数字电子技术基础(上交版)教学课件02逻辑门电路

内容概述内容概述 第一节第一节 标准标准TTL与非门与非门 第二节第二节 其它类型其它类型TTL门电路门电路 第三节第三节 ECL逻辑门电路逻辑门电路 第四节第四节 I2 L逻辑门电路逻辑门电路 第五节第五节 NMOS逻辑门电路逻辑门电路 第六节第六节 CMOS逻辑门电路逻辑门电路 第七节第七节 逻辑门的接口电路逻辑门的接口电路 小结小结内容概述内容概述双极型集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门集集成成逻逻辑辑门门按器件类型分按器件类型分按集成度分按集成度分SSI：100个等效门个等效门MSI：103个等效门个等效门LSI：104个等效门个等效门VLSI：104个以上等效门个以上等效门本章内容：本章内容：集成逻辑门的基本结构、工作原理；集成逻辑门的基本结构、工作原理；集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。TTL、ECLI2L、HTLPMOSNMOSCMOS TTL与非门电路组成与非门电路组成 TTL与非门工作原理与非门工作原理 TTL与非门工作速度与非门工作速度 TTL与非门外特性及主要参数与非门外特性及主要参数 TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型 TTL集成电路产品集成电路产品TTL与非门电路组成与非门电路组成 输出级由输出级由D3、T4、T5和电阻和电阻R4组成。组成。T4与与T5组成推拉式输出组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。结构，具有较强的负载能力。输入级由多发射输入级由多发射极晶体管极晶体管T1、二极管、二极管D1、D2和电阻和电阻R1组成。组成。实现输入变量实现输入变量A、B的的与运算。与运算。中间级由中间级由T2、R2和和R3组成。组成。T2的集电极的集电极C2和发射极和发射极E2分别分别提供两个相位相反的电压信号。提供两个相位相反的电压信号。TTL与非门工作原理与非门工作原理 输输入入端端至至少少有有一一个个（设（设A端）接低电平：端）接低电平：0.3V3.6V1V3.6VT1管管:A端端发发射射结结导导通通，UB1=UA+UBE1=1V，其其它它发发射射结结反反偏偏截截止。止。（5-0.7-0.7）V=3.6V因因为为UB1=1V,所所以以 T2、T5截止截止,UC2Ucc=5V。T4：工作在放大状态工作在放大状态5V电路输出高电平：电路输出高电平：输入端全接高电平：输入端全接高电平：3.6V2.1V0.3VT1:UB1=UBC1+UBE2+UBE5=0.7V3=2.1V电电路路输输出出低低电电平平：UOL=0.3V3.6VT1：发射结反偏，集电发射结反偏，集电极正偏，工作在倒置放正偏，工作在倒置放大状态且大状态且T2、T5导通。导通。T2：工作在工作在饱和状态饱和状态T4：UC2=UCES2+UBE5 1V，T4截止。截止。T5：处于：处于深饱和状态深饱和状态TTL与非门工作原理与非门工作原理 输输入入端端全全接接高高电电平平，输出为低电平。输出为低电平。输输入入端端至至少少有有一一个个接接低低电电平平时时，输输出出为为高高电平。电平。由由此此可可见见，电电路路的的输输出出与与输输入入之之间间满满足足与非逻辑关系：与非逻辑关系：TTL与非门工作原理与非门工作原理T1：倒置放大状态：倒置放大状态T2：饱和状态：饱和状态T4：截止状态：截止状态T5：深度饱和状态：深度饱和状态T1：深度饱和状态：深度饱和状态T2：截止状态：截止状态T4：放大状态：放大状态T5：截止状态：截止状态TTLTTL与非门工作速度与非门工作速度存存在在的的问问题题：一一是是与与非非门门内内部部晶晶体体管管工工作作在在饱饱和和状状态态对对电电路路开开关关速速度度产产生生影影响响，二二是是与与非非门门输输出出端端接接容容性性负负载载时对工作速度产生影响。时对工作速度产生影响。采取的措施：采取的措施：1.采用多发射极晶体管采用多发射极晶体管T1，加速加速T2管脱离饱和状态。管脱离饱和状态。2.T4和和T5同时导通，加速同时导通，加速T5管脱离饱和状态。管脱离饱和状态。3.降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 外特性：外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。指的是电路在外部表现出来的各种特性。掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护和设计电路的重要依据。和设计电路的重要依据。介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（一）（一）电压传输特性电压传输特性 TTL与与非非门门输输入入电电压压UI与与输输出出电电压压UO之之间间的的关关系系曲曲线线，即即 UO=f（UI）。）。截截 止止 区区：当当 UI0.6V，Ub11.3V时时，T2、T5截截止止，输出高电平输出高电平UOH=3.6V。线线 性性 区区：当当 0.6VUI1.3V，0.7VU b21.4V时时，T2导导通通，T5仍仍截截止止，UC2随随Ub2升升高高而而下下降降，经经T4射随器使射随器使UO下降。下降。转折区：转折区：当当UI1.3V时，时，输入电压略微升高，输出输入电压略微升高，输出电压急剧下降，因为电压急剧下降，因为T2、T4、T5均处于放大状态。均处于放大状态。饱和区：饱和区：UI继续升高，继续升高，T1进入倒进入倒置工作状态置工作状态Ub1=2.1V，此时，此时T2、T5饱和，饱和，T4截止，输出低电平截止，输出低电平UOL=0.3V，且，且UO不随不随UI的增大的增大而变化。而变化。ABCDETTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 根据电压传输特性，可以求出根据电压传输特性，可以求出TTL与非门几个重要参数：与非门几个重要参数：输出高电平输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL 、阈值电压、阈值电压UTH、开门电平、开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF 、噪声容限等。、噪声容限等。1.输出高电平输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL：AB段所对应的输出电压为段所对应的输出电压为UOH。DE段所段所对应的输出电压为对应的输出电压为UOL。一般要求一般要求UOH3V，UOL0.4V。3.开门电平开门电平UON：开门电平开门电平UON也称输入高电平电压也称输入高电平电压UIH，指，指的是输出电平的是输出电平UO=0.3V时，允许输入高电时，允许输入高电平的最小值。平的最小值。UON典型值为典型值为1.4V，一般产，一般产品要求品要求UON1.8V。4.关门电平关门电平UOFF：关门电平关门电平UOFF也称输入低电平电压也称输入低电平电压UIL，指的是在保证输出电压为额定高电平指的是在保证输出电压为额定高电平UOH的的90%时，允许输入低电平的最大值。一时，允许输入低电平的最大值。一般产品要求般产品要求UOFF0.8V。2.阈值电压阈值电压UTH：CD段中点所对应的输入电压称为阈值电段中点所对应的输入电压称为阈值电压压UTH，也称门槛电压。，也称门槛电压。UTH=1.31.4V。低电平噪声容限低电平噪声容限U NL：高电平噪声容限高电平噪声容限U NH：5.噪声容限噪声容限TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。（二）（二）输入特性输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f（UI）。）。1.1.输入短路电流输入短路电流IIS（输入低电平电流（输入低电平电流IIL）当当UIL=0V时由输入端流出的电流。时由输入端流出的电流。2.2.输入漏电流输入漏电流IIH（输入高电平电流）（输入高电平电流）指指一一个个输输入入端端接接高高电电平平，其其余余输输入入端端接接低低电电平平，流流入入该输入端的电流，约该输入端的电流，约10AA左右。左右。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数假定输入电流假定输入电流II流入流入T1发射极发射极时方向为正，反之为负。时方向为正，反之为负。前级驱动门导通时，前级驱动门导通时，IIS将灌入将灌入前级门，称为灌电流负载。前级门，称为灌电流负载。前级驱动门截止时，前级驱动门截止时，IIH从前级从前级门流出，称为拉电流负载。门流出，称为拉电流负载。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（三）（三）输入负载特性输入负载特性 UI在一定范围内会随着在一定范围内会随着Ri的增加而升高，形成的增加而升高，形成Ui=f（Ri）变化曲线，称为输入负载特性。变化曲线，称为输入负载特性。若若要要使使与与非非门门稳稳定定在在截截止止状状态态，输输出出高高电电平平，应选择应选择RiROFF。若若要要保保证证与与非非门门可可靠靠导导通通，输输出出低低电电平平，应应选选择择RiRON。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（四）功耗（四）功耗 功耗有静态功耗和动态功耗之分。功耗有静态功耗和动态功耗之分。动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有空载导通功耗空载导通功耗PON和空载截止功耗和空载截止功耗POFF两个参数。两个参数。1.空载导通功耗空载导通功耗PON指的是输出端开路、输入端全部悬空、指的是输出端开路、输入端全部悬空、与非门导通时的功耗。标准与非门导通时的功耗。标准TTL芯片芯片PON 50mW。2.空载截止功耗空载截止功耗POFF指的是输出端开路、输入端接地、与指的是输出端开路、输入端接地、与非门截止时的功耗。标准非门截止时的功耗。标准TTL芯片芯片POFF25mW。1.扇入系数扇入系数NI是指合格输入端的个数。是指合格输入端的个数。2.扇出系数扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，表示门电路带负载能力的大小，NO表示可表示可驱动同类门的个数。驱动同类门的个数。NO分为两种情况，一是灌电流负载分为两种情况，一是灌电流负载NOL，二是拉电流负载二是拉电流负载NOH。NO=min（NOL，NOH）。）。IOLmax为为驱驱动动门门的的最最大大允允许许灌灌电电流流，IIL是是一一个个负负载载门门灌灌入入本本级级的的电电流流。IOHmax为为驱驱动动门门的的最最大大允允许许拉拉电电流流，IIH是是负负载门高电平输入电流。载门高电平输入电流。（五）（五）扇入系数扇入系数NI和扇出系数和扇出系数NOTTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（六）（六）平均传输延迟时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd：TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延迟了多少时间。迟了多少时间。导导通通延延迟迟时时间间t tPHL PHL：输输入入波波形形上上升升沿沿的的50%50%幅幅值值处处到到输输出出波波形形下下降降沿沿50%50%幅幅值值处所需要的时间。处所需要的时间。截截止止延延迟迟时时间间t tPLHPLH：从从输输入入波波形形下下降降沿沿50%50%幅幅值值处处到到输输出出波波形形上上升升沿沿50%50%幅幅值值处处所需要的时间。所需要的时间。通常通常t tPLHPLHt tPHLPHL，t tpdpd越越小，电路的开关速度越高。小，电路的开关速度越高。一般一般t tpdpd=10ns=10ns40ns40ns。TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（一）高速系列（一）高速系列（74H系列）系列）高速高速74H系列电路对标准系列电路对标准74系列电