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1、EXIT逻辑门电路EXIT概 述第 2 章 逻辑门电路二极管、三极管的开关特性TTL 集成逻辑门 CMOS 集成逻辑门 集成逻辑门的应用 本章小结最简单的与、或、非门电路EXIT逻辑门电路EXIT2.1 概 述主要要求： 了解逻辑门电路的作用和常用类型。 理解高电平信号和低电平信号的含义。 EXIT逻辑门电路EXITTTL 即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 一、门电路的作用和常用类型 按功能特点不同分 普通门 (推拉式输出) CMOS 传输门 输出 开路门 三态门 门电路 (
2、Gate Circuit)指用以实现基本逻辑关系和 常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分 与门 或门 非门 异或门 与非门 或非门 与或非门 按电路结构不同分 TTL 集成门电路 CMOS 集成门电路 输入端和输出端都用 三极管的逻辑门电路。 用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。 2.1 概述EXIT逻辑门电路EXIT正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管 和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。 若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值， 则采用
3、负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。二、正逻辑与负逻辑2.1 概述EXIT逻辑门电路EXIT二、获得高低电平的方法及高电平和低电平的含义 获得高、低电平的基本原理2.1 概述EXIT逻辑门电路EXIT高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。高电平信号是多大的信号？低 电平信号又是多大的信号？10高电平低电平01高电平低电平正逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定 2.1 概述EXIT逻辑门电路EXIT一些约定: TTL门电路:VILmax=0.7V,VIHmin=1.4VVOLmax=0.3V,VOHmin=3.6VCOMS门电路:VILmax=VIHmax=VDD/2V
4、OL=0V,VOH=VDD对低电平而言,电压越低越好,对高电平而言,电压越 高越好.但前提是不能超过电源电压的范围.2.1 概述EXIT逻辑门电路EXIT主要要求： 理解二极管、三极管的开关特性。 掌握二极管、三极管开关工作的条件。 2.2二极管和三极管的开关特性EXIT逻辑门电路EXIT利用二极管的单向导电 性，此电路相当于一个受外 加电压极性控制的开关。当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL 开关闭合2.2.1 二极管开关特性假定：UIH=VCC ，UIL=0当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH 开关断开 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性EXIT逻辑门电路EXIT三
5、极管为什么能用作开关？ 怎样控制它的开和关？当输入 uI 为低电平，使uBE Uth 时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作于放大 导通状态。EXIT逻辑门电路EXITIC(sat)QA uCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线 饱 和 区放大区一、三极管的开关作用及其条件 截止区uBE IB(sat)因为 iB =IHB-0.7 VU R所以求得 RB 100即可例这里的参数在以后的讲课 中会用到.2.2 半导体二极管和三极管的开关特性EXIT逻辑门电路EXIT当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH 开关断开假定：UIH=VCC ，UIL=0 当uI=UIH
6、时，三极管深度饱和，uo=UCES=UOL 开关闭合 AY 0 11 0三级管非门电路以后在数字电路中 遇到这样的电路,都 可以认为这是一个 非门.2.2 半导体二极管和三极管的开关特性EXIT逻辑门电路EXITIC(sat)OOOuIiCuOtttUIHUILVCCUCE(sat)上例中三极管反相 器的工作波形是理想波 形，实际波形为 ：uI 从 UIL 正跳到 UIH 时， 三极管将由截止转变为饱和，iC 从 0 逐渐增大到 IC(sat)，uC 从 VCC 逐渐减小为 UCE(sat)。uI 从 UIH 负跳到时 UIL ，三极管不能很快由饱和转 变为截止，而需要经过一段 时间才能退出饱
7、和区。二、三极管的动态开关特性 EXIT逻辑门电路EXITIC(sat)OOOuIiCuOtttUIHUILVCCUCE(sat)0.9IC(sat)ton0.1IC(sat)toffuI 正跳变到 iC 上升到 0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称 为三极管开通时间。通常工作频率不高时 ，可忽略开关时间，而工 作频率高时，必须考虑开 关速度是否合适，否则导 致不能正常工作。uI 负跳变到 iC 下降到 0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称 为三极管关断时间。 通常toff ton二、三极管的动态开关特性 开关时间主要由于电 荷存储效应引起，要提高 开关速度，必须降低三极 管
8、饱和深度，加速基区存 储电荷的消散。EXIT逻辑门电路EXITC E B SBD B C E 在普通三极管的基极和集电极之间并 接一个肖特基势垒二极管(简称 SBD) 。BC SBD抗饱和三极管的开关速度高 没有电荷存储效应 SBD 的导通电压只有 0.4 V 而非 0.7 V，因此 UBC = 0.4 V 时，SBD 便导通，使UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。三、抗饱和三极管简介EXIT逻辑门电路EXIT图2.3.1 二极管与门返回真值表逻辑电平ABY 0 0 1 10 1 0 10 0 0 1A/V B/V Y/V 0 0 0 0 0.7 0.7 0.7 52.3.1 二极管
9、与门2.3 最简单的与、或、非门电路缺点：输出电平发生偏移EXIT逻辑门电路EXIT2.3.2 二极管或门图2.3.2 二极管或门返回逻辑电平A/VB/VY/V 0 0 0 0 0 .3 .3 .3真值表ABY 0 0 1 10 1 0 10 1 1 1缺点：输出电平发生偏移EXIT逻辑门电路EXIT2.3.3三极管非门图2.3.3 三极管非门（反相器）返回真值表AY 0 11 0R2 和VEE的作用：保证输入为低电平时三极管可 靠截止；输入为高电平时，保证三极管工作在深 度饱和状态，使输出电平接近于零。缺点:输出电阻大,带负载能力差.EXIT逻辑门电路EXIT2.3.4DTL(二级管-三极管
10、)门电路或非门:二级管或门+三极管非门与非门:二级管与门+三极管非门缺点：1、输出电平发生偏移,级数越多,偏移越大 .与或非门:二级管与门+二级管或门+三极 管非门2 、带负载能力差EXIT逻辑门电路EXIT主要要求： 了解 TTL 与非门的组成和工作原理。了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。2.4 TTL 集成逻辑门 掌握 TTL 基本门电路的逻辑功能和主要外特性。掌握集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。EXIT逻辑门电路EXITV1V2V3V5V62.4.1TTL 反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构输入级主要由三极管 T1 、基极电 阻 R1 和钳位二极管D1组成。D1
11、为输入钳位二极管，用以抑制 输入端出现的负极性干扰。正常信号输 入时，D1 不工作，当输入的负极性干 扰电压大于二极管导通电压时，二极管 导通，输入端负电压被钳在 -0.7 V上， 这不但抑制了输入端的负极性干扰，对 V1 还有保护作用。 中间级起倒相放大作 用，T2 集电极 C2 和发射极E2 同时输出两个逻辑电平 相反的信号，分别驱动 T3 和 T5。 输出级 由 T3、D2、 R4和V5组成 。其中 V3 ， 与 V5 构成推 拉式输出结 构，提高了 负载能力。 EXIT逻辑门电路EXIT 输入端为低电平时，输出高电平。二、TTL 反相器的工作原理（设输入VIH=3.6V，VIL=0.3
12、V） 输入电流方向:IIL流出输入端输入电流大小：1mA 输入为高电平时，输出低电平输入电流方向:IIH流入输入端输入电流大小：小于40uAEXIT逻辑门电路EXIT电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门电压传输特性曲线三、电压传输特性和噪声容限 输出电压随输入电压变化的特性 uI 较小时工作于AB 段 ，这时 T2、T5 截止，T4、 D2 导通，输出恒为高电平 ，UOH 3.6V，称与非门 工作在截止区或处于关门 状态。 uI 较大时工作于 BC 段，这时 T2、T5 工作于 放大区， uI 的微小增大 引起 uO
13、 急剧下降，称与 非门工作在转折区。 uI 很大时工作于 CD 段， 这时 T2、T5 饱和，输出恒为 低电平，UOL 0.3V，称与非 门工作在饱和区或处于开门状 态。 1、电压传输特性EXIT逻辑门电路EXIT下面介绍与电压传输特 性有关的主要参数：有关参数 0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线标准高电平 USH 当 uO USH 时，则认为输出高 电平，通常取 USH = 3 V。 标准低电平 USL 当 uO USL 时，则认为输出低 电平，通常取 USL = 0.3 V。 关门电平 UOFF 保证输出不小于标准高电平USH
14、时,允许的输入低电平的最大值。 开门电平 UON 保证输出不高于标准低电平USL 时,允许的输入高电平的最小值。 阈值电压 UTH 转折区中点对应的输入电压， 又称门槛电平。USH = 3VUSL = 0.3V UOFFUONUTH近似分析时认为： uI UTH，则与非门开通，输出低电平UOL； uI RON 时，相应输 入端相当于输入高电平。对 STTL 系列， RON 2.1 k。注意:输入端悬空,相当于输入高电平.EXIT逻辑门电路EXIT例 下图中，已知 ROFF 800 ，RON 3 k，试对应输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。(a)(b)tA0.3 V3.6 VO不同 TTL
15、 系列， RON、 ROFF 不同。相应输入端相当于输入低电平， 也即相当于输入逻辑 0 。逻辑0因此 Ya 输出恒为高电平 UOH 。相应输入端相当于输入高电平， 也即相当于输入逻辑 1 。逻辑1因此，可画出波形如图所示。YbtOYatUOHO解：图(a)中，RI = 300 RON 3 kEXIT逻辑门电路EXIT若将两个TTL门电路经过一个电阻串接，这 个电阻的阻值不能大于RON。实际应用EXIT逻辑门电路EXIT三. 输出特性负载电流流入与 非门的输出端。 负载电流从与非门 的输出端流向外负载。负载电流流入驱动门IOL负载电流流出驱动门IOH输入均为 高电平 输入有 低电平 输出为低电
16、平 输出为高电平 灌电流负载拉电流负载不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载 电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致 电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。实用中常用扇出系数 NOL 表示电路负载能力。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。 通常按照负 载电流的流向将 与非门负载分为 灌电流负载 拉电流负载 输出电压uo随输出电流IL的变化而变化的关系曲线。EXIT逻辑门电路EXITa）输出低电平时的输出特性UoL=iLrce5iL=nIILn为负载门的个数.EXIT逻辑门电路EXITTTL反相器低电平输出特性由低电平输出特性可以查出输出某一低电平时的最大 负载电流。TTL反相器输出低电平时的输出特性如下所示。每个门的输出低电平特性都可以测出。根据iL=nIIL3.0V， 低电平VOL RON ，相应输入 端为高电平。510RI 0UGSUGS(TH)U
