数字电子技术第3章门电路

青岛科技大学电工电子教研室青岛科技大学电工电子教研室内容提要学习目的第3章门电路青岛科技大学电工电子教研室退出青岛科技大学电工电子教研室青岛科技大学电工电子教研室§3-1概述门电路用于实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。常用：与门、或门、非门、或非门、与非门的电路等。青岛科技大学电工电子教研室(1)开关S断开时，开关两端呈现的电阻为无穷大。vo=VCC(2)开关S闭合时，开关两端呈现的电阻为零,开关两端的电压vO=0S开关用晶体管组成用vI控制三极管工作在截止和导同两个状态(3)单开关电路功率损耗大PR=V2CC/R。单开关电路双开关电路S1、S1开关状态相反青岛科技大学电工电子教研室•非特别说明用正逻辑。•本书中一律采用正逻辑。高电平用逻辑1表示，低电平用逻辑0表示正逻辑与负逻辑高电平用逻辑0表示，低电平用逻辑1表示•高低电平的允许范围图3.1.2正逻辑与负逻辑高←→1；低←→0。青岛科技大学电工电子教研室半导体二极管几种外形构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：阴极阳极3.2半导体二极管和三机关的开关特性3.2.1半导体二极管的开关特性单向导电。特性：二极管的伏安特性外加正向电压时导通。外加反向电压时截止。PN青岛科技大学电工电子教研室3.2.1二极管的开关特性：VI=VIHD截止，VO=VOH=VCCVI=VILD导通，VO=VOL=0.7V高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0青岛科技大学电工电子教研室0V工作原理:A、B中有一个或一个以上为低电平0V时，只有A、B全为高电平3V，0.7V3.7VABY3.7V3V3V3V0V0V0V3V0V0.7V0.7V0.7V则输出Y就为低电平0.7V则输出Y才为高电平3.7V3.2.2二极管与门电路ABY000010100111图3.2.5二极管与门3V3V设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7V青岛科技大学电工电子教研室3.2.3二极管或门加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7ABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定2.3V以上为10V以下为0青岛科技大学电工电子教研室二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路青岛科技大学电工电子教研室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。分立元件门电路的缺点:本节小结1、二极管开关特性（恒压降）2、与、或、非门电路青岛科技大学电工电子教研室第三节TTL门电路TTL反相器的电路结构和工作原理TTL反相器的静态输入、输出特性TTL反相器的动态特性其他类型的TTL门电路TTL门电路的改进系列半导体三极管的开关特性青岛科技大学电工电子教研室下页返回上页vBEVON时三极管导通vBEVON时三极管截止1.三极管的输入特性vBE+-iBUBE/ViB/μAO实际特性理想特性VON一、半导体三极管的开关特性青岛科技大学电工电子教研室下页返回上页饱和区：UCE很小深度饱和时在0.3V以下iC/mAOuCE/ViB=80μA60402002.三极管的输出特性放大区截止区：iC几乎为零ICEO通常在1μA以下放大区：iC随iB成正比地变化几乎不受vCE变化的影响vce+-icvBE+-iB青岛科技大学电工电子教研室三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL青岛科技大学电工电子教研室四.双极性三极管的基本开关电路①当VI=0时,T截止：IB=0IC=ICEO0vo=voH=vcc②当VIVon时,T导通：BONIBRVviIOuvvAvo=vCE=vcc-icRc=vcc-βiBRc(3.5.1)(3.5.2)电压放大倍数：三极管工作在放大区所以,OCBIViiV青岛科技大学电工电子教研室工作状态分析：。状态　三极管工作在深饱和。时，上压降接近于　当继续下降。继续上升，继续上升，当00)(satCEOLOOCCCOBIVVVVVRViV③CCCCCE(sat)CCBSIRVRVV饱和基极电流：饱和时应保证：iB≧IBS(3.5.4)iC≦βiB结论：只要合适的选择电路参数，保证:•当vi为低电平VIL时VBEVon，三极管工作在截止状态；•当vi为高电平VIH时IBIBS，三极管工作在饱和状态。三极管就相当于一个受vi控制的开关。青岛科技大学电工电子教研室五、动态开关特性从二极管已知，PN结存在电容效应。在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。青岛科技大学电工电子教研室六、三极管反相器三极管的基本开关电路就是非门实际应用中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在输入接入负压。参数合理？VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T截止，VO=VOL青岛科技大学电工电子教研室YAIIHVVIILVVT深度饱和OOLVVT截止OOHVV逻辑符号为保证在输入低电平时,三极管可靠截止，接入了电阻R2和负电源VEE。5.三极管反相器三极管非门（反相器）-VEEVccRCR1Y（vo）TR2A（vI）AY仿真青岛科技大学电工电子教研室下页返回1961年美国德克萨斯仪器公司率先制成了集成电路。集成电路体积小、重量轻、可靠性好，因而在大多数领域里迅速取代了分立器件电路。按照集成度（即每一片硅片中所含元器件数）的高低，3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理上页根据制造工艺的不同，集成电路又分成双极型和单极型两类。TTL电路是目前双极型数字集成电路中用得最多的一种。小规模集成电路（SmallScaleIntegration,简称SSI）中规模集成电路（MediumScaleIntegration,简称MSI）大规模集成电路（LargeScaleIntegration,简称LSI）超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegration,简称VLSI）集成电路分成青岛科技大学电工电子教研室设：电源电压VCC=5V输入高电平VIH=3.4V输入低电平VIL=0.2V开启电压VON=0.7V1.电路结构反相器是TTL电路中电路结构最简单的一种。因电路输入端和输出端均为三极管结构，所以称做三极管-三极管逻辑电路，简称TTL电路。TTL反相器的典型电路CCV1R2RYA4T5T2T1T2D1D4R3RI()vO()v4k1.6k1k130B1v2Cv2Ev输入级倒相级输出级青岛科技大学电工电子教研室vI=VIL=0.2V时vB1=VIL+VON=0.9VT2、T5截止,T4、D2导通,输出为高电平。工作原理T1工作在深度饱和状态，TTL反相器的典型电路CCV1R2RYA4T5T2T1T2D1D4R3RI()vO()v4k1.6k1k130B1v2Cv2Ev输入级倒相级输出级青岛科技大学电工电子教研室vI=VIH=3.4V时vB1=VIH+VON=4.1VT2、T5导通，vB1被钳位在2.1V，T4、D2截止，T5饱和，输出为低电平。输入输出之间是反相关系，即YATTL反相器的典型电路CCV1R2RYA4T5T2T1T2D1D4R3RI()vO()v4k1.6k1k130B1v2Cv2Ev输入级倒相级输出级青岛科技大学电工电子教研室需要说明的几个问题：①②③故称倒相级。变化方向相反和的输出,222eCVVT。带负载能力，称推拉式既能降低功耗又提高了止。总有一个导通、一个截和输出级在稳态下，54TT可靠地截止。导通时保证抑制负向干扰4521TTDD青岛科技大学电工电子教研室2、电压传输特性青岛科技大学电工电子教研室图3.5.10TTL反相器的电压传输特性曲线V0Vi123450.5123.2.10.61.43.4ABCDE截止区线性区转折区饱和区阈值电压：1.4V2、电压传输特性输出高电平输出低电平输入低电平输入高电平青岛科技大学电工电子教研室3.输入躁声容限定义：在保证输出高、低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度）的条件下，输入电平的允许波动范围，称为输入噪声容限。青岛科技大学电工电子教研室输入为高电平时的噪声容限为：输入为低电平时的噪声容限为：(min)(min)NHOHIHVVV(max)(max)NLILOLVVVVNHVIH（min）VIL（max）VNLvoviVOH（min）VOL（max）0输出1输出0输入1输入vovi青岛科技大学电工电子教研室下页上页74系列门电路的标准参数为OH(min)OL(max)2.4V,0.4VVV可得NHNL0.4V,0.4VVV返回IH(min)IL(max)2.0V,0.8VVV青岛科技大学电工电子教研室下页上页输入低电平电流为：11CCBE1ILILmAVvVIR三、TTL反相器的静态输入、输出特性当5,0.2CCIILVVVvV时当IH3.4IVvV时T1处于倒置状态40IHμAI1.输入特性返回CCV1R4k1T1DIvIi2be5beTTL反相器的输入端等效电路青岛科技大学电工电子教研室TTL反相器的输入特性曲线-1.0-0.50.51.01.52.00-0.5-1.0-1.5-2.0vI/ViI/mA40μATTL反相器的输入特性下页上页返回CCV1R4k1T1DIvIi2be5beTTL反相器的输入端等效电路青岛科技大学电工电子教研室拉电流负载受功耗的限制，74系列规定iL不能超过0.4mA。2.输出特性(1)高电平输出特性-15-10-503.02.01.0VOH/ViL/mATTL反相器高电平输出特性下页上页返回R4T4D2VCCR2RLvOiL1.6kΩ130ΩTTL反相器高电平输出等效电路青岛科技大学电工电子教研室下页上页TTL反相器低电平输出特性OH/VVL/mAi1051.02.0015（2）低电平输出特性带灌电流负载能力IOL可达16mA。灌电流负载返回TTL反相器低电平输出等效电路CCV3RLR5TOvLi青岛科技大学电工电子教研室下页上页[例3.3.2]计算门G1最多可驱动多少个同样的门电路负载。1ILNii2IHLNIiNG1最多可驱动10个同样的门电路负载，这个数值叫做门电路的扇出系数。解：116161LIiNi0.4100.04L2IHiNI返回3G1G2G4GOv青岛科技大学电工电子教研室若RP较小，相当于输入一个低电平信号。若RP较大，相当于输入一个高电平信号。3.输入端负载特性TTL反相器输入端负载特性I/VvP/kR2.01.01.02.003.0下页上页返回VCCR1be2be5vIT14kΩRPTTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路青岛科技大学电工电子教研室下页上页[例3.3.3]为保证门G1输出的高、低电平能正确地传送到门G2的输入端，要求vo1=VOH时vI2≥VIH(min),vO1=VOL时vI2≤VIL(max)，试计算Rp的最大允许值是多少。已知G1、G2均为74系列反相器。OHIHPIH(min)VIRV解：vo1=VOH，vI2≥VIH(min)时33.42.0350.0410PkROHIH(min)PIHVVRI返回例3.3.3的电路1G2G1Ov2IvRp青岛科技大学电工电子教研室下页上页0.80.20.6950.70.8PkR1IL(max)OLPCCBE1IL(max)VVRRVvVvO1=VOL，Vi2≤VIL(max)时0.69PkR应取1IL(max)OLPCCBE1IL(max)VVRRVvV返回ILvVOLVCCR1be2be5T14kΩRP青岛科技大学电工电子教研室下页上页四、TTL反相器的动态特性返回1.传输延迟时间在TTL电路中，