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1、第二章 门电路,2-1 概述,2-2 二极管、三极管、MOS 管开关等效电路,2-3 最简单的与、或、非门电路,2-5 CMOS门电路,2-4 TTL门电路,21. 概 述,如果以输出的高电平表示逻辑 “ 1 ”，以低电平表示逻辑0，则称为这种表示方法为正逻辑，反之为负逻辑。,用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路统称为 门电路。常用的门电路在逻辑功能上有：与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等几种。,一、门电路,二、正、负逻辑,今后除非特别说明，一律采用正逻辑。,22. 二极管、三极管和MOS管 开关等效电路,开关闭合,当UaUb时，D导通,开关断开,当UaUb时,D截止,一、二极
2、管开关等效电路（理想情况下）,i = Is ( e v / V T ) - 1 ),二极管的特性：,1）PN结方程,2)伏安特性,二、 三极管开关等效电路（理想情况下）,具体电路中的开关特性：,当 时，三极管的vBE0，这时iB =0，三极管处于截至状态；开关断开。（实际中可近似处理）,关于“开关闭合”的情况大家参见书中介绍，这里不再赘述了。,三. M OS管开关等效电路（理想情况下）,当UGS2v时，,当UGS2v时，,2. PMOS管开关等效电路。,当UGS-2v时，,当UGS-2v时,（等效开关图同上）,TN 截止,1、NM OS 管开关等效电路,TP导通：,TP截止：,TN 导通,注：
3、以上近似开启电压为,END,23 最简单的与、或、非门电路,2-3-1 二极管与门,2. 工作原理,Da Db,UY,Ua Ub,0 0 0 3v 3v 0 3v 3v,3. 真值表（状态表）,4. 输出函数式,Y=AB,5. 逻辑符号,&,Y,导通,导通,导通,导通,导通,导通,截止,截止,0.7V,0.7V,0.7V,3.7v,AB,1. 电路组成（以二输入为例）,+VCC,R,A,B,Y,Da,Db,设：VCC=5V，,UIH=3v,UIL=0v,二极管正向压降0.7V。,END,1。 电路组成(以二输入为例),2。 工作原理,Ua Ub 0 0 0 3v 3v 0 3v 3v,3。真值
4、表,4.输出函数式,Y=A+B,5。逻辑符号,截止,截止,截止,截止,导通,导通,导通,导通,Da Db,UY,2.3v,2.3v,2.3v,Y,AB,1,0,2-3-2 二极管或门,END,Vcc,3. 真值表,A 0 1,Y 1 0,4.输出函数式,5.逻辑符号,2.工作原理,注：为了保证在输入低电平时三极 管可靠截止，常将电路接成上图形式。由于接入了负电源VEE，即使输入低电平信号稍大于零，也能使三极管的基 极为负电位，使三极管可靠截止，输出为高电平。,1。电原理图,Ua,0,3v,T,截止,饱和,UY,0,2-3-3. 三极管非门,2-3-4. 其它门电路,一、 其它门电路,其它门电路
5、有与非门、或非门、同或门、异或门等等。,（略）,二、 门电路的“封锁”和“打开”问题,当C=1时，Y=AB.1=AB,与门打开，与功能成立。,当C=0时，Y=AB.0=0,与门封锁，与门不能工作。,当C=1时，Y=A+B+1=1,或门封锁，或门不能工作。,当C=0时，Y=A+B+0=A+B,或门打开，或功能成立。,能“打开”或者“封锁”门电路的信号叫“控制信号”。,控制信号的输入端叫“控制端”，或“使能端”。,与门、与非门可用“0”封锁，用“1”打开；,或门、或非门可用“1”封锁，用“0”打开；,VCD,END,2-4 TTL门电路,3、真值表和逻辑符号,1、 电路结构图,输入级,倒相级,输出
6、级,2、 工作原理,设Vcc=5V, UIH = 3.4v, UIL = 0.2v, PN结的导通电压为0.7v。,2 .1V,UA,T1发射结,UB1,T2,T3,T4,UY,0.2V,导通,0.9v,截止,导通,截止,3.4v,3.4V,导通,4.1v,导通,截止,导通,0.2v,?,T1集电结,截止,导通,T1,T2,T3,T4,R1,Y,+VCC,A,UB1,2-4-1 TTL非门,END,T2，T4导通后，把UB1 钳制在 2 .1V。,此时： T1处于倒置工作状态；、IIH 都很小, 74系列门电路的每个输入端的IIH 40A。,IIH,T1,UB1,3.4V,2.1V,1.4V,
7、5、电压传输特性,当非门的UI,UTH,当非门的UI,UTH 时，,TTL门电路有7174系列，74系列的标准参数： UOH（min）=2.4v UOL(max) =0.4v UIH (min) =2.0v UIL(max) =0.8v,UTH 时，,TTL非门的电压传输特性如图，其转折 区对应的输入电压叫阈值电压，记为UTH,VO/V,VI/V,UTH = 1.4v,= U0L,U0,U0,= U0H,因为：,END,2.输入为高电平（ UIH2v）时,等效简化电路如图：,T1管倒置工作0，高电平输入电流IIH很小，为 A 级。,低电平输入电流IIL较大，当Vcc=5v，UIL=0.2v时，
8、IIL1mA 。,输入简化电路如图：,一. 输入特性（讨论T1管）,1.输入低电平（UIL 0.8v)时,近似分析时，常用IIS来代替。,IIS 是输入短路（UIL=0）时的 电流。,74系列门电路的每个输入端的IIH 40A。,UIL,IIL,截止,UIH,IIH,导通,be2,be4,2-4-2 TTL非门的 静态输入特性和输出特性,END,二. 输出特性,1.输出为低电平时（U0 = U0L0.4V),输出端带负载的情形如图：,低电平输出电流 : IOL=N1IIL N1IIS,由于T4管的导通电阻为RON，,N1是输出低电平时负载门的数目。,所以，UOL=IOLRON。,为了保证 UO
9、L0.4v，,要限制负载门的数目N1。,截止,导通,UOL,驱动门,负载门,IIL,IIL,IOL,END,高电平输出电流：,由于T3管的导通电阻为RON ，所以： UOH VCC -N2IIH (RC3+RON)- 0.7v,为了保证UOH2.4v，要限制负载门的数目N2。,2.输出端为高电平时 (U0 = UOH 2.4v),输出端带负载的情形如图：,扇出系数N是门电路可以驱动同类门电路的最大数目。 N应该确定为上述N1和N2的较小值.具体求法参见书中介绍。,N2是输出高电平时负载门的数目。,导通,截止,UOH,驱动门,负载门,IIH,IIH,IOH,三. 门电路的扇出系数N,IOH =
10、N2IIH,END,四、门间限流电阻的确定,R,为了保证G1输出的高、低电平能正确地传输到G2的输入端，门间限流电阻R不能太大，要求：,1、当UO1=UOH 时， UI2UIH（min)应满足,此时，门间电流流向如图，,UOH,UIH,IIH,所以，下式应满足:,UOH - IIH R UIH（min),（1）,2、当UO1=UOL 时， UI2UIL（max)应满足,所以，下式应满足:,UOL + IIL R UIL（max),（2）,此时，门间电流流向如图，,UOL,UIL,IIL,根据（1）、（2）式可确定门间连接电阻R的数值。,通常，R1K。,END,TTL门电路中的与非门、或非门、与
11、或非门、 异或门、同或门等，,2-4-3.其它类型的TTL门电路,END,1.线与问题,在数字系统中，有些场合需要将门电路的输出端并联使用，即“线与”。,Y=0,2.OC 门,解决上述问题的办法： 需要线与时，用OC 门。,线与,电流大,损坏T4,导通,导通,截止,截止,1,0,IIL,1）结构,但普通TTL输出的门电路不能并联。,例如，如图所示情形时,门电路会损坏。,一、 OC 门（集电极开路的门）,2）逻辑符号,（以OC与非门为例）,END,3. OC 门的使用,使用OC门时，应外接上拉电阻RL和电源VCC。,4. 线与输出函数式,若电路如图：,Y,RL,+VCC,则：,(与非与）,（与或
12、非）,RL的大小应根据公式计算，,通常在12K之间。,VCC的数值根据UOH的需要选定；,END,二、三态门（TS门）,1、三态门的组成及工作原理,EN端为“使能端”。,当EN=1时：,同时，二极管D 截止， 对T2、T3也没有影响，,原非门电路正常工作。,当EN=0时：,同时，二极管D 导通，T3基极为低电平，T3截止。,T3、T4均截止，非门电路输出为高阻状态。,T1输入端被封锁，UB1为低电平，T2、T4截止；,三态与非门逻辑符号,对T1没有影响；,END,逻辑符号,名 称,输出表达式,2、常用三态门的图形符号和输出逻辑表达式,Y =,高阻 （EN=0 时）,Y =,Y =,高阻 （EN
13、= 0 时）,Y =,三态非门,（1 控制有效）,三态非门,（0 控制有效）,三态与非门,（1 控制有效）,三态与非门,（0 控制有效）,END,1）同一条线上分时传送数据，其连线方式称为“总线结构”。,工作原理：（以三路输入为例）,2）实现数据的双向传输,1,工作,传输结果,EN,G1 G2,EN1 EN2 EN3,总线传递,Y1路数据,Y2路数据,Y3路数据,0 0 1,0 1 0,1 0 0,0,总 线,工作原理,高阻态,工作,高阻态,3、 三态门的应用,END,2-5 CMOS门电路,基本电路用TP管和TN管构成。,输入脉冲幅度通常为VDD。,VA,0V,TP TN,UY,VDD,真值
14、表,当UI,VDD/2 时,= U0L 0,当UI,VDD/2 时,= U0H VDD,表达式,Y=A,U0,U0,其阈值电平VTH = VDD/2,0,VDD,VDD,截止,截止,导通,导通,0,VDD/2,VDD,VDD/2,VDD,2-5-1 CMOS反向器的工作原理,一. 电路结构,二.工作原理,三. 电压传输特性,END,由于CMOS反向器的栅极和衬底之间有SiO2绝缘层，所以CMOS反向器正常工作时，有II=IG=0成立。,但绝缘层非常薄，极易击穿 , 所以，制作CMOS器件时， 集成了“输入保护电路”, 以保护绝缘层不被击穿。,输入保护措施是有限度的，使用时还必须注意器件的 正确
15、使用方法。,2-5-2 CMOS反向器的 静态输入特性和输出特性,一、 输入特性,END,由于UGS越大， TN管的导通电阻RON就越小，,1.低电平输出特性,U0=U0L时:,所以： 在同样的IOL值下， VDD越高， 使TN管导通时的UGS就越大，其RON就越小，UOL也就越低。,+VDD,UIH,UOL,IOL,RL,IOL从负载电路注入TN管。,TN管导通，,TP管截止，,VDD=5V,10V,15V,二、 输出特性,END,2.高电平输出特性,由于UGS越负， TP管的导通电阻RON就越小，,U0=U0H时：,所以： 在同样的IOH值下， VDD越高， 使TP管导通时的UGS就越负，其RON就越小，VOH也就越高。,UIL,UOH,IOH,RL,IOH从TP管流向负载电路。,TP管导通，,TN管截止，,VDD,VDD=5V,10V,15V,END,三、工作速度,由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，而且导通电阻较小，所以当带负载时（比如，接有电容），,给电容充电如图(a)和电容放电如图(b)，这些过程都比较快，大概在10ns左右就完成了。所以，CMOS管子的另一特点就是工作速度比较快
