《数字电子技术基础 教学课件 ppt 作者 杨碧石 数字第2章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子技术基础 教学课件 ppt 作者 杨碧石 数字第2章（73页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 门电路,2.2 半导体器件的开关特性,2.3 分立元件门电路,2.4 TTL集成门电路,2.5 CMOS集成门电路,2.1 概述,获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。,逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。,2.2.1、二极管开关特性,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。,二极管符号：,正极,负极, uD ,2.1 概述,2.2半导体器件的开关特性,uo,uo,ui0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。,ui5V时，二极
2、管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。,二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。,Ui0.5V时，二极管截止，iD=0。,Ui0.5V时，二极管导通。,2.2.2、三极管的开关特性,截止状态,饱和状态,iBIBS,ui=UIL0.5V,uo=+VCC,ui=UIH,uo=0.3V,饱和区,截止区,放,大,区,ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：,ui=1V时，三极管导通，基极电流：,因为0iBIBS，三极管工作在放大状态。iC=iB=500.03=1.5mA，输出电压：,三极管临界饱和时的基极电流：,uo=uCE
3、=UCC-iCRc=5-1.51=3.5V,uo=VCC=5V,ui3V时，三极管导通，基极电流：,而,因为iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：,uoUCES0.3V,2.2.3 MOS管的开关特性,工作原理电路,转移特性曲线,输出特性曲线,截止状态,uiUT,uo=+VDD,导通状态,uiUT,uo0,2.3 分立元件门电路,1、二极管与门,Y=AB,2、二极管或门,Y=A+B,3、三极管非门,uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5V,uA5V时，三极管导通。基极电流为：,iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。,三极管临界饱和时的基极电
4、流为：,当uA0V时，由于uGSuA0V，小于开启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uYVDD10V。,当uA10V时，由于uGSuA10V，大于开启电压UT，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uY0V。,2.4.1 TTL与非门的工作原理,典型TTL与非门电路,2.4 TTL集成门电路, 输入级。由多发射极管V1和电阻R1组成，其作用是对输入变量A、B、C实现逻辑与，所以它相当一个与门。 多射极管V1的结构如图3-2(a)所示，其等效电路如图3-2(b)所示。设二极管V1V4 的正向管压降为0.7 V，当输入信号A、B、C中有一个或一个以上为低电
5、平(0.3V)时， UP1=1V，Uc=0.3V； 当A、B、C全部为高电平(3.6V)时， UP1=4.3V，Uc=3.6V。可见，仅当所有输入都为高时，输出才为高，只要有一个输入为低，输出便是低，所以起到了与门的作用。,图 3-2 多射极晶体管的结构及其等效电路, 中间级。由V2、R2、R3组成，在V2的集电极与发射极分别可以得到两个相位相反的电压，以满足输出级的需要。 输出级。由V3、V4、V5和R4、R5组成，这种电路形式称推拉式电路，它不仅输出阻抗低，带负载能力强， 而且可以提高工作速度。,1. 输入全部为高电位(3.6 V) 当输入端全部为高电位3.6V时，由于V1的基极电压Ub1
6、最多不能超过2.1V(Ub1=Ubc1+Ube2+Ube5)，所以V1所有的发射结反偏；这时V1的集电结正偏，V1管的基极电流Ib1流向集电极并注入V2的基极，,此时的V1是处于倒置(反向)运用状态(把实际的集电极用作发射极，而实际的发射极用作集电极)，其电流放大系数反很小(反0.05)，因此Ib2=Ic1=(1+反)Ib1Ib1，由于Ib1较大足以使V2管饱和，且V2管发射极向V5管提供基流， 使V5也饱和，这时V2的集电极压降为,这个电压加至V3管基极，可以使V3导通。此时V3射极电位Ue3=Uc2-Ube30.3V，它不能驱动V4，所以V4截止。V5由V2提供足够的基流，处于饱和状态，因
7、此输出为低电位：,2. 输入端至少有一个为低电位(0.3 V) 当输入端至少有一个为低电位(0.3V)时，相应低电位的发射结正偏，V1的基极电位Ub1被钳在1V，因而使V1其余的发射结反偏截止。此时V1的基极电流Ib1经过导通的发射结流向低电位输入端，而V2的基极只可能有很小的反向基极电流进入V1的集电极，所以Ic10，但V1的基流Ib1很大， 因此这时V1处于深饱和状态：,因而V2、V5均截止。此时V2的集电极电位Uc2UCC=5V， 足以使V3、V4导通，因此输出为高电位：,综上所述，当输入端全部为高电位(3.6V)时，输出为低电位(0.3V)，这时V5饱和，电路处于开门状态；当输入端至少
8、有一个为低电位(0.3 V)时，输出为高电位(3.6 V)，这时V5截止，电路处于关门状态。 由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系：,表 3-1 TTL与非门各级工作状态,TTL与非门具有较高的开关速度，主要原因有两点： 一是由于采用了多射极管V1,它缩短了V2和V5的开关时间。当输入端全部为高电位时，V1处于倒置工作状态。此时V1向V2提供了较大的基极电流，使V2、V5迅速导通饱和；当某一输入端突然从高电位变到低电位时，Ib1转而流向V1低电位输入端，即为V1正向工作的基流，该瞬间将产生一股很大的集电极电流Ic1，正好为V2和V5提供了很大的反向基极电流，使V2和V5基区的存储电荷
9、迅速消散，因而加快了V2和V5的截止过程，提高了开关速度。,二是由于采用了推拉式输出电路，加速了V5管存储电荷的消散过程。当V2由饱和转为截止时，V3和V4导通。由于V3、 V4是复合射随，相当于V5集电极只有很小电阻，此时瞬间电流很大，从而加速了V5管脱离饱和的速度，使V5迅速截止。 此外，由于采用推拉式输出级，与非门输出低电平时V5处于深饱和状态，输出电阻很低；而输出高电平时V3、V4导通，组成射极跟随器，其输出电阻也很低，因此无论哪种状态输出电阻都很低，都有很强的带负载能力。,2.4.2 TTL与非门的特性与参数,1. 电压传输特性,电压传输特性是指输出电压跟随输入电压变化的关系曲线，即
10、UO=f(uI)函数关系，它可以用图3-3所示的曲线表示。由图可见，曲线大致分为四段： AB段(截止区)：当UI0.6V时，V1工作在深饱和状态，Uces10.1V，Ube20.7V，故V2、 V5截止，V3、V4均导通， 输出高电平UOH=3.6V。,图 3-3 TTL与非门的电压传输特性,BC段(线性区)：当0.6VUI1.3V时，0.7VUb21.4V， V2开始导通，V5尚未导通。此时V2处于放大状态，其集电极电压Uc2随着UI的增加而下降，并通过V3、V4射极跟随器使输出电压UO也下降 ，下降斜率近似等于-R2/R3。 CD段(转折区)：1.3VUI1.4V，当UI略大于1.3V时，
11、V5开始导通，此时V2发射极到地的等效电阻为R3Rbe5，比V5截止时的R3小得多，因而V2放大倍数增加，近似为-R2/(R3Rbe5)， 因此Uc2迅速下降，输出电压UO也迅速下降，最后V3、V4截止， V5进入饱和状态。 DE段(饱和区)：当UI1.4V时，随着UI增加V1进入倒置工作状态，V3导通，V4截止，V2、V5饱和，因而输出低电平UOL=0.3V。,从电压传输特性可以得出以下几个重要参数： 输出高电平UOH和输出低电平UOL。 电压传输特性的截止区的输出电压UOH=3.6V，饱和区的输出电压UOL=0.3V。一般产品规定UOH2.4V、UOL0.4V时即为合格。 阈值电压UT。
12、阈值电压也称门槛电压。电压传输特性上转折区中点所对应的输入电压UT1.3V，可以将UT看成与非门导通(输出低电平)和截止(输出高电平)的分界线。, 开门电平UON和关门电平UOFF。 开门电平UON是保证输出电平达到额定低电平(0.3V)时，所允许输入高电平的最低值，即只有当UIUON时，输出才为低电平。通常UON=1.4V，一般产品规定UON1.8V。 关门电平UOFF是保证输出电平为额定高电平(2.7V左右)时，允许输入低电平的最大值，即只有当UIUOFF时， 输出才是高电平。通常UOFF1V，一般产品要求UOFF0.8V。, 噪声容限UNL、UNH。 实际应用中，由于外界干扰、电源波动等
13、原因，可能使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。 低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示： UNL=UOFF-UIL 若UOFF=0.8V, UIL=0.3V，则UNL=0.5V。 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)， 用UNH表示：,若UON=1.8V，UIH=3V，则UNH=1.2V。,图 3-4 TTL与非门输入特性,2. 输入特性 输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f(uI)的函数关系。 典型
14、的输入特性如图3-4所示。,设输入电流II由信号源流入V1发射极时方向为正，反之为负。从图3- 4看出，当UIUT时II为负，即II流入信号源，对信号源形成灌电流负载。当UIUT时II为正，II流入TTL门，对信号源形成拉电流负载。 输入短路电流IIS。 当UI=0时的输入电流称为输入短路电流，典型值约为-1.5mA。, 输入漏电流IIH。 当UIUT时的输入电流称为输入漏电流，即V1倒置工作时的反向漏电流，其电流值很小，约为10 A。 应注意，当UI7V以后V1的ce结将发生击穿，使II猛增。此外当UI-1V时，V1的be结也可能烧毁。这两种情况下都会使与非门损坏，因此在使用时，尤其是混合使
15、用电源电压不同的集成电路时，应采取相应的措施，使输入电位钳制在安全工作区内。,3. 输入负载特性,图 3-5 TTL与非门输入负载,图 3-6 TTL与非门输,由图可见，当RI较小时，UI随RI增加而升高，此时V5截止， 忽略V2基极电流的影响，可近似认为,当RI很小时UI很小，相当于输入低电平，输出高电平。为了保持电路稳定地输出高电平，必须使UIUOFF，即,故,若UOFF=0.8V，R1=3k，可求得RI0.7k，这个电阻值称为关门电阻ROFF。可见，要使与非门稳定地工作在截止状态，必须选取RIROFF。 当RI较大时，UI进一步增加，但它不能一直随RI增加而升高。因为当UI=1.4 V时
16、，Ub1=2.1V，此时V5已经导通，由于受V1集电结和V2、V5发射结的钳位作用，Ub1将保持在2.1V，致使UI也不能超过1.4V，见图3-6。 为了保证与非门稳定地输出低电平，应该有UIUON。此时求得的输入电阻称为开门电阻，用RON表示。对于典型TTL与非门，RON=2k，即RIRON时才能保证与非门可靠导通。,4. 输出特性,图 3-7 TTL与非门输出低电平的输出特性, 与非门处于开态时，输出低电平，此时V5饱和，输出电流IL从负载流进V5，形成灌电流；当灌电流增加时，V5饱和程度减轻，因而UOL随IL增加略有增加。V5输出电阻约1020。 若灌电流很大，使V5脱离饱和进入放大状态，UOL将很快增加，这是不允许的。通常为了保证UOL0.
