数字电路 门电路教材

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1、第3章 门电路 数字电子技术 Digital Electronics Technology * 1.门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。 常用门电路：与门、或门、非门、与非门、或非 门、与或非门、异或门等 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 * 获得高、低电平的基本原理 S断开，输出v0=Vcc S闭合，输出v0=0 门电路是以高/低电平来表示逻辑值1/0 实际开关为晶体二极 管、三极管以及场效 应管等电子器件 3.1 概 述2. 高低电平 n 高电平：数字电路中较高电平代数值的范围。 n

2、 低电平：数字电路中较低电平代数值的范围。 * 3.1 概 述 3. 正负逻辑 n 正逻辑：用高电平代表1、低电平代表0。在数字电路 中，一般采用正逻辑系统。 n 负逻辑：用高电平代表0、低点平代表1。 t v VH VL Positive Logic 1 0 v VH VL1 0 Negative Logic t 正逻辑正逻辑 负逻辑负逻辑 * 4. 集成电路 n IC（Integrated Circuits）：将元器件制作在同一硅片上， 以实现电路的某些功能。 n SSI（Small-Scale Integration）： 10个门电路。 n MSI（Medium-Scale Integr

3、ation）：10100个门电路。 n LSI（Large-Scale Integration）：100010000个门电路。 n VLSI（Very Large-Scale Integration）： 10000个门电路。 3.1 概 述 根据所使用半导体器件不同分为： nTTL电路:晶体管-晶体管逻辑电路（Transister-Transister- Logic ） nMOS电路:采用金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,缩写为MOSFET) 制造 * 一、半导体二极管的开关特 性 正向导通时 UD(

4、ON)0.7V RD几 几十 相当于开关闭合 二极管的伏安特性曲线 3.2 半导体二极管门 电路 * 反向截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大（约几百k） 相当于开关断开 二极管的伏安特性曲线 3.2 半导体二极管门 电路 一、半导体二极管的开关特性 * 3.2 半导体二极管门 电路 * 3.2 半导体二极管门 电路 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。 外加电压突然反向时，电流的变化情况 外加电

5、压突然反向时，由于PN结中存储电荷的 存在，所以有较大的瞬间反向电流。随着存储 电荷的消散，反向电流迅速衰减并趋于稳态时 的反向饱和电流。 * 3.2.2 二极管与门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V ABY 0V0V 0.7 V 0V3V 0.7 V 3V0V 0.7 V 3V3V 3.7 V ABY 000 010 100 111 规定3V以上为1 0.7V以下为0 * 3.2.3 二极管或门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V ABY 0V0V 0V 0V3V 2.3 V

6、 3V0V 2.3 V 3V3V 2.3 V ABY 000 011 101 111 规定2.3V以上为1 0V以下为0 * 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 * TTLTTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用 半导体三极管，所以称晶体管半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路晶体管逻辑门电路 ，简称，简称TTLTTL电路。电路。 TTLTTL电路的基本环节是反相器。因此首先简单电路的基本环节是反相器。因此首先简单 了解了解TTLTTL反相器的电路及工作原理，掌握其特性曲反相器的电路及工作原理，掌握其特性曲 线和主

7、要参数。线和主要参数。 3.5 TTL门电 路 P109 * 3.5 TTL门电 路 1. 双极性三极管的开关特性（静态）P110 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和 和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。 * 双极型三极管的基本开关电路 只要参数合理：只要参数合理： V V I I =V=VILIL时，时，T T截止，截止，V VOO=V=VOHOH V V I I =V=VIHIH时，时，T T导通，导通，V VOO=V=VOLOL * 工作状态分析： * 2.动态开关特性 从二极管已知，从二极管已知， PNPN结存在电容效结存在电容效 应。应。 在饱和与截止两个在

8、饱和与截止两个 状态之间转换时，状态之间转换时， i i C C 的变化将滞后于的变化将滞后于 V V I I ，则，则V VO O的变化也 的变化也 滞后于滞后于V V I I 。 * 3.三极管反相器 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？参数合理？ V V I I =V=VIL IL时， 时，T T截止，截止， V V OO=V =VOH OH V V I I =V=VIH IH时， 时，T T饱和，饱和， V V OO=V =VOL OL * 例3.5.1：计算参数设计是否合理 5V -8V 3.3K 10K 1K

9、=20 VCE(sat) = 0.1V VIH=5V VIL=0V * 例3.5.1：计算参数设计是否合理 将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路 * 等效变换后的电路如下 * 当 当 又 因此，参数设计合理 * 电路组成 TTL反相器的基本电路 3.5 TTL门电 路 4. TTL反相器（Transistor-Transistor Logic） * 3.5 TTL门电 路 当输入低电平时， uI=0.3V，VT1发射结导通 ， uB1=0.3V+0.7V=1V VT2和VT5均截止，VT4和 VD导通。输出高电平 uO =VCC UBE4-UD-IB4R2 5V-0.7V-0.7V=3.6

10、V 1V 3.6V 0.3V 工作原理 * 3.5 TTL门电 路 当输入高电平时， uI=3.6V， VB1=3.6+0.7=4.3V，可以使T2， T5导通。而VT1处于倒置工作状 态，集电结正偏，发射结反偏， uB1=0.7V3=2.1V。VB1电位被钳 制在2.1V。 故T2工作于只可能是饱和状态。 因VB4=VCES2+VBE5=1V VT4截止。VT5饱和导通，在输 出电流小于IOLmax时，输出为低 电平uO=00.3V。 2.1V 0.3V 3.6V 工作原理 * 需要说明的几个问题： * 二、电压传输特性 * 二、电压传输特性 * 三、输入噪声容限 * * 3.5.3 TTL

11、反相器的输入特性和输出特 性 1. 输入伏安特性 输入电压和输入电流之间的关系曲线。 图2-11 TTL反相器的输入伏安特性 （a）测试电路 （b）输入伏安特性曲线 * 两个重要参数： (1) 输入短路电流IIL 当uIL = 0.2V时，iI从输入端流出。 iIL =(VCCUBE1-UIL)/R1 =(50.7-0.2)/4 1mA (2) 高电平输入电流IIH 当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结正偏， 处于倒置工作状态， IIH很小，约为40A左右。 前级驱动门输出低电平时，从负载门的输入端流向驱动门 的电流IIL IL，称为灌电流。IIL IL -1mA 前级驱动门输出高电平

12、时，流向负载门的电流IIH IH，称为拉 电流。IIH 0.04mA * 2. 输出特性 （1）输出为高电平的输出特性 由图可见，负载电流iL=iOH不可过大，否则输出高电 平会降低。iOH5mA时，输 出uO变化很大；实际上由于功耗的限制， iOH远小于5mA 。74系列门电路的运用条件规定 iOH0.4mA。 * （2）输出为低电平时的输出特性 T5饱和导通时c-e间饱和导通内阻很小，饱和压降很 低，所以负载电流增加时输出低电平仅稍有升高。 iL=iOL16mA * 3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性 例：扇出系数（Fan-out）， 试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载

13、。 * 解:低电平时： 高电平时： 综上，最多可以驱动10个反相器 保证低电平时前级 不会因电流过大烧 坏。 手册规定输出高电平 时，最大负载电流小 于0.4mA * 3.5 TTL门电 路 TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随RI 的 变化而变化的关系曲线。 3. 输入负载特性 * 3.5 TTL门电 路 在一定范围内， uI随RI的增大而升高 。但当输入电压uI达 到1.4V以后，uB1 = 2.1V，RI增大，由于 uB1不变，故uI = 1.4V 也不变。这时VT2和 VT4饱和导通，输出 为低电平。 虚框内为TTL反相器的部分内部电路 * 3.5 TTL门电 路 RI 不

14、大不小时，工作在线性区或转折区。 RI 较小时，关门，输出高电平； RI 较大时，开门，输出低电平； ROFFRON RI 悬空时？ * 3.5 TTL门电 路 (1) 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电 平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的 TTL门电路ROFF 0.7k。 (2) 开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平 的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL 门电路RON 2k。 数字电路中要求输入负载电阻RI RON或RI ROFF ，否 则输入信号将不在高低电平范围内。 振荡电路则令 ROFF RI RON使电路处于转折区。 * 3.5

15、 TTL门电 路 3.5.4 TTL反相器的动态特性 传输延迟时间tpd 平均传输延迟时 间tpd表征了门电路 的开关速度。 tpd =（ tpHL + tpLH ）/2 * 3.5 TTL门电 路 （1） TTL与非门 4. 其他类型的TTL门电路 全1 输出0 有0 输出1 1V2.1V * 3.5 TTL门电 路 每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并 可使三极管进入放大或饱和区。 多发射极三极管 有0.3V 钳位于1.0V 全为3.6V 集电 结导 通 * (2). 或 非门 (3).(3).与或非门与或非门 * 作业3.5 在图由74系列TTL与非门组成的电路中， 计算GM门能驱动多少同样的与非门。要求输出的 高低电平满足VOH3.2V，VOL0.4V。与非门的输 入电流为IIL-1.6mA,IIH40A。VOL0.4V时输出 电流最大值为IOL(max)=16mA；3.2V时输出电流最 大值为IOH(min)= =-0.4mA。GM输出电阻可忽略不 计。 驱动门输出是低电平时， IOLmIIL，m为负载门的数目 。 驱动门