1、第三章门电路 3 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 低电平表示逻辑状态的1 0 获得高 低电平的基本原理 图 单开关电路 获得高 低电平的基本原理 图 b 互补开关电路 在电子电路中 用高 低电平分别表示二值逻辑的l和0两种逻辑状态 能通过输人信号Vl控制三极管工作在截止和导通两个状态 它们就可以起到图中开关S的作用 正逻辑 高电平表示1 低电平表示0负逻辑 高电平表示0 低电平表示1 高 低电平都允许有一定的变化范围只要能够区分出高低电平即可 在最初的数字逻辑电路中 每个门电路都是用若干个分立的半导体器件和电阻 电容连接而成的 用这种单元电
2、路组成大规模的数字电路是非常困难的 随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺水平的不断提高 今天已经能把大量的门电路集成在一块很小的半导体芯片上 构成功能复杂的 片上系统 为数字电路的应用开拓了无限广阔的天地 数字逻辑电路分类从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型 单极型和混含型三种 在数字集成电路发展的历史过程中 首先得到推广应用的是双极型的TTL电路 但是TTL电路存在着一个严重的缺点 它的功耗比较大 由于这个原因 用TTL电路只能作成小规模集成电路 SmallScaleIntegration 简称SSl 其中仅包含l0个以内的门电路 和中规模集成电路 MediumScale
3、Integration 简称MSl 其中包含l0一100个门电路 而无法制作成大规模集成电路 LargeScaleIntegration 简称LSl 其中包含1000 10000个门电路 和超大规模集成电路 VeryLargeScaleIntegration 简称VLSl 其中包含10000个以上的门电路 3 2半导体二极管门电路 二极管的结构 PN结 引线 封装构成 二极管的特性 单向导电性导通后压降固定不变 钳位 3 2 1二极管的开关特性 高电平 VIH VCC低电平 VIL 0 VI VIHD截止 VO VOH VCCVI VILD导通 VO VOL 0 7V 二极管的开关等效电路 二
4、极管的动态电流波形 3 2 2二极管与门 设VCC 5V加到A B的VIH 3VVIL 0V二极管导通时VDF 0 7V 规定3V以上为1 0 7V以下为0 3 2 3二极管或门 设VCC 5V加到A B的VIH 3VVIL 0V二极管导通时VDF 0 7V 规定2 3V以上为1 0V以下为0 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 BJT BipolarJunctionTransistor 3 5TTL门电路3 5 1双极型三极管的开关特性 一 双极型三极管的结构管芯 三个引出电极 外壳 基区薄低掺杂 发射区高掺杂 集电区低掺杂 二 双极型三极管 NPN 的输入输
5、出特性 VON 开启电压硅管 0 5 0 7V锗管 0 2 0 3V近似认为 VBE VONiB 0VBE VONiB的大小由外电路电压 电阻决定 图3 5 2 a 输入特性曲线 三极管的输入特性 三极管的输出特性 固定一个IB值 即得一条曲线 在VCE 0 7V以后 基本为水平直线 图3 5 2 b 输出特性曲线 特性曲线分三个部分放大区 条件VCE 0 7V iB 0 iC随iB成正比变化 iC iB 饱和区 条件VCE0 VCE很低 iC随 iB增加变缓 趋于 饱和 截止区 条件VBE 0V iB 0 iC 0 c e间 断开 三 双极型三极管的基本开关电路 只要参数合理 VI VIL时
6、 T截止 VO VOHVI VIH时 T导通 VO VOL 工作状态分析 工作状态分析 图解法求输出Vo 三 双极型三极管的基本开关电路 只要参数合理 VI VIL时 T截止 VO VOHVI VIH时 T导通 VO VOL 四 三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态 五 动态开关特性 从二极管已知 PN结存在结电容效应 在饱和与截止两个状态之间转换时 iC的变化将滞后于VI 则VO的变化也滞后于VI 六 三极管反相器 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 VI VIL时 T截止 VO VOHVI VIH时 T导通 VO VO
7、L 例3 5 1 计算参数设计是否合理 5V 8V 3 3K 10K 1K 20VCE sat 0 1V VIH 5VVIL 0V 例3 5 1 计算参数设计是否合理 将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路 当当又因此 参数设计合理 3 5 2TTL反相器的电路结构和工作原理 一 电路结构 二 电压传输特性 阈值电压或门槛电压转折区中点对应输入电压 二 电压传输特性 需要说明的几个问题 三 输入噪声容限 一 输入特性 3 5 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 二 输出特性1 高电平输出特性 二 输出特性2 低电平输出特性 0 2V16mA 3 5 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性
8、 例 扇出系数 Fan out 试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载 三 输入端负载特性 Rp 3 5 5其他类型的TTL门电路 一 其他逻辑功能的门电路1 与非门 2 或非门 3 与或非门 4 异或门 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 2 OC门的结构特点 OC门实现的线与 3 外接负载电阻RL的计算 3 外接负载电阻RL的计算 3 外接负载电阻RL的计算 三 三态输出门 ThreestateOutputGate TS 三态门的用途 1 总线结构 2 数据双向传输 一 高速系列74H 54H
9、High SpeedTTL 电路的改进 1 输出级采用复合管 减小输出电阻Ro 2 减少各电阻值2 性能特点速度提高的同时功耗也增加 2 4 5TTL电路的改进系列 改进指标 二 肖特基系列74S 54S SchottkyTTL 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 性能特点速度进一步提高 电压传输特性没有线性区 功耗增大 三 低功耗肖特基系列74LS 54LS Low PowerSchottkyTTL 四 74AS 74ALS AdvancedLow PowerSchottkyTTL 2 5其他类型的双极型数字集成电路 DTL 输入为二极管门电路 速度低
10、已经不用HTL 电源电压高 Vth高 抗干扰性好 已被CMOS替代ECL 非饱和逻辑 速度快 用于高速系统I2L 属饱和逻辑 电路简单 用于LSI内部电路 3 3CMOS门电路 增强型耗尽型 N沟道增强型 VGS VGS th D S间形成导电沟道P沟道增强型 VGS VGS th D S间形成导电沟道 3 3CMOS门电路一 MOS管的开关特性 二 输入特性和输出特性 输入特性 直流电流为0 看进去有一个输入电容CI 对动态有影响 输出特性 iD f VDS 对应不同的VGS下得一族曲线 可变电阻区恒流区截止区 三 MOS管的基本开关电路 四 等效电路 OFF 截止状态ON 导通状态 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 一 电路结构 二 电压 电流传输特性 三 输入噪声容限 3 3 3CMOS反相器的静态输入和输出特性 一 输入特性 二 输出特性 二 输出特性 二 漏极开路的门电路 OD门 三 CMOS传输门及双向模拟开关 1 传输门 2 双向模拟开关 利用CMOS传输门还可以实现各种复杂的逻辑电路 如 异或门 计数器 寄存器等等 四 三态输出门 三态门的用途
