第三章门电路(1).ppt

数字电子技术基础数字电子技术基础（第五版）教学课件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数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版第三章第三章 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门电路本章主要内容本章主要内容3.1 概述概述3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.5 TTL门电路门电路3.6 其他类型的双极型集成门电路其他类型的双极型集成门电路3.3 CMOS门电路门电路3.4 其他类型的其他类型的MOS集成门电路集成门电路 3.1 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VLSI10只要能判断只要能判断高低电平即高低电平即可可K K开开-v vo o=1,=1,输出高电平输出高电平K K合合-v vo o=0,=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互补开关电路：互补开关电路：开关开关S1和和S2受同一输入受同一输入信号信号vI的控制，而且导通和的控制，而且导通和断开的状态相反当断开的状态相反当S1闭合闭合时，时，S2断开，输出为高电平断开，输出为高电平“1”；相反当；相反当S1断开时，断开时，S2闭合，输出为低电平闭合，输出为低电平“0”3.2 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 3.7V0.7V0.7V0.7V3.2.2 二极管与门二极管与门YABVILVILVILVILVIHVIHVIHVIH3.7V0.7V0.7V0.7VYAB000011111000二极管与门二极管与门EWB EWB 仿真仿真二极管或门二极管或门3.2.3 二极管或门二极管或门YABVILVILVILVILVIHVIHVIHVIH0V2.3V2.3V2.3V设：设：VIL=0V,VIH=3V VD=0.7V EWB EWB 仿真仿真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、输出电平不匹配二极管门电路的缺点二极管门电路的缺点4.带负载能力差带负载能力差多用于集成电路（多用于集成电路（IC）内部电路）内部电路3.5 TTL门电路（门电路（P109）一、一、晶体管的结构和类型晶体管的结构和类型NPN型型基区发射区集电区发射结集电结发射极基极集电极bec【】内容内容回顾回顾PNP型型3.5.1 三极管及其构成的非门电路三极管及其构成的非门电路1.输入特性输入特性IB(A)UBE(V)204060800.50.8导通电压：导通电压：硅管硅管UBE 0.60.8V,锗管锗管UBE 0.20.3V开启电压开启电压:硅管硅管0.5V锗管锗管0.1V【】内容内容回顾回顾二、晶体管的共射特性曲线二、晶体管的共射特性曲线2.2.输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A放大区放大区【】内容内容回顾回顾饱和区饱和区截止区截止区输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:(1)放大区放大区：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏。

即：即：IC=IB,且且 IC=IB(2)饱和区饱和区：发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏即：即：UCE UBE，IBIC，UCES 0.3V(3)截止区截止区：UBE IBS三、三、三极管的开关特性三极管的开关特性vi=0 iB=0 T截止截止 iC=0vRC=0vO=VcciCiBRBRCVCCvOvi+-三、三极管的开关特性三、三极管的开关特性iCiBRBRCVCCvOvi+-vi 较大较大 iC=iBvRC=iC RCvO=Vcc-iC RCT饱和饱和vo=VCESiCiBRBRCVCCvOvi+-三极管工作状三极管工作状态判断方法：态判断方法：当当UBE0.7V时，时，截止截止0.7V时，时，放大或饱和放大或饱和 晶体管的基本开关电路晶体管的基本开关电路iCiBRBRCVCCvOvi+-三极管工作状态三极管工作状态判断方法：判断方法：当当vBC0时，时，放大放大0时，时，饱和饱和假设三极管饱和，假设三极管饱和，IC最大最大饱和电流为饱和电流为ICSIBS=ICS/IB IBS时，时，饱和饱和 IBS时，时，放大放大iCiBRBRCVCCvO ui+-+-UCESIC(mA )1234UCE(V)36 9 12IB=0(1)判断判断UBE(2)计算计算ICS 和和IBS(3)计算计算IB(4)判断判断IB 是否大于是否大于IBS,若大于则三极管工作于若大于则三极管工作于饱和状态，反之，则工作于放大状态。

饱和状态，反之，则工作于放大状态三极管的开关电路的分析方法三极管的开关电路的分析方法 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，在开关电路的输出端给出关电路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，在开关电路的输出端给出在开关电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四、四、三极管非门三极管非门RCVCC+-R1ICIBVOVi+-VEER2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、悬空时，晶体管的静态工作状态及管的静态工作状态及Vo的值？的值？分析：分析：Vi由叠加定理或戴维由叠加定理或戴维南等效定理可知南等效定理可知例：例：=30，VCC=VEE=12V，VCES=0.3V，R1=5.1k，RC=2k,R2=20k，当当Vi=0、5V、悬空时，、悬空时，晶体管的静态工作状态及晶体管的静态工作状态及Vo的值？的值？分析：分析：当当Vi=0时：时：晶体管位于截止区，晶体管位于截止区，V Vo o=12V=12V -VEEViVCC+-R1RCICIBVOVi+-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，晶体管的静态工作状态及、悬空时，晶体管的静态工作状态及Vo的值？的值？分析：分析：当当Vi=5V时：时：晶体管位于饱和区，晶体管位于饱和区，Vo=VCES=0.3V-VEEViVCC+-R1RCICIBVOVi+-由于发射结的钳位，故：由于发射结的钳位，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R2-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，、悬空时，晶体管的静态工作状态及晶体管的静态工作状态及Vo的值？的值？分析：分析：Vi当当Vi 悬空时：悬空时：晶体管位于截止区晶体管位于截止区，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.带负载能力差带负载能力差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3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理输入级输入级倒相级倒相级输出级输出级一、一、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1.输入为低电平（输入为低电平（0.2V）时）时0.2V0.9V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2.1VVCC5V0.2V0.9V1.输入为低电平（输入为低电平（0.2V）时）时uouo=5-uR2-ube4-uD2 3.4V高电平高电平！VCC5V2.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钳电位被钳在在4.1V倒置倒置 0.9V截止截止3.4V2.1V1.4V0.7V饱和饱和VCC5V2.输入为高电平（输入为高电平（3.4V）时）时饱和饱和3.4Vuo 0.2V低电平低电平！VCC5V输入级输入级倒相级倒相级输出级输出级TTL非门的内部结构非门的内部结构图图腾腾柱柱输输出出拉电流拉电流灌电流灌电流1、电压传输特性、电压传输特性二、二、TTL非门的主要特性非门的主要特性1+5Vuiu0(3.4V)u0(V)ui(V)123UOHUOL(0.2V)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噪声容限噪声容限74系列典型值为：系列典型值为：VOH（min)=2.4V,VOL（max)=0.4VVIH（min)=2.0V,V IL（max)=0.8VVNH=0.4V,VNL=0.4V3.5.3 TTLTTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性一、一、输入特性输入特性（1）高电平输入电流）高电平输入电流IIH：IIH指被指被测输入测输入端接高电平端接高电平而其余输入端接地时，流入输而其余输入端接地时，流入输入端的电流。

入端的电流2）低电平输入电流）低电平输入电流IIL：IIL指被指被测输入测输入端接端接低电平，而其余输入端低电平，而其余输入端悬空悬空时，由被时，由被测输入端流向测输入端流向“地地”端的电流端的电流VILIIL1.4V-1mAiI(mA)vi(V)0VIHIIH40A一、一、输入特性输入特性倒置状态倒置状态D1导通导通输入低电平输入低电平输入高电平输入高电平二、输出特性二、输出特性iL(mA)vO(V)0iL 400AiL 10mA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N1IIHIIHIIHIOH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N2IILIILIILIOL显然：显然：N2IIL IOL N2 IOL/IIL 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，每个门电路输出端的限制，每个门电路输出端所带门电路的个数，称为所带门电路的个数，称为扇出系数扇出系数注意：当前级输出高、低电平时如果注意：当前级输出高、低电平时如果N1 和和N2不相等，则较小者为不相等，则较小者为扇出系数扇出系数。

输入端输入端“1”,“0”？三、输入端负载特性三、输入端负载特性uiRP简化电路简化电路RP较小时较小时当当RPR1时时,ui RPRPui0简化电路简化电路RP增大时增大时1.4VRPui0RuiuiUT（1.4V）时，输入变为高电平，）时，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输入端悬空，怎样处理对对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例例1】说明图中说明图中TTL电路的输出状态电路的输出状态ROFF 0.7kRON 1.5kROFF 0.7kRON 1.5k3.5.5 其他类型的其他类型的TL门电路门电路 一、一、与非门与非门 二、二、或非门或非门 三、三、OC门门 四、四、三态门三态门一、一、TTL与非门与非门？AB端悬空端悬空AB端接不同电阻端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决定于门决定于门电路输入端的个数；电路输入端的个数；前级输出为低电平时，前级输出为低电平时，N2决定于门决定于门电路的个数。

电路的个数取较小者为扇出系数取较小者为扇出系数注意：注意：在计算时在计算时IOL、IIL、IOH、IIH 均取绝对值均取绝对值1.悬空的输入端相当于接高电平悬空的输入端相当于接高电平2.为了防止干扰，可将与非门多余为了防止干扰，可将与非门多余的输入端接高电平或并联使用的输入端接高电平或并联使用器件手册（器件手册（pdf）【例例2】说明图下列情况下，万用表的测量说明图下列情况下，万用表的测量结果是多少？结果是多少？（1）vI1悬空；悬空；（2）vI1接低电平（接低电平（0.2V）；）；（3）vI1接高电平（接高电平（3.2V）；）；（4）vI1经经51电阻接地；电阻接地；（5）vI1经经10k电阻接地电阻接地vI1VvI2（1）vI1悬空悬空1.4V万用表的内阻万用表的内阻100k100k（2）vI1接低电平接低电平 （0.2V）0.2V100k（3）vI1接高电平接高电平 （3.2V）1.4V100k（4）vI经经51 电阻接地电阻接地0V100k（5）vI经经10k 电阻接地电阻接地1.4V二、二、TTL或非门或非门 或非门扇出系数的计算或非门扇出系数的计算无论前级输出为高还是低电平，无论前级输出为高还是低电平，N都需要都需要考虑后一级门电路输入端的个数。

考虑后一级门电路输入端的个数1.悬空的输入端相当于接高电平悬空的输入端相当于接高电平2.为了防止干扰，可将或非门多余为了防止干扰，可将或非门多余的输入端接的输入端接 高电平高电平 或并联使用或并联使用低电平低电平三、集电极开路的门（三、集电极开路的门（OC门）门）（1 1）输出电平固定；）输出电平固定；（2 2）不能提供较大的驱动电流；）不能提供较大的驱动电流；（3 3）不能）不能“线与线与”1.电路结构电路结构1.电路结构电路结构符号符号 ！T5管集电管集电极开路极开路应用时输出端要接一上拉负载电阻应用时输出端要接一上拉负载电阻RL2.OC门可以实现门可以实现“线与线与”功能功能Y=Y1Y2Y3输出级输出级VCCT5T5T5 YY=Y1Y2Y3?任一导通任一导通Y=0VCCT5T5T5 Y全部截止全部截止Y=1Y=Y1Y2Y3?所以：所以：Y=Y1Y2Y3VCCT5T5T5 Y个个门门n3.负载电阻负载电阻RL的的选择选择IIHIIHIIHIIHIIHIOHIOHIOHIOH：OC门输出三极门输出三极管截止时的漏电流管截止时的漏电流IIH：负载：负载门每个输入端的高电平输入电流门每个输入端的高电平输入电流为了保证为了保证OCOC门输出高电平门输出高电平VOH个个门门n当当OCOC门中只有一个导通时门中只有一个导通时IOL（max）：OC门的最大允许门的最大允许的负载电流的负载电流IIL：每个负载门的低每个负载门的低电平输入电流的绝电平输入电流的绝对值对值IOL(max)IILIILIILIILIIL四、三态门（四、三态门（TS门）门）EN -控制端控制端01截止截止截止截止截止截止高阻态高阻态0.7V0.7V10导通导通&ABY符号符号功能表功能表低电平起作用低电平起作用&ABF功能表功能表高电平起作用高电平起作用三态门主要作为三态门主要作为TTL电路与电路与总线总线间间的的接口电路接口电路用途：用途：E1、E2、E3轮流轮流接入高电平，将接入高电平，将不同数据（不同数据（A、B、C）分时送）分时送至总线。

至总线E1E2E3公公用用总总线线 ABC&小结小结基本要求：基本要求：1、掌握掌握TTL门电路的结构及静态特性门电路的结构及静态特性2、掌握各种、掌握各种TTL门的符号、特性及使用门的符号、特性及使用方法3、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作作 业业【题题3.2】【题题3.14】（书上）（书上）【题题3.16】【题题3.17】思思 考考【题题3.3】。