第02章逻辑门电路.ppt

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1、数字电路与逻辑设计孙文生第第 2 章章 逻辑门电路逻辑门电路历史回顾历史回顾 1956年，肖克利、巴丁、布拉坦获得年，肖克利、巴丁、布拉坦获得诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖，表，表彰他们在半导体和晶体管研究领域的贡献。彰他们在半导体和晶体管研究领域的贡献。晶体管的发明是晶体管的发明是20世纪中叶科学技术领域划时代的一件大世纪中叶科学技术领域划时代的一件大事，它的诞生使电子学发生了根本性变革。事，它的诞生使电子学发生了根本性变革。1962年，年，TTL集成逻辑电路诞生。集成逻辑电路诞生。1971年，年，Intel公司推出第一款公司推出第一款NMOS四位四位微处理器微处理器Intel 4004，主频

2、，主频108kHz，支持，支持8位指位指令集及令集及12位地址集。位地址集。1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，开创了人类的硅文明时代。晶体管，开创了人类的硅文明时代。随着半导体工艺的进步，随着半导体工艺的进步，CMOS集成电路逐渐称为主流。集成电路逐渐称为主流。2.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 n二极管的开关特性二极管的开关特性n双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性 在数字电路中，二极管工作在在数字电路中，二极管工作在开关状态开关状态。由于结电容的存在，。由于结电容的存

3、在，导通导通与与截止截止状态的转换需要一定的时间。状态的转换需要一定的时间。反向恢复时间：反向恢复时间：tR=ts+tf其中：其中：ts 存储时间存储时间 tf 下降时间下降时间电荷存储效应电荷存储效应在放大状态：在放大状态：BCCBEiiiii2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性n四种工作状态四种工作状态工作状态发射结集电结放 大正 偏反 偏饱 和正 偏正 偏截 止反 偏反 偏反 向反 偏正 偏2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性晶体管反相器晶体管反相器n开关特性开关特性n延迟时间延迟时间 tdn上升时间上升时间 trn存储时间存储时间

4、 tsn下降时间下降时间 tffsoffrdontttttt2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性n饱和深度饱和深度临界饱和状态：临界饱和状态：CSBSCCCCCE(Sat)CCCSIIRVRVVI在深度饱和情况下：在深度饱和情况下：CSBSBIIi饱和深度：饱和深度：BSBIiS 晶体管反相器晶体管反相器2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性n肖特基晶体管肖特基晶体管：抗饱和晶体管：抗饱和晶体管抗饱和晶体管原理抗饱和晶体管原理肖特基晶体管符号肖特基晶体管符号 在晶体管的集电结上并联一个肖特基势垒二极管，以在晶体管的集电结上并联一个肖特基势垒

5、二极管，以降低晶体管的饱和深度降低晶体管的饱和深度。肖特基二极管由金属和半导体接触形成，正向压降肖特基二极管由金属和半导体接触形成，正向压降0.3 0.4伏，没有电荷存储效应。伏，没有电荷存储效应。2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器利用二极管的开关特性，可构成二极管利用二极管的开关特性，可构成二极管与门电路与门电路和和或门电路或门电路。ABFLLLLHLHLLHHH二极管与门输入和输出电平关系二极管与门输入和输出电平关系二极管与门真值表二极管与门真值表ABF000010100111输出：输出：高电平高电平 5 V 低电平低电平 0.7 V输入：输入：高电平高电平 5 V 低电平低电平 0

6、 VF=ABn二极管与门电路二极管与门电路2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器n二极管或门电路二极管或门电路输入：输入：高电平高电平 5 V 低电平低电平 0 V输出：输出：高电平高电平 4.3 V 低电平低电平 0 VABFLLLLHHHLHHHH二极管或门输入和输出电平关系二极管或门输入和输出电平关系二极管或门真值表二极管或门真值表ABF000011101111F=A+B2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器n二极管电路的缺点二极管电路的缺点F=ABC0.7V1.4V2.1V000V5V5V5V1.输入输入/输出电平不一致输出电平不一致.2.信号通过多级门电路时信号通过多级门电路时,

7、会导致电平偏离会导致电平偏离.3.带负载能力低带负载能力低.2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器晶体管反相器晶体管反相器n反相器的工作原理反相器的工作原理30输入低电平输入低电平0V时，时，晶体管截止晶体管截止 Vb=-0.92V 输出高电平输出高电平 3.7V输入高电平输入高电平3V时，时，晶体管饱和晶体管饱和 Ib=0.82mA，Ibs 0.4mA 输出低电平输出低电平 0.3V电路实现电路实现逻辑非逻辑非的功能。的功能。n输入为脉冲信号输入为脉冲信号n晶体管晶体管VT工作在开关状态工作在开关状态2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器晶体管反相器晶体管反相器n反相器的负载能力反相器的

8、负载能力 负载负载就是反相器输出端所接的其它电路。就是反相器输出端所接的其它电路。n灌电流负载灌电流负载 (对反相器而言对反相器而言)n拉电流负载拉电流负载CELILR1LILR1n晶体管输出低电平晶体管输出低电平n负载电流负载电流流入流入反相器反相器n灌电流降低了饱和深度灌电流降低了饱和深度n晶体管输出高电平晶体管输出高电平n负载电流负载电流流出流出反相器反相器n拉电流降低了输出电平拉电流降低了输出电平反相器带灌电流负载反相器带灌电流负载18Eq2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器n灌电流负载灌电流负载 (对反相器而言对反相器而言)当晶体管当晶体管VT饱和饱和时，输出低电平，灌电流时，输

9、出低电平，灌电流IL流入集电极流入集电极，其中：其中：CCRcREI/三极管的饱和深度随着三极管的饱和深度随着 IL 的增加的增加而减小，当而减小，当VT退出饱和时，退出饱和时，VO将将不再不再保持低电平。保持低电平。灌电流负载能力是灌电流负载能力是指三极管从指三极管从饱和饱和退到退到临临界饱和界饱和时所允许灌入的时所允许灌入的最大负载电流最大负载电流ILMax。IbIbs集电极电流集电极电流 IC=IRc+IL2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器 例如，输入高电平例如，输入高电平ViH3V时，基极电流时，基极电流Ib0.82mA，晶体管，晶体管饱和。在临界饱和时，集电极电流饱和。在临界饱

10、和时，集电极电流:mA6.2482.030MaxbCII30V12 为保证为保证VT饱和，集电极电流的最大值饱和，集电极电流的最大值为为24.6mA.反相器带灌电流负载反相器带灌电流负载18EqmA12RcCCREI由于由于mA6.12RcCMaxLMaxIIIRC越大越大，带灌电流负载的能力越强。，带灌电流负载的能力越强。IC=IRc+IL2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器反相器带拉电流负载反相器带拉电流负载 当反相器输入低电平时，晶体管当反相器输入低电平时，晶体管截止截止，输出高电平，负载电，输出高电平，负载电流流IL从反相器流出从反相器流出，形成拉电流。，形成拉电流。流经电阻流经电

11、阻RC的电流分为两部分：一部分为的电流分为两部分：一部分为流入钳位二极管的电流流入钳位二极管的电流Ig，另一部分为流入负，另一部分为流入负载的电流载的电流IL。n拉电流负载拉电流负载(对反相器而言对反相器而言)LgRCIIImA3.8CDqqCRCRVEEIV12V3k1V7.0 当负载电流当负载电流IL增加时，增加时，Iq将减小。将减小。为保证输出高电平稳定，钳位二极管为保证输出高电平稳定，钳位二极管必须导通，必须导通，极限情况为极限情况为Ig 0。EqV12V3k1V7.0Eq2.2 晶体三极管反相器晶体三极管反相器反相器带拉电流负载反相器带拉电流负载 流过负载流过负载RL的最大允许电流的

12、最大允许电流ILMax是是Iq 0 时的负载电流，即：时的负载电流，即：可见，可见，RC越小越小，带拉电流负载的能力越强。，带拉电流负载的能力越强。mA3.8maxRCLIICCRcREIIIICSCSLMax 可见，可见，RC越大越大，带灌电流负，带灌电流负载的能力越强。载的能力越强。n灌电流负载灌电流负载 2.3 TTL集成逻辑门集成逻辑门n54系列：使用温度范围系列：使用温度范围-55+125 n74系列：使用温度范围系列：使用温度范围0+70 早期的集成逻辑门采用的是早期的集成逻辑门采用的是二极管二极管-三极管电路三极管电路(DTL)，速度，速度较低，以后发展成为较低，以后发展成为晶体

13、管晶体管-晶体管电路晶体管电路(TTL)。TTL系列分为标系列分为标准系列、肖特基系列等，目前广泛使用的是肖特基系列。准系列、肖特基系列等，目前广泛使用的是肖特基系列。n肖特基肖特基TTL：简称：简称STTLn低功耗肖特基低功耗肖特基TTL：简称：简称LSTTL74LS002.3.1 标准标准TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理n电路结构和工作原理电路结构和工作原理与非门与非门7400内部电路内部电路逻辑电平：逻辑电平：高电平高电平 3.6V 低电平低电平 0.3Vn输入有一个为低电平输入有一个为低电平n输出高电平输出高电平 YABFn输入全部为高电平输入全部为高电平n输

14、出低电平输出低电平n实现实现与非逻辑与非逻辑功能功能+5V2.3.1 标准标准TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理n电路结构和工作原理电路结构和工作原理与非门与非门7400内部电路内部电路逻辑电平：逻辑电平：高电平高电平 3.6V 低电平低电平 0.3V 提高工作速度的措施提高工作速度的措施n输入级采用多发射极输入级采用多发射极晶体管晶体管 某输入某输入 高高低低n缩短缩短T2、T5存储时间存储时间n输出级采用同类管推输出级采用同类管推挽输出电路挽输出电路 CL充放电快充放电快n改善边沿特性改善边沿特性AVOHBCDEVOLVI(V)0.32.7VOFFVTVONVo(V

15、)2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数n电压传输特性及相关参数电压传输特性及相关参数AB段：段：vI0.6V，T1深度饱和，深度饱和，使使T2和和T4截止，截止，T3导通导通 输出高电平。输出高电平。BC段：段：0.6V vI1.3V，T1仍处仍处 于饱和状态，于饱和状态，T2开始导开始导 通，通，T4尚未导通。尚未导通。T2处处 于放大状态，其集电极于放大状态，其集电极 电压随输入电压的增加电压随输入电压的增加 下降，并通过下降，并通过T3、D3反反 映在输出端。映在输出端。7400与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 CD段：段：1.3V vI1.4V，T4开开 始导

16、通，输出电压迅速始导通，输出电压迅速 降低，降低，T3趋于截止。趋于截止。DE段：段：vI 1.4V，T1进入倒置放进入倒置放 大状态，其基极电流全部大状态，其基极电流全部 注入注入T2的基极，使的基极，使T2饱和，饱和，T4也饱和，也饱和，T3截止，输出截止，输出 低电平。低电平。2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数n电压传输特性及相关参数电压传输特性及相关参数7400与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 AVOHBCDEVOLVI(V)0.32.7VOFFVTVONVo(V)2.3.2 TTL与非门的特性及参数与非门的特性及参数(1)输出高电平输出高电平 VOH 典型值典型值VOH 3.4Vn电压传输特性及相关参数电压传输特性及相关参数7400与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 VOHmin是满足输出电流指标时，是满足输出电流指标时，输出高电平允许的最低值，一输出高电平允许的最低值，一般要求般要求 VOHmin 2.7V(2)输出低电平输出低电平 VOL 典型值典型值VOL 0.25VVOLmax是满足输出电流指标时，是满足输出电流指标时，输出低电平允许