数字电路的基础知识(PPT-149页)

（2-1）数字电路的基础知识数字信号和模拟信号电子电路中的信号模拟信号数字信号时间连续的信号时间和幅度都是离散的（2-2）模拟信号：tu正弦波信号t锯齿波信号u（2-3）研究模拟信号时，我们注重电路输入、输出信号间的大小、相位关系。相应的电子电路就是模拟电路，包括交直流放大器、滤波器、信号发生器等。在模拟电路中，晶体管一般工作在放大状态。（2-4）数字信号：数字信号产品数量的统计。数字表盘的读数。数字电路信号：tu（2-5）研究数字电路时注重电路输出、输入间的逻辑关系，因此不能采用模拟电路的分析方法。主要的工具是逻辑代数，电路的功能用真值表、逻辑表达式及波形图表示。在数字电路中，三极管工作在开关状态，即工作在饱和和截止状态。（2-6）第二章门电路和组合逻辑电路§2.1概述§2.2分离元件门电路§2.3TTL集成门电路§2.4MOS门电路§2.5逻辑代数§2.6组合逻辑电路分析§2.7利用小规模集成电路设计组合电路§2.8几种常用的中规模组件（2-7）§2.1概述在数字电路中，门电路是最基本的逻辑元件。门电路的输入信号于输出信号之间存在一定的逻辑关系，所以门电路又称逻辑门电路。门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。在数字电路中，门电路的输入输出信号都是用电位（电平）的高低来表示。一般用高电平代表1、低点平代表0，即所谓的正逻辑系统。（2-8）ViVoKVccR100VVcc只要能判断高低电平即可K开------Vo=1,输出高电平K合------Vo=0,输出低电平可用三极管代替（2-9）R1R2AF+uccuAtuFt+ucc0.3V三极管的开关特性（截止区—饱和区）：截止饱和（2-10）§2.2分离元件门电路一、二极管与门FD1D2AB+12VuAuBuF0V0V0.3V0V3V0.3V3V0V0.3V3V3V3.3V（2-11）“与”逻辑A、B、C都具备时，事件F才发生。EFABC&ABCF逻辑符号（2-12）F=A•B•C逻辑式逻辑乘法逻辑与AFBC00001000010011000010101001101111真值表（2-13）二、二极管或门uAuBuF0V0V-0.3V0V3V2.7V3V0V2.7V3V3V2.7VFD1D2AB-12V（2-14）“或”逻辑A、B、C只有一个具备时，事件F就发生。1ABCF逻辑符号AEFBC（2-15）F=A+B+C逻辑式逻辑加法逻辑或AFBC00001001010111010011101101111111真值表（2-16）R1DR2AF+12V+3V三、三极管非门uAuF3V0.30V3.3嵌位二极管（2-17）“非”逻辑A具备时，事件F不发生；A不具备时，事件F发生。逻辑符号AEFRAF（2-18）逻辑式逻辑非逻辑反真值表AFAF0110（2-19）R1DR2F+12V+3V三极管非门D1D2AB+12V二极管与门与非门（2-20）几种常用的逻辑关系逻辑“与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑关系，任何其它的逻辑关系都可以以它们为基础表示。CBAF与非：条件A、B、C都具备，则F不发生。&ABCF（2-21）CBAF或非：条件A、B、C任一具备，则F发生。1ABCFBABABAF异或：条件A、B有一个具备，另一个不具备则F发生。=1ABCF（2-22）1、体积大、工作不可靠。2、需要不同电源。3、各种门的输入、输出电平不匹配。（2-23）§2.3TTL集成门电路一、TTL与非门的基本原理与分离元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，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DTL、TTL、HTL、MOS管集成门电路。（2-24）+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCTTL与非门的内部结构CBAF&ABCF（2-25）+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC1、任一输入为低电平（0.3V）时“0”1V不足以让T2、T5导通三个PN结导通需2.1V（2-26）+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC1、任一输入为低电平（0.3V）时“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube43.6V高电平！（2-27）+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC2、输入全为高电平（3.4V）时“1”全导通电位被嵌在2.1V全反偏1V截止（2-28）2、输入全为高电平（3.4V）时+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏“1”饱和uF=0.3VABCF此电路（2-29）1、电压传输特性二、TTL与非门的特性和技术参数测试电路&+5Vuiu0（2-30）u0(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)传输特性曲线u0(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值UT=1.4V理想的传输特性输出高电平输出低电平（2-31）（1）输出高电平UOH、输出低电平UOLUOH2.4VUOL0.4V便认为合格。典型值UOH=3.4VUOL0.3V。(2)阈值电压UTuiUT时，认为ui是低电平。uiUT时，认为ui是高电平。UT=1.4V（2-32）2、输入、输出负载特性&&？（1）前后级之间电流的联系（2-33）+5VR4R2R5T3T4R1T1+5V前级输出为高电平时前级后级反偏流出前级电流IOH（拉电流）（2-34）前级输出为低电平时+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1R1T1+5V前级后级流入前级的电流IOL约1.4mA(灌电流)（2-35）名称及符号含义输入低电平电流IiL输入为低电平时流入输入端的电流-1.4mA。输入高电平电流IiH输入为高电平时流入输入端的电流几十μA。IOL及其极限IOL（max）当IOLIOL(max)时，输入不再是低电平。IOH及其极限IOH(max)当IOHIOH(max)时，输出不再是高电平。关于电流的技术参数（2-36）（2）扇出系数:与非门电路输出驱动同类门的个数+5VR4R2R5T3T4T1前级T1T1IiH1IiH3IiH2IOH前级输出为高电平时例如：（2-37）+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为低电平时（2-38）输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：2iL1iLOLIII输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：2iH1iHOHIII与非门的扇出系数一般是10。（2-39）1、悬空的输入端相当于接高电平。2、为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。（2-40）（3）平均传输时间tuiotuoo50%50%tpd1tpd2平均传输时间)tt(21t2pd1pdpd（2-41）三、其它类型的TTL门电路（三态门）+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5ABDEEE---控制端（2-42）+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5ABDEE01截止ABF（2-43）+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5ABDEE10导通截止截止高阻态（2-44）&ABFE符号输出高阻0E1EABF功能表低电平起作用（2-45）&ABFE符号输出高阻1E0EABF功能表高电平起作用（2-46）E1E2E3公用总线０１０三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路用途：E1、E2、E3分时接入高电平（2-47）§2.4MOS门电路半导体集成门电路按导电类型分为：双极型（TTL)(双极型晶体管）MOS型（绝缘栅场效应管）（单极型晶体管）MOS型：优点：制造工艺简单、集成度高、功耗低、抗干扰能力强，便于向大规模集成电路发展。缺点：工作速度较低。（2-48）一、场效应晶体管场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:（2-49）1、绝缘栅场效应管:（1）结构和电路符号PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层（2-50）PNNGSD金属铝导电沟道GSDN沟道增强型（2-51）NPPGSDGSDP沟道增强型（2-52）P沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导电沟道（2-53）（2）MOS管的工作原理以N沟道增强型为例PNNGSDUDSUGS（2-54）PNNGSDUDSUGSUGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结ID=0对应截止区（2-55）PNNGSDUDSUGSUGS0时UGS足够大时（UGSVT）感应出足够多电子，这里以电子导电为主出现N型的导电沟道。感应出电子VT称为阈值电压（2-56）PNNGSDUDSUGSUGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。（2-57）PNNGSDUDSUGS当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。（2-58）PNNGSDUDSUGSUDS增加，UGS=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。夹断后ID呈恒流特性。ID（2-59）（3）增强型N沟道MOS管的特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT（2-60）输出特性曲线IDUDS0UGS0（2-61）二、NMOS门电路1、NMOS“非”门电路0UDSIDuiuoUCCR负载线ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”（2-62）uiuoUCCuiuoUCC实际结构等效结构（2-63）2、”与非”门电路AYUCCBBAF（2-64）2、”或非”门电路AYUCCBBAY（2-65）三、CMOS反相器（互补对称）UCCST2DT1AFNMOS管PMOS管CMOS电路（2-66）UCCST2DT1uiuoui=0截止ugs2=UCC导通u０=“１”1、“非”门电路（2-67）UCCST2DT1uiuoui=１导通截止u０=“０”（2-68）2、“与非”门电路（略）3、“或非”门电路（略）（2-69）三、CMOS电路的优点１、静态功耗小。２、允许电源电压范围宽（318V）。3、扇出系数大，抗噪容限大。（2-70）§2.5逻辑代数一、逻辑代数运算法则在数字电路中，我们要研究的是电路的输入输出之间的逻辑关系，所以数字电路又称逻辑电路，相应的研究工具是逻辑代数（布尔代数）。在逻辑代数中，逻辑函数的变量只能取两个值（二值变量），即0和1，中间值没有意义，这里的0和1只表示两个对立的逻辑状态，如电位的低高（0表示低电位，1表示高电位）、开关的开合等。（2-71）1、几种基本的逻辑运算从三种基本的逻辑关系，我们可以得到以下逻辑运算：0•0=0•1=1•0=01•1=10+0=00+1=1+0=1+1=11001（2-72）2、逻辑代数的基本定律（1）基本运算规则A+0=AA+1=1A•0=0•A=0A•1=A1AAAAA0AAAAAAA（2-73）（2）基本代数规律交换律结合律分配律A+B=B+AA•B=B•AA+(B+C)=(A+B)+C=(A+C)+BA•(B•C)=(A•B)•CA(B+C)=A•B+A•CA+B•C=(A+B)(A+C)普通代数不适用!（2-74）（3）吸收规则a.原变量的吸收：A+AB=A证明：A+AB=A(1+B)=A•1=A利用运算规则可以对逻辑式进行化简。例如：CDAB)FE(DABCDAB被吸收（2-75）b.反变量的吸收：BABAA证明：BAABABAABA)AA(BA例如：DEBCADCBCAA被吸收（2-76）c.混合变量的吸收：CAABBCCAAB证明：BC)AA(CAABBCCAABCAABBCAABCCAAB例如：CAABBCCAABBCDBCCAABBCDCAAB1吸收（2-77）(4)反演定理：BABABABAABAB00011110101