數(shù)字電子技術(shù)-第二章

一、門電路實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和常用復(fù)合邏輯運(yùn)算的電子電路與或非與非或非異或與或非與門或門非門與非門或非門異或門與或非門概述二、邏輯變量與兩狀態(tài)開(kāi)關(guān)低電平高電平斷開(kāi)閉合高電平3V低電平0V二值邏輯:全部邏輯變量只有兩種取值(1或0)。數(shù)字電路:通過(guò)電子開(kāi)關(guān)

S的兩種狀態(tài)(開(kāi)或關(guān))獲得高、低電平，用來(lái)表示

1或

0。3V3V邏輯狀態(tài)1001S可由二極管、三極管或MOS管實(shí)現(xiàn)三、高、低電平與正、負(fù)邏輯負(fù)邏輯正邏輯0V5V2.4V0.8V高電平和低電平是兩個(gè)不同的可以截然區(qū)分開(kāi)來(lái)的電壓范圍。010V5V2.4V0.8V10四、分立元件門電路和集成門電路1.分立元件門電路用分立的元器件和導(dǎo)線連接起來(lái)構(gòu)成的門電路。2.集成門電路把構(gòu)成門電路的元器件和連線，都制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，再封裝起來(lái)。常用：CMOS和

TTL

集成門電路五、數(shù)字集成電路的集成度一塊芯片中含有等效邏輯門或元器件的個(gè)數(shù)小規(guī)模集成電路SSI(SmallScaleIntegration)<10門/片或<100元器件/片中規(guī)模集成電路MSI(MediumScaleIntegration)10~99門/片或100~999元器件/片大規(guī)模集成電路LSI

(LargeScaleIntegration)

100~9999門/片或1000~99999元器件/片超大規(guī)模集成電路VLSI

(VeryLargeScaleIntegration)>10000門/片或>100000元器件/片2.1.1志向開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性一、靜態(tài)特性1.斷開(kāi)2.閉合SAK2.1半導(dǎo)體二極管、三極管

和MOS管的開(kāi)關(guān)特性二、動(dòng)態(tài)特性1.開(kāi)通時(shí)間：2.關(guān)斷時(shí)間：閉合）（斷開(kāi)斷開(kāi)）（閉合一般開(kāi)關(guān)：靜態(tài)特性好，動(dòng)態(tài)特性差半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)：靜態(tài)特性較差，動(dòng)態(tài)特性好幾百萬(wàn)/秒幾千萬(wàn)/秒SAK2.1.2半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性一、靜態(tài)特性1.外加正向電壓(正偏)二極管導(dǎo)通(相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合)2.外加反向電壓(反偏)二極管截止(相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi))硅二極管伏安特性陰極A陽(yáng)極KPN結(jié)-AK+P區(qū)N區(qū)++++++++--------正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)0.50.7/mA/V0D+-+-二極管的開(kāi)關(guān)作用：[例]uO=0VuO=2.3V電路如圖所示，試判別二極管的工作狀態(tài)及輸出電壓。二極管截止二極管導(dǎo)通[解]D0.7V+-二、動(dòng)態(tài)特性1.二極管的電容效應(yīng)結(jié)電容C

j擴(kuò)散電容CD2.二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間電容效應(yīng)使二極管的通斷須要一段延遲時(shí)間才能完成tt00(反向復(fù)原時(shí)間)≤ton—開(kāi)通時(shí)間toff—關(guān)斷時(shí)間一、靜態(tài)特性NPN2.1.3半導(dǎo)體三極管的開(kāi)關(guān)特性放射結(jié)集電結(jié)發(fā)射極emitter基極base集電極collectorbiBiCec(電流限制型)1.結(jié)構(gòu)、符號(hào)和輸入、輸出特性(2)

符號(hào)NNP(Transistor)(1)

結(jié)構(gòu)(3)

輸入特性(4)輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAiB=0024684321放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)0uBE

/ViB

/μA放射結(jié)正偏放大i

C=

iB集電結(jié)反偏飽和

iC

＜

iB兩個(gè)結(jié)正偏I(xiàn)

CS=

IBS臨界截止iB≈0,iC≈0兩個(gè)結(jié)反偏電流關(guān)系狀態(tài)

條件半導(dǎo)體三極管的開(kāi)關(guān)作用＋－RbRc+VCCbce＋－飽和狀態(tài)等效電路iB≥IBSui=UIHuces=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V截止?fàn)顟B(tài)等效電路2.1.4MOS管的開(kāi)關(guān)特性(電壓限制型)MOS（Mental–Oxide–Semiconductor）

金屬

–

氧化物

–

半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管一、靜態(tài)特性1.結(jié)構(gòu)和特性：(1)N溝道柵極

G漏極

DB源極

S3V4V5VuGS=6ViD/mA42643210uGS/ViD/mA43210246810uDS/V可變電阻區(qū)恒流區(qū)UTNiD開(kāi)啟電壓UTN=2V+-uGS+-uDS襯底漏極特性轉(zhuǎn)移特性u(píng)DS=6V截止區(qū)2.MOS管的開(kāi)關(guān)作用：N溝道增加型MOS管+VDD+10VRD20kBGDSuIuO+VDD+10VRD20kGDSuIuO開(kāi)啟電壓UTN=2ViD+VDD+10VRD20kGDSuIuORONRDuYuAuBR0D2D1+VCC+10V2.2.1二極管與門和或門一、二極管與門3V0V符號(hào):與門（ANDgate)ABY&0V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3V真值表ABY000110110001Y=AB電壓關(guān)系表uA/VuB/VuY/VD1D200033033導(dǎo)通導(dǎo)通0.7導(dǎo)通截止0.7截止導(dǎo)通0.7導(dǎo)通導(dǎo)通3.72.2分立元器件門電路二、二極管或門uY/V3V0V符號(hào):或門（ANDgate)ABY≥10V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表ABY000110110111電壓關(guān)系表uA/VuB/VD1D200033033導(dǎo)通導(dǎo)通-0.7截止導(dǎo)通2.3導(dǎo)通截止2.3導(dǎo)通導(dǎo)通2.3Y=A+B一、半導(dǎo)體三極管非門T截止T導(dǎo)通2.2.2三極管非門（反相器）飽和導(dǎo)通條件:+VCC+5V1kRcRbT+-+-uIuO4.3kβ

=30iBiCT飽和因?yàn)樗噪妷宏P(guān)系表uI/VuO/V0550.3真值表0110AY符號(hào)函數(shù)式+VCC+5V1kRcRbT+-+-uIuO4.3kβ

=30iBiC三極管非門:AY1AY動(dòng)態(tài)特性5t00.9ICS0.1ICSt050.3t0二、MOS三極管非門MOS管截止2.MOS管導(dǎo)通（在可變電阻區(qū)）真值表0110AY+VDD+10VRD20kBGDSuIuO1.+-uGS+-uDS故+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP2.3.1CMOS反相器一、電路組成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0V<UTN<UTP截止導(dǎo)通10V10V>UTN>UTP導(dǎo)通截止0VUTN=2VUTP=-2V+10VRONPuY+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP2.3CMOS集成門電路Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor輸入端疼惜電路:C1、C2—柵極等效輸入電容(1)0<uA<VDD+uDF(2)uA

>VDD+uDF

D導(dǎo)通電壓：uDF

=0.5~0.7V(3)uA

<

-

uDF

二極管導(dǎo)通時(shí)，限制了電容兩端電壓的增加。疼惜網(wǎng)絡(luò)+VDDuYuATPD1C1C2RSTND2D3VSSD1、D2、D3截止D2、D3導(dǎo)通uG

=VDD+uDFD1導(dǎo)通uG=

-

uDF二、靜態(tài)特性1.電壓傳輸特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB段：uI<UTN，uO=VDD、iD0，功耗微小。0uO/VuI/VTN截止、TP導(dǎo)通，BC段：TN導(dǎo)通，uO略下降。CD段：TN、TP均導(dǎo)通。DE、EF段：與

BC、AB段對(duì)應(yīng)，TN、TP的狀態(tài)與之相反。轉(zhuǎn)折電壓指為規(guī)定值時(shí)，允許波動(dòng)的最大范圍。UNL：輸入為低電平常的噪聲容限。UNH：輸入為高電平常的噪聲容限。=0.3VDD噪聲容限：2.電流傳輸特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO/VuI/VABCDEF0iD/mAuI/VUTH電壓傳輸特性電流傳輸特性AB、EF段：

TN、TP總有一個(gè)為截止?fàn)顟B(tài)，故iD0。CD段：

TN、Tp均導(dǎo)通，流過(guò)兩管的漏極電流達(dá)到最大值iD=iD（max)

。閾值電壓：UTH=0.5VDD（VDD=3~18V）2.3.2CMOS與非門、或非門、與門和或門（略）2.3.4CMOS傳輸門、三態(tài)門和漏極開(kāi)路門一、CMOS傳輸門(雙向模擬開(kāi)關(guān))1.電路組成：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuTNCIO/uuOI/uuTG2.工作原理：TN、TP均導(dǎo)通，TN、TP均截止，導(dǎo)通電阻小(幾百歐姆)關(guān)斷電阻大(≥109)(TG門—TransmissionGate)二、CMOS三態(tài)門1.電路組成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN212.工作原理Y與上、下都斷開(kāi)

TP2、TN2均截止Y=Z(高阻態(tài)—非1非0)TP2、TN2均導(dǎo)通011010限制端低電平有效(1或0)3.邏輯符號(hào)YA1EN使能端EN

三、CMOS漏極開(kāi)路門(OD門

—

OpenDrain)1.電路組成BA&1+VDDYBGDSTNVSSRD外接YAB&符號(hào)(1)漏極開(kāi)路，工作時(shí)必需外接電源和電阻。2.主要特點(diǎn)(2)可以實(shí)現(xiàn)線與功能：輸出端用導(dǎo)線連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算。YCD&P1P2+VDDYRD(3)

可實(shí)現(xiàn)邏輯電平變換：(4)帶負(fù)載實(shí)力強(qiáng)。一、CC4000和C000系列集成電路1.CC4000系列：符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電源電壓為318V，功能和外部引線排列與對(duì)應(yīng)序號(hào)的國(guó)外產(chǎn)品相同。2.C000系列：早期集成電路，電源電壓為715V，外部引線排列依次與CC4000不同，用時(shí)需查閱有關(guān)手冊(cè)。傳輸延遲時(shí)間tpd標(biāo)準(zhǔn)門=100nsHCMOS=9nsHCMOS:54/74系列54/74HC(帶緩沖輸出)54/74HCU(不帶緩沖輸出)54/74HCT(與LSTTL兼容)二、高速CMOS(HCMOS)集成電路2.3.5CMOS電路運(yùn)用中應(yīng)留意的幾個(gè)問(wèn)題三、CMOS集成電路的主要特點(diǎn)(1)功耗極低。LSI：幾個(gè)μW，MSI：100μW(2)電源電壓范圍寬。CC4000系列：VDD=3~18V(3)抗干擾實(shí)力強(qiáng)。輸入端噪聲容限=0.3VDD~0.45VDD(4)邏輯擺幅大。(5)輸入阻抗極高。(6)扇出實(shí)力強(qiáng)。扇出系數(shù)：帶同類門電路的個(gè)數(shù)，其大小反映了門電路的帶負(fù)載實(shí)力。(7)集成度很高，溫度穩(wěn)定性好。(8)抗輻射實(shí)力強(qiáng)。(9)成本低。CC4000系列：≥50個(gè)≥四、CMOS電路運(yùn)用中應(yīng)留意的幾個(gè)問(wèn)題1.留意輸入端的靜電防護(hù)。2.留意輸入電路的過(guò)流疼惜。3.留意電源電壓極性。5.多余的輸入端不應(yīng)懸空。6.輸入端外接電阻的大小不會(huì)引起輸入電平的變更。與門

、

與非門

：接電源或

與其他輸入端并聯(lián)或門

、

或非門

：接地或

與其他輸入端并聯(lián)多余輸入端的處理思索緣由？4.輸出端不能和電源、地短接。因?yàn)檩斎胱杩箻O高（≥108）故輸入電流

0

，電阻上的壓降

0。（Transistor—TransistorLogic）一、電路組成及工作原理+VCC(5V)R1uIuo4kAD1T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)D1—疼惜二極管防止輸入電壓過(guò)低。當(dāng)uI<-0.5~-0.7V時(shí)，D1導(dǎo)通，uI被鉗制在-0.5~-0.7V，不行能接著下降。1.電路組成因?yàn)镈1只起疼惜作用，不參與邏輯推斷，為了便于分析，今后在有些電路中將省去。2.4.1TTL反相器2.4TTL集成門電路2.工作原理+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y0VT1的基極電壓無(wú)法使T2和T4的放射結(jié)導(dǎo)通T1深度飽和T2、T4截止，iC1=0RL拉電流負(fù)載T3、D

導(dǎo)通0V3.6V0V0.7V0ViC15V因?yàn)樗詣t+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y假設(shè)T1導(dǎo)通則T1的集電結(jié)和T2、T4的放射結(jié)(3個(gè)PN結(jié))導(dǎo)通ebcT1正常放大時(shí):放射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，即uC>uB>uE現(xiàn)在:uE>uB>uC，即放射結(jié)反偏集電結(jié)正偏T1倒置放大iii

=βiib

=(1+βi)ib4.3Vce3.6V1.4V0.7V2.1V1.4V+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130YT1倒置放大狀態(tài)假設(shè)T2飽和導(dǎo)通T3、D均截止(設(shè)β1~β4=20)T2飽和的假設(shè)成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思索：D的作用？若無(wú)D，此時(shí)T3可以導(dǎo)通，電路將不能實(shí)現(xiàn)正常的邏輯運(yùn)算因?yàn)?.6ViE1+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130YT1倒置放大狀態(tài)T2飽和，T3、D均截止3.62.11.40.7

1T4的工作狀態(tài)：導(dǎo)通放大還是飽和？iB2ICS2iB1iE1iE2iB4iR3又因?yàn)?/p>

T3、D均截止，即

T4

深度飽和：uO=UCES4≤0.3V（無(wú)外接負(fù)載）若外接負(fù)載RL

：RL+VCC0.3所以灌電流負(fù)載輸入短路電流IIS二、靜態(tài)特性1.輸入特性(1)

輸入伏安特性：1iI+VCC+5VuI+-uoT1iIuI+-be2be4+VCC+5VR14kIV/uImA/i012-1ISIILIUILUIHIHI低電平輸入電流IIL

高電平輸入電流或輸入端漏電流IIH即：當(dāng)Ri

為2.5k以上電阻時(shí)，輸入由低電平變?yōu)楦唠娖?2)

輸入端負(fù)載特性：1+VCC+5VuI+-uoRiT1iB1uI+-be2be4+VCC+5VR14kRiRi/026412uI/VT2、T4飽和導(dǎo)通Ri=Ron

—開(kāi)門電阻（2.5k?）RonT2、T4截止Ri=

Roff—關(guān)門電阻（<0.7k）即：當(dāng)

Ri

為0.7k

以下電阻時(shí),輸入端相當(dāng)于低電平。Roff0.7V1.4V2.輸出特性u(píng)O1+VCC+5VuI+-+-iOuO/ViO/mA0102030-10-20-30123在輸出為低電平條件下，帶灌電流負(fù)載實(shí)力IOL可達(dá)16mA0.3V受功耗限制，帶拉電流負(fù)載實(shí)力IOH可一般為-400A3.6V

留意：輸出短路電流IOS可達(dá)-33mA，將造成器件過(guò)熱燒毀，故門電路輸出端不能接地?。?！3.電壓傳輸特性：1+VCC+5VuI+-uO+-AB0uO/VuI/V12341234AB段：uI<0.5V

，uB1<1.3V

，T2、T4截止，T3、D導(dǎo)通。截止區(qū)3.6VBC段：T2起先導(dǎo)通(放大區(qū))，T4仍截止。C線性區(qū)D轉(zhuǎn)折區(qū)E飽和區(qū)0.3VCD段：反相器的閾值電壓(或門檻電壓)DE段：uI>1.4V

，T2、T4飽和導(dǎo)通，T3、D截止。uO=UOL≤0.3V閾值電壓4.輸入端噪聲容限uIuO1G1G21輸出高電平典型值=3.6V輸出低電平典型值=0.3V輸入高電平典型值=3.6V輸入低電平典型值=0.3VUNH

—允許疊加的負(fù)向噪聲電壓的最大值G2輸入高電平常的噪聲容限：UNL

—允許疊加的正向噪聲電壓的最大值G2輸入低電平常的噪聲容限：開(kāi)門電平關(guān)門電平三、動(dòng)態(tài)特性傳輸延遲時(shí)間1uIuO50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL

—輸出電壓由高到低時(shí)的傳輸延遲時(shí)間。tpd—平均傳輸延遲時(shí)間tPLH

—輸出電壓由低到高時(shí)的傳輸延遲時(shí)間。tPHLtPLH典型值：tPHL=8ns,tPLH=12ns最大值：tPHL=15ns,tPLH=22ns2.4.2TTL與非門和其他邏輯門電路（略）一、集電極開(kāi)路門—OC門(OpenCollectorGate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B

1.電路組成及符號(hào)+VCCRC外接YAB&+VCCRCOC門必需外接負(fù)載電阻和電源才能正常工作?？梢跃€與連接VCC依據(jù)電路須要進(jìn)行選擇

2.OC門的主要特點(diǎn)2.4.3TTL集電極開(kāi)路門和三態(tài)門線與連接舉例：+VCCAT1T2T4Y1B+VCCCT1T2T4Y2D+VCCRC+VCCRCY1AB&G1Y2CD&G2線與YY二、輸出三態(tài)門–TSL門(Three-StateLogic)(1)使能端低電平有效1.電路組成+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3使能端(2)使能端高電平有效1ENYA&BENYA&BENEN以使能端低電平有效為例：2.三態(tài)門的工作原理PQP=1（高電平）電路處于正常工作狀態(tài)：

D3

截止，（Y=0或1）+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3使能端P=0(低電平)D3

導(dǎo)通

T2

、T4截止uQ≤1VT3、D截止輸出端與上、下均斷開(kāi)+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3可能輸出狀態(tài)：0、1或高阻態(tài)QP—高阻態(tài)記做

Y=Z使能端3.應(yīng)用舉例：(1)用做多路開(kāi)關(guān)YA11EN1ENA21G1G2使能端10禁止使能01使能禁止(2)用于信號(hào)雙向傳輸A11EN1ENA21G1G201禁止使能10使能禁止(3)構(gòu)成數(shù)據(jù)總線EN1EN1EN1…G1G2GnA1A2An數(shù)據(jù)總線011…101…110…留意：任何時(shí)刻，只允許一個(gè)三態(tài)門使能，其余為高阻態(tài)。一、半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管是數(shù)字電路中的基本開(kāi)關(guān)元件，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。1.半導(dǎo)體二極管：是不行控的，利用其開(kāi)關(guān)特性可構(gòu)成二極管與門和或門。2.半導(dǎo)體三極管：是一種用電流限制且具有放大特性的開(kāi)關(guān)元件，利用三極管的飽和