數(shù) 字 電 子 技 術(shù) 基 礎(chǔ)信息科學(xué)與工程學(xué)院基礎(chǔ)電子教研室 第 二 章 門 電 路內(nèi) 容 提 要 本 章 介 紹 數(shù) 字 電 路 的 基 本 邏 輯 單 元 門電 路 。 首 先 復(fù) 習(xí) 二 極 管 、 三 極 管 的 工 作 特 性 ，然 后 講 述 由 三 極 管 構(gòu) 成 的 TTL電 路 的 工 作 原理 ， 重 點 介 紹 TTL電 路 電 氣 特 性 ， 即 輸 入 特性 和 輸 出 特 性 ， 為 以 后 應(yīng) 用 這 些 器 件 打 下 基礎(chǔ) ， 最 后 簡 單 介 紹 了 CMOS門 電 路 。 第 二 章 門 電 路 2.1 概 述 2.3 最 簡 單 的 與 、 或 、 非 門 電 路 2.4 TTL門 電 路 2.5 CMOS門 電 路 2.1 概 述 1. 門 電 路 是 用 以 實 現(xiàn) 邏 輯 關(guān) 系 的 電子 電 路 ， 與 我 們 所 講 過 的 基 本 邏 輯 關(guān) 系相 對 應(yīng) ， 門 電 路 主 要 有 ： 與 門 、 或 門 、與 非 門 、 或 非 門 、 異 或 門 等 。 2. 分 類按 工 藝 ： 雙 極 型 TTL、 MOS型 CMOS按 邏 輯 功 能 ： 與 、 或 、 非 、 與 非 等按 輸 出 結(jié) 構(gòu) ： 推 拉 式 、 OC門按 集 成 度 小 規(guī) 模 集 成 電 路 SSI中 規(guī) 模 集 成 電 路 MSI大 規(guī) 模 集 成 電 路 LSI超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 VLSI 小 規(guī) 模 集 成 電 路 (SSI-Small Scale Integration)， 每 片 組 件內(nèi) 包 含 10100個 元 件 (或 1020個 等 效 門 )。 中 規(guī) 模 集 成 電 路 (MSI-Medium Scale Integration)， 每 片 組件 內(nèi) 含 1001000個 元 件 (或 20100個 等 效 門 )。 大 規(guī) 模 集 成 電 路 (LSI-Large Scale Integration)， 每 片 組件 內(nèi) 含 1000100 000個 元 件 (或 1001000個 等 效 門 )。 超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 (VLSI-Very Large Scale Integration)， 每 片 組 件 內(nèi) 含 100 000個 元 件 (或 1000個 以 上 等 效 門 )。 10 vi voKVccR 只 要 能 判 斷 高低 電 平 即 可K開 -vo=1, 輸 出 高 電 平K合 -vo=0, 輸 出 低 電 平可 用 三 極管 代 替3. 高 、 低 電 平 的 獲 取 方 法在 數(shù) 字 電 路 中 ， 一 般 用 高 電 平 代 表 1、 低電 平 代 表 0， 即 所 謂 的 正 邏 輯 系 統(tǒng) 。 2.3 最 簡 單 的 與 、 或 、 非 門 電 路 YA BVIL VILVIL V ILVIHVIHVIH VIH設(shè) ： VIL =0V , VIH =3V VD =0.7V 3.7V0.7V0.7V0.7VFD1D2AB VCC Y2.3.1 二 極 管 與 門 YA BVIL VILVIL VILVIHVIHVIH VIH 3.7V0.7V0.7V0.7V YA B0 00 0111 1 1000二 極 管 與 門 AB Y& 二 極 管 或 門2.3.2 二 極 管 或 門YD1D2AB YA BVIL VILVIL VILVIHVIHVIH VIH 0V2.3V2.3V2.3VAB Y1設(shè) ： VIL =0V , VIH =3V VD =0.7V 2.3.3 三 極 管 非 門 -VEE VCC +-R1 RCICIB VOVi+- R2例 ： =30， VCC = VEE =12V， VCES=0.3V， R1 =5.1k， RC =2k, R2 =20k， 當(dāng) Vi = 0、 5V、懸 空 時 ， 晶 體 管 的 靜 態(tài) 工作 狀 態(tài) 及 Vo的 值 ？分 析 ： Vi EE21 1i21 2i VRR RvRR Rv 由 疊 加 定 理 或 戴 維 南 等 效 定 理 可 知 例 ： =30， VCC = VEE =12V， VCES=0.3V， R1 =5.1k， RC =2k, R2 =20k， 當(dāng) Vi = 0、 5V、懸 空 時 ， 晶 體 管 的 靜 態(tài) 工作 狀 態(tài) 及 Vo的 值 ？分 析 ： 0.7VV 4.2 21 121 2 EEii VRR RVRR RV 當(dāng) Vi =0時 ：Q位 于 截 止 區(qū) ， Vo=12V -VEE Vi VCC +-R1 RCICIB VOVi+- R2 2.3.3 三 極 管 非 門例 ： =30， VCC = VEE =12V， VCES=0.3V， R1 =5.1k， RC =2k, R2 =20k， 當(dāng) Vi = 0、 5V、懸 空 時 ， 晶 體 管 的 靜 態(tài) 工作 狀 態(tài) 及 Vo的 值 ？分 析 ： 0.7VV 6.1 21 121 2 EEii VRR RVRR RV 當(dāng) Vi =5V時 ： 由 于 發(fā) 射 結(jié) 的 鉗 位 ， 故 ： Vi=0.7V由 ： IB=(Vi-0.7)/R1-(VEE+0.7)/R2得 ： IB=0.33mA而 ： ICS=(VCC- VCES)/RC = 4.85mA IBS= ICS/ = 0.16mA I B IBS 三 極 管 飽 和Q位 于 飽 和 區(qū) ， Vo= VCES =0.3V -VEEVi VCC +-R1 RCICIB VOVi+- R2 2.3.3 三 極 管 非 門 -VEE ICIBR1 RCVCC VOVi+ +- -R2例 ： =30， VCC = VEE =12V， VCES=0.3V， R1 =5.1k， RC =2k, R2 =20k， 當(dāng) Vi = 0、 5V、懸 空 時 ， 晶 體 管 的 靜 態(tài) 工作 狀 態(tài) 及 Vo的 值 ？分 析 ： Vi 0.7VV 10 EEi VV當(dāng) Vi 懸 空 時 ：Q位 于 截 止 區(qū) ， Vo=12V 1. 體 積 大 、 工 作 不 可 靠 。2. 需 要 不 同 電 源 。3. 各 種 門 的 輸 入 、 輸 出 電 平 不 匹 配 。分 立 元 件 門 電 路 的 缺 點4. 帶 負 載 能 力 差 。 作 業(yè) ：P125 思 考 題 和 習(xí) 題2.1題 中 的 （ a） 小 題 2.1 概 述 1. 門 電 路 是 用 以 實 現(xiàn) 邏 輯 關(guān) 系 的 電 子 電 路 ，與 我 們 所 講 過 的 基 本 邏 輯 關(guān) 系 相 對 應(yīng) ， 門 電 路主 要 有 ： 與 門 、 或 門 、 與 非 門 、 或 非 門 、 異 或門 等 。 【 】內(nèi) 容回 顧 2. 分 類按 工 藝 ： 雙 極 型 TTL、 MOS型 CMOS按 邏 輯 功 能 ： 與 、 或 、 非 、 與 非 等按 輸 出 結(jié) 構(gòu) ： 推 拉 式 、 OC門按 集 成 度 小 規(guī) 模 集 成 電 路 SSI中 規(guī) 模 集 成 電 路 MSI大 規(guī) 模 集 成 電 路 LSI超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 VLSI【 】內(nèi) 容回 顧 vi voKVccR 只 要 能 判斷 高 低 電平 即 可K開 -vo=1, 輸 出 高 電 平K合 -vo=0, 輸 出 低 電 平可 用 三 極 管代 替3. 高 、 低 電 平 的 獲 取 方 法在 數(shù) 字 電 路 中 ， 一 般 用 高 電 平 代 表 1、 低電 平 代 表 0， 即 所 謂 的 正 邏 輯 系 統(tǒng) ?！?】內(nèi) 容回 顧 2.2.2 二 極 管 與 門 FD1D2AB VCC Y 【 】內(nèi) 容回 顧 YA B0 00 0111 1 1000二 極 管 與 門 AB Y& 二 極 管 或 門2.2.2 二 極 管 或 門YD1D2AB AB Y1【 】內(nèi) 容回 顧YA B0 00 0111 1 1011 ICIBRB RCVCC VOVi+ +- -三 極 管 工 作 狀 態(tài)判 斷 方 法 ：(1) 判 斷 UBE(2) 計 算 ICS 和 IBS (3) 計 算 IB(4) 判 斷 IB 是 否 大 于 IBS , 若 大 于 則 三 極 管 工 作 于 飽 和 狀態(tài) ， 反 之 ， 則 工 作 于 放 大 狀 態(tài) 。 【 】內(nèi) 容回 顧 2.3 三 極 管 及 其 構(gòu) 成 的 非 門 電 路 三 極 管 截 止 時 相 當(dāng) 于 開 關(guān) 斷 開 ， 在 開 關(guān) 電 路的 輸 出 端 給 出 高 電 平 ； 三 極 管 飽 和 導(dǎo) 通 時 相 當(dāng) 于 開 關(guān) 接 通 ， 在 開 關(guān) 電路 的 輸 出 端 給 出 低 電 平 。三 極 管 的 開 關(guān) 等 效 電 路 【 】內(nèi) 容回 顧 2.3.3 三 極 管 非 門 -V EE ICIBR1 RC VCC UOUi+ +- -R2Ui三 極 管 位 于 截 止 區(qū) ，Uo=12V， Uo為 高 電 平 。當(dāng) Ui =0時 ： （ 為 低 電 平 時 ）當(dāng) Ui =5V時 ： （ 為 高 電 平 時 ）三 極 管 位 于 飽 和 區(qū) ，Uo= UCES =0.3V ，Uo為 低 電 平 。 【 】內(nèi) 容回 顧 2.4.1 TTL非 門 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理與 分 立 元 件 電 路 相 比 ， 集 成 電 路 具有 體 積 小 、 可 靠 性 高 、 速 度 快 的 特 點 ，而 且 輸 入 、 輸 出 電 平 匹 配 ， 所 以 早 已 廣泛 采 用 。 根 據(jù) 電 路 內(nèi) 部 的 結(jié) 構(gòu) ， 可 分 為TTL、 MOS管 集 成 門 電 路 等 。 2.4 TTL集 成 門 電 路 一 、 TTL非 門 的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu)輸 入 級 倒 相 級 輸 出 級A VCCYR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D2b1c1 1. 輸 入 為 低 電 平 （ 0.3V） 時0.3V 1V不 足 以 讓T2、 T5導(dǎo) 通 三 個 PN結(jié)導(dǎo) 通 需 2.1VA VCCYR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D2b1c1 VCC 5V 1. 輸 入 為 低 電 平 （ 0.3V） 時uo=5-uR2-ube4-uD23.4V高 電 平 ！ u oA0.3V 1V YR4R2R1 T4T1 VCCD2b1c1 VCC 5VAY 2. 輸 入 為 高 電 平 （ 3.4V） 時全 導(dǎo) 通電 位 被 嵌在 4.1V倒 置 1V 截 止A VCCYR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D2b1c13.4V2. 1.4V 0.7V VCC 5V飽 和 2. 輸 入 為 高 電 平 （ 3.4V） 時全 導(dǎo) 通反 偏A VCCR2R1 T2R 3T1 T5 D1 b1c13.4V 飽 和uo0.3V低 電 平 ！ 5VAY VCCR1b1c1 TTL非 門 的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu)A VCCYR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D2b1c1 圖騰柱輸出拉 電 流灌 電 流VCC 5V 一 、 電 壓 傳 輸 特 性2.4.2 TTL非 門 的 主 要 特 性測 試 電 路 1 +5Vui u0 (3.4V) u0(V) ui(V)1 2 3UOHUOL(0.3V)傳 輸 特 性 曲 線輸 出 高 電 平 輸 出 低 電 平閾 值 電 壓UTH=1.4V截 止 區(qū) 飽 和 區(qū)轉(zhuǎn) 折 區(qū)線 性 區(qū) 噪 聲 容 限vo viVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)1 1 噪 聲 容 限vo viVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)V NH =VOH(min) VIH(min)VNL =VIL(max) VOL(max) 2.4.2 TTL非 門 的 靜 態(tài) 輸 入 特 性 和 輸 出 特 性一 、 輸 入 特 性 A VCCYR4R2R1 T2R3 T4T1 T5 D1 D2b1c1vIL iIL 1.4V-1mAiI (mA) vi (V)0vIH iIH 40A一 、 輸 入 特 性 倒 置 狀 態(tài) 二 、 輸 出 特 性A VCCYR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D2b1c1 i L (mA)vO (V)0 iL 400AiL 10mA TTL非 門 的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu)A VCCYR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D2b1c1 A VCCYR4 R1T4 T1 D2 b1c1R2 VCC前 級 輸 出 為 高 電 平 時前 級 后 級 1 11 N1IIHIIHIIHIOH顯 然 ： N1 IIH IOH N 1 IOH /IIH N1 400A/40A=10 前 級 輸 出 為 低 電 平 時前 級 后 級R1T1+5V+5VR2T2R 3 T5 1 11 N2IILIILIILIOL顯 然 ： N2 IIL IOL N 2 IOL /IIL N210mA/1mA=10 一 般 TTL門 的 扇 出 系 數(shù) 為 10。由 于 IOL、 IOH的 限 制 ， 每 個 門 電 路 輸 出端 所 帶 門 電 路 的 個 數(shù) ， 稱 為 扇 出 系 數(shù) 。注 意 ： 當(dāng) 前 級 輸 出 高 、 低 電 平 時 如果 N1 和 N2不 相 等 ， 則 較 小 者 為 扇 出系 數(shù) 。 輸 入 端“ 1”,“0”？三 、 輸 入 端 負 載 特 性A VCCYR4R2R1 T2R3 T4T1 T5 D1 D2b1c1uiRP 簡 化 電 路RP較 小 時 當(dāng) R PR1時 , ui RP)(1 onP Pi VVccRR Ru RP ui0VCCRPuiA R1T1 be2be5 簡 化 電 路RPuiA VCCR1T1 be2be5RP增 大 時 1.4V RPui0Ru iuiUT （ 1.4V） 時 ， 輸 入 變 為 高 電 平 ， 由 于 uBE1的 鉗 位 作 用 ， ui 動 態(tài) 固 定 為 1.4V 。 對 TTL電 路 而 言 ， 當(dāng) 輸 入 端 對 地電 阻 RP0.7k時 ， 認 為 ui為 低 電平 ， 稱 為 關(guān) 門 電 阻 ROFF。對 TTL電 路 而 言 ， 當(dāng) 輸 入 端 對 地電 阻 RP 1.5k時 ， 認 為 ui為 高 電平 ， 稱 為 開 門 電 阻 RON。 2.4.3 其 他 類 型 TTL門 電 路一 、 TTL與 非 門A VCCYR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D3b1c1BD2 ？ AB端 懸 空AB端 接 不 同 電 阻扇 出 系 數(shù) 的 計 算 相 當(dāng) 接 高 電 平與 電 阻 值 有 關(guān) FD1D2AB VCC Y & & N1顯 然 ： N1 2IIH IOH N 1 IOH /2IIH 前級輸出為高電平時 IIHIIH IIHIOH IIHIIH N2顯 然 ： N2 IIL IOL N2 IOL /IIL 前級輸出為低電平時 IILIILIOL IIL 與 非 門 扇 出 系 數(shù) 的 計 算前 級 輸 出 為 高 電 平 時 ， N1決 定 于 輸 入 端的 個 數(shù) ； 前 級 輸 出 為 低 電 平 時 ， N2決 定于 門 的 個 數(shù) 。 取 較 小 者 為 扇 出 系 數(shù) 。 二 、 TTL或 非 門 當(dāng) A 1， B=0時 ， T2和 T5導(dǎo) 通 ， T 2 、 T4 截 止 ， Y 0。 當(dāng) B 1， A=0時 ， T 2 和 T5 導(dǎo)通 ， T2、 T4 截 止 ，Y 0。 只 有 A B 0， T2 和 T 2同 時 截 止 ， T 4導(dǎo) 通 ， Y 1。BAY 或 非 門 扇 出 系 數(shù) 的 計 算前 級 無 論 輸 出 為 高 低 電 平 ， N都 決 定于 輸 入 端 的 個 數(shù) 。 2.4.1 TTL非 門 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 2.4 TTL集 成 門 電 路【 】內(nèi) 容回 顧 一 、 TTL非 門 的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu)輸 入 級 倒 相 級 輸 出 級A YR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D2b1c1 【 】內(nèi) 容回 顧VCC 1. 輸 入 為 低 電 平 （ 0.3V） 時uo=5-uR2-ube4-uD23.4V高 電 平 ！ u oA0.3V 1V YR4R2R1 T4T1 VCCD2b1c1 VCC 5VAY 2. 輸 入 為 高 電 平 （ 3.4V） 時全 導(dǎo) 通反 偏A VCCR2R1 T2R 3T1 T5 D1 b1c13.4V 飽 和uo0.3V低 電 平 ！ 5VAY VCCR1b1c1 TTL非 門 的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu)A VCCYR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D2b1c1 圖騰柱輸出拉 電 流灌 電 流VCC 5V 一 、 電 壓 傳 輸 特 性2.4.2 TTL非 門 的 主 要 特 性 【 】內(nèi) 容回 顧(3.4V) u0(V) u i(V)1 2 3UOHUOL(0.3V)傳 輸 特 性 曲 線輸 出 高 電 平 輸 出 低 電 平閾 值 電 壓UTH=1.4V截 止 區(qū) 飽 和 區(qū)轉(zhuǎn) 折 區(qū)線 性 區(qū) 2.4.2 TTL非 門 的 靜 態(tài) 輸 入 特 性 和 輸 出 特 性一 、 輸 入 特 性 【 】內(nèi) 容回 顧A VCCYR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D2b1c1vIL iIL 1.4V-1mAiI (mA) vi (V)0vIH iIH 40A倒 置 狀 態(tài) 二 、 輸 出 特 性A VCCYR4R2R1 T2R 3 T4T1 T5 D1 D2b1c1 i L (mA)vO (V)0 iL 400AiL UGS(th) N UGS(th) P UGS(th) N 0 UGS(th) P 0 UGS(th) P UGS(th) N UGS(th) P vO V v I VDDVDD21 VDD21 DD0 CMOS反 相 器 電 壓 傳 輸 特 性 曲 線UGS2 UGS(th)N ，|UGS1 | | UGS(th)P |T1導(dǎo) 通 ， T2導(dǎo) 通UGS2 UGS(th)N, |UGS1| |UGS(th)P| T1導(dǎo) 通 ， T2截 止UGS2 UGS(th)N, |UGS1|0.4V（ TTL） 。6. 輸 出 電 平 擺 幅 （ VOL 和 VOH 的 差 ） 大 ， 電 源 利 用 率 高 。7. 集 成 度 高 ， 工 作 頻 率 范 圍 寬 。 2.6.3 CMOS電 路 的 優(yōu) 點8. 溫 度 穩(wěn) 定 性 好 可 達 -40+85 ， 接 近 于 TTL 中 54 軍 品 系 列 （ -55+125 ） 。9. 內(nèi) 部 有 較 完 善 的 保 護 電 路 。 1. 焊 接 時 ， 電 烙 鐵 外 殼 應(yīng) 接 地 。2. 器 件 插 入 或 拔 出 插 座 時 ， 所 有 電 壓 均 需 除去 。3. 不 用 的 輸 入 端 應(yīng) 根 據(jù) 邏 輯 要 求 或 接 電 源 UDD(與 非 門 ) ， 或 接 地 (或 非 門 ) ， 或 與 其 它輸 入 端 連 接 。4. 注 意 與 TTL 電 路 連 接 時 的 匹 配 問 題 。2.6.4 CMOS電 路 使 用 注 意 事 項 作 業(yè) ：P123 自 我 檢 測 題（ 四 ） 題P129 頁 題 2.18 本 章 小 結(jié)基 本 要 求 ：1. 理 解 二 極 管 構(gòu) 成 的 與 、 或 門 工 作 原理 ；2. 理 解 三 極 管 構(gòu) 成 的 非 門 工 作 原 理 ；3. 了 解 TTL非 門 的 工 作 原 理 ；4. 掌 握 TTL的 外 特 性 ；5. 掌 握 扇 出 系 數(shù) 的 計 算 方 法5. 掌 握 OC門 上 拉 電 阻 的 計 算 方 法 。 第 二 章 門 電 路內(nèi) 容 提 要 本 章 介 紹 數(shù) 字 電 路 的 基 本 邏 輯 單 元 門電 路 。 首 先 復(fù) 習(xí) 二 極 管 、 三 極 管 的 工 作 特 性 ，然 后 講 述 由 三 極 管 構(gòu) 成 的 TTL電 路 的 工 作 原理 ， 重 點 介 紹 TTL電 路 電 氣 特 性 ， 即 輸 入 特性 和 輸 出 特 性 ， 為 以 后 應(yīng) 用 這 些 器 件 打 下 基礎(chǔ) ， 最 后 簡 單 介 紹 了 CMOS門 電 路 。