第二章门电路数字电路技术基础()

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1、数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础电子课件郑州大学电子信息工程学院 *数字电子技术基础数字电子技术基础第二章 门电路数字电子技术基础数字电子技术基础2.1 概述 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如 与门、与非门、或门 门电路中以高门电路中以高/ /低电平表低电平表 示逻辑状态的示逻辑状态的1/01/0数字电子技术基础数字电子技术基础正逻辑和负逻辑：在逻辑电路中存在两种逻辑状态，分别用二值逻辑的1和 0来表示。如果以输出的高电平表示逻辑1，以输出低电平表 示逻辑0，则这种逻辑制称为正逻辑。反之，若以逻辑1代表 低电平，而以逻辑0代表高电平，则称为负逻辑。 数字电子技术基础

2、数字电子技术基础2.2 半导体开关特性 2.2.1 半导体二极管的开关特性 2.2.2 半导体三极管的开关特性数字电子技术基础数字电子技术基础二极管的开关特性：vI=VIH, D截止，vO=VOH=VCC vI=VIL, D导通，vO=VOL=0.7V高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0 数字电子技术基础数字电子技术基础二极管的动态特性：数字电子技术基础数字电子技术基础2.2.2 半导体三极管的开关特性（Transistor）一、三极管的开关特性数字电子技术基础数字电子技术基础 截止工作状态 放大工作状态 饱和工作状态数字电子技术基础数字电子技术基础动态开关特性 主要开关参数 饱和压降

3、开启延迟时间 关闭延迟时间 数字电子技术基础数字电子技术基础二、MOS管的开关特性1、MOS管的结构S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结数字电子技术基础数字电子技术基础2、静态开关特性 截止区 可变电阻区 恒流区 数字电子技术基础数字电子技术基础 3、MOS管的动态开关特性数字电子技术基础数字电子技术基础 4、主要开关参数 导通电阻：MOS管导通时，且 为固定值条件下，漏极 电压的变化量与漏极电流变化量之间的比值，即 截止电阻：MOS管截止时，漏极和源极之间的电阻值， 大小约为 跨导 ：在 一

4、定的条件下，漏极电流变化与栅源极电压 变化之比，它表示栅源电压对漏极电流的控制能力 开启电压 和夹断电压 ：对于N沟道增强型MOS管 为正值，P沟道增强型 为负值；对于N沟道耗尽型 MOS 管为负值，P沟道耗尽型 为正值。数字电子技术基础数字电子技术基础5、MOS管的四种类型 增强型 耗尽型大量正离子导电沟道数字电子技术基础数字电子技术基础2.3 最简单的与、或、非门电路 二极管与门设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3VVIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7VABY 0V0V 0.7 V 0V3V 0.7 V 3V0V 0.7 V 3V3V 3.7 VABY 000 010 100

5、 111规定3V以上为10.7V以下为0数字电子技术基础数字电子技术基础二极管构成的门电路的缺点 电平有偏移 带负载能力差 只用于IC内部电路数字电子技术基础数字电子技术基础2.3.2 三极管非门（反相器） 三极管的基本开关电路就是非门 实际应用中，为保证 vI=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压参数合理？参数合理？v vI I=V=VILIL时，时，T T截止，截止，v vOO=V=VOHOHv vI I=VIH=VIH时，时，T T截止截止 ，v vOO=V=VOLOL数字电子技术基础数字电子技术基础输入信号悬空时： 数字电子技术基础数字电子技术基础2.3.3 二极管-三极管与非、或非

6、门 数字电子技术基础数字电子技术基础 2.4 TTL门电路（Transistor-Transistor Logic）2.4.1 TTL与非门电路结构和工作原理一、电路结构数字电子技术基础数字电子技术基础 二、工作原理1当输入中有一个为低电平时，这时对应的发射 极必然导通，并在深度饱和状态。T2和T5管截 止。T4导通，T5截止，输出为高电平。 2当输入全为高电平时，此时假设T1导通，则T1 的基极电压钳位在2.1V。这样T1管的所有发射结 均反偏，相当于把原来的集电极作为发射极使用 ，原来的发射极作为集电极使用，也就是说T1管 工作在倒置状态。T2导通使导致T4截止，T5导 通，输出变为低电平

7、。 数字电子技术基础数字电子技术基础 2.4.2 TTL与非门的外部特性及参数一、静态输入特性和输出特性数字电子技术基础数字电子技术基础 1输入特性 输入低电平电流 输入高电平电流0.7V 1.4V T2开始导通，但T1管集电极支路电流仍很小 时T5管导通， 随着 增大迅速减小 这时T1管处于倒置状态，T1管的集电极电流流 入T2管的基极， 输入电流方向与参考方向一致。 转变为正值。数字电子技术基础数字电子技术基础2输出特性 输出高电平时的输出特性（a）等效电路 （b）高电平输出特性曲线数字电子技术基础数字电子技术基础 输出低电平时的输出特性（a）等效电路 （b）低电平输出特性曲线数字电子技术

8、基础数字电子技术基础二、负载特性1输入端负载特性输入端接入负载时电路 输入负载特性曲线当当 时，时， 随随 的变化规律为的变化规律为数字电子技术基础数字电子技术基础例：在图TTL与非门电路中，如果用内阻为的电压表测量 输入端B的电压时，请问在下列情况下，测到的电压值 为多少？ 输入端A接0.2V。 输入端A接地。 输入端A通过一个的电阻接地。 输入端A通过一个的电阻接地。 解： 当输入端A接0.2V电平时，这时T1管处于深度饱和 状态，基极电位被钳位在 当用电压 表测量B端时的电压为 当输入端A接地时，由于T1管的发射结导通，使 ，电压表测量B端时数字电子技术基础数字电子技术基础 当输入端A通

9、过 的电阻接地时，因为所接电阻大于开启电阻 ，A端相当于输入高电平，这时 钳位在2.1V的电平上，所以测得 B端电压为 当输入端A通过 的电阻接地时，等效在A端加了一个输入电压相当于在A端加一个0.2V的逻辑低电平，与第一种情况一样，电 压表测得B端电压为0.2V。 2带负载能力TTL与非门带负载能力表示一个与非门所能驱动同类门的最大 数目，常用扇出系数 表示 数字电子技术基础数字电子技术基础 当驱动门的输出高电平时 当驱动门输出低电平时扇出系数 取 和 的较小者。数字电子技术基础数字电子技术基础三、电压的传输特性1AB段（截止区） ：2BC段（线性区） ：3CD段（转折区） ：线性下降快速下

10、降阈值电压或门槛电压阈值电压或门槛电压4DE段（饱和区） ：数字电子技术基础数字电子技术基础四、噪声容限数字电子技术基础数字电子技术基础 五、TTL与非门的动态特性一、传输延迟时间 1、现象：数字电子技术基础数字电子技术基础二、动态尖峰电流数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础 2.4.3 其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路 1. 与或非门数字电子技术基础数字电子技术基础2. 异或门数字电子技术基础数字电子技术基础 二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输 出 输出端不能并联使用OC门数字电子技术基

11、础数字电子技术基础2、OC门的结构特点数字电子技术基础数字电子技术基础 3、外接负载电阻RL的计算数字电子技术基础数字电子技术基础 3、外接负载电阻RL的计算数字电子技术基础数字电子技术基础 3、外接负载电阻RL的计算数字电子技术基础数字电子技术基础三、三态门电路（Three state Output Gate ,TS）数字电子技术基础数字电子技术基础三态门的用途三态门构成单向总线 三态门构成双向总线数字电子技术基础数字电子技术基础 2.4.4 TTL电路的改进系列 一、肖特基TTL门系列（74S） 电路改进 采用抗饱和三极管 用有源泄放电路代替74H系列中的R3 减小电阻值2. 性能特点速度

12、进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大抗饱和三极管 肖特基TTL与非门数字电子技术基础数字电子技术基础二、低功耗肖特基系列 74LS（Low-Power Schottky TTL）低功耗肖特基TTL与非门数字电子技术基础数字电子技术基础2.4.5 TTL门电路的使用 这些门电路在实际使用时注意以下几点： 一、电源及电源干扰的消除 二、不用输入端的处理及注意事项 三、输出端处理 四、其它数字电子技术基础数字电子技术基础2.5 发射极耦合逻辑门（ECL）2.5.1 ECL门电路的基本单元 当 时，而此时T3管基极 电平更高一些（-1.3V），故T1截 止T3导通，此时与输入端之间是逻辑非关系

13、， 与输入端之间是逻辑与关系。 数字电子技术基础数字电子技术基础2.5.2 ECL电路的结构和工作原理数字电子技术基础数字电子技术基础2.5.3 ECL电路的主要特点优点：1ECL电路是目前各种数字集成电路中工作速度最快的一 种，目前ECL传输延迟时间缩短至1ns以下。2电路内部的开关噪声很低。3输出阻抗低，带负载能力强。国产CE10K系列门电路的 扇出系数可达90以上。4ECL电路具有或和或非两个互补输出端，使用方便、灵 活。 缺点：电路功耗大；噪声容限低；输出电平稳定性差。数字电子技术基础数字电子技术基础2.6 集成注入逻辑 （Integrated Injection Logic） 2.6

14、.1 电路结构与工作原理 I2L基本单元电路结构及等效电路数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础2.6.2 门电路的主要特点电路两个严重的缺点 1抗干扰能力差。I2L电路的输出信号幅度比较小，噪 声容限较低，所以抗干扰能力也较差。2、工作速度低。因为I2L电路采用了饱和型逻辑电路， 这限制了工作速度。I2L电路的传输延迟时间可达到 2030ns。数字电子技术基础数字电子技术基础2.7 金属-氧化物-半导体逻辑（MOSL）2.7.1 CMOS反相器及工作原理一、电路结构数字电子技术基础数字电子技术基础二、电压、电流传输特性数字电子技术基础数字电子技术基础三、噪声容限 结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限数字电子技术基础数字电子技术基础 2.7.2 CMOS反相器的外部特性和参