数字电子技术基础 第二章 门电路 课件

第二章门电路计算机科学与技术本章内容概述半导体器件的开关特性分立元件门电路TTL门电路概述•“门”指能实现各种基本逻辑关系和复合关系的电路•常用的门电路有与门，非门，或门、与非门，或非门等•门电路可以有分立元件构成，也可以使用集成电路•集成电路的逻辑门按器件类型分：双极性和MOS•按集成度分：小规模、中规模、大规模和超大规模•目前常用的为CMOS电路•按封装的外型分：双列直插、扁平封装、表面封装和针式半导体的开关特性•半导体构成的器件：二极管、三极管和MOS管•导通状态时，有电信号通过，称开态，截止时，没有电信号，称关态，这就是开关特性•半导体的开关特性分为：静态和动态二极管的静态特性•二极管的工作机理PNPN结外电场内电场PN内电场IF正向导通外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多数载流子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。PNPN结内电场IS外电场PN内电场内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。反向截至在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流IS。•PN结的正向电阻很小，反向电阻很大，PN具有单向导电性•PN结V-I特性)1(TDvVsDeIiVT与温度环境有关，VD为PN结两端所加的正向电压ViDOOVonIs（1）外加电压V=0时,iD=0;（2）V0,iD成指数规律上升；VVon时，ID电流很小，只有VVon时，iD迅速上升，导通后，电压基本不变化V=Von（3）V0,ID=Is，因为Is很小，可忽略，反向偏置视为截止•PN节的动态开关特性–动态开关特性是指二极管由导通到截止，或由截止到导通，瞬变状态下的特性tvti动态时，加到两边的电压突然反向时，电流的变化要稍微滞后，这是因为PN结要建立起足够的电荷梯度后才有扩散运动三极管的开关特性ceecbb型NPN型PNP数字电路中，三极管作为开关使用，它工作在饱和区和截止区，对应电路的两个状态三极管的输出特性/VCEuO/mACiICQIBQUCEQCCVecCCRRVQec1RR直流负载线斜率+5VRcTRBceb++--icibie分立元件•由电阻、二极管、三极管等分立元件构成的逻辑门，称为分立元件门。uAuBuF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V+5VABDADBRFABF000010100111F=AB二极管或门uAuBuF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABDADBRFF=A+BABF000010100111三极管非门F=A+12VRcTRAAFTTL非门电路•结构与原理+5VT1R1R2T2T3T4R3R4YWk4W.6k1W130AD2W1k输入级倒相级输出级D1vlvO•vi=VL=0.2V,T1发射级导通，导通后T1基极电压为0.7v+0.2v=0.9v,T2,T5截止，T2集电极为5V，T4导通。vo上电压为3.6v，高电平;•vi=VH=3.4V,T1发射级反偏，集电极正偏，工作在倒置放大状态，T2,T5导通后，T2工作在饱和状态，T5工作在深度饱和状态，T2的C点电压为0.9v(0.7+0.2)v,T4基极电压为1.4v,T4截止，vo输出为0.2v，低电平。•得到Y=ATTL反向器的外部特性•外部特性是指通过集成电路芯片引脚反映出来的特性•电压传输特–曲线段AB，因为vi0,6,所以vb11.3v,T2和T5导通，T4截止;vo=VCC-Vr2-vb4-Vd2=3.6v–BC段，1.3vi0,6,T2通，T5截止，T2工作在放大区，随vi增加，Vc2和vo线形下降–CD段，Vi1.4v,vb1为2.1V,T2和T4同时导通，T4截止，输出电压急剧为低电平，转则区中点对应的输入电压为门槛电压VTHvOvIABCDE0.51.01.51232输入端噪声容限在保证输出高电平，低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动的范围。从非门电压输入输出特性曲线，定义VOHMIN：输出高电平的下限，它对应在输入低电平的上限VILMAXVOLMAX：输出低电平的上限，它对应在输入低电平的下限VIHMIN前一级门的输出为后一级门电路的输入，所以有高电平噪声容限VHN=VOHMIN–VIHMIN;低电平噪声容限VNL=VILMAX-VOLMAX•静态输入特性–描述输入电流随输入电压变化的特性；•静态输出特性vIiI0.51.01.52.00.51.00.51.01.52.0TTL反向器的外部特性•传输延迟–TTL电路中，二极管和三极管从导通到截止动态变化都需要一定的时间，同时二极管、三极管，电阻都有电容的存在都使输出电压的波形比输入电压的波形要滞后，并且上升和下降沿都将变坏–输出电压波形滞后输入电压波形的时间叫传输滞后延迟时间；•输出电压由低电平跳变为高电平的传输延迟tpLH•输出电压由高电平跳变为低电平的传输延迟tpHLTTL反向器的外部特性TTL与非门•结构与工作机理第三章组合逻辑电路计算机科学与技术本章内容•组合逻辑电路的分析与设计•常用组合逻辑模块的使用–加法器比较器译码器编码器选择器•了解电路中的竞争和冒险组合电路•输入：x1,x2,…,xn•输出：F1,F2,…,Fm•逻辑关系Fi=fi(x1,x2,…,xn)组合电路X1X2XnF1F2Fn特点：电路由逻辑门构成；不含记忆元件；输出无反馈到输入的回路；输出与电路原来状态无关；组合电路的分析（1）根据给定逻辑图写出输出逻辑函数表达式；（2）对逻辑函数表达式化简，写出最简与或表达式；（3）根据最简表达式列出真值表；（4）由真值表说明给定电路的逻辑功能。分析电路的功能﹠﹠﹠﹠ABCFF=AB·BC·AC=AB+BC+AC有逻辑表达式得到真值表ABCF00000010010001111000101111011111功能分析：多数输入为1，输出为1；多数输入为0，输出为0；表决器分析电路的功能=1=1=1G0G1G2G3B3B2B1B0逻辑函数：G3=B3G2=B3⊕B2G1=B2⊕B1G0=B1⊕B0真值表分析功能将自然二进制码转化为格雷码电路1&&&&ABY0Y1ABBABAABY0=AB·B·A·AB=AB+ABY1=ABABY0Y10000011010101101逻辑功能：一位二进制加法。Y0:本位和；Y1：进位位。YD3SD2D1D0A0A1&&&&&111Y=SA1A0D3SA1A0D2SA1A0D1SA1A0D0Y=SA1A0D3+SA1A0D2+SA1A0D1+SA1A0D0Y=SA1A0D3+SA1A0D2+SA1A0D1+SA1A0D0YD3SD2D1D0A0A1&&&&&111D3110D2100D101001D0000YA1A0S四选一数据选择器S:使能端(选通端、片选端)低电平有效A1A0:选择控制(地址)D3D2D1D0:数据输入Y1Y2Y311AB111ABY1000010101110Y2Y310010010Y1=A+B=ABY3=A+B=ABY2=A+BA+B+=(A+B)(A+B)=AB+AB功能:当AB时,Y1=1当A=B时,Y2=1当AB时,Y3=1是一位数字比较器组合逻辑电路设计（1）根据设计要求，定义输入、输出逻辑变量，并给输入、输出逻辑变量赋值，即用0和1表示信号的有关状态；（2）列出真值表；（3）由真值表写出逻辑函数表达式；（4）化简逻辑函数表达式；（5）画出逻辑图；1、半加器不考虑低位进位输入，两数码X、Y相加，称半加XYS000011101110C0001S=XY+XY=XY+C=XY=1&SCXYXYSCCO2、全加器被加数、加数以及低位的进位三者相加称为“全加”1110100110010100111011101001110010100000COiSiCIiBiAiCOCOiAiBiSiCIiCI全减器的真值表如何？1110100110010100111011101001110010100000COiSiCIiBiAi全加器Ci=AiBiCIi+AiBiCIi+AiBiCIi+AiBiCIiSi=m1+m2+m4+m7=AiBiCIi=(AiBi)CIi+AiBi设计一三人表决电路。设计要求：多数赞成通过，反之不通过。并用与非门实现该电路。1.设定变量：用A、B、C和Y分别表示输入和输出信号；2.状态赋值:赞成用1表示，反之用0表示。表决结果用指示灯表示；灯亮表示1，不亮表示0；3.列真值表：ABC000001010011100101110111Y000011114.写逻辑函数表达式并化简：Y=ABC+ABC+ABC+ABC=AB+AC+BC=ABACBC5.画出逻辑图：三人表决电路10A+5VCY&&&&R=ABACBCYB【例3】三层楼房，楼道只有一盏灯。试设计该楼道灯控制电路。要求：在每一层均可控制开关。开关—A、B、C合——“1”开——“0”灭——“0”亮——“1”灯—YA、B、CY0000001010100101110111001111CBAY00010110000111100001111010101011常用组合集成逻辑电路4位串行进位加法器1.四位集成全加器——74LS283串行进位的延迟级数与位数成正比.考虑设置专用的进位形成电路同时产生各位的进位Cn.进位输入是由专门的“进位门”综合所有低位的加数、被加数及最低位进位来提供.称”快速加法器”或”超前进位加法器”进位的产生：COi=AiBiCIi+AiBiCIi+AiBiCIi+AiBiCIiiiiiiiCIBABACO))(()(iiiBAGiiiBAPiiiiCIPGCO)()(01101121122211111])([])([)()(CPPPGPPPGPPGPGCIPGPPGPGCIPGPGCIPGCOiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiCIBAS40C4A3A2A1A4S3S2S1S4B3B2B1B4C28374LS2.译码器2.1最小项译码器——74LS138输入输出B2B1B000000101001110010111011101111111101111111101111111101111111101111111101111111101111111100123012201210120BBBYBBBYBBBYBBBY0127012601250124BBBYBBBYBBBYBBBY74LS1380Y1Y2Y4Y5Y6Y7Y3Y3S2S1S0B1B2B译码器的扩展（1）对三变量可直接使用,但也可扩展位数，这是由二片74LS138构成的四位二进制码的译码电路。B3“1”01234567891011121314150123456789101112131415“1”B30000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111（1）这是由二片74LS139构成的四位二进制码的译码电路。2-4线译码器——74LS139Y0Y1Y2Y3ABE5片2－4译码器构成4－16译码器。第一层的一个译码器用作选片。E=0时，CD＝00时选中左边一片，译出Y0…Y3;依此类推。用译码器实现组合逻辑函数2.2显示译码器abfgecd•fgabedc•LED连接方式七段数字显示器分为共阴极和共阳极两种。abcdefg+++++•+VCC•abcdefg若采用共阳极LED，显示译码器的输出应为低电平输出有效；若采用共阴极LED，则高电平输出有效。YaYbYcYdYeYfYgA