《数字电子技术及应用教程 中国通信学会普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 PPT 作者 郭宏 武国财 第2章 门电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子技术及应用教程 中国通信学会普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 PPT 作者 郭宏 武国财 第2章 门电路（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 集成门电路,内容提要： 本章全面介绍数字电路的基本逻辑单元门电路。从半导体基础知识出发介绍二极管、三极管和MOS管的基本原理，二极管、三极管和MOS管在开关状态下的工作特性。二极管、三极管和MOS管构成的门电路。重点讨论目前应用广泛的TTL门电路和CMOS门电路。熟悉相关集成门电路在使用中应注意的问题。,2.1 概述,2.1.1 逻辑门电路的概念,逻辑门电路是指实现一定逻辑运算的电子电路，也称为门电路。例如，实现非运算的门电路叫做非门，实现或运算的门电路叫做或门。 在电子电路中，一般用高、低电平分别表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态。,2.1.2 正逻辑与负逻辑,正逻辑是指用高电平表示逻
2、辑1，低电平表示逻辑0的规定称为正逻辑。负逻辑是指用高电平表示逻辑0，低电平表示逻辑1的规定称为负逻辑。 对于同一电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑，正逻辑与负逻辑的规定不涉及逻辑电路本身的结构与性能好坏，无特殊说明，使用的都是正逻辑。,2.1.3 分立门电路和集成门电路,分立门电路是指每个门都是用若干个分立的半导体器件和电阻、电容连接而成的。 数字集成电路是指采用半导体制作工艺，将许多晶体管及电阻器、电容器等元器件制作在一块很小的单晶硅片上，按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。,2.2 半导体器件的开关特性,2.2.1 二极管的开关特性,二极管的开关特性表现在正向导
3、通与反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。 1静态特性 典型二极管的静态特性曲线(又称伏安特性曲线)如图2.2.1所示。 （1）正向特性 （2）反向特性,图2.2.1 硅二极管的伏安特性曲线,2动态特性 二极管的动态特性是指二极管在正向导通与反向截止两种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间。 （1）开通时间 （2）反向恢复时间,图2.2.4 二极管的开关特性,2.2.2 三极管的开关特性,在模拟电路中，晶体三极管通常作为线形放大元件或非线形元件被使用。在数字电路中，在大幅度脉冲信号作用下，晶体三极管也可以作为电子开关，而且晶体三极管易于构成功能更强的开关电路，因
4、此它的应用比开关二极管更广泛。 1三极管的静态特性 2三极管的动态特性,2.2.3 场效应管的开关特性,在MOS集成电路中，为了使电路前后两级的高低电平范围能大致相同，一般都采用增强型MOS管作为开关工作管。 1MOS管的静态特性 2MOS管的动态特性,2.3 分立元器件门电路,门电路是数字电路最基本的逻辑元件，应用十分广泛。 在数字电路中，最基本的逻辑运算有：“与”、“或”、“非”运算。与此对应的基本门电路便是“与”门、“或”门和“非”门。,2.3.1 二极管与门和或门,1二极管与门电路 实现与逻辑关系的电路称为与门。图2.3.1（a）所示为二极管与门电路，A、B、C是它的三个输入端，Y是输
5、出端。 实现或逻辑关系的电路称为或门。图2.3.2所示的是二极管或门电路。,图2.3.1 二极管与门电路,图2.3.2 二极管或门电路,2.3.2 三极管非门,如图2.3.3所示为晶体三极管非门电路及其逻辑符号。,图2.3.3 三极管“非”门电路,2.4 TTL集成门电路,TTL集成电路，因为其输入级和输出级都采用半导体三极管而得名，也叫晶体管-晶体管逻辑电路，简称为TTL电路。,2.4.1 TTL与非门,1.电路组成 图2.4.1是最常用的TTL与非门电路，由输入级、中间级和输出级三个部分组成。,图2.4.1 TTL与非门电路,2.电路原理 当输入端中只要有一个输入为低电平0时，则T1的基极
6、与逻辑值为0的发射极间处于正向偏置。这时电源通过R1为T1提供基极电流。T1的基极电位约为0.7V，这个0.7V的电压不具备打开由T1、T2和T5的集电结的能力，此时T2、T5截止。又因为T2截止，其集电极电位接近于UCC，T3和T4因此而饱和导通，所以输出端Y的逻辑值为1。 当输入端中全部输入为高电平1时，则T1的基极与发射极间处于反向偏置。电源通过R1和T1的集电结能够向T2提供足够的基极电流，T2处于饱和状态，T3、T4构成的复合管处于截止状态。而T5管处于深度饱和状态， 所以输出端Y 的逻辑值为0。,2.4.2 TTL与非门电路的主要外部特性,1. 电压的传输特性,图2.4.3 TTL
7、“与非”门的电压传输特性,（1）输入特性,图2.4.5 与非门的输入特性 图2.4.6 与非门输入端结构,（2）输入端的负载特性,图2.4.7 输入端与地之间外接电阻,图2.4.8 输入端负载特性,（3）输出特性,图2.4.9 TTL与非门输出特性,2.4.3 TTL反相器、或非门、与门、或门、与或非门和异或门,1. TTL反相器,图2.4.3 TTL“与非”门的电压传输特性,2TTL或非门 3TTL或门、与门和与或非门 4TTL异或门,2.4.4 TTL集电极开路门和三态门,1TTL集电极开路门 集电极开路门，又称OC门。 （1）OC门可以“线与”连接 （2）OC门能直接驱动较大电流的负载,
8、图2.4.14 集电极开路与非门逻辑符号,2三态输出门 三态输出门简称三态门、TSL门。它有三种输出状态：输出高电平、输出低电平和高阻状态，前两种状态为工作状态，后一种状态为禁止状态。,图2.4.17 TTL三态门电路逻辑符号,利用三态门的总线结构图2.4.18，能够实现分时轮换传输信号而不至于互相干扰。,图2.4.18 三态门用于总线传输,2.4.5 其他双极型集成电路,射极耦合逻辑电路(ECL电路) I2L电路,2.4.6 TTL电路产品系列和主要参数,TTL电路采用双极型工艺制造，具有高速度低功耗和品种多等特点。 从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品。 表2.4.5 TTL系
9、列分类及其主要参数,2.5 CMOS集成门电路,CMOS电路是由PMOS管和NMOS管构成的互补MOS集成电路，具有静态功耗低、抗干扰能力强、工作稳定性好、开关速度高等优点。,2.5.1 CMOS门电路的构成,1CMOS反相器 CMOS反相器是CMOS集成电路最基本的逻辑元件之一，其电路如图2.5.1所示 。 2CMOS与非门 电路如图2.5.2所示，两个P沟道增强型MOS 管T1、T3并联，两个N沟道增强型MOS管T2、T4串联，T1、T2的栅极连接起来是输入端A，T3、T4的栅极连接起来成为输入端B。,图2.5.1 CMOS反相器,图2.5.2 CMOS与非门,3CMOS或非门 电路如图2
10、.5.3所示，串联起来的是两个P沟道增强型MOS管，并联起来的是两个N沟道增强型MOS管，T1和T2的栅极连接起来是输入端A，而T3和T4的栅极连接起来是输入端B。,图2.5.3 CMOS或非门,2.5.2 CMOS漏极开路门、三态门和传输门,1CMOS漏极开路门（OD门） 2CMOS三态门 3CMOS传输门 图2.5.6（a）为CMOS传输门电路，它由NMOS管T1和PMOS管T2并联互补组成。两管的源极相联，作为输入端；两管的漏极相联，作为输出端。由于MOS管的结构是对称的，所以信号可以双向传输。图2.5.6(b)给出了传输门的逻辑符号。,图2.5.6 CMOS传输门电路,(a)电路 (b
11、)逻辑符号,2.5.3 CMOS门电路的主要外部特性,1CMOS电路输入、输出电平的限值 2噪声容量 3功耗 4传输延迟时间 5扇出系数,2.5.4 CMOS电路产品系列和主要参数,1CMOS数字集成电路的分类 国产CMOS数字集成电路主要有CC4000系列和CC74HC系列，CC4000与国际上CD4000系列相对应，CC74HC与国际上MM74系列相对应，这两类CMOS电路主要差异反映在电源范围和平均传输延迟时间tpd上。两类CMOS电路的主要差异见下表。,2CC4000与74HC主要特性参数 由于手册中提供的参数都是在规定的测试条件下给出的，这里给出的特性参数只能作为比较参考，下表给出两个系列门电路的各种参数。,2.6 集成电路使用中应注意的几个问题,1使用TTL电路时应注意的问题 2使用CMOS电路时应注意的问题 3CMOS与TTL电路的比较 4TTL与CMOS器件之间的接口问题 5TTL和CMOS电路带负载时的接口问题,
