教学课件PPT逻辑门电路

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1、 一、数字集成电路简介3.13.1 MOS MOS逻辑门电路逻辑门电路TTL CMOS主要比较电路的工作速度、功耗、抗干扰 二、逻辑电路的一般特性1、输入和输出的高、低电平 VIL(max) 、 VIH(min) 、 VOL(max) 、VOH(min) 高电平高电平V VH H = 3.65.0V= 3.65.0V低电平低电平V VL L =01.5V=01.5V2、噪声容限电路的抗干扰能力高电平噪声容限低电平噪声容限高电平所对应的 电压范围低电平所对应的 电压范围VNH=VOHmin-VIHminVNL=VILmax -VOLmaxVOLVILVIHVOHVCCv0VNL未定义域V VNH

2、NH对于CMOS门电路(74HC系列），高低 电平对应的标准电压和噪声容限为： VOHmin=4.9V; VIHmin=3.5V; VOLmax=1.5V; VILmax=0.1VVNH=1.4V; VNL=1.4V定义:保证输出逻辑状态不变,输 入逻辑电平允许噪声幅度的最大或最 小值,称噪声容限。3、传输延迟时间PLHtPHLtPLHtPHLt输入 同相输出反相输出PHLPLHPdttt+=平均传输延迟时间：输出波形相对输入波形延迟的时间；表征 门电路的开关速度。4、功耗功耗静态功耗（输出没有状态转换）动态功耗（输出发生状态转换）5、延时功耗积DPdPtDP=（越小越好）BiCMOS ECL

3、CMOSNMOSTTLPDtpd06、扇入与扇出数（1）扇入数：输入端的个数 （2）扇出数：带同类门电路的最大数目力。灌电流工作情况：拉电流工作情况：（负载门）（驱动门） IIHIOH NOH=表门电路输出端的驱动能力，与负载的类型有 关。（负载门）（驱动门）NOL=IOL IIL三、三、MOSMOS开关及其等效电路开关及其等效电路 1、MOS管的开关作用VDDvIOvg gd ds sRd( (以以N N沟道增强型为例沟道增强型为例) )i iD Du uDSDS0 0饱和区可变 电阻 区UGS= UT u uGS2GS2u uGS1GS1u uGS3GS3vI VT时，且很大，时，且很大，

4、vO 为低电平为低电平。2、MOS管的开关特性VDDOvg gd ds sRdvI VTvIt OvO tOVIHVDDtPLHtPHL由于各种电容及电阻的存在，输出电压波形 就不是理想的脉冲，上升和下降都变慢了，且滞 后。Ovg gd ds sRdvI 1 1、CMOSCMOS反相器的工作原理反相器的工作原理假设：处于逻辑0时，相应的电压近似为0；处于 逻辑1时，相应的电压近似为VDDVDDIvOvTNTP+ +- -+ +- -vSGPvGSN(1) (1) V VI I = V= VDDDD iDvoVoL00VGSN=VDDVSGP=0输入为高电平，输出为低电平VDDIvOvTNTP+

5、 +- -+ +- -vSGPvGSN(2) VI=0 iDvo VoHVDD0VSGP=VDDVGSN=0输入为低电平，输出为高电平基本基本CMOSCMOS反相器近似于一理想的逻辑单元，其反相器近似于一理想的逻辑单元，其 输出电压接近于零或输出电压接近于零或+V+VDDDD，而功耗几乎为零。而功耗几乎为零。2 2、CMOSCMOS反相器的传输特性反相器的传输特性DCBA246vI/VvO/V4206810810TN截止TN在饱和区；TP在可变电阻区TN、 TP均在饱和区TP在饱和区，TN在可变电阻区 TP截止3 3、CMOSCMOS反相器的工作速度反相器的工作速度CMOS反相器在电容负载情况

6、下，其开通时 间和关闭时间是相等的，平均传输延迟时间约 为10ns。 VDDIvOvTNTPCLVDDIvOvTPCLiDP （0）CMOS反相器在电容负载下的工作情况五、五、CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路1、与非门电路VDDTN2TP2TN1TP1ABL2、或非门电路VDDTN1TP2TN2TP1ABL=AB=A+BLVDDTP5TP4TP3TN1TP2TN2TP1ABTN4TN3TN5XABX=A+B L=AB+XL=AB+A+BL=AB=1ABL=AB逻辑符号3 3、异或门电路异或门电路异或门的后面加一级反相器构成同或门4 4、输入、输出保护电路和缓冲电路、输入、输出保护电路和缓冲

7、电路（1）输入保护电路输入保护缓冲输出缓冲VDDvIOv基本逻 辑功能 电路（2）缓冲电路六、六、CMOSCMOS漏极开路门和三态门电路漏极开路门和三态门电路VDD vI1LvO2L vO1HvI2H1、CMOS漏极开路门电路 （1）漏极开路门电路的结构和符号 线与：将两个门的输出端并联以实现与逻辑的功能。由图可见：电流很大,器件会损坏;且无法确 定输出是高还是低电平。截止导通导通截止漏极开路(OD)的与非门电路OD与非的 输出级ABL漏极 开路 输出AVcEs 0.20.3VCE间近似于短路，相当于开关闭合。CVcc/RcVccVcEs0IBSIcs饱和特点： iB iBS ， ic = i

8、cs ，VcE =VcEsNPNNPN型硅型硅BJTBJT三种工作状态的特点三种工作状态的特点工作状态截止放大饱和条件iB 00 Ics/ 偏置情况发射结和集 电结均反偏发射结正偏 集电结反偏发射结和集电 结均正偏 集电极电 流ic 0ic iBIc =Ics Vcc/Rc管压降VCEO VccVcE=Vcc- IcRcVcEs=0.2 0.3VC、E间等 效电阻很大，约数百 千欧，相当于 开关断开可变很小，约数百欧 ，相当于开关闭 合。2 2、BJTBJT的开关时间的开关时间tvIic+VB2-VB1tdtICS0.9ICS 0.1ICS0trtstf延迟时间： td上升时间：tr存储时间：

9、 ts下降时间：tf vo VCC0t输出电压波形二、基本的二、基本的BJTBJT反相器反相器2 2、电路特点、电路特点1、电路3、逻辑符号Rc Rb TVccAL1AL=A输入与输出量间满足 非非逻辑关系，非门电路。非门电路。4 4、BJTBJT反相器的动态性能反相器的动态性能RcRbVccvICL考虑负载电容的BJT反相器vO+-CL包括门电路之 间的接线电容和门电 路的输入电容。由于 电容的充放电需要一 定的时间，降低了电 路的开关速度，所以 BJT反相器的开关速度 较低。三、三、TTLTTL反相器的基本电路反相器的基本电路Vcc（5V）Rb14kRC2 1.6kRC4 130RLDT1

10、Re21kT2T4T3+-uoui+-输入级中间倒相级级输出级电路组成1 1、TTLTTL反相器的工作原理反相器的工作原理Vcc（5V）Rb14kRC2 1.6kRC4 130RLDT1Re2 1kT2T4T3+-vovi+- 输入为高电平3.6VVccRb1T1T2T3 电流流向：T2饱和T4截止； T3饱和输出为低电平。T1工作在倒置状态倒置状态VB1=VBC1+VBE2+VBE3=0.7+0.7+0.7=2.1VVC2=VCES2+VBE3=0.2+0.7=0.9V结论：结论：输入为高电平，输入为高电平， 输出为低电平输出为低电平。Vcc（5V）Rb14kRC2 1.6kRC4 130R

11、LDT1Re2 1kT2T4T3+-vovi+- 输入为低电平0.2VVccRb1T1输入端 电流流向：T3截止； T2截止T4、D导通 输出为高电平。VB1=VI+VBE1=0.2+0.7=0.9VVO = VCC-VBE4 -VD = 5-0.7-0.7 =3.6V结论：结论：输入为低电平，输出为高电平。采用输入级以提高工作速度采用输入级以提高工作速度Vcc（5V）Rb14kRC2 1.6kRC4 130RLDT1Re2 1kT2T4T3+-vovi+-VI由3.6V变为0.2V瞬间VB1= 0.9V；VC1= 1.4VT1工作在放大区，电流 从T2的基极流入T1基极 ，使T2迅速地脱离饱

12、和 进入截止状态。T4也迅速导通，使T3的 存储电荷通过集电极快 速消散而截止，加速了 状态转换速度。采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力Vcc(5V）Rb14kRC2 1.6kRC4 130RLDT1Re2 1kT2T4T3+-vovi+-a.输出为低电平时，T3深饱 和T4截止较大的集电极电流 全为负载电流；b.输出为高电平时，T3截止 T4导通的射极输出器输出电 阻很小，带负载能力强。c.输出端接有负载电容，由 于和时的输出电阻很小 ，输出上升沿及下降沿都很好。即开关速度快速度快。2 2、TTLTTL反相器的传输特性反相器的传输特性 反映输出电压uo与输入电压uI之间关系的曲线AB

13、AB段：截止区段：截止区B B点点, ,T1饱饱 和和T2刚导通刚导通T3不通；不通；123vI/VvO/V420DCBA3.63.62.482.480.40.4 1.11.11. 1. 2 2BCBC段：段：T2放大区放大区C C点点, ,T3 刚导通，刚导通，T4和D D已已导通；导通；CDCD段：转折区段：转折区D D点：点： T3 饱和导通饱和导通, ,T1准备脱离准备脱离 饱和；饱和；DEDE段：饱和区，段：饱和区，T1 脱离饱脱离饱 和，进入倒置放大状态和，进入倒置放大状态四、四、TTLTTL逻辑门电路逻辑门电路 Vcc（5V）Rb1 4kRC2 1.6kRC4 130RLDRe2

14、 1kT2T4T3+-uoAB CIIL = -1.6 mA; IOH= 0.4 mA; IIH = 0.04 mANOH =IOH IIH=0.4 0.04= 107410带同类门时的扇出数为10NOL =IOL IIL=161.6= 10注：若NOL NOH，则应取较小者作为电路的扇出数。【例242】设TTL与非门74LS01（OC）门驱动8个 74LS04（反相器），试确定一个合适的大小的上拉电阻 RP，设VCC=5V。解：查附录C（P463），得相关参数如下： VOL（max）= 0.5V; IOL（max）= 8mA; IIL（max）= 0.4mA; VIH（min）= 2V; I

15、IH（min）= 0.02mA IIL（total）= 8 0.4 = 3.2mA IIH（total）= 8 0.02 = 0.16mARP（min）=-VOL（max）VCC -IIL（total）IOL(max)=5-0.5 8-3.2= 940RP（max）=-VIH（min）VCC IIH（total）=5-2 0.16= 18.75k可以选择标准值为1k的电阻器。RcTVccVI0.7V0.3V0.4VNPN硅BJT饱和时各极电压的典型数据习题选解：习题选解：2.3.12.3.1ABCVcc（5V） R 3kL L二极管与门电路ABCVcc（5V） R 3kL L二极管与门电路如上

16、图，与门带同类与门负载的级数愈多，则 每级的输出电压将如何变化？如何解决此缺点？答：门的级数愈多，则由于每一级与门的输出 电压对输入电压约有07伏（硅管）的偏移，结 果经过一串门电路后，高低电平就会严重偏离 原来的数值（均升高）。要解决这个问题，可 采用二极管与三极管门的组合，如图232的电 路。如要求为与门输出，则可加两级反相器即 可。习题232 ：分析电路为什么能实现与逻辑关系？ 二极管D5D5起什么作用，可否省略D5 ？VccRcTBJT反相器ABCVcc（5V） R 3kL L二极管与门电路D5D4答：当A B C中有任一输入端为低电平，T截止, 输出高电平，只有A B C全为高电平时，T导通， 使输出为低电平，实现与非