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1、数字电子技术基础数字电子技术基础信息科学与工程学院信息科学与工程学院基础电子教研室基础电子教研室第二章第二章 门电路门电路内容提要内容提要 本章介绍数字电路的基本逻辑单元本章介绍数字电路的基本逻辑单元门电门电路。首先复习二极管、三极管的工作特性，然路。首先复习二极管、三极管的工作特性，然后讲述由三极管构成的后讲述由三极管构成的TTL电路的工作原理，电路的工作原理，重点介绍重点介绍TTL电路电气特性，即输入特性和输电路电气特性，即输入特性和输出特性出特性，为以后应用这些器件打下基础，最后，为以后应用这些器件打下基础，最后简单介绍了简单介绍了CMOS门电路。门电路。第二章第二章 门电路门电路2.1
2、 概述2.3 最简单的与、或、非门电路2.4 TTL门电路门电路2.5 CMOS门电路 2.1 概述概述 1. 门电路是用以实现逻辑关系的电门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：相对应，门电路主要有：与门与门、或门或门、与非门与非门、或非门或非门、异或门异或门等。等。2. 分类分类按工艺：双极型TTL、MOS型CMOS按逻辑功能：与、或、非、与非等按输出结构：推拉式、OC门按集成度小规模集成电路SSI中规模集成电路MSI大规模集成电路LSI超大规模集成电路VLSI 小规模集成电路(SSI-Small Scale I
3、ntegration)， 每片组件内包含10100个元件(或1020个等效门)。 中规模集成电路(MSI-Medium Scale Integration)，每片组件内含1001000个元件(或20100个等效门)。 大规模集成电路(LSI-Large Scale Integration)， 每片组件内含1000100 000个元件(或1001000个等效门)。 超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale Integration)， 每片组件内含100 000个元件(或1000个以上等效门)。 10 vivoKVccR只要能判断高只要能判断高低电平即可低电平即可K开开-vo=
4、1, 输出高电平输出高电平K合合-vo=0, 输出低电平输出低电平可用三极可用三极管代替管代替3. 高、低电平的获取方法高、低电平的获取方法在数字电路中，一般用高电平代表在数字电路中，一般用高电平代表1、低、低电平代表电平代表0，即所谓的正逻辑系统，即所谓的正逻辑系统。2.3 2.3 最简单的与、或、非门电路最简单的与、或、非门电路 YABVILVILVILVILVIHVIHVIHVIH设：设：VIL =0V , VIH =3V VD =0.7V 3.7V0.7V0.7V0.7VFD1D2ABFD1D2ABVCCYD1D2AB2.3.1 2.3.1 二极管与门二极管与门YABVILVILVIL
5、VILVIHVIHVIHVIH3.7V0.7V0.7V0.7VYAB000011111000二极管与门二极管与门ABY&二极管或门二极管或门2.3.2 2.3.2 二极管或门二极管或门YD1D2ABYABVILVILVILVILVIHVIHVIHVIH0V2.3V2.3V2.3VABY1设：设：VIL =0V , VIH =3V VD =0.7V 2.3.3 2.3.3 三极管非门三极管非门-VEEVCC+-R1RCICIBVOVi+-R2例：例： =30， VCC = VEE =12V， VCES=0.3V， R1 =5.1k ， RC =2k , R2 =20k ， 当当Vi = 0、5V
6、、悬空时，晶体管的静态工悬空时，晶体管的静态工作状态及作状态及Vo的的值？值？分析：分析：Vi由叠加定理或戴维南等效定理可知由叠加定理或戴维南等效定理可知例：例： =30， VCC = VEE =12V， VCES=0.3V， R1 =5.1k ， RC =2k , R2 =20k ， 当当Vi = 0、5V、悬空时，晶体管的静态工悬空时，晶体管的静态工作状态及作状态及Vo的的值？值？分析：分析：当当Vi =0时：时：Q位于截止区，位于截止区，Vo=12V -VEEViVCC+-R1RCICIBVOVi+-R22.3.3 三极管非门三极管非门例：例： =30， VCC = VEE =12V，
7、VCES=0.3V， R1 =5.1k ， RC =2k , R2 =20k ， 当当Vi = 0、5V、悬空时，晶体管的静态工悬空时，晶体管的静态工作状态及作状态及Vo的的值？值？分析：分析：当当Vi =5V时：时：由于发射结的钳位，由于发射结的钳位， 故：故： Vi=0.7V由：由：IB=(Vi-0.7)/R1-(VEE+0.7)/R2得：得： IB=0.33mA而：而：ICS=(VCC- VCES)/RC = 4.85mA IBS= ICS/ = 0.16mA IB IBS三极管饱和三极管饱和Q位于饱和区，位于饱和区，Vo= VCES =0.3V -VEEViVCC+-R1RCICIBV
8、OVi+-R22.3.3 三极管非门三极管非门-VEEICIBR1RCVCCVOVi+-R2例：例： =30， VCC = VEE =12V， VCES=0.3V， R1 =5.1k ， RC =2k , R2 =20k ， 当当Vi = 0、5V、悬空时，晶体管的静态工悬空时，晶体管的静态工作状态及作状态及Vo的的值？值？分析：分析：Vi当当Vi 悬空时：悬空时：Q位于截止区，位于截止区，Vo=12V 1. 体积大、工作不可靠。体积大、工作不可靠。2. 需要不同电源。需要不同电源。3. 各种门的输入、输出电平不匹配。各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点分立元件门电路的缺点4.
9、带负载能力差。带负载能力差。作业：作业：P125 思考题和习题思考题和习题2.1题中的（题中的（a） 小题小题 2.1 概述概述 1. 门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：主要有：与门与门、或门或门、与非门与非门、或非门或非门、异或异或门门等。等。【 】内容内容回顾回顾2. 分类分类按工艺：双极型按工艺：双极型TTL、MOS型型CMOS按逻辑功能：与、或、非、与非等按逻辑功能：与、或、非、与非等按输出结构：推拉式、按输出结构：推拉式、OC门门按集成度按集成度小规模集成电路
10、小规模集成电路SSI中规模集成电路中规模集成电路MSI大规模集成电路大规模集成电路LSI超大规模集成电路超大规模集成电路VLSI【 】内容内容回顾回顾 vivoKVccR只要能判只要能判断高低电断高低电平即可平即可K开开-vo=1, 输出高电平输出高电平K合合-vo=0, 输出低电平输出低电平可用三极管可用三极管代替代替3. 高、低电平的获取方法高、低电平的获取方法在数字电路中，一般用高电平代表在数字电路中，一般用高电平代表1、低、低电平代表电平代表0，即所谓的正逻辑系统，即所谓的正逻辑系统。【 】内容内容回顾回顾2.2.2 二极管与门二极管与门FD1D2ABFD1D2ABVCCYD1D2AB
11、【 】内容内容回顾回顾YAB000011111000二极管与门二极管与门ABY&二极管或门二极管或门2.2.2 2.2.2 二极管或门二极管或门YD1D2ABABY1【 】内容内容回顾回顾YAB000011111011ICIBRBRCVCCVOVi+-三极管工作状态三极管工作状态判断方法：判断方法：(1) 判断UBE(2) 计算ICS 和IBS (3) 计算IB(4) 判断IB 是否大于IBS , 若大于则三极管工作于饱和状态，反之，则工作于放大状态。【 】内容内容回顾回顾 2.3 三极管及其构成的非门电路三极管及其构成的非门电路 三极管三极管截止截止时相当于时相当于开关断开开关断开，在开关电
12、路，在开关电路的输出端给出的输出端给出高电平高电平； 三极管三极管饱和导通饱和导通时相当于时相当于开关接通开关接通，在开关电，在开关电路的输出端给出路的输出端给出低电平低电平。三极管的开关等效电路三极管的开关等效电路【 】内容内容回顾回顾2.3.3 三极管非门三极管非门-VEEICIBR1RCVCCUOUi+-R2Ui三极管位于截止区，三极管位于截止区，Uo=12V， Uo为为高电平。高电平。当当Ui =0时：时： （为（为低电平低电平时）时）当当Ui =5V时：时： （为（为高电平高电平时）时）三极管位于饱和区，三极管位于饱和区，Uo= UCES =0.3V ，Uo为低电平。为低电平。【 】
13、内容内容回顾回顾2.4.1 TTL非门的电路结构和工作原理非门的电路结构和工作原理与分立元件电路相比，集成电路具与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为泛采用。根据电路内部的结构，可分为TTL、MOS管管集成门电路等。集成门电路等。 2.4 TTL集成门电路集成门电路一、一、TTL非门的内部结构非门的内部结构输入级输入级倒相级倒相级输出级输出级AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c11. 输入为低电平（输入为低电平（
14、0.3V）时时0.3V1V不足以让不足以让T2、T5导通导通三个三个PN结结导通需导通需2.1VAVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c1VCC5V1. 输入为低电平（输入为低电平（0.3V）时时uo=5-uR2-ube4-uD2 3.4V高电平高电平！uoA0.3V1VYR4R2R1T4T1 VCCD2b1c1VCC5V2. 输入为高电平（输入为高电平（3.4V）时时全导通全导通电位被嵌电位被嵌在在4.1V倒置倒置 1V截止截止AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c13.4V2.1V1.4V0.7VVCC5V饱和饱和2. 输入为高电平（输入为高电平（3.
15、4V）时时全导通全导通反偏反偏AVCCR2R1T2R3T1T5 D1b1c13.4V饱和饱和uo 0.3V低电平低电平！ 5VVCCR1b1c1TTL非门的内部结构非门的内部结构AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c1图图腾腾柱柱输输出出拉电流拉电流灌电流灌电流VCC5V一、一、电压传输特性电压传输特性2.4.2 TTL非门的主要特性非门的主要特性测试电路测试电路1+5Vuiu0(3.4V)u0(V)ui(V)123UOHUOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平阈值电压阈值电压UTH=1.4V截止区截止区饱和区饱和区转折区转折区线性
16、区线性区噪声容限噪声容限voviVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)11噪声容限噪声容限voviVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)VNH =VOH(min) VIH(min)VNL =VIL(max) VOL(max)2.4.2 TTLTTL非门的静态输入特性和输出特性非门的静态输入特性和输出特性一、一、 输入特性输入特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c1vILiIL1.4V-1mAiI (mA)vi (V)0vIHiIH40A一、一、 输入特性输入特性倒置状态倒置状态二、输出特性二、输出特性AVCCYR4R2
17、R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c1iL (mA)vO (V)0iL 400AiL 10mATTL非门的内部结构非门的内部结构AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c1AVCCYR4R1T4T1 D2b1c1R2VCC前级输出为前级输出为 高电平时高电平时前级前级后级后级111N1IIHIIHIIHIOH显然：显然： N1IIH IOH N1 IOH /IIH N1 400A/40A=10前级输出为前级输出为 低电平时低电平时前级前级后级后级R1T1+5V+5VR2T2R3T5 111N2IILIILIILIOL显然：显然： N2IIL IOL N2 IOL /IIL
18、N210mA/1mA=10一般一般TTL门的扇出系数为门的扇出系数为10。由于由于IOL、IOH的限制，每个门电路输出的限制，每个门电路输出端所带门电路的个数，称为端所带门电路的个数，称为扇出系数扇出系数。注意：当前级输出高、低电平时如注意：当前级输出高、低电平时如果果N1 和和N2不相等，则较小者为不相等，则较小者为扇出扇出系数系数。输入端输入端“1”,“0”？三、输入端负载特性三、输入端负载特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c1uiRP简化电路简化电路RP较小时较小时当当RPR1时时, ui RPRPui0VCCRPuiAR1T1be2be5简化电路简化电路RPu
19、iAVCCR1T1be2be5RP增大时增大时1.4VRPui0RuiuiUT （1.4V）时，时，输入变为高电平，输入变为高电平， 由于由于uBE1的钳位作用，的钳位作用， ui 动态固定为动态固定为1.4V 。对对TTL电路而言，当输入端对地电路而言，当输入端对地电阻电阻RP0.7k时，认为时，认为ui为低电为低电平，称为平，称为关门电阻关门电阻ROFF。对对TTL电路而言，当输入端对地电路而言，当输入端对地电阻电阻RP 1.5k时，认为时，认为ui为高电为高电平，称为平，称为开门电阻开门电阻RON。2.4.3 其他类型其他类型TTL门电路门电路一、一、TTL与非门与非门AVCCYR4R2
20、R1T2R3T4T1T5 D1D3b1c1BD2 ？AB端悬空端悬空AB端端接不同电阻接不同电阻扇出系数的计算扇出系数的计算相当接高电平相当接高电平与电阻值有关与电阻值有关 FD1D2ABFD1D2ABVCCYD1D2AB&N1显然：显然： N12IIH IOH N1 IOH /2IIH 前前级级输输出出为为高高电电平平时时IIHIIHIIHIOHIIHIIHN2显然：显然： N2IIL IOL N2 IOL /IIL 前前级级输输出出为为低低电电平平时时IILIILIOLIIL 与非门扇出系数的计算与非门扇出系数的计算前级输出为高电平时，前级输出为高电平时，N1决定于输入端的决定于输入端的个
21、数；前级输出为低电平时，个数；前级输出为低电平时，N2决定于门决定于门的个数。取较小者为扇出系数。的个数。取较小者为扇出系数。二、二、TTL或非门或非门 当当A1，B=0时，时， T2和和T5导通，导通， T 2 、T4 截止，截止， Y0。 当当B1，A=0时，时， T 2 和和T5 导导通，通， T2、T4 截止，截止，Y0。 只有只有AB0， T2 和和T 2同时截同时截止，止， T4导通，导通， Y1。 或非门扇出系数的计算或非门扇出系数的计算前级无论输出为高低电平，前级无论输出为高低电平，N都决定都决定于输入端的个数。于输入端的个数。2.4.1 TTL非门的电路结构和工作原理非门的电
22、路结构和工作原理 2.4 TTL集成门电路集成门电路【 】内容内容回顾回顾一、一、TTL非门的内部结构非门的内部结构输入级输入级倒相级倒相级输出级输出级AYR4R2R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c1【 】内容内容回顾回顾VCC1. 输入为低电平（输入为低电平（0.3V）时时uo=5-uR2-ube4-uD2 3.4V高电平高电平！uoA0.3V1VYR4R2R1T4T1 VCCD2b1c1VCC5V2. 输入为高电平（输入为高电平（3.4V）时时全导通全导通反偏反偏AVCCR2R1T2R3T1T5 D1b1c13.4V饱和饱和uo 0.3V低电平低电平！ 5VVCCR1b1c1TTL非
23、门的内部结构非门的内部结构AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c1图图腾腾柱柱输输出出拉电流拉电流灌电流灌电流VCC5V一、一、电压传输特性电压传输特性2.4.2 TTL非门的主要特性非门的主要特性【 】内容内容回顾回顾(3.4V)u0(V)ui(V)123UOHUOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平阈值电压阈值电压UTH=1.4V截止区截止区饱和区饱和区转折区转折区线性区线性区2.4.2 TTLTTL非门的静态输入特性非门的静态输入特性 和输出特性和输出特性一、一、 输入特性输入特性【 】内容内容回顾回顾AVCCYR4R2R1T
24、2R3T4T1T5 D1D2b1c1vILiIL1.4V-1mAiI (mA)vi (V)0vIHiIH40A倒置状态倒置状态二、输出特性二、输出特性AVCCYR4R2R1T2R3T4T1T5 D1D2b1c1iL (mA)vO (V)0iL 400AiL UGS(th) N UGS(th) P UGS(th) N 0 UGS(th) P 0 UGS(th) P UGS(th) N UGS(th) P vOVvI VDDVDD21VDD21DD0CMOS反相器电压传输特性曲线反相器电压传输特性曲线UGS2 UGS(th)N ，|UGS1 | | UGS(th)P |T T1 1导通，导通，T2
25、导通导通UGS2UGS(th)N, |UGS1|UGS(th)P| T T1 1导通，导通，T2截止截止UGS2 UGS(th)N, |UGS1|0.4V（TTL）。）。6. 输出电平摆幅（输出电平摆幅（ VOL 和和 VOH 的差）的差） 大，电源利用率高。大，电源利用率高。7. 集成度高，工作频率范围宽。集成度高，工作频率范围宽。2.6.3 CMOS电路的优点电路的优点8. 温度稳定性好温度稳定性好 可达可达-40+85 ，接近于，接近于 TTL 中中 54 军军 品系列（品系列（ -55+125 ）。）。9. 内部有较完善的保护电路。内部有较完善的保护电路。1. 焊接时，电烙铁外壳应接地
26、。焊接时，电烙铁外壳应接地。2. 器器件件插插入入或或拔拔出出插插座座时时，所所有有电电压压均均需需除除去。去。3. 不不用用的的输输入入端端应应根根据据逻逻辑辑要要求求或或接接电电源源 UDD(与与非非门门) ，或或接接地地 (或或非非门门) ，或或与与其其它它输入端连接。输入端连接。4. 注意与注意与 TTL 电路连接时的匹配问题。电路连接时的匹配问题。2.6.4 CMOS电路使用注意事项电路使用注意事项作业：作业：P123 自我检测题自我检测题（四）题（四）题P129 页页 题题 2.18本章小结本章小结基本要求：基本要求：1.理解二极管构成的与、或门工作原理解二极管构成的与、或门工作原
27、理；理；2.理解三极管构成的非门工作原理；理解三极管构成的非门工作原理；3.了解了解TTL非门的工作原理；非门的工作原理；4.掌握掌握TTL的外特性；的外特性；5. 掌握扇出系数的计算方法掌握扇出系数的计算方法4.掌握掌握OC门上拉电阻的计算方法。门上拉电阻的计算方法。第二章第二章 门电路门电路内容提要内容提要 本章介绍数字电路的基本逻辑单元本章介绍数字电路的基本逻辑单元门电门电路。首先复习二极管、三极管的工作特性，然路。首先复习二极管、三极管的工作特性，然后讲述由三极管构成的后讲述由三极管构成的TTL电路的工作原理，电路的工作原理，重点介绍重点介绍TTL电路电气特性，即输入特性和输电路电气特性，即输入特性和输出特性出特性，为以后应用这些器件打下基础，最后，为以后应用这些器件打下基础，最后简单介绍了简单介绍了CMOS门电路。门电路。
