第3章逻辑门电路.ppt

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1、数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日1第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路3.1 概述概述本章介绍与本章介绍与基本逻辑运算和复合逻辑运算相对应的基本逻辑运算和复合逻辑运算相对应的单元电路称为单元电路称为门电路门电路。常用的门电路有。常用的门电路有“与与”门、门、“或或”门、门、“非非”门门、“与非与非”门、门、“或非或非”门、门、“与或非与或非”门门和和“异或异或”门等。门等。构成门电路构成门电路的的器件器件主要有两种：主要有两种：TTL(Transistor-Transistor Logic)双极型晶体管数字集成电路。双极型晶体管数字集成电

2、路。CMOS(Complement Metal-Oxide-Semiconductor)MOS晶体管数晶体管数字集成电路。字集成电路。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日23.2 晶体管的开关作用晶体管的开关作用3.2.1 二极管的开关作用二极管的开关作用 二极管开关电路二极管开关电路 R D UD 二二极极管管“开开”态态等等效效电电路路 R 二二极极管管“关关”态态等等效效电电路路 R i 0.7V+0 VuD/mAi/正正偏偏 反反偏偏 0.7V ONU SI 二二极极管管的的伏伏安安特特性性 )1(/KTquSDeIi数字电路数字

3、电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日33.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性晶体管的工作区分为晶体管的工作区分为3 3部分：截止区、放大区、饱和部分：截止区、放大区、饱和区。如下图所示：区。如下图所示：数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日4 RC UCC+RB Iu Ou iB iC RC UCC+RB CCOUu iB=0 iC 0 双极型三极管基本开关电路双极型三极管基本开关电路 截止状态等效电路截止状态等效电路 Iu(1)(1)截止状态截止状态截止状态的特点：截止状态的特点：iB 0

4、，iC 0，uCE=UCC。uBE 0 v（反偏），（反偏），uBC 0 v（反偏）。（反偏）。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日5(2)(2)放大状态放大状态放大状态的特点：放大状态的特点：uCE=UCC-iCRC。iC iB。uBE 0.7 v(正偏正偏)，uBC 0 v(反偏反偏)。RC UCC+RB Iu Ou iB iC 双极型三极管基本开关电路双极型三极管基本开关电路 数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日6(3)(3)饱和状态饱和状态1.1.临界饱和状态：临界饱和状态：

5、iC iB=IC(sat)uBE 0.7 v(正偏正偏)，uBC=0 v(零偏零偏)。0.7v0.7v 三极管饱和状态等效电路三极管饱和状态等效电路 RC UCC+RB Iu)(satCEOuuBSBIi iC IC(sat)=C)sat(CECCRUUCCCCCCRUR.U70数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日72.2.过饱和状态：过饱和状态：uBE 0.7 v(正偏正偏)，uBC 0 v(正偏正偏)。)sat(CBIi CCC)sat(CRUIv30.U)sat(CE0.7vUT=1.4 v时，时，II=40A。ui UT时的时的

6、II 叫做叫做 IIH。UT=1.4 v数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日36IIH也叫也叫拉电流拉电流，即后级门从前级门的输出端拉出电流。，即后级门从前级门的输出端拉出电流。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日37(2)(2)输出特性输出特性 输出低电平电流输出低电平电流IOLIOL是输出低电平时是输出低电平时流入流入输出端的电流输出端的电流。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日38IBS5IOLIOL(max)一般为一般为

7、16mA。IOUOLIO IBS5=IOL(max)时，时，T5将脱离饱和状态，这将脱离饱和状态，这将使得将使得uO=uCE5 0.4 v从从而不是输出低电平。而不是输出低电平。uO=UOL时的时的IO叫做叫做IOL。保证保证uO=uCE50.4v时时的的IO叫做叫做IOL。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日39 输出高电平电流输出高电平电流IOHIOH是输出高电平时是输出高电平时流出流出输出端的电流输出端的电流。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日40IOUOH考虑到芯片（考虑到

8、芯片（T4）功耗）功耗问题，问题，一般取一般取IOH(max)为为 5 mA。IO IOH(max)时，会使时，会使uO 2.4 v从从而使输出不是高电平。而使输出不是高电平。uO=UOH时的时的IO叫做叫做IOH。保证保证uO2.4v时的时的IO叫做叫做IOH。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日41(3)(3)扇出系数扇出系数 TTL“与非与非”门输出端能驱动同类门输出端能驱动同类“与非与非”门的最大个数称为门的最大个数称为扇出扇出系数系数，用，用NO表示。表示。输出输出低电平时的低电平时的扇出系数为扇出系数为：5.141.116(m

9、ax)ILOLOLIIN输出输出高电平时的高电平时的扇出系数为扇出系数为：251104010563IH(max)OHOHIIN7474系列系列TTL“与非与非”门的扇出系数门的扇出系数一般一般取取NO=10。特殊制作的驱动特殊制作的驱动器集成门电路，其扇出系数可达器集成门电路，其扇出系数可达NO=20 。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日42(4)(4)输入端负载特性输入端负载特性K2K9311.1CCP3707012R.V.R370547)01(2.数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月

10、15日43 TTL门电路输入端的外接电阻门电路输入端的外接电阻小于小于2 2K时，相当于输入端接时，相当于输入端接低电低电平平，即：逻辑，即：逻辑“0”。TTL门电路输入端的外接电阻门电路输入端的外接电阻大于大于2 2K时，相当于输入端接时，相当于输入端接高电高电平平，即：逻辑，即：逻辑“1”。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日443.TTL“与非与非”门的动态特性门的动态特性 (1)(1)平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd。221pdpdpdttt输入电压上升到输入电压上升到50%50%UIM至输出电至输出电压下降到压下降到50%

11、50%UOM所需的时间称为所需的时间称为导通延迟时间导通延迟时间tpd1。输入电压下降到输入电压下降到50%50%UIM至输出电至输出电压上升到压上升到50%50%UOM所需的时间称为所需的时间称为截止截止延迟时间延迟时间tpd2。导通延迟时间与截止延迟时间的导通延迟时间与截止延迟时间的平均值称为平均值称为平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日4574系列系列是是普通（标准）型普通（标准）型TTL门电路，它的平均传输延门电路，它的平均传输延迟时间为：迟时间为：tpd=20 nS。74LS系列是低功耗肖

12、特基型系列是低功耗肖特基型TTL门电路，它的平均传输门电路，它的平均传输延迟时间为：延迟时间为：tpd=10 nS。74S系列是肖特基型系列是肖特基型TTL门电路，它的平均传输延迟时门电路，它的平均传输延迟时间为：间为：tpd=3 nS。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日46(2)(2)动态尖峰电流和功耗动态尖峰电流和功耗 尖峰电流尖峰电流在动态时，在动态时，特别是输出端由低电平转换特别是输出端由低电平转换为高电平时为高电平时，可使电源电流产生一尖峰，可使电源电流产生一尖峰脉冲。脉冲。该尖峰电流既可能对电路产生干扰；又该尖峰电流既可能对

13、电路产生干扰；又可使电源的平均电流增大。可使电源的平均电流增大。输入信号的频率越高，电源电流的平均输入信号的频率越高，电源电流的平均值增大越多值增大越多。实践中，在门电路的电源实践中，在门电路的电源UCC与与“地地”之间加一个小容量的滤波电容，以消除之间加一个小容量的滤波电容，以消除尖峰电流对电源的影响。尖峰电流对电源的影响。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日47 功耗功耗“与非与非”门的功耗定义为：门的功耗定义为：“与非与非”门空载时，输出低电平从电源门空载时，输出低电平从电源吸取的电流同吸取的电流同“与非与非”门电源电压的乘积门电源

14、电压的乘积。“与非与非”门的门的功耗功耗值约为值约为235mW。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日484.改进型改进型TTL“与非与非”门简介门简介 改进型改进型TTL“与非与非”门被称为门被称为肖特基肖特基TTL（简称（简称STTL）“与非与非”门门。它的型号。它的型号是是74Sxx74Sxx系列系列。肖特基三极管肖特基三极管是由普通双极型三极是由普通双极型三极管和肖特基势垒二极管管和肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode，简称，简称SBD)组合而组合而，叫做叫做抗饱和抗饱和三极管，亦三极管，亦称称肖特基肖特基

15、管管。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日49T1、T2、T3、T5、T6均采均采用了肖特基三极管用了肖特基三极管。T3、T4构成符合构成符合三极管三极管，作用相当于原来的作用相当于原来的T4管，管，但高电平驱动电流更大。但高电平驱动电流更大。T6、RB、RC构成构成“有源有源泄放网络（回路）泄放网络（回路）”，以代替原来的以代替原来的R3。有源泄放网络（回路）有源泄放网络（回路）”的作用是可以加速（缩短）的作用是可以加速（缩短）T5的导通和截止时间。的导通和截止时间。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路

16、2023年11月15日5074系列与系列与74S系列系列TTL“与非与非”门电压传输特性比较门电压传输特性比较 电压传输特性曲线电压传输特性曲线74S系列的电压传输特性系列的电压传输特性数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日51作业作业1：3-1，3-4，3-5数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日523.5 其他类型的其他类型的TTL“与非与非”门电门电路路3.5.1 集电极开路集电极开路“与非与非”门（门（OC门）门）原来的原来的T4、R4、D3取消，取消，T5的集电极的集电极成为开路成为开路，所以叫，所以叫集电极开路集电极开路“与非与非”门，门，简称简称OC门门。1.电路结构电路结构 UCC和和UCC不一定不一定相同相同。数字电路数字电路分析与设计分析与设计 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路2023年11月15日53OC门的工作过程：门的工作过程：A、B、C中中有一个为低电平有一个为低电平(0.3v)时，时，UB1=0.7+0.3=1v，T1饱和，饱和，T2、T5 截止。截