《数字电子技术 教学课件 ppt 作者 唐颖 程菊花 阮越 第三章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子技术 教学课件 ppt 作者 唐颖 程菊花 阮越 第三章（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/5/20,1,第3章 逻辑门电路,3.1 二极管及三极管的开关特性,3.2 简单的与、或、非门电路,3.3 TTL门电路,2019/5/20,2,3.1 二极管及三极管的开关特性,数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。 导通状态：相当于开关闭合 截止状态：相当于开关断开。,半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。,2019/5/20,3,(1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。,闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON = 0，电压UAK = 0。,(2) 动态特性：开通
2、时间 ton = 0 关断时间 toff = 0,理想开关的开关特性：,2019/5/20,4,客观世界中，没有理想开关。 乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。 半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。,2019/5/20,5,3.1.1 二极管的开关特性,1. 静态特性及开关等效电路,正向导通时UD(ON)0.7V（硅） 0.3V（锗） RD几 几十 相当于开关闭合,2019/5/20,6,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
3、,2019/5/20,7,图3-2 二极管的开关等效电路 (a) 导通时 (b) 截止时,2019/5/20,8,2. 动态特性：,若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。,二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。,反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的时间。 一般为纳秒数量级（通常tre 5ns ）。,2019/5/20,9,3.1.2 三极管的开关特性,1. 静态特性及开关等效电路,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。,图3-3三极管的三种
4、工作状态 （a）电路 （b）输出特性曲线,2019/5/20,10,开关等效电路,(1) 截止状态,条件：发射结反偏 特点：电流约为0,2019/5/20,11,(2)饱和状态,条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅,2019/5/20,12,图3-4 三极管开关等效电路 (a) 截止时 (b) 饱和时,2019/5/20,13,2. 三极管的开关时间（动态特性）,图3-5 三极管的开关时间,2019/5/20,14,(1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。 ton = td +tr td ：延迟时间 tr ：上升时间,(2) 关闭时间to
5、ff 三极管从饱和到截止所需的时间。 toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长） tf ：下降时间,toff ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。,2019/5/20,15,门电路的概念： 实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。,分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起 来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。 集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都 制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用
6、最多的是CMOS和TTL集成门电路。,3.2 简单的与、或、非门电路,2019/5/20,16,3.2.1 二极管与门电路,1. 电路,2. 工作原理,A、B为输入信号 （+3V或0V） F 为输出信号 VCC+12V,表2-1 电路输入与输出电压的关系,2019/5/20,17,用逻辑1表示高电平（此例为+3V） 用逻辑0表示低电平（此例为0.7V）,3. 逻辑赋值并规定高低电平,4. 真值表,可见实现了与逻辑,2019/5/20,18,5. 逻辑符号 6. 工作波形(又一种表示逻辑功能的方法） 7. 逻辑表达式 FA B,图3-6 二极管与门 （a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形,2
7、019/5/20,19,3.2.2 二极管或门电路,1. 电路,2. 工作原理,A、B为输入信号（+3V或0V） F 为输出信号,2019/5/20,20,4. 真值表,可见实现了或逻辑,3. 逻辑赋值并规定高低电平,用逻辑1表示高电平（此例为+2.3V） 用逻辑0表示低电平（此例为0V）,2019/5/20,21,图3-7 二极管或门 （a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形,5. 逻辑符号 6. 工作波形 7. 逻辑表达式 FA+ B,2019/5/20,22,3.2.3 关于高低电平的概念及状态赋值,电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。 高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段
8、电压范围。 例：上面二极管与门电路中规定高电平为3V，低电平0.7V。 又如，TTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V，但从0V到0.8V都算作低电平。,1. 关于高低电平的概念,2019/5/20,23,2. 逻辑状态赋值,在数字电路中，用逻辑0和逻辑1分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。 经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。,2019/5/20,24,3.2.4 非门（反相器）,图3-8 非门 (a) 电路 （b）逻辑符号,1. 电路,2. 工作原理,A、B为输入信号 （+3.6V或0.3V） F
9、 为输出信号,2019/5/20,25,3. 逻辑赋值并规定高低电平,用逻辑1表示高电平（此例为+3.6V） 用逻辑0表示低电平（此例为0.3V）,4. 真值表,2019/5/20,26,3.2.5 关于正逻辑和负逻辑的概念,正逻辑体系：用1表示高电平，用0表示低电平。 负逻辑体系：用1表示低电平，用0表示高电平。,1. 正负逻辑的规定,2. 正负逻辑的转换,对于同一个门电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。 本书若无特殊说明，一律采用正逻辑体制。 同一个门电路，对正、负逻辑而言，其逻辑功能是不同的。,2019/5/20,27,正与门相当于负或门,二极管与门电路,2019/5/20,28,3
10、.3 TTL门电路,TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。,TTL电路的基本环节是反相器。 简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。,2019/5/20,29,3.3.1 TTL反相器的工作原理,1. 电路组成,图3-9 TTL反相器的基本电路,2019/5/20,30,(1) 输入级,当输入低电平时， uI=0.3V，发射结正向导通， uB1=1.0V 当输入高电平时， uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将反向截止。 uB1由后级电路决定。,2019/5/20,31,(2) 中间级
11、,反相器VT2 实现非逻辑,2019/5/20,32,(3) 输出级（推拉式输出）,VT3为射极跟随器,2019/5/20,33,2. 工作原理,（1）当输入高电平时， uI=3.6V， VT1处于倒置工作状态， 集电结正偏，发射结反偏， uB1=0.7V3=2.1V， VT2和VT4饱和， 输出为低电平uO=0.3V。,2.1V,0.3V,3.6V,2019/5/20,34,（2） 当输入低电平时， uI=0.3V， VT1发射结导通，uB1=0.3V+0.7V=1V， VT2和VT4均截止， VT3和VD导通。 输出高电平 uO =VCC -UBE3-UD 5V-0.7V-0.7V=3.6
12、V,1V,3.6V,0.3V,2019/5/20,35,(3) 采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力,VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。 当输入高电平时，VT4饱和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载。 当输入低电平时，VT4截止，VT3导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。 可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而另一管截止。 这种推拉式工作方式，带负载能力很强。,2019/5/20,36,3.3.2 TTL反相器的电压传输特性及参数,电压传输特性：输出电压uO与输入电
13、压uI的关系曲线。,图3-10 TTL反相器电路的电压传输特性,1. 曲线分析,VT4截止，称关门,VT4饱和，称开门,2019/5/20,37,2. 结合电压传输特性介绍几个参数,2019/5/20,38,(3) 开门电平UON 一般要求UON1.8V (4) 关门电平UOFF 一般要求UOFF0.8V,在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。,在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。,2019/5/20,39,(5) 阈值电压UTH 电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。
14、通常UTH1.4V。,(6) 噪声容限（ UNL和UNH ） 噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。 UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。,2019/5/20,40,2019/5/20,41, 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围） UNL=UOFF-UIL UIL为电路输入低电平的典型值（0.3V） 若UOFF=0.8V，则有 UNL=0.8-0.3=0.5 (V), 高电平噪声容限（高电平负向干扰范围） UNH = UIH - UON UIH为电路输入高电平的典型值（3V） 若UON=1.8V，则有 UNH = 3-1.8 =1.2 (V),2019/5/
15、20,42,3.3.3 TTL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3-11 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,2019/5/20,43,两个重要参数：,(1) 输入短路电流IIS 当uI = 0V时，iI从输入端流出。 iI =(VCCUBE1)/R1 =(50.7)/4 1.1mA,(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，倒置工作的三极管电流放大系数反很小(约在0.01以下)，所以 iI = IIH =反 iB2 IIH很小，约为10A左右。,2019
16、/5/20,44,图3-12 输入负载特性曲线 （a）测试电路 （b）输入负载特性曲线,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。,2. 输入负载特性,2019/5/20,45,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。,2019/5/20,46,RI 不大不小时，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；,ROFF,RON,RI 悬空时？,2019/5/20,47,(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R
