[工学]数字电子技术课件.ppt

1、电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组第二章第二章 门电路门电路电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组一、门电路一、门电路 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与与 或或 非非 与与 非非 或或 非非 异或异或与或非与或非与与 门门或或 门门非非 门门与与 非非 门门或或 非非 门门异或门异或门与或非门与或非门电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组二、逻辑变量与两状态开关二、逻辑变量与两状态开关低电平低电平 高电平高电平 断开断开闭合闭合高电平高电平 3V低电平低电平 0V二值逻辑二值逻辑:所有逻辑变量只有两种取值所有逻辑变量只有两种取

2、值(1 或或 0)。数字电路数字电路:通过电子开关通过电子开关 S 的两种状态的两种状态(开或关开或关)获得高、低电平，用来表示获得高、低电平，用来表示 1 或或 0。3VIuSOu3VIuSOuIuSOu逻辑状态逻辑状态1001S 可由可由二极管二极管、三极管三极管或或 MOS 管实现管实现电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组三、高、低电平与正、负逻辑三、高、低电平与正、负逻辑负逻辑负逻辑正逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V 高电平和低电平是两个不同的可以截然高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。区别开来的电压范围。010V5V2.4V0.8V10电子线路电子线路精品课课

3、题组精品课课题组四、分立元件门电路和集成门电路四、分立元件门电路和集成门电路1.分立元件门电路分立元件门电路用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。2.集成门电路集成门电路把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半导体芯片上，再封装起来。导体芯片上，再封装起来。常用：常用：CMOS 和和 TTL 集成门电路集成门电路电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组五、数字集成电路的集成度五、数字集成电路的集成度一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数小规模集成电路小规模集成电路 S

4、SI(Small Scale Integration)10 门门/片片或或 10 000 门门/片片或或 100 000 元器件元器件/片片电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组2.1.1 理想开关的开关特性理想开关的开关特性一、一、静态特性静态特性1.断开断开 0 OFFOFF IR，2.闭合闭合 0 0AKON UR，SAK电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组二、动态特性二、动态特性1.开通时间：开通时间：2.关断时间：关断时间：闭合）闭合）（断开（断开断开）断开）（闭合（闭合普通开关：普通开关：静态特性好，动态特性差静态特性好，动态特性差半导体开关：半导体开关：静态特性较差，动态特

5、性好静态特性较差，动态特性好几百万几百万/秒秒几千万几千万/秒秒0on t0off tSAK电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组一、静态特性一、静态特性1.外加正向电压外加正向电压(正偏正偏)二极管导通二极管导通(相当于开关闭合相当于开关闭合)V7.0D U2.外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)V5.0 DU二极管截止二极管截止(相当于开关断开相当于开关断开)0D I硅二极管伏安特性硅二极管伏安特性阴极阴极A阳极阳极KPN结结-AK+DUDIP区区N区区+-正向正向导通区导通区反向反向截止区截止区反向反向击穿区击穿区0.5 0.7/mADI/V0(BR)UDU电子线路电子线路精品课课题组

6、精品课课题组D+-Iu+-Ou二极管的开关作用：二极管的开关作用：例例 V2L II UuuO=0 VV3H II UuuO=2.3 V电路如图所示，电路如图所示，V3 V 2I或或 u试判别二极管的工作试判别二极管的工作状态及输出电压。状态及输出电压。二极管截止二极管截止二极管导通二极管导通 解解 D0.7 V+-电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组二、动态特性二、动态特性1.二极管的电容效应二极管的电容效应结电容结电容 C j扩散电容扩散电容 C D2.二极管的开关时间二极管的开关时间ontofft电容效应使二极管电容效应使二极管的通断需要的通断需要一段延一段延迟时间才能完成迟时间才能

7、完成tIuDit00(反向恢复时间反向恢复时间)ns 5)(rroffontttton 开通时间开通时间toff 关断时间关断时间电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组一、静态特性一、静态特性NPN发射结发射结集电结集电结发射极发射极emitter基极基极base集电极集电极collectorbiBiCec(电流控制型电流控制型)1.结构、符号和输入、输出特性结构、符号和输入、输出特性(2)符号符号NNP(Transistor)(1)结构结构电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组(3)输入特性输入特性CE)(BEBuufi (4)输出特性输出特性B)(CECiufi iC/mAuCE /V

8、50 A40A30 A20 A10 AiB=00 2 4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区0CE uV1CE u0uBE /ViB/A发射结正偏发射结正偏放大放大i C=iB集电结反偏集电结反偏饱和饱和 i C iB两个结正偏两个结正偏I CS=IBS临界临界截止截止iB 0,iC 0两个结反偏两个结反偏电流关系电流关系状态状态 条条 件件电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组2.开关应用举例开关应用举例 V2 )1(L II Uu V3 )2(H II Uu发射结反偏发射结反偏 T 截止截止0 0CB ii V12CCO Vu发射结正偏发射结正偏 T 导通导通+RcRb

9、+VCC (12V)+uo iBiCTuI3V-2V2 k 100 2.3 k 放大还放大还是饱和？是饱和？电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组bBEIBRuui cCESCCCSBSRUVIIBSB Ii 饱饱和和 T饱和导通条件：饱和导通条件：cCCBSB RVIi +RcRb+VCC +12V+uo iBiCTuI3V-2V2 k 100 2.3 k mA 1mA3.27.03 mA 06.0mA210012 cCC RV V)7.0(BE uV 3.0CESOUu 因为因为所以所以电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组二、动态特性二、动态特性ontofft3-2tV/Iu00.9

10、ICS0.1ICSCit0V/Ou off t三极管饱和程度三极管饱和程度30.3t0电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组(电压控制型电压控制型)MOS（Mental Oxide Semiconductor）金属金属 氧化物氧化物 半导体半导体场效应管场效应管一、一、静态特性静态特性1.结构和特性结构和特性：(1)N 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 S3V4V5VuGS=6ViD/mA42643210uGS/ViD/mA43210246810uDS/V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区UTNiD开启电压开启电压UTN=2 V+-uGS+-uDS衬衬底底漏极特性漏极特性转移特性

11、转移特性uDS=6V截止区截止区电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管与与 N 沟道有对偶关系。沟道有对偶关系。(2)P 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 SiD+-uGS+-uDS衬衬底底iD/mAiD/mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2-3V-4V-5VuGS=-6V-1-2-3-4-6uGS/VuDS/V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区 漏极特性漏极特性 转移特性转移特性截止区截止区UTPuDS=-6V开启电压开启电压UTP=-2 V参考方向参考方向电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组2.MOS管的开关作用：管

12、的开关作用：TNIUu DDOHOVUu V0OLO Uu(1)N 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO+VDD+10VRD20 k GDSuIuOTNIUu 开启电压开启电压UTN=2 ViD+VDD+10VRD20 k GDSuIuORONRD电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组TPIUu DDOLO VUu V0OLO Uu(2)P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管-VDD-10VRD20 k BGDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuOTPIUu 开启电压开启电压UTP=2 V-VDD-10VRD20 k GDSuIuO

13、iD电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组uYuAuBR0D2D1+VCC+10V2.2.1 二极管与门和或门二极管与门和或门一、一、二极管与门二极管与门3V0V符号符号:与门与门（AND gate)ABY&0 V0 VUD=0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 V真值表真值表A BY0 00 11 01 10001Y=AB电压关系表电压关系表uA/VuB/VuY/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通0.7导通导通 截止截止0.7截止截止 导通导通0.7导通导通 导通导通3.7电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组二、二、二极管或门二极管或门uY/V3V0V符号符号

14、:或门或门（AND gate)ABY10 V0 VUD=0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表真值表A BY0 00 11 01 10111电压关系表电压关系表uA/VuB/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通 0.7截止截止 导通导通2.3导通导通 截止截止2.3导通导通 导通导通2.3Y=A+B电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组正与门真值表正与门真值表正逻辑和负逻辑的对应关系：正逻辑和负逻辑的对应关系：A BY0 00 11 01 10001ABY=AB&负或门真值表负或门真值表A BY1 11 00 10 01

15、110AB1BAY 同理：同理：正或门正或门负与门负与门10 01电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组一、半导体三极管非门一、半导体三极管非门V0 .1ILI UuT 截止截止V5CCOHO VUuV5 .2IHI UuT导通导通mA 1mA3.47.05bBEIHB RuUimA17.0mA1305 cCCBS RVI 2.2.2 三极管非门（反相器）三极管非门（反相器）饱和导通条件饱和导通条件:BSBIi +VCC+5V1 k RcRbT+-+-uIuO4.3 k =30iBiCBSBIi V3.0OLO UuT 饱和饱和因为因为所以所以电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组电压关系

16、表电压关系表uI/VuO/V0550.3真值表真值表0110AYAY 符号符号函数式函数式+VCC+5V1 k RcRbT+-+-uIuO4.3 k =30iBiC三极管非门三极管非门:AY1AY电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组二、二、MOS 三极管非门三极管非门V2V0TNILGS UUuMOS管截止管截止V10DDOHO VUu2.V10IHI UuV2V10TNIHGS UUuMOS 管导通管导通（在可变电阻区）（在可变电阻区）V0OLO Uu真值表真值表0110AYAY +VDD+10VRD20 k BGDSuIuOV0ILI Uu1.+-uGS+-uDS故故电子线路电子线路精

17、品课课题组精品课课题组+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP2.3.1 CMOS 反相器反相器AY 一、一、电路组成及工作原理电路组成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0 V UTN UTN UTP导通导通截止截止0 VUTN=2 VUTP=2 V+10VRONPuY+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组输入端保护电路输入端保护电路:C1、C2 栅极等效栅极等效输入输入电容电容(1)0 uA VDD+uDF D 导通电压：导通电压：uDF=0.5

18、 0.7 V(3)uA uDF 二极管导通时，限制了电容二极管导通时，限制了电容两端电压的增加。两端电压的增加。保护网络保护网络+VDDuYuATPD1C1C2RSTND2D3VSSD1、D2、D3 截止截止D2、D3 导通导通uG=VDD+uDFD1 导通导通 uG=uDF电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组二、二、静态特性静态特性1.电压传输特性：电压传输特性：)(IOufu iD+VDDB1G1D1S1+uI -uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB 段：段：uI UTN ，uO=VDD 、iD 0，功耗极小。功耗极小。0uO/VuI/

19、VTN 截止、截止、TP 导通，导通，BC 段：段：,TNIUu TN 导通导通，uO 略下降。略下降。CD 段：段：TN、TP 均导通。均导通。,5.0DDIVu 。(max)DDOiiu DE、EF 段：段：与与 BC、AB 段对应，段对应，TN、TP 的状态与之相反。的状态与之相反。导通导通截止截止 :TN截止截止导通导通 :TP转折电压转折电压指为规定值时，允许波动的最大范围。指为规定值时，允许波动的最大范围。UNL：输入为低电平时的噪声容限。输入为低电平时的噪声容限。UNH：输入为高电平时的噪声容限。输入为高电平时的噪声容限。=0.3VDD噪声容限：噪声容限：电子线路电子线路精品课课

20、题组精品课课题组2.电流传输特性：电流传输特性：)(IDufi iD+VDDB1G1D1S1+uI -uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO/VuI/VA BCDEF0iD/mAuI/VUTH电压传输特性电压传输特性电流传输特性电流传输特性AB、EF 段：段：TN、TP总有一个为总有一个为截止状态，故截止状态，故 iD 0。CD 段：段：TN、Tp 均导通，流过均导通，流过两管的漏极电流达到最大两管的漏极电流达到最大值值 iD=iD（max)。阈值电压：阈值电压：UTH=0.5 VDD（VDD=3 18 V）电子线路电子线路精品课课题组精品课课

21、题组2.3.4 CMOS 传输门、三态门和漏极开路门传输门、三态门和漏极开路门一、一、CMOS传输门传输门(双向模拟开关双向模拟开关)1.电路组成：电路组成：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuCTNCIO/uuOI/uuTGC2.工作原理：工作原理：:0 1)1(CC、TN、TP均导通，均导通，)0(DDIOVuu :1 0)2(CC、TN、TP均截止，均截止，IOuu 导通电阻小导通电阻小(几百欧姆几百欧姆)关断电阻大关断电阻大(109 )(TG 门门 Transmission Gate)电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组二、二、CMOS 三态门三态门1.电路组成电路组成+VDD

22、VSSTP2TN1TP1AYTN21EN2.工作原理工作原理1 )1 (ENY 与上、下都断开与上、下都断开 TP2、TN2 均截止均截止Y=Z(高阻态高阻态 非非 1 非非 0)AY TP2、TN2 均导通均导通0110 )2 (EN010控制端低电平有效控制端低电平有效(1 或或 0)3.逻辑符号逻辑符号YA1ENEN使能端使能端 EN 电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组2.3.5 CMOS 电路使用中应注意的几个问题电路使用中应注意的几个问题一、一、CC4000 和和 C000 系列集成电路系列集成电路1.CC4000 系列：系列：符合国家标准，电源电压为符合国家标准，电源电压为

23、3 18 V，功能和外部引线排列与对，功能和外部引线排列与对应序号的国外产品相同。应序号的国外产品相同。2.C000 系列：系列：早期集成电路，电源电压为早期集成电路，电源电压为 7 15 V，外部引线排列顺序与外部引线排列顺序与 CC4000 不同，不同，用时需查阅有关手册。用时需查阅有关手册。传输延迟时间传输延迟时间 tpd标准门标准门=100 nsHCMOS=9nsHCMOS:54/74 系列系列54/74 HC(带缓冲输出带缓冲输出)54/74 HCU(不带缓冲输出不带缓冲输出)54/74 HCT(与与 LSTTL 兼容兼容)二、高速二、高速 CMOS(HCMOS)集成电路集成电路电子

24、线路电子线路精品课课题组精品课课题组三、三、CMOS 集成电路的主要特点集成电路的主要特点(1)功耗极低。功耗极低。LSI：几个：几个 W，MSI：100 W(2)电源电压范围宽。电源电压范围宽。CC4000 系列：系列：VDD=3 18 V(3)抗干扰能力强。抗干扰能力强。输入端噪声容限输入端噪声容限=0.3VDD 0.45VDD(4)逻辑摆幅大。逻辑摆幅大。(5)输入阻抗极高。输入阻抗极高。(6)扇出能力强。扇出能力强。扇出系数：带同类门电路的个数，其大小扇出系数：带同类门电路的个数，其大小 反映了门电路的带负载能力。反映了门电路的带负载能力。(7)集成度很高，温度稳定性好。集成度很高，温

25、度稳定性好。(8)抗辐射能力强。抗辐射能力强。(9)成本低。成本低。DDOHOL ,V0VUU CC4000系列：系列：50个个 10 8电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组四、四、CMOS 电路使用中应注意的几个问题电路使用中应注意的几个问题1.注意输入端的静电防护。注意输入端的静电防护。2.注意输入电路的过流保护。注意输入电路的过流保护。3.注意电源电压极性。注意电源电压极性。5.多余的输入端不应悬空。多余的输入端不应悬空。6.输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。与与门门、与与非门非门：接电源接电源 或或 与其他输入端并联与其他输入端

26、并联或或门门、或或非门非门：接地接地 或或 与其他输入端并联与其他输入端并联多余输入端多余输入端 的处理的处理思考原因？思考原因？4.输出端不能和电源、地短接。输出端不能和电源、地短接。因为输入阻抗极高因为输入阻抗极高（108 ）故故 输入电流输入电流 0，电阻上的压降，电阻上的压降 0。电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组（TransistorTransistor Logic）一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理+VCC(5V)R1uIuo4k AD1T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1 保护二极管保护二极管 防止输入电

27、压过低。防止输入电压过低。当当 uI uB uE现在现在:uE uB uC ，即，即 发射结反偏发射结反偏 集电结正偏集电结正偏 倒置放大倒置放大02.0 i iii=i ib=(1+i)ib4.3Vc e 3.6 V1.4V0.7V2.1V V6.3 )2(IHI Uu电子线路电子线路精品课课题组精品课课题组1.4V+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y V6.3 IHI UuT1 倒置放大状态倒置放大状态mA 725.011BCCB1 RuVimA74.0)1(B1iB2 ii 假设假设 T2 饱和导通饱和导通 V14BECES2C2 uuuT3、D 均截止均截止mA 2.5 2C2CCCS2 RuVI(设设1 4=20)mA 125.02CS2BS2 IIBS2B2B2 ,mA 74.0Iii 则则T2 饱和的假设成立饱和的假设成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思考：思考：D 的作用？的作用？若无若无 D，此时，此时 T3 可以可以导通，电路将不能实现导通，电路将不能实现正常的逻辑运算正常的逻辑运算因为因为3.6 ViE1