TTL与MOS电路.

数字电子技术基础（4-5）主讲：吴玉新手机:[phone]时间：2013-9-30、10-12T知识回顾1、二极管的开关特性1）输入高，截止，开关断开，输出高2）输入低，导通，开关闭合，输出低2、三极管的开关特性1）输入低，vIVON，截止(都反偏)，开关断开，输出高2）输入高，iBIBS=VCC/βRC，饱和导通(都正偏)，开关闭合，输出低VCC≈0.2V很小数百欧第三章逻辑门电路3.1概述3.2二极管和三极管的开关特性3.3TTL门电路的工作原理及电器特性3.4MOS门电路的工作原理及电器特性1、门电路:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路,常用的门电路有与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、与或非门等。2、逻辑门电路的分类二极管门电路三极管门电路TTL门电路MOS门电路PMOS门CMOS门逻辑门电路分立门电路集成门电路NMOS门3.1概述一、数字集成电路简介数字集成电路按规模分为）nIntegratioScaleLargeVery－VLSI超大规n)IntegratioScaleLarge－LSI大规n)IntegratioScaleMedium-MSI中规）nIntegratioScaleSmall－SSI小规所含元器件数）IC模模模（每片按规模分≤100/片（100～1000）/片103~105/片105以上/片按导电类型可分为）＋兼容型（）双极型（）单极型（按导电类型BJTFETBJTFET3.1概述1）CMOS集成电路:广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路4000系列74HC74HCT74VHC74VHCT速度慢与TTL不兼容抗干扰功耗低74LVC74AUC速度加快与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低速度两倍于74HC与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低低(超低)电压速度更加快与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低74系列74LS系列74AS系列74ALS2）TTL集成电路:广泛应用于中大规模集成电路3、CMOS和TTL介绍3.1概述四、理想的开关元件接通状态：电阻为0流过开关的电流完全由外电路决定断开状态：阻抗无穷大流过开关的电流为0断开与接通之间的转换在瞬间完成3.1概述3.2半导体二极管门电路3.2.1半导体二极管的开关特性1.静态特性图3二极管的开关电路图1高低电平实现原理电路将图1中的开关用二极管代替，则可得到图3所示的半导体二极管开关电路二极管的静态特性：反向击穿反向饱和电流门限电压Si:0.6～0.7VGe:0.2～0.3V3.2.1半导体二极管的开关特性图3二极管的开关电路导通区正向导通压降不能忽略，但内阻和外接电阻相比可忽略二极管是理想开关正向导通压降和内阻均可忽略外电路等效电源和电阻都很小，不能忽略二极管正向导通压降和内阻3.2.1半导体二极管的开关特性截止区反向电阻rRRL可忽略，反向饱和电流Is可忽略为保证可靠截止，通常在二极管两端加负偏压3.2.1半导体二极管的开关特性对于图3所示二极管开关电路，由于二极管具有单向导电性，故它可相当于受外加电压控制的开关。设vi的高电平为VIH＝VCC，vi的低电平为VIL＝0，且D为理想元件，即正向导通电阻为0，反向电阻无穷大，则稳态时当vI＝VIH＝VCC时，D截止，输出电压vD＝VOH＝VCC将电路处于相对稳定状态下，晶体二极管所呈现的开关特性称为稳态开关特性。图3二极管的开关电路3.2.1半导体二极管的开关特性当vI＝VIL＝0时，D导通，输出电压vo＝VOL＝0图3二极管的开关电路即可以用输入电压vi的高低电平控制二极管的开关状态，并在输出端得到相应的高低电平3.2.1半导体二极管的开关特性2.二极管动态特性：当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关特性（简称动态特性）二极管的动态电流波形如图4所示3.2.1半导体二极管的开关特性图4二极管动态电流波形这是由于在输入电压转换状态的瞬间，二极管由反向截止到正向导通时，内电场的建立需要一定的时间，所以二极管电流的上升是缓慢的；当二极管由正向导通到反向截止时，二极管的电流迅速衰减并趋向饱和电流也需要一定的时间。由于时间很短，在示波器是无法看到的在输入信号频率较低时，二极管的导通和截止的转换时间可以认为是瞬间完成的。但在输入信号频率较高时，此时间就不能忽略了。一、双极型三极管的结构3.2.2双极型三极管的开关特性三极管由管芯、三个电极和外壳组成，管芯由三层P型和N型半导体构成，有NPN和PNP型两种，如图7所示。因工作时电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。集电极c发射极e基极bcbe符号NNPPNecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP图7三极管结构示意图和符号(a)NPN型(b)PNP型图8三极管共射特性曲线测试电路IC输出回路输入回路+UCE-IBUCEVCCRbVBBcebRcV-+V-+A-++-mA+UCE-+UCE-IBIBIBUBE3.2.2双极型三极管的开关特性二、双极型三极管的输入特性和输出特性1、输入特性曲线：以基极b和发射极e之间的发射结作为输入回路，可测出输入电压vBE和输入电流iB之间关系的特性曲线，即输入特性曲线。iB/AV/BEvO0CEUVON2、输出特性曲线图9NPN三极管的输出特性曲线iC/mAvCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321划分三个区：截止区、放大区和饱和区。截止区放大区饱和区放大区1.截止区：IB≤0的区域。条件：两个结都反偏IB=0时，IC=ICEO。硅管约1A，锗管约几十-几百A。截止区截止区2.放大区：条件：发射结正偏，集电结反偏特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。集电极电流和基极电流体现放大作用，即对NPN管UBE0，UBC0BCΔΔII3.2.2双极型三极管的开关特性3.饱和区：条件：两个结均正偏iC/mAvCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321对NPN型管，UBE0UBC0。特点:IC基本上不随IB而变化在饱和区三极管失去放大作用。ICIB。当UCE=UBE，即UCB=0时，称临界饱和，UCEUBE时称为深度饱和。饱和管压降UCES0.4V(硅管)，UCES0.2V(锗管)饱和区饱和区饱和区2、输出特性曲线3.2.2双极型三极管的开关特性三极管开关电路如图10所示3.2.2双极型三极管的开关特性三、双极型三极管的基本开关电路图10晶体三极管开关电路三极管替代开关稳态时若合理选择电路的参数，即当vI=VIH，为高电平时，使得iBIBS=VCC/βRC，三极管处于饱和导通状态，输出vo＝VOL＝Vces≈0,为低电平；3.2.2双极型三极管的开关特性图10晶体三极管开关电路T当vI=VILVON，为低电平时，使得三极管处于截止状态，输出vo＝VOH≈VCC,为高电平其中：CCCsatCECsatCECCBSRVRRVVI+-)()()(硅管为0.3V,锗管为0.1V很小，为几十欧姆当vIVON后，三极管进入放大区，vI↑，iB↑，iC↑，vo↓。例1电路如图11所示，已知VIH=5V，VIL=0V，β=20，VCE(sat)=0.1V，试计算参数设计是否合理3.2.2双极型三极管的开关特性5V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩ图11例1的电路三极管开关状态下的等效电路如图3.5.6所示3.2.2双极型三极管的开关特性四、双极型三极管的开关等效电路当三极管截止时，发射结反偏，iC≈0，相当开关断开；当三极管饱和时，发射结正偏，vCE＝VCE（sat）≈0，相当开关闭合。截止饱和(c)饱和时的等效电路阻值很小，忽略五、双极型三极管的动态开关特性在动态情况下，三极管在截止和饱和导通两种状态迅速转换时，三极管内部电荷的建立与消失都需要一定的时间，故集电极电流的变化要滞后于输入电压的变化。3.2.2双极型三极管的开关特性即在开关电路中，输出电压的变化滞后于输入电压的变化，如图13所示。图133.3TTL门电路（Transistor-TransistorLogic）3.3.1TTL反相器3.3.2TTL与非门3.3.3TTL或非门3.3.4集电极开路门（OC门）3.3.5三态门电路3.3.6BiCMOS门电路（自学）3.3.7抗饱和门电路（自学）3.3.8TTL门电路参数3.3.9TTL门电路多余输入端的处理3.3.1TTL反相器—结构电源电压：VCC=5VVIH=3.6VVIL=0.2V开启电压：VON=0.7VVCES=0.2VRb14kWRc21.6kWRc4130WT4DT2T1+–vIT3+–vO负载Re21KWVCC(5V)输入级输出级倒相级3.3.1TTL反相器—工作原理vi=VIL，T1发射结导通vB1=VIL+VON=0.9ViB1iBS1=0，T1深度饱和vCES≈0.2V，v12≈0.4VT2截止，T3截止T4导通，D导通输出为高电平VOHvo=vB4-vBE4-vD=3.6V0.2V0.9V1mA3.6V5V0.4ViB13.3.1TTL反相器—工作原理vi=VIH，vB1=4.3VT2和T3发射结同时导通vB1被钳位在2.1VT1倒置放大状态T2和T3导通，使vC2=vBE3+vCES2=0.9V导致T4和D截止输出为低电平vO=VOL=0.2V3.6V2.1V0.7V1.4V0.9V0.2V3.3.1TTL反相器—工作原理T2的c、e极输出电压信号变化方向相反—倒相级推拉式输出，有效降低输出级的静态功耗并提高驱动负载的能力输入端钳位二极管D1，抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，防止输入电压为负时，T1发射极电流过大，起保护作用。D13.3.1TTL反相器—电压传输特性vi0.6V,T1饱和导通，T2和T3截止，T4和D导通，vo≈3.6V，截止区0.7Vvi1.3VT2在放大区线性区转折区阈值电压VTHT2和T3饱和，vo≈0.2V,饱和区VV3.3.2TTL与非门A&BALB2）任一输入端为低电平时:输出高电平1）当全部输入端为高电平时：输出低电平3）多发射极三极管实现与逻辑关系3.3.3TTL或非门或逻辑关系是通过将T2A和T2B两个三极管的输出端并联来实现的。2)若有一个为高电平:1)若A、B均为低电平:T2A和T2B均将截止，T3截止。T4和D饱和，输出为高电平。T2A或T2B将饱和，T3饱和，T4截止，输出为低电平。BAY+3.3.4集电极开路(OC)门推拉式输出具有输出阻抗低的优点但不能将他们的输出端并联使用很大的负载电流同时流过输出级，可能使门电路损坏无法满足对不同输出高低电平的需要不能满足驱动较大电流，较高电压的负载的要求L=ABVCCT1Re2Rc2Rc4Rb1T2T3T4DABLVCCT1Re2Rc2Rb1T2T3ABLVCC3.3.4集电极开路与非门OC门工作时需要外接电阻和电源，阻值和电源电压要选择得当，做到既保证输出的高低电平符合要求，输出端三极管的负载电流又不过大。AB&L3.3.4集电极开路与非门—线与CDABCDABLLL21+VCC1T1Re2Rc2Rb1T2T3ABL1VCCT1’Re2’Rc2’Rb1’T2’T3’CDL2VCC2RLLCDRLVCC2CDLAB&&3.3.4集电极开路与非门—线与两OC门结构的与非门线与可得与或非逻辑T3和T3’同时截止时，VOH=VCC2可根据需要选择VCC2的大小，得到所需的VOHCDABCDABLLL21+VCCT1Re2Rc2Rb1T2T3ABL1VCCT1’Re2’Rc2’Rb1’T2’T3’CDL2VCC2RLL3.3.4集电极开路门—应用1、实现线与CDRLVCC2CDLAB&&L&&&&ABCDCDABCDABL2