；,四川理工學(xué)院電子教研室2009,2-4TTL門電路,3、真值表和邏輯符號(hào),1、電路結(jié)構(gòu)圖,輸入級(jí),倒相級(jí),輸出級(jí),2、工作原理,設(shè)Vcc=5V,UIH=3.4v,UIL=0.2v,PN結(jié)的導(dǎo)通電壓為0.7v。,2.1V,UA,T1發(fā)射結(jié),UB1,T2,T3,T4,UY,0.2V,導(dǎo)通,0.9v,截止,導(dǎo)通,截止,3.4v,3.4V,導(dǎo)通,4.1v,導(dǎo)通,截止,導(dǎo)通,0.2v,?,T1集電結(jié),截止,導(dǎo)通,T1,T2,T3,T4,R1,Y,+VCC,A,UB1,2-4-1TTL非門,T2，T4導(dǎo)通后，把UB1鉗制在2.1V。,此時(shí)：T1處于倒置工作狀態(tài)；、IIH都很小,74系列門電路的每個(gè)輸入端的IIH40A。,IIH,T1,UB1,3.4V,2.1V,1.4V,5、電壓傳輸特性,當(dāng)非門的UI,UTH,當(dāng)非門的UI,UTH時(shí)，,TTL門電路有7174系列，74系列的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)：UOH（min）=2.4vUOL(max)=0.4vUIH(min)=2.0vUIL(max)=0.8v,UTH時(shí)，,TTL非門的電壓傳輸特性如圖，其轉(zhuǎn)折區(qū)對(duì)應(yīng)的輸入電壓叫閾值電壓，記為UTH,VO/V,VI/V,UTH=1.4v,=U0L,U0,U0,=U0H,因?yàn)椋?四川理工學(xué)院電子教研室2009,2.輸入為高電平（UIH2v）時(shí),等效簡(jiǎn)化電路如圖：,T1管倒置工作0，高電平輸入電流IIH很小，為A級(jí)。,低電平輸入電流IIL較大，當(dāng)Vcc=5v，UIL=0.2v時(shí)，IIL1mA。,輸入簡(jiǎn)化電路如圖：,一.輸入特性（討論T1管）,1.輸入低電平（UIL0.8v)時(shí),近似分析時(shí)，常用IIS來代替。,IIS是輸入短路（UIL=0）時(shí)的電流。,74系列門電路的每個(gè)輸入端的IIH40A。,UIL,IIL,截止,UIH,IIH,導(dǎo)通,be2,be4,2-4-2TTL非門的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,四川理工學(xué)院電子教研室2009,二.輸出特性,1.輸出為低電平時(shí)（U0=U0L0.4V),輸出端帶負(fù)載的情形如圖：,低電平輸出電流:IOL=N1IILN1IIS,由于T4管的導(dǎo)通電阻為RON，,N1是輸出低電平時(shí)負(fù)載門的數(shù)目。,所以，UOL=IOLRON。,為了保證UOL0.4v，,要限制負(fù)載門的數(shù)目N1。,截止,導(dǎo)通,UOL,驅(qū)動(dòng)門,負(fù)載門,IIL,IIL,IOL,高電平輸出電流：,由于T3管的導(dǎo)通電阻為RON，所以：UOHVCC-N2IIH(RC3+RON)-0.7v,為了保證UOH2.4v，要限制負(fù)載門的數(shù)目N2。,2.輸出端為高電平時(shí)(U0=UOH2.4v),輸出端帶負(fù)載的情形如圖：,扇出系數(shù)N是門電路可以驅(qū)動(dòng)同類門電路的最大數(shù)目。N應(yīng)該確定為上述N1和N2的較小值.,N2是輸出高電平時(shí)負(fù)載門的數(shù)目。,導(dǎo)通,截止,UOH,驅(qū)動(dòng)門,負(fù)載門,IIH,IIH,IOH,三.門電路的扇出系數(shù)N,IOH=N2IIH,四川理工學(xué)院電子教研室2009,四、門間限流電阻的確定,R,為了保證G1輸出的高、低電平能正確地傳輸?shù)紾2的輸入端，門間限流電阻R不能太大，要求：,1、當(dāng)UO1=UOH時(shí)，UI2UIH（min)應(yīng)滿足,此時(shí)，門間電流流向如圖，,UOH,UIH,IIH,所以，下式應(yīng)滿足:,UOH-IIHRUIH（min),（1）,2、當(dāng)UO1=UOL時(shí)，UI2UIL（max)應(yīng)滿足,所以，下式應(yīng)滿足:,UOL+IILRUIL（max),（2）,此時(shí)，門間電流流向如圖，,UOL,UIL,IIL,根據(jù)（1）、（2）式可確定門間連接電阻R的數(shù)值。,通常，R1K。,四川理工學(xué)院電子教研室2009,TTL門電路中的與非門、或非門、與或非門、異或門、同或門等，,2-4-3.其它類型的TTL門電路,下面重點(diǎn)介紹TTLOC門和三態(tài)門,四川理工學(xué)院電子教研室2009,1.線與問題,在數(shù)字系統(tǒng)中，有些場(chǎng)合需要將門電路的輸出端并聯(lián)使用，即“線與”。,Y=0,2.OC門,解決上述問題的辦法：需要線與時(shí)，用OC門。,線與,電流大,損壞T4,導(dǎo)通,導(dǎo)通,截止,截止,1,0,IIL,1）結(jié)構(gòu),但推拉式輸出的門電路不能并聯(lián)。,例如，如圖所示情形時(shí),門電路會(huì)損壞。,一、OC門（集電極開路的門）,2）邏輯符號(hào),（以O(shè)C與非門為例）,四川理工學(xué)院電子教研室2009,3.OC門的使用,使用OC門時(shí)，應(yīng)外接上拉電阻RL和電源VCC。,4.線與輸出函數(shù)式,若電路如圖：,Y,RL,+VCC,則：,(與非與）,（與或非）,RL的大小應(yīng)根據(jù)公式計(jì)算，,通常在12K之間。,VCC的數(shù)值根據(jù)UOH的需要選定；,四川理工學(xué)院電子教研室2009,二、三態(tài)門（TS門）,1、三態(tài)門的組成及工作原理,EN端為“使能端”。,當(dāng)EN=1時(shí)：,同時(shí)，二極管D截止，對(duì)T2、T3也沒有影響，,原非門電路正常工作。,當(dāng)EN=0時(shí)：,同時(shí)，二極管D導(dǎo)通，T3基極為低電平，T3截止。,T3、T4均截止，非門電路輸出為高阻狀態(tài)。,T1輸入端被封鎖，UB1為低電平，T2、T4截止；,EN,EN,三態(tài)非門邏輯符號(hào),對(duì)T1沒有影響；,邏輯符號(hào),名稱,輸出表達(dá)式,2、常用三態(tài)門的圖形符號(hào)和輸出邏輯表達(dá)式,Y=,高阻（EN=0時(shí)）,Y=,Y=,高阻（EN=0時(shí)）,Y=,三態(tài)非門,（1控制有效）,三態(tài)非門,（0控制有效）,三態(tài)與非門,（1控制有效）,三態(tài)與非門,（0控制有效）,四川理工學(xué)院電子教研室2009,1）同一條線上分時(shí)傳送數(shù)據(jù)，其連線方式稱為“總線結(jié)構(gòu)”。,工作原理：（以三路輸入為例）,2）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,1,工作,傳輸結(jié)果,EN,G1G2,EN1EN2EN3,總線傳遞,Y1路數(shù)據(jù),Y2路數(shù)據(jù),Y3路數(shù)據(jù),001,010,100,0,總線,工作原理,高阻態(tài),工作,高阻態(tài),3、三態(tài)門的應(yīng)用,四川理工學(xué)院電子教研室2009,2-5CMOS門電路,基本電路用TP管和TN管構(gòu)成。,輸入脈沖幅度通常為VDD。,VA,0V,TPTN,UY,VDD,真值表,當(dāng)UI,VDD/2時(shí),=U0L0,當(dāng)UI,VDD/2時(shí),=U0HVDD,表達(dá)式,Y=A,U0,U0,其閾值電平VTH=VDD/2,0,VDD,VDD,截止,截止,導(dǎo)通,導(dǎo)通,0,TN,TP,+VDD,A,Y,VDD/2,VDD,VDD/2,VDD,2-5-1CMOS反向器的工作原理,一.電路結(jié)構(gòu),二.工作原理,三.電壓傳輸特性,四川理工學(xué)院電子教研室2009,由于CMOS反向器的柵極和襯底之間有SiO2絕緣層，所以CMOS反向器正常工作時(shí)，有II=IG=0成立。,但絕緣層非常薄，極易擊穿,所以，制作CMOS器件時(shí)，集成了“輸入保護(hù)電路”,以保護(hù)絕緣層不被擊穿。,輸入保護(hù)措施是有限度的，使用時(shí)還必須注意器件的正確使用方法。,2-5-2CMOS反向器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,一、輸入特性,四川理工學(xué)院電子教研室2009,由于UGS越大，TN管的導(dǎo)通電阻RON就越小，,1.低電平輸出特性,U0=U0L時(shí):,所以：在同樣的IOL值下，VDD越高，使TN管導(dǎo)通時(shí)的UGS就越大，其RON就越小，UOL也就越低。,+VDD,UIH,UOL,IOL,RL,IOL從負(fù)載電路注入TN管。,TN管導(dǎo)通，,TP管截止，,VDD=5V,10V,15V,二、輸出特性,四川理工學(xué)院電子教研室2009,2.高電平輸出特性,由于UGS越負(fù)，TP管的導(dǎo)通電阻RON就越小，,U0=U0H時(shí)：,所以：在同樣的IOH值下，VDD越高，使TP管導(dǎo)通時(shí)的UGS就越負(fù)，其RON就越小，VOH也就越高。,UIL,UOH,IOH,RL,IOH從TP管流向負(fù)載電路。,TP管導(dǎo)通，,TN管截止，,VDD,VDD=5V,10V,15V,四川理工學(xué)院電子教研室2009,CMOS門電路中的與或非門、異或門、同或門等,2-5-3其它類型的CMOS門電路,四川理工學(xué)院電子教研室2009,一、CMOS與非門（以二輸入為例）,1、組成,兩TP管在上，并聯(lián)；,兩TN管在下，串聯(lián)；,2、工作原理,只有當(dāng)AB同為1、使串聯(lián)的TN管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出才為0，其它情況輸出為1。,AB,00,01,10,11,T3PT1PT2NT4N,Y,B,A,功能特點(diǎn)：,3、輸出邏輯表達(dá)式,1,1,1,0,通,通,通,通,通,通,通,通,止,止,止,止,止,止,止,止,四川理工學(xué)院電子教研室2009,二、CMOS或非門（以二輸入為例）,3、輸出邏輯表達(dá)式：,Y=AB,1、組成,兩TP管在上，串聯(lián)；,兩TN管在下，并聯(lián)；,2、工作原理,只有當(dāng)AB同為0、使串聯(lián)的TP管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出才為1，其它情況輸出為0。,功能特點(diǎn)：,AB,00,01,10,11,T3PT1PT2NT4N,Y,B,A,通止通止,通通止止,止止通通,止通止通,1,0,0,0,=A+B,四川理工學(xué)院電子教研室2009,為了克服上述缺點(diǎn)，可在門電路的輸入、輸出端增設(shè)“緩沖器”。,CMOS門電路的優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,CMOS門電路的缺點(diǎn)：,1）輸出電阻RO的大小，受輸入端狀態(tài)的影響,2）輸出電平UOL、UOH，受輸入端數(shù)目的影響,緩沖器可由CMOS非門組成。,增加緩沖器后，電路的邏輯功能將改變：,&,1,Y=A+B,Y=AB,三.帶緩沖級(jí)的CMOS門電路,四川理工學(xué)院電子教研室2009,1.CMOS傳輸門（TG）,組成和邏輯符號(hào),如同TTLOC門，CMOSOD門，可用來實(shí)現(xiàn)“線與邏輯”。,工作時(shí)，要求UI在0VDD之間變化。,CMOS傳輸門是雙向輸入和輸出器件，兩端可以互易使用。,C,VI/VO,VO/VI,C,VI/VO,VO/VI,四.OD門（漏極開路的門電路）,五.CMOS傳輸門,T1、T2截止，傳輸門截止。,四川理工學(xué)院電子教研室2009,2.CMOS傳輸門應(yīng)用舉例,利用CMOS傳輸門和CMOS非門可以組成各種復(fù)雜的邏輯電路。,當(dāng)C=0時(shí)，SW截止；,CMOS雙向模擬開關(guān)的組成和符號(hào)：,CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)舉例見下頁,例如做模擬開關(guān)，用來傳輸模擬信號(hào)，這是一般的邏輯門無法實(shí)現(xiàn)的。,C,VI/VO,VO/VI,C,VI/VO,VO/VI,六.CMOS三態(tài)輸出門（TS門）,當(dāng)C=1時(shí)，SW導(dǎo)通。,四川理工學(xué)院電子教研室2009,例1、電路結(jié)構(gòu)見圖,工作原理,輸出邏輯表達(dá)式和圖形符號(hào)：,Y=,高阻,CMOS三態(tài)輸出門（TS門）舉例,00,10,11,T1PT1PT2NT2N,10高阻高阻,Y,EN,A,通止通止,止通止通,通通止止,通通止止,01,四川理工學(xué)院電子教研室2009,例2.電路結(jié)構(gòu)見圖,工作原理,00,10,11,B,1110,T1PT2NT2N,Y,高阻高阻01,EN,B,輸出邏輯表達(dá)式和圖形符號(hào)：,Y=,A,高阻,ENA,止止止通,通通通止,止止通通,（EN=1時(shí)）,（EN=0時(shí)）,01,四川理工學(xué)院電子教研室2009,例3.電路結(jié)構(gòu)見圖,工作原理,TG,Y,00,10,11,輸出邏輯表達(dá)式和圖形符號(hào)：,Y=,A（EN=0時(shí)）,高阻（EN=1時(shí)）,01,導(dǎo)通,截止,截止,導(dǎo)通,高阻,高阻,0,1,