数字电子技术基础2

第二章门电路逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。逻辑变量取值0和1：电子电路中用高、低电平来表示。高、低电平：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）表示两种工作状态。2.1二极管和三极管的开关特性2.1.2二极管的开关特性二极管符号：正极负极＋uD－二极管伏安特性曲线2.1.1理想开关的开关特性1.静态特性由上图可以看出：①二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡、压降很小（硅管为0.7V，锗管为0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关。②二极管加反向电压时截止，反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断开的开关。把uDUT=0.5V看成是硅二极管的截止条件。+uiRL－+uo－D开关电路+ui=-2VRL－+uo－Dui=-2V时的等效电路++－ui=3VRL－+uo－D0.7Vui=3V时的等效电路Ui=-2V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。ui＝3V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝2.3V。静态开关特性2.动态特性在低速脉冲电路中，二极管开关由接通到断开，或由断开到接通所需要的转换时间通常是可以忽略的。然而在数字电路中，二极管开关经常工作在高速通断状态。由于PN结中存储电荷的作用，及结电容CJ和扩散电容CD的存在，二极管开关状态的转换不能瞬间完成，需经历一个过程。二极管开关的转换过程如图所示。二极管开关的转换过程开通时间ton当输入电压uI，由UIL跳变到UIH时，二极管D要经过导通延迟时间td、上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。其原因在于，当uI正跳变时，只有当PN结中电荷量减少，PN结才由反偏转换到正偏，也即Cj放电，CD充电关断时间toff当输人电压uI。由UIH跳变到UIL时，二极管D经过存储时间ts、下降时间(也称为渡越时问)tf之后，才会由导通状态转换到截止状态。ts是存储电荷消散时间，tf是PN结由正偏到反偏，PN结中电荷量逐渐增加到截止状态下稳态值的时间，也即CD放电、Cj充电的时间。关断时间toff也称为反向恢复时间，常用trr表示。Q2uiiBeRbbiC(mA)直流负载线VCCRc0+VCCiCuo工作原理电路输出特性曲线80μA60μA40μA20μAiB=00UCESVCCuCE(V)00.5uBE(V)输入特性曲线iB(μA)Q1QRcc2.1.3三极管的开关特性由三极管的工作原理可知，三极管的输出特性可划分为3个区域：截止区、放大区和饱和区。三极管在输入信号的作用下稳定地处于饱和区时就相当于开关接通；处于截止区时相当于开关断开。Q2iC(mA)直流负载线VCCRc0输出特性曲线80μA60μA40μA20μAiB=00UCESVCCuCE(V)Q1Q2.3kΩuiiBRbb+VCC=+12ViCuoRc2kΩcβ=100①ui=UIL=-2V时，三极管截止，基极电流：ib≈0，ic≈0，uo≈Vcc=12V②ui＝UIH=3V时，三极管导通，基极电流：mA1mA3.27.03Bi三极管临界饱和时的基极电流：mA06.0mA21003.012cCESBSRuVccI因为iBIBS，三极管工作在深度饱和状态。输出电压：uo＝UCES＝0.3V静态开关特性＋－RbRc+VCCbce＋－截止状态ui=UIL0.5Vuo=+VCC＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V饱和状态ui=UIHuo=0.3V3.动态特性晶体三极管在截止状态和饱和状态之间转换时的过渡特性称为三极管的动态特性。如果在三极管基极输入一个理想的矩形波，而集电极电流iC的波形却不是理想的矩形波，如下图所示，其上升沿和下降沿变化缓慢，而且上升部分和下降部分与输入波形相比都有时间延迟。这说明三极管饱和与截止状态之间的转换过程需要一定的时间才能完成，即三极管开关在动态情况下也存在一定的开关时间。开关时间的大小将直接影响三极管的开关速度。三极管的动态开关特性2.1.4MOS管的开关特性MOS晶体管MOS:（Metal-Oxide-Semiconductor）金属─氧化物─半导体MOS晶体管是MOS逻辑门的基本构成部分；MOS：①源极S、漏极D、栅极G；②是电压控制器件；③栅极电压控制漏源电流。以N沟道增强型为例分析其特性。1．输出特性曲线和阈值电压①当VGSVTN时，→T截止，iD=0②当VGS≥VTN时，→T导通，iD0三个工作区：Ⅰ区：VDS很小，即VDSVGS-VTN，iD随VDS线性上升。且VGS不同，上升的斜率就不同为可变电阻区；Ⅱ区：VDS较大，有：VDS≥（VGS-VTN），iD基本不变为恒流区；Ⅲ区：VGSVTN时，iD=0，截止区。注意：开关应用时MOS管交替工作于截止区和可变电阻区。2．转移特性和跨导转移特性：VDS一定时，iD与VGS之间的关系常数跨导DSGSDmVViggm表示VGS对iD的控制能力。3．输入电阻和输入电容rin1012Ω(静态负载能力很强)Cin几皮法(为动态MOS电容和大规模存储电路的实现创造了条件)4．直流导通电阻ronDDSoniVrMOS管的开关作用当ui较小时MOS管截止uo=VDD当ui较大时MOS管导通DONDDDONONRRVRRRuo动态特性DOffDDDOffOffRRVRRRuo2.2分立元件门电路1、二极管与门+VCC(+10V)R3kΩYD1AD2B3V0VABY&uAuBuYD1D20V0V0V3V3V0V3V3V0.7V0.7V0.7V3.7V导通导通导通截止截止导通导通导通ABY000110110001Y=ABAD1BD23V0VYR3kΩ-10V2、二极管或门ABY≥1uAuBuYD1D20V0V0V3V3V0V3V3V-0.7V2.3V2.3V2.3V导通导通截止导通导通截止导通导通ABY000110110111Y=A+BAβ=30+5VY电路图1逻辑符号AY1kΩ4.3kΩ3、三极管非门①uA＝0V时，三极管截止，iB＝0，iC＝0，输出电压uY＝VCC＝5V②uA＝5V时，三极管导通。基极电流为：iB＞IBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uY＝UCES＝0.3V。mA1mA3.47.05Bi三极管临界饱和时的基极电流为：mA17.01305BSIAY0110AY2.3CMOS集成门电路CMOS反相器CMOS集成电路是用N沟道MOS管和P沟道MOS管按互补对称的方式连接起来构成的一种电路形式。常用（CD4000）系列2.4TTL集成门电路TTL门电路是晶体管-晶体管逻辑（Transistor-TransistorLogic）门电路的简称，这种电路由于其输入级和输出级均采用晶体三极管而得名。按照国际通用标准，根据工作温度不同，TTL电路分为54系列（-55℃～125℃）和74系列（0℃～70℃）；根据工作速度和功耗不同，TTL电路又分为标准系列、高速（H）系列、肖特基（S）系列和低功耗肖特基（LS）系列。2.4.1TTL非门(反相器）一.TTL非门的电路结构TTL非门的基本电路如下图所示，它由输入级、中间级和输出级三部分组成。①输入信号uA=0VR4130ΩAR14kΩT3T2T1Y+VCC(+5V)T4R21.6KΩR31KΩ0.7V0.7V++--0V则uB1=0+0.7=0.7V，T2、T4截止，T3、D导通忽略iB3，输出端的电位为：输出Y为高电平uY≈5―0.7―0.7＝3.6VDAR14kΩT3T2T1YR4130Ω+VCC(+5V)T4R21.6KΩR31KΩ0.7V0.7V++--+-0.3V+-0.3V3.6V②输入信号uA=3.6V2.1V则uB1=2.1V，T2、T4导通，T3、D截止输出端的电位为：uY=UCES＝0.3V输出Y为低电平。2.TTL非门的工作原理（1）当A端输入为低电平0V时，T1的发射结导通，其基极电压等于输入低电压加上发射结正向压降。此时ib2=0，T2、T4都截止,ub3≈5V，T3和D导通,输出电压为：uo=3.6V实现了“输入为低，输出为高”的逻辑关系。（2）当A输入高电平3.6V时，T1处于发射结和集电结处于倒置使用的放大状态。当ub1达到2.1V时T1的BC结和T2、T4饱和导通，输出为低电平，即uo≈UCES≈0.3V此时uC2=UCES2+uB4=0.3+0.7=1.0V使T3和D处于截止状态。实现了“输入为高，输出为低”的逻辑关系。输入特性及有关参数输入特性是门电路输入电流和输入电压之间的关系。它反映电路对前级信号源的影响并关系到如何正确地进行门电路之间以及门电路与其他电路之间的连接问题。（1）输入特性1.输入伏安特性反映输入电流iI和uI关系的曲线为输入伏安特性曲线①输入短路电流IISui=0时的输入电流称为输入短路电流IIS。测试时，被测的输入端接地，相当于反相器输入端流出的的电流。IIS典型值为1.5mA左右，不得大于2.2mA。②输入漏电流IIH非门输入端为高电平ui=3.6V时，此时T1为倒置工作状态。IIH为流入高电平输入端的电流，称为输入漏电流。IIH典型值为10μA,不得超过70μA。（2）输入负载特性输入负载特性指当输入端接上电阻Ri时，ui随Ri变化的关系。在具体使用门电路时，往往需要在输入端与地之间或者输入端与信号之间接入电阻，TTL门电路输入端接电阻时的等效电路如图所示。TTL门电路输入端接电阻时的等效电路（1）开门电阻Ron要使反相器输出uo≤0.3V，Ri只需大于2.5KΩ。因此把2.5KΩ作为开门电阻，用RON表示。（2）关门电阻Roff当Ri＜0.7KΩ时，反相器就会输出高电平。因此把0.7KΩ定位关门电阻，用Roff表示。因此当Ri＞Ron时，反相器输出低电平当Ri＜Roff时，反相器输出高电平当Roff＜Ri＜Ron时，反相器输出为不稳定状态。二、输出特性反相器输出电压uo与输出电流io之间的关系当uo输出为低电平时为灌电流负载当uo输出为高电平时为拉电流负载1.输出低电平时的输出特性ui=UIHuo=UOL2.输出高电平时的输出特性ui=UILuo=UOH（三）电压传输特性电压传输特性是指门电路输出电压uo随输入电压ui变化的特性，通常用电压传输特性曲线来表示，如图所示。由图可见，随着ui从0逐渐增大，uo的变化过程可分为4个阶段。（1）ui＜0.5Vuo=3.6V为截止区（AB段）（2）ui＞0.6V为线性区（BC段）（3）ui接近1.4V为转折区（CD段）此点电压为反相器的翻转阀值用Uth表示。（4）ui＞1.4Vuo≤0.3V为饱和区（DE段）2.输入信号噪声容限在由若干门电路组成的数字电路中，前一级门电路的输出，就是后一级门电路的输入，因此与噪声容限有直接关系的参数是：输出高电平UOH：UOH是反相器处于截止状态时的输出电压，其典型值是3.6V，产品规定的最小值UOHmin=2.4V。输出低电平UOL：UOL是反相器处于导通状态时的输出电平，其典型值是0.3V，产品规定的最大值是UOLmax=0.4V。输入高电平UIH：UIH是对应于逻辑1状态的输入电压，其典型值是3.6V，产品规定的最小值UIHmin=2.0V。人们常把它称为开门电平，并记作Uon它是保证反相器处于导通状态所允许的uI的最小值。输入低电平UIL：UIL是对应于逻辑0状态的输入电压，其典型值是0.3V，产品规定的最大值UILmax=0.8V，并称之为关门电平，用Uoff表示。它是保证反相器处于截止状态所允许的uI的最大值。噪声容限示意图2.4V2.0V0.8V0.4V允许叠加在输入高电平的最大噪声电压称为高电平噪声容限UNH。由图可知UNH=UOHmin-UIHmin当UOHmin=2.4V、UIHmin=2.0V时，UNH=0.4V。允许叠加在输入低电平的最大噪声电压称为低电平噪声容限UNL。由图可知UNL=UILmax-UOLmax