数字电子技术基础-第二章--逻辑门电路基础

第二章逻辑门电路基础本章主要内容第一节二极管、三极管的开关特性第二节二极管逻辑门电路第三节TTL逻辑门电路第四节射极耦合逻辑门电路第五节CMOS逻辑门电路第六节各种逻辑的门电路之间的接口问题第一节二极管、三极管的开关特性一、二极管的开关特性（一）二极管的静态开关特性（二）二极管的动态开关特性（一）二极管的静态开关特性二极管正偏时导通，管压降为0V，流过二极管的电流大小决定于外电路，相当于开关闭合。二极管反偏时截止，流过二极管的电流为0，相当于开关打开，二极管两端电压的大小决定于外电路。这就是二极管的静态开关特性。（二）二极管的动态开关特性给二极管电路加入一个方波信号，电流的波形怎样呢？tre＝ts十tt称为反向恢复时间ts为存储时间tt称为渡越时间1.反向恢复过程通常把二极管从正向导通转为反向截止所经历的转换过程称为反向恢复过程。产生反向恢复过程的原因：电荷存储效应反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。+－区区PN耗尽层LpnL区中电子区中空穴浓度分布浓度分布PN(a)(b)x同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般可以忽略不计。2.对输入信号vi的要求输入信号vi的负半周的宽度应大于tre，这样二极管才具有单向导电性。若小于，二极管还没有到达截止状态，就又必须随输入脉冲而导通，从而失去单向导电性。输入信号vi的正半周的宽度要求比较低。输入信号vi的频率不可太高，由tre时间决定二、双极型三极管的开关特性（一）双极型三极管的静态开关特性（二）双极型三极管的动态开关特性（一）双极型三极管的静态开关特性判断三极管工作状态的解题思路：（1）把三极管从电路中拿走，在此电路拓扑结构下求三极管的发射结电压，若发射结反偏或零偏或小于死区电压值，则三极管截止。若发射结正偏，则三极管可能处于放大状态或处于饱和状态，需要进一步判断。进入步骤（2）。（2）把三极管放入电路中，电路的拓扑结构回到从前。假设三极管处于临界饱和状态（三极管既可以认为是处于饱和状态也可以认为是处于放大状态，在放大区和饱和区的交界区域，此时三极管既有饱和状态时的特征VCES=0.3V，又有放大状态时的特征IC=ßIB），求此时三极管的集电极临界饱和电流ICS，进而求出基极临界饱和电流IBS。集电极临界饱和电流ICS是三极管的集电极可能流过的最大电流。（3）在原始电路拓扑结构基础上，求出三极管的基极支路中实际流动的电流iB。（4）比较iB和IBS的大小：若iBIBS（或者ßiBICS），则三极管处于饱和状态。若iBIBS（或者ßiBICS），则三极管处于放大状态。例2-1判断图电路中三极管的状态，其中Rb=2k，RC=2k，VCC=12V，ß=50。例2-5电路及参数如图所示，三极管的VBE=0.7V，β＝60，输入电压vi取值3V和-2V。（1）当vi＝3V时判断三极管的状态，并求出iC和vo的值。（2）当vi＝-2V时判断三极管的状态，并求出iC和vo的值。解：（1）vi＝3V)mA0.23(100.7-3Bi)mA0.0083(10605CCCBSRVI因为iB＞IBS所以三极管处于饱和状态，如图2-15中的E点所示。（2）vi＝-2V（二）双极型三极管的动态开关特性（1）延迟时间td——从输入信号vi正跳变的瞬间开始，到集电极电流iC上升到0.1ICS所需的时间（2）上升时间tr——集电极电流从0.1ICS上升到0.9ICS所需的时间。（3）存储时间ts——从输入信号vi下跳变的瞬间开始，到集电极电流iC下降到0.9ICS所需的时间。（4）下降时间tf——集电极电流从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。对输入脉冲的要求ton=td+trtoff=ts+tf输入信号vi的正半周的宽度ton输入信号vi的负半周的宽度toff以保证三极管能可靠进入饱和状态和截止状态三、MOS管的开关特性（一）MOS管的静态开关特性（二）MOS管的动态开关特性第二节二极管逻辑门电路概念高电平低电平正逻辑体制负逻辑体制一、正与门电路LAB+VDD3kΩ（+5V）RCC21输入输出VAVBVL0V0V0V0V5V0V5V0V0V5V5V5V正逻辑体制&ABL=A·B输入输出VAVBVL0V0V0V0V5V0V5V0V0V5V5V5V负逻辑体制ABL=A+B≥1输入输出VAVBVL0V0V0V0V5V0V5V0V0V5V5V5V二、正或门电路ABLDD12R3kΩ输入输出VAVBVL0V0V0V0V5V5V5V0V5V5V5V5VABL=A+B≥1正逻辑体制输入输出VAVBVL0V0V0V0V5V5V5V0V5V5V5V5V负逻辑体制呢?三、非门电路输入输出VAVL0V5V3V0.3V第三节TTL逻辑门电路一、标准生产工艺的TTL非门的工作原理TTL的含义：TransistorTransistor（一）输入VI为高电平3.6V时（二）输入VI为低电平0.3V时二、标准生产工艺的TTL非门的电路结构特点1、输入级采用三极管以提高工作速度。2、采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电,提高开关速度和带负载能力。+VV+VV123123D123123D（+5V）CCc4o截止T3T4导通导通R充电CLc4CC（+5V）o导通3T4T截止截止R放电CL（a）（b）三、TTL非门的电压传输特性曲线和从其上可以得出的电路参数（一）电压传输特性曲线（二）从电压传输特性曲线上可以得出的电路参数1．输出高电平VOH2．标准输出高电平VSHVOH（min）3．输出低电平VOL4．标准输出低电平VSLVOL（max）5．输入高电平VIH6．输入高电平的下限VIH（min）(开门电平VON）7．输入低电平VIL8．输入低电平的上限VIL（max）（关门电平VOFF）9．噪声容限电压（1）输入高电平噪声容限电压（最大允许负向干扰电压）（2）输入低电平噪声容限电压（最大允许正向干扰电压）输入高电平噪声容限VNH＝VOH（min）-VON＝VOH（min）-VIH（min）＝2.4V-2.0V＝0.4V。输入低电平噪声容限VNL＝VOFF-VOL（max）＝VIL（max）-VOL（max）＝0.8V-0.4V＝0.4V。四、TTL非门输入特性和从其上可以得出的参数1．输入低电平电流IIL2．输入高电平电流IIH五、TTL非门的输入负载特性和从其上可以得出的参数1．关门电阻ROFF2．开门电阻RON六、TTL非门的输出负载特性和从其上可以得出的参数（一）TTL非门的低电平输出负载特性2．最大输出低电平电流IOL（max)3．输出低电平时的扇出系数ILOL(max)OLIIN（二）TTL非门的高电平输出负载特性2．最大输出高电平电流IOH（max）3．输出高电平时的扇出系数HI(max)OHOIINH（三）扇出系数一般NOL≠NOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。七、传输延迟时间2PHLPLHpdttt导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值。即一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。八、功率损耗（功耗）PD九、功耗-延时积DP十、TTL门电路芯片的封装十一、其它逻辑功能的TTL门电路（一）TTL正与非门（二）TTL正或非门（三）TTL正与或非门（四）TTL异或门十二、集电极开路（OC）的TTL门电路ALB&OPMNOPMNABC外接上拉电阻值的计算方法OC门上拉电阻最大值的计算为保证OC与非门输出的高电平不低于高电平的下限VOH(min)，Rp的值不能选得太大，即要保证(min)OHPRCCVRIVPRp(max)=IHOHOH(min))1(ccImnIVVOC门上拉电阻最小值的计算。应当确保在最不利的情况下，即只有一个OC与非门的输出级三极管T3处于饱和状态。这时所有负载电流全部流入唯一的那个处于饱和状态的输出级三极管T3的集电极，输出的低电平要低于输出低电平的上限VOL(max)。(max)OLPRCCVRIVPRp(min)=ILOL(max)OL(max)ccmIIVV特别提醒读者注意的是，在上面计算上拉电阻最小值和最大值时，应使驱动门的输出高、低电平满足其要求，而不是以输入门的输入高、低电平满足其要求。因为，还要考虑连接输入和输出信号的导线上应该有一定的抗干扰能力。十三、TTL三态输出门电路（一）TTL三态输出的与非门电路的工作原理数据输入端ENAB输出端L00101110101101XX高阻&△ENABL&△ENABL十四、其它生产工艺类型的TTL门电路字母说明标准TTL门电路LS低功耗、肖特基TTL门电路S肖特基TTL门电路L低功耗TTL门电路ALS先进的低功耗、肖特基TTL门电路AS先进的肖特基TTL门电路H高速TTL门电路第五节CMOS门电路一、CMOS反相器二、其它的CMOS门电路（一）CMOS传输门第六节各种工艺的逻辑门之间的接口问题一、TTL与CMOS器件之间的接口问题①驱动门的VOH（min）≥负载门的VIH（min）②驱动门的VOL（max）≤负载门的VIL（max）③驱动门的IOH（max）≥负载门的IIH（总）④驱动门的IOL（max）≥负载门的IIL（总）