數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).ppt

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ),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(diǎn)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(shí)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)。,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,設(shè)：VIL =0V , VIH =3V VD =0.7V,3.7V,0.7V,0.7V,0.7V,2.3.1 二極管與門,二極管與門,二極管或門,2.3.2 二極管或門,0V,2.3V,2.3V,2.3V,設(shè)：VIL =0V , VIH =3V VD =0.7V,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：,Vi,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：,當(dāng)Vi =0時：,Q位于截止區(qū)，Vo=12V,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：,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 IB IBS 三極管飽和,Q位于飽和區(qū)，Vo= VCES =0.3V,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：,Vi,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(diǎn),4. 帶負(fù)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(shí)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,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)。,2.2.2 二極管與門,二極管與門,二極管或門,2.2.2 二極管或門,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)。, 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,2.3.3 三極管非門,Ui,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。,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(diǎn)，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,1. 輸入為低電平（0.3V）時,1V,不足以讓 T2、T5導(dǎo)通,VCC5V,1. 輸入為低電平（0.3V）時,uo=5-uR2-ube4-uD23.4V 高電平！,A,VCC5V,2. 輸入為高電平（3.4V）時,電位被嵌 在4.1V,倒置,1V,2.1V,1.4V,0.7V,VCC5V,2. 輸入為高電平（3.4V）時,uo0.3V 低電平！,5V,TTL非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖 騰 柱 輸 出,拉電流,灌電流,VCC5V,一、電壓傳輸特性,2.4.2 TTL非門的主要特性,測試電路,1,+5V,(3.4V),(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,噪聲容限,VNH =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,iIL,1.4V,-1mA,iIH,40A,一、 輸入特性,倒置狀態(tài),二、輸出特性,iL 400A,iL 10mA,TTL非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu),A,VCC,Y,R4,R1,T4,T1,D2,b1,c1,R2,VCC,前級輸出為 高電平時,前級,后級,N1,顯然： N1IIH IOH N1 IOH /IIH N1 400A/40A=10,前級輸出為 低電平時,前級,后級,N2,顯然： N2IIL IOL N2 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(fù)載特性,簡化電路,RP較小時,當(dāng)RPR1時, ui RP,簡化電路,RP增大時,1.4V,RuiuiUT （1.4V）時，輸入變?yōu)楦唠娖剑?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(rèn)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(rèn)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,AB端懸空,AB端接不同電阻,扇出系數(shù)的計算,N1,顯然： N12IIH IOH N1 IOH /2IIH,前級輸出為高電平時,N2,顯然： N2IIL IOL N2 IOL /IIL,前級輸出為低電平時,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)A1，B=0時， T2和T5導(dǎo)通， T 2 、T4 截止， Y0。 當(dāng)B1，A=0時， T 2 和T5 導(dǎo)通， T2、T4 截止，Y0。 只有AB0， T2 和T 2同時截止， T4導(dǎo)通， Y1。,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,一、TTL非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu),輸入級,倒相級,輸出級,VCC,1. 輸入為低電平（0.3V）時,uo=5-uR2-ube4-uD23.4V 高電平！,A,VCC5V,2. 輸入為高電平（3.4V）時