第1章数字电路和集成逻辑门电路--16

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1、第一章 数字电路和集成逻辑门电路,1.1 数字信号与模拟信号,数字信号的特点 数字信号在时间上和数值上均是离散的 数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流,数字信号,1.1 数字信号与模拟信号,模拟信号的特点 模拟信号在时间上和数值上均是连续的,数字信号,模拟信号,模拟电路的数字化产品,思考,模拟产品,数字产品,数字电路与模拟电路的主要区别是什么？,柯达应用电子研究中心 Steven J.Sasson,数字电子技术基础课程内容：,基本概念 基本原理 基本分析方法 基本集成器件 基本应用电路,电类 专业基础课程,先修课程：电路基础 后修课程：模拟电子技术基础、 微机原理,1.2 概述,目前数字系

2、统中普遍使用TTL和CMOS集成电路。 TTL集成电路工作速度高、 驱动能力强，但功耗大、集成度低； MOS集成电路集成度高、功耗低。超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路，其缺点是工作速度略低。目前已生产了BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优势， 缺点是制造工艺复杂。,1.2 概述,集成电路： 按照单片硅片集成门电路的数量 分类 小规模集成电路（small scale integration，简称SSI）,每片组件内包含10100个元件(或1020个等效门)。 中规模（medium scale integration，简称MSI）,每片组件

3、内含1001000个元件(或20100个等效门)。 大规模（large scale integration，简称LSI）,每片组件内含1000100 000个元件(或1001000个等效门)。 超大规模集成电路(very large scale integration，简称VLSI),每片组件内含100 000个元件(或1000个以上等效门)。 根据集成电路的制造工艺来分类 双极型集成电路 单极型集成电路,1.3 数字电路的逻辑状态和正负逻辑,数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0） 有两种逻辑体制： 正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻

4、辑0 负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0 如果采用正逻辑，前面的数字电压信号就成为下图所示逻辑信号,高低电平的允许范围,=5V,=2.7V,=0.5V,=0.3V,=5V,=3.6V,高低电平的允许范围,=5V,=2.7V,=0.5V,=0.8V,=5V,=2.1V,VPP=4V f =50HZ,1.4 基本逻辑关系及其逻辑运算,1.4.1 与逻辑和与运算 只有当决定某一种结果的所有条件都具备时，这个结果才能发生，我们把这种因果关系称为与逻辑关系，简称与逻辑。,与逻辑关系,与运算又称逻辑乘 逻辑表达式： = 或 =,与逻辑真值表,与逻辑运算规则,与逻辑符号,1.4 基本逻辑关系及其

5、逻辑运算,1.4.2 或逻辑和或运算 当决定某一结果的多个条件中，只要有一个或一个以上的条件具备，结果就发生，这种逻辑关系，就称为或逻辑关系，简称或逻辑。,或运算又称逻辑加 用逻辑式表示为: ,或逻辑关系,或逻辑真值表,或逻辑运算规则,或逻辑符号,1.4 基本逻辑关系及其逻辑运算,1.4.2 非逻辑和非运算 如果条件与结果的状态总是相反，则这样的逻辑关系叫做非逻辑关系，简称非逻辑，或逻辑非。,非运算的运算规则,非逻辑关系,非逻辑真值表,逻辑表达式: 通常称A为原变量， 为反变量,非逻辑符号,P284 第9章 数字系统的综合分析,1.5 半导体分立门电路,1.5.1 半导体基本知识 导电能力：导

6、体、半导体和绝缘体 半导体：本征半导体和杂质半导体 掺入杂质的不同：P型半导体和N型半导体,PN结,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,PN结的形成,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,PN结的单向导电性,1.5.2 半导体二极管及其门电路 二极管的结构及符号 将结加上相应的电极引线

7、和管壳，就成为半导体二极管。根据半导体二极管材料的不同，可分为硅二极管和锗二极管。 半导体二极管表示符号,1.5.3 二极管门电路 1. 二极管的开关特性 二极管的主要特性是单向导电性。,当二极管加正向电压时，二极管导通，其管压降随电流的增加变化很小，普通硅管约为0.7，锗管为0.3。相当于一个闭合的开关。 当二极管加反向电压时，二极管截止，反向电流很小而且基本不变，呈现很高的反向电阻。因此，如同一个断开的开关。,二极管在电路中可以作为一个受外加电压极性控制的开关。,1.5 半导体分立门电路,2. 二极管与门电路,硅管,1.5 半导体分立门电路,3.二极管或门电路,硅管,1.5.4 晶体管及其

8、门电路 1.晶体管的结构及符号,NPN型晶体管,PNP型晶体管,晶体管的结构示意图和符号,2.晶体管的特性曲线 （1）输入特性曲线,某三极管输入特性曲线,开启电压UON： 硅管的为0.50.7V， 锗管的为0.20.3V,发射结正偏,1.5 半导体分立门电路,（2）输出特性曲线,1.5 半导体分立门电路,3.晶体管的开关特性,（1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压时，IBICBO0，ICICEO0，VCEVCC，三极管工作在截止区，对应图中的A点。 三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压,1.5 半导体分立门电路,此时，若调节Rb，则IB，IC，VCE，工作点沿着负载线

9、由A点B点C点D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为ICIB。 三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏,（2）放大状态：当VI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有,称为晶体管的电流放大系数,IB,1.5 半导体分立门电路,若再减小Rb，IB会继续增加，但IC已接近于最大值VCC/RC，不会再增 加，三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES,（3）饱和状态：保持VI不变，继续减小Rb，当VCE 0.7V时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（b）中的E点。此时的集电极电流称为集电极饱和电流，用ICS表示，基极电流称为基极临界饱和电流，用IBS

10、表示，有:,IB,1.5 半导体分立门电路,若再减小Rb，IB会继续增加，但IC已接近于最大值VCC/RC，不会再增 加，三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES， 其典型值为：VCES0.3V。 三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB IBS 电压条件为：集电结和发射结均正偏,（3）饱和状态：,IB,1.5 半导体分立门电路,解：1) 当 时，由于 ，所以三极管截止，,2) 当 时,由上可得： ，故三极管工作在饱和状态， 。,思考题与习题,1.5 半导体分立门电路,4.晶体管非门电路,当输入低电平时，三极管截止， ， 输出高电平， 。,当输入高电平时，若等电路参数选择适当，

11、保证三极管的基极电流大于饱和基极电流，即 ，则三极管饱和，输出低电平， 。,1.6 TTL集成门电路,1.6.1 TTL门电路系列,54TTL系列与74TTL系列性能比较,74TTL系列速度和功耗的比较,1.6 TTL集成门电路,1.6.2 TTL与非门电路 1. 电路组成,在电路中，采用了肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode，即SBD）和抗饱和型的肖特基三极管(Schottky transistor)。肖特基势垒二极管是利用金属和半导体之间的接触势垒所构成的，其正向压降约为0.30.4，且开关速度比普通二极管高一个数量级左右。,74LS00,2.工作原理 （1）输入

12、有低电平0.3V 时： 如果输入端输入为0.3（即为低电平），输入3.4（即为高电平），则VD3正向导通，UB1 =0.7，三极管V1 、 V2 、 V5截止。如果忽略R2上的电压压降， UC1约为5， V3和V4导通，此时，电路输出为高电平，即 UOH 50.70.7=3.6。如果考虑到在R2上产生的压降，则实际的输出高电平约为3.4V。,输入有低电平时，输出为高电平,0.3V,0.7V,1.6 TTL集成门电路,（2）输入全为高电平3.4V时 VD3、 VD4截止，电源电压VCC通过电阻R1向V1注入基极驱动电流，使V1饱和，V1导通后，就向V5的基极注入电流，使V5管工作于抗饱和状态，故

13、输出低电平UOL0.3。,输入全为高电平时输出为低电平,电路实现了与非逻辑关系,输入有低电平时，输出为高电平,例1-2 74LS00的连接电路如图1-23 a所示，其输入端A输入由函数发生器产生的方波信号，而输入端B的逻辑状态则由开关S控制。试根据输入信号画出输出端Y的波形。,1.6 TTL集成门电路,1.6.3 TTL门电路的外部特性 1电压传输特性,实验1.3集成逻辑门电路参数测试 P48,（结合TTL与非门电路来理解）,1.6 TTL集成门电路,2TTL与非门的输入特性 （1）输入伏安特性,输入短路电流,1.6 TTL集成门电路,（2）输入端负载特性,关门电阻 若 ，输入端相当于接低电平

14、，电路处于关门状态，输出高电平。,开门电阻 若 ，输入端相当于接高电平，与非门处于开门状态，输出为低电平。,1.6 TTL集成门电路,3TTL与非门的输出特性 （）输出高电平（带拉电流负载）时的输出特性,1.6 TTL集成门电路,（）输出低电平（带灌电流负载）时的输出特性,1.6 TTL集成门电路,1.6.4 TTL门电路的主要参数 1输出高电平 UOH 2输出低电平 UOL 3低电平输出时的电源电流 ICCL 4高电平输出时的电源电流 ICCH 5输入短路电流 IIS 6高电平输入电流 IIH 7输入高电平最小值 UIHmin 8输入低电平最大值 UILmax 9噪声容限（ UNL、 UNH

15、） 10.扇出系数 No 11.平均传输时间 tpd,P32,例1-3 某温度控制电路如图1-25所示，为热敏电阻，求继电器 吸合的条件。 解：1） 开关闭合时，门2输出低电平，三极管截止，继电器 不吸合，控制电路不工作。 2） 开关断开时，门1的输出电平由热敏电阻决定。LSTTL与非门74LS00的开门电阻约为，当时，输入端相当于接高电平，与非门1处于开门状态，输出为低电平，门2输出为高电平，三极管饱和，继电器吸合。所以，当该热敏电阻为负温度系数（温度上升，阻值下降）时，只有当温度降低到使热敏电阻达到以上时，继电器才吸合。,1.6 TTL集成门电路,1.6.5 TTL其它类型的门电路 1. 或非门,或非门的真值表,或非门逻辑关系为：,1.6 TTL集成门电路,2. 异或门,异非门的真值表,异或门逻辑关系为：,1.6 TTL集成门电路,3. 三态门,a）使能控制端高电平有效的三态与非门,b）使能控制端低电平有效的三态与非门,高电平有效的三态门真值表,低电平有效的三态门真值表,1.6 TTL集成门电路,当某个三态门的控制端1为1时，则三态门G1处于工作状态