《数字电子技术教学课件作者吴雪琴第3章逻辑门电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子技术教学课件作者吴雪琴第3章逻辑门电路（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章 逻辑门电路,本章主要内容,3.1.1逻辑门电路概述 3.1.2半导体的开关特性 3.2.1 逻辑关系 3.2.2 与门、或门和非门电路 3.2.3其它门电路 3.3.1 TTL与非门的工作原理 3.3.2 TTL与非门的特性和参数 3.3.3 TTL门电路应用中的注意事项 3.4.1 常见CMOS门电路 3.4.2 CMOS集成电路使用注意事项 任务训练熟悉Multisim仿真软件的使用,3.1.1逻辑门电路概述,一、数字电路的分类 二、高、低电平与正、负逻辑,3.1.1逻辑门电路概述,1数字电路按组成的结构可分为分立元件电路和集成电路两大类。 2按电路所用器件的不同，数字电路又可分为
2、双极型和单极型电路。其中双极型电路有DTL、TTL、ECL、IIL、HTL等多种，单极型电路有JFET、NMOS、PMOS、CMOS四种。 3根据电路逻辑功能的不同，又可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。,3.1.1逻辑门电路概述,1、高电平和低电平：高电平和低电平是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。如图3-1所示，2.45V范围内的电压，都称为高电平，用UH表示。00.8V范围内的电压，都称为低电平，用UL表示。 2、正逻辑和负逻辑：用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑。用1表示低电平，用0表示高电平，称为负逻辑。,图3-1,3.1.2半导体的开关特性,一、二极管的
3、的开关特性 二、二极管开关参数 三、三极管的的开关特性 四、三极管的的开关参数 五、MOS管开关特性 六、MOS管主要开关参数,3.1.2半导体的开关特性,当二极管加上正向电压时，二极管导通，相当于开关接通；当二极管加上反向电压时，二极管截止。 二极管的开关特性有静态开关特性和动态开关特性之分。 理想开关的静态特性：断开时，其等效电阻ROFF，通过其中的电流Ioff0；闭合时，其等效电阻Ron0，其两端电压UD0；。 理想开关的动态特性：开通时间ton0，关断时间toff0。 实际使用中，要注意两个问题:一是反向恢复时间。二是正向导通压降。,3.1.2半导体的开关特性,二极管主要开关参数如下：
4、 1最大平均电流 最大平均电流是指管子长期使用时允许通过的最大正向平均电流。使用时注意二极管的电流不能大于这个数值，否则二极管过热而损坏。 2最高反向工作电压 最高反向工作电压是指二极管反向工作电压的最大允许值。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全工作。 3反向饱和电流 反向饱和电流指最大反向工作电压下的反向电流值。反向饱和电流越小，单向导电性越好。 4反向恢复时间 反向恢复时间在一定负载条件下，二极管从正向电流变化到定值的晾反向电流时所需要的时间。,3.1.2半导体的开关特性,三、三极管的的开关特性 晶体三极管有三 个工作区：放大区，截止区和饱和区。在数字电路中
5、，三极管工作在截止区或饱和区，起开关作用。 晶体三极管的开关特性分为静态开关特性和动态开关特性,3.1.2半导体的开关特性,1、三极管静态开关特性 、截止状态 如图3-2所示，三极管截止，UCEUCC。对硅管来说，UBE0.5V(死区电压)就开始截止了，但三极管作开关管用时，为保证可靠截止，常使UBE0。 三极管截止时的特点是集电结与发射结均为反向偏置。,图3-2 三极管工作在放大状态,3.1.2半导体的开关特性,1、三极管静态开关特性 、饱和状态 如图3-3所示，三极管失去电流放大作用。UCEUCES0.3V，这时称为深度饱和。作开关使用时，必须进入深度饱和区。 发射结和集电结都处于正向偏置
6、；,图3-3 三极管工作在饱和状态,3.1.2半导体的开关特性,、放大状态 三极管工作于放大状态时，其特征是发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置这时,3.1.2半导体的开关特性,2、三极管动态特性 三极管动态特性如图3-5所示。 (1)延迟时间td： 从输入信号正跳变开始，到ic上升为0.1Ics。所需要的时间。 (2)上升时间tr：指ic从0.1Ics上升到0.9Ics所需要的时间。 (3)存储延迟时间ts：指从信号负跳变开始，到ic下降到0.9Ics所需要的时间。 (4)下降延迟时间tf：指ic从0.9Ics下降到0.1Ics所用的时间。,图3-5晶体三极管动态特性,3.1.2半导体的开
7、关特性,五、MOS管开关特性 1、MOS管基本知识 N沟道增强型MOS管的结构、基本电路及图形符号,图3-6 (c) N沟道MOS管的基本电路,图3-6 (a) N沟道增强型MOS管的结构示意图,图3-6 (b)是N沟道MOS管的图形符号,3.1.2半导体的开关特性,五、MOS管开关特性 1、MOS管基本知识 P沟道增强型MOS管的结构、基本电路及图形符号,图3-7 (c) P沟道MOS管的基本电路,图3-7 (a) P沟道增强型MOS管的结构示意图,图3-7 (b)是P沟道MOS管的图形符号,3.1.2半导体的开关特性,2、增强型MOS管的开关作用 截止条件及等效电路 UGS小于开启电压UT
8、。等效电路如图3-8 (b)所示。 导通条件及等效电路 UGS大于开启电压UT，等效电路如图3-8 (c)所示。,图3-8 (b),图3-8 (c),3.1.2半导体的开关特性,开关时间 MOS管的开关速度比晶体三极管低。,图3-9 NMOS管动态开关特性,3.1.2半导体的开关特性,3、MOS管转移特性曲线,(a)为N沟道增强型MOS管,图3-10增强型MOS管的转移特性,(b)为P沟道增强型MOS管,3.1.2半导体的开关特性,六、主要开关参数如下： 导通电阻：UGS为某一固定值条件下，漏源电压的变化量UDS与漏源电流变化量ID之比值，一般MOS管的RON约为几百欧姆。， 截止电阻：截止电
9、阻指|UGS|UT|时，ID=0，此时管子呈现的等效电阻一般约为1013欧姆量级。 跨导gm：跨导gm表示UDS在某一固定条件下，漏极电流变化量ID与栅源电压变化量UGS之比值，它表示栅源电压对漏极电流的控制能力，是反映管子放大性能的重要参数。一般在零点几到几mA/V范围内。 开启电压UT：开启电压UT它是指开始形成导电沟道所需的栅源电压。NMOS管UT为正值，PMOS管的UT为负值。 输入电容：输入电容主要是MOS管的栅极与衬底的电容，也包括栅源和栅漏间电容。通常它们是在微微法数量级。在数字电路中，MOS管的动态特性，即开关速度是受这些电容充、放电过程制约的。,3.2.1 逻辑关系,一、“与
10、”逻辑关系 当决定某一事件的各个条件全部具备时，这件事才会发生，否则这件事就不会发生，这样的因果关系称为“与”逻辑关系。 如图3-11中，若以F代表电灯，A、B、C代表各个开关，我们约定:开关闭合为逻辑“1”，开关断开为逻辑“0”；电灯亮为逻辑“1”，电灯灭为逻辑“0”。从图3-11可知，由于A、B、C三个开关串联接入电路，只有当开关A、B、C都闭合时灯F才会亮，这时F和A、B、C之间便存在“与”逻辑关系。,图3-11 “与”逻辑关系,3.2.1 逻辑关系,表示逻辑关系的方法: 1、用逻辑符号表示。“与”逻辑关系的逻辑符号如图3-12所示。 2、用逻辑关系式表示。FABC 3、用真值表表示。如
11、表3-1所示。,图3-12 “与”逻辑符号,表3-1 “与”逻辑关系真值表,3.2.1逻辑关系,二、“或”逻辑关系 “或”逻辑关系是指：当决定事件的各个条件中只要有一个或一个以上具备时事件就会发生，这样的因果关系称为“或”逻辑关系。 图3-13中，由于各个开关是并联的，只要开关A、B、C中任一个开关闭合(条件具备)，灯就会亮(事件发生)Fl，这时F与A、B、C之间就存在“或”逻辑关系。,图3-13 “或”逻辑关系,3.2.1逻辑关系,表示逻辑关系的方法: 1、用逻辑符号表示。“或”逻辑关系的逻辑符号如图3-14所示。 2、用逻辑关系式表示。FABC 3、用真值表表示。如表3-2所示。,图3-1
12、3 “或”逻辑关系,表3-2“或”逻辑关系真值表,3.2.1逻辑关系,三、“非”逻辑关系 “非”逻辑关系是指：决定事件只有一个条件，当这个条件具备时事件就不会发生；条件不存在时，事件就会发生。这样的关系称为“非”逻辑关系。 如图3-15中只要开关A闭合(条件具备)，灯就不会亮(事件不发生)F0，开关打开A0，灯就亮Fl。这时A与F之间就存在“非”逻辑关系。,图3-15 “非”逻辑关系,表示逻辑关系的方法: 1、用逻辑符号表示。“非”逻辑关系的逻辑符号如图3-16所示。 2、“非”逻辑关系式可表示成F 3、“非”逻辑关系的真值表如表3-3所示。,3.2.1逻辑关系,图3-16 “非”逻辑符号,表
13、3-3 “非”逻辑关系的真值表,四、“与非”逻辑关系 只有输入全部为1时，输出才为0，否则输出为1。F 它是与逻辑和非逻辑的组合，其运算顺序是先与后非。 五、“或非”逻辑关系 只有全部输入都是0时，输出才为1，否则输出为0。F 它是或逻辑和非逻辑的组合，其运算顺序是先或后非。 六、“异或”逻辑关系 当两个输入端相反时，输出为1，输入相同时，输出为0。FA B 七、“同或”逻辑关系 当两个输入端输入相同时，输出为1；当两个输入端输入相反时，输出为0。 FAB,3.2.1逻辑关系,表3-4 几种常用复合逻辑关系,3.2.1逻辑关系,一、二极管“与”门电路 二极管“与”门电路如图3-17所示。,3.
14、2.2 与门、或门和非门电路,图3-17 二极管“与”门电路,二、二极管“或”门电路 二极管“或”门电路如图3-18所示。与图3-17比较可见，这里采用了负电源，且二极管采用负极并联，经电阻R接到负电源U。,3.2.2 与门、或门和非门电路,图3-18 二极管“或”门电路,三、三极管“非”门电路 三极管“非”门电路如图3-19所示。“非”门也叫反门，或叫反相器。,3.2.2 与门、或门和非门电路,图3-19 三极管“非”门电路,在实际中可以将前面所讲的基本逻辑电路组合起来，构成组合逻辑电路，以实现各种逻辑功能。图3-20就是“与”门、“或”门、“非”门电路结合组成的“与非”门电路和“或非”门电
15、路。,3.2.3 其它门电路,图3-20 “与非”门电路和“或非”门电路,一、电路组成及符号 图3.21 (a)所示为典型TTL与非门的电路结构。图中输入级T1是一个多发射极三极管，其等效电路如图3.21 (b)所示，T2为反相级，T3、T4、T5为输出级。,3.3.1 TTL与非门的工作原理,TTL的等效电路图 图3.21典型TTL与非门,TTL与非门电路 图3.21典型TTL与非门,二、电路的工作原理如下： 1、输入端信号有低电平时： 如UA0.3V，UB3.6V(或悬空)，(即A0，B1)，则对应于A端的T1管的发射结导通。T1管基极电压UB1被钳定在UB1UB+UBEA0.30.7=l
16、V。该电压不足以使T1管集电极、T2及T5导通(因为3个PN结需要30.72.1V电压才能导通)，所以T2及T5管截止。由于T2截止，UC2约为5V，所以T3、T4管导通。由于IB3很小，故可忽略R2上的电压UR2R2IB3，输出端的电位为：UF50.70.73.6V，即输入端有电平时，输出为高电平。F1,3.3.1 TTL与非门的工作原理,2、输入端信号全为高电平时： 如UAUB3.6V(AB1)，则T2、T5导通，T1管的基极电压UB1被钳定在UB1UBC1+UBE2+UBE50.30.7=2.1V。于是T1的发射结反偏截止，电源VCC经过R1、T1的集电结向T2、T5提供基极电流，于是T2、T5管饱和，输出电压为UFUCES0.3V，故输入全为高电平时，输出为低电平。
