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1、2.22.2半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性2.32.3分立元件构成的与、或、非门分立元件构成的与、或、非门分立元件构成的与、或、非门分立元件构成的与、或、非门第第第第2 2章章章章门电路门电路门电路门电路2.12.1概述概述概述概述2.42.4TTLTTL集成门电路集成门电路集成门电路集成门电路 2.1 概概 述述门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门 门电路中以高门电路中以高门电路中以高门电路中以高/ /低电平表低电平表低电平表低电平表示逻辑状态的示逻辑状态的示逻辑状态的示逻辑状态的1/01/0获得高、低电平的基本原理
2、获得高、低电平的基本原理高高/ /低电平都允许低电平都允许有一定的变化范围有一定的变化范围使用的实际开关为使用的实际开关为晶体二极管、三极晶体二极管、三极管以及场效应管等管以及场效应管等电子器件。电子器件。正逻辑：高电平表示正逻辑：高电平表示1，低电平表示，低电平表示0负逻辑：高电平表示负逻辑：高电平表示0，低电平表示，低电平表示1除非特别说除非特别说明，一律采明，一律采用正逻辑。用正逻辑。2.2半导体二极管和三极管的开关特性半导体二极管和三极管的开关特性IS-二极管的反向饱和电流；k-玻尔兹曼常数1.381*10-23J/K；T-热力学温度；V-加到二极管两端的电压；q-电子电荷1.6*10
3、-19C一、半导体二极管开关特性一、半导体二极管开关特性1、二极管伏安特性二极管等效电路二极管等效电路2、二极管开关特性、二极管开关特性图图2-32-3二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线图图2-2二极管开关电路二极管开关电路图图2-4二极管正向导通时的等效电路二极管正向导通时的等效电路导通条件及特点导通条件及特点条件：条件：VD0.7V 特点：相当于特点：相当于0.7V电压降的闭合开关电压降的闭合开关截止条件及特点截止条件及特点条件：条件： VD 0.7V, iB 0, iC随随iB成正比变化，成正比变化， iC=iB饱和区：条件饱和区：条件VCE 0, VCE 很低，很低，iC 随随i
4、B增加增加变缓，趋于于“饱和和”截止区：条件截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce间间“断开断开” 二、半导体三极管开关特性二、半导体三极管开关特性图2-11 NPN型硅三极管开关等效电路(a)截止时的理想等效电路 (b)饱和时的近似等效电路(c)饱和时的理想等效电路3、双极型三极管的基本开关电路：、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：只要参数合理：只要参数合理：V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时，时，时，时，T T导通，导通，导通，导通，V VOO
5、=V=VOLOL2.3 最简单的与、或、非门电路最简单的与、或、非门电路一、一、 二极管与门二极管与门设设VCC = 5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定规定3V以上为以上为10.7V以下为以下为0这种与门电路简单，但存在着严重的缺点这种与门电路简单，但存在着严重的缺点 1、输出电平都比输入电平高出、输出电平都比输入电平高出0.7V电平偏离，电平偏离，UCC（5V）0V会造成逻辑混乱。会造成逻辑混乱。0.7V1.4V2.1VVD1VD2
6、RVD1VD2RVD1VD2RVD1VD2RUCC（5V）RL=R3V3V3.7V2.5V2、当输出端对地接上负载电阻（常称为下拉负载）时，、当输出端对地接上负载电阻（常称为下拉负载）时，会使输出高电平降低，即带负载能力差，严重时会造成逻会使输出高电平降低，即带负载能力差，严重时会造成逻辑混乱。辑混乱。 二、二、 二极管或门二极管或门设设VCC = 5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定规定2.3V以上为以上为10V以下为以下为0二极管构成的
7、门电路的缺点二极管构成的门电路的缺点电平有偏移电平有偏移带负载能力差带负载能力差只用于只用于IC内部电路内部电路三、反相器（非门）三、反相器（非门） 0.3V2.4TTL集成门电路集成门电路TTL（Transistor-Transistor-Logic）输入输出都是由三输入输出都是由三极管来完成的逻辑电路。极管来完成的逻辑电路。一、一、TTL非门的工作原理非门的工作原理T1是输入级，是输入级， T2是倒相级，是倒相级， T3 、 T4 是输出级。是输出级。D1起保护作用，起保护作用， D2起电平移位起电平移位设所有的设所有的TTL电路工作电压都是电路工作电压都是5V。 UCCR1R2R4T3D
8、2T4R3D1T1T2uouIYA电路集成门电路的发展方向：高速、低功耗、高抗干扰能力、电路集成门电路的发展方向：高速、低功耗、高抗干扰能力、带负载能力强。带负载能力强。UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA由于由于T3工作在射极输出器状态，所以带拉电流负载能力较强。工作在射极输出器状态，所以带拉电流负载能力较强。 uI=UIL时时uO=UOH3.6V0.3V设设UIL=0.3V，U UIH=3.6V uO =5UBE3 UD2=3.6V。uI=UIH时UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA输出和输入之间是反相关系，即 :空载输出时约为0.3V3.6V1
9、.4V1V0.7V0.3VuO=UOLuE1=3.6V，二、二、TTL与非门工作原理与非门工作原理1. 有一个输入端输入低电平有一个输入端输入低电平0.3V1.0V3.6VT2，T5截止T4 ， D3导通2.1V3.6V3.6VT2饱和T5深度饱和0.7V1.0VD3，T4截止0.3V2. 两个输入端都输入高电平两个输入端都输入高电平功能表功能表真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式输入有低，输出为高；输入有低，输出为高；输入全高，输出为低。输入全高，输出为低。74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。二、二、TTL电路的特性和参数电路的特性和参数1.抗干扰能力抗干扰能力2
10、.(1)输出高电平输出高电平VOH3.典型值：典型值：3.6V4.VOH(min)=2.4V5.(2)输出低电平输出低电平VOL6.典型值：典型值：0.3V7.VOL(max)=0.4V(3)输入高电平输入高电平VIHVIH(min)=VON=2.0V保证输出为低电平的最小输入高电平保证输出为低电平的最小输入高电平(4)输入低电平输入低电平VILVIL(max)=VOFF=0.8V保证输出为高电平的最大输入低电平保证输出为高电平的最大输入低电平TTL系列集成电路系列集成电路74：标标准准系系列列，前前面面介介绍绍的的TTL门门电电路路都都属属于于74系系列列，其其典典型型电路与非门的平均传输时
11、间电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗平均功耗P10mW。74H：高速系列，是在高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗平均功耗P22mW。74S：肖特基系列，是在肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间其典型电路与非门的
12、平均传输时间tpd9ns，平均功耗平均功耗P2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，集成电路的主流，是应用最广的系列。是应用最广的系列。三、三、OC门及门及TSL门门？OC门门：集电极开路的与非门集电极开路的与非门推推拉拉输输出出的的TTL与与非非门门输输出出端端是是不不允允许许并并联联使使用的。用的。图2-30 TTL开路门(a)电路构成 (b)符号TTL三态门的实现结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。图2-34 三态门(a)电路组成 (b)高电平使能三态门符号 (c)低电平使能三态门符号逻辑符号逻辑符号名名称称输出表达
13、式输出表达式常用三态门的图形符号和输出逻辑常用三态门的图形符号和输出逻辑表达表达式式Y =Y =高阻 （EN=0 时）A （EN=1 时）Y =Y =A （EN= 0 时）高阻 （EN= 1 时）Y =Y =高阻 （EN= 0 时）AB （EN=1 时）Y =Y =高阻 （EN= 1 时）AB （EN=0 时）三态非门（1 控制有效）1 1ENENAY1 1ENENAY&ENENAYB&ENENAYB三态非门（0 控制有效）三态与非门（1 控制有效）三态与非门（0 控制有效）使用集成电路时的注意事项使用集成电路时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围）对于各种集成电
14、路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）TTL电路和电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用电路之间
15、一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。对器件造成损害。利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、门、OCOC门
16、、门、ODOD门和传输门。门和传输门。随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。已被集成电路所取代。TTLTTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。CMOSCMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOSCMOS电路的工作速度已电路的工作速度已有了大幅度的提高。有了大幅度的提高。本章小结本章小结
