数字电子技术基础(第五版)第3章.ppt

3 5TTL门电路 3 5 1双极型三极管的开关特性 一 双极型三极管的结构 二 双极型三极管的输入特性和输出特性 开启电压 输入特性曲线 若以基极b和发射极e之间的回路作为输入回路 则可以测出表示输入电压ube和输入电流iB之间关系的特性曲线 即为输入特性曲线 思考 硅管和锗管的开启电压分别是多少 二 双极型三极管的输入特性和输出特性 输出特性曲线 饱和区 截止区 放大区 输出特性曲线 若以集电极c和发射极e之间的回路作为输出回路 则可测出在不同iB值下表示集电极电流iC和集电极电压uCE之间的关系曲线 即输出特性曲线 三 双极型三极管的基本开关电路 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 三极管临界饱和时的基极电流 ui 1V时 三极管导通 基极电流 uo uCE VCC iCRc 5 0 03 50 1 3 5V ui 0 3V时 因为uBE 0 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 uo VCC 5V 截止状态 ui UIL 0 5V uo VCC ui 3V时 三极管导通 基极电流 uo UCES 0 3V 三极管饱和 饱和状态 iB IBS ui UIH uo 0 3V 四 双极型三极管的开关等效电路 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 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 三极管开关等效电路 a 截止时 b 饱和时 Vcc 0 3V 五 双极型三极管的动态开关特性 BJT的开关时间 是指BJT管由截止到饱和导通或者由饱和导通到截止所需要的时间 延迟时间td 从输入信号加到 VB2到集电极电流ic上升到0 1ICS所需要的时间 上升时间tr ic从0 1ICS到0 9ICS所需要的时间 开通时间ton td tr就是建立基区电荷时间 存储时间ts 从输入信号降到 VB1到ic降到0 9ICS所需要的时间 下降时间tf ic从0 9ICS降到0 1ICS所需要的时间 关闭时间toff ts tf就是存储电荷消散的时间 加入 VEE的目的是确保即使输入低电平信号稍大于零时 也能使三极管基极为负电位 从而使三极管可靠截止 输出为高电平 六 三极管反相器 例3 5 1电路如图3 5 7所示 已知VIH 5V VIL 0V 20 VCE sat 0 1V 试计算参数设计是否合理 解 基极对地电路如图3 5 8所示 图3 5 8 利用戴维南定理等效成电压源的形式如图所示 其中 3 3 3 13 8 5 2 1 2 1 2 1 W I I EE I I B B V V R R R V V V v K R R R 等效电路如上页图形所示 则当VIH 5V时 故三极管T导通 其基极电流为 管子的临界饱和时的基极电流为 由于 故管子处于饱和状态 其输出为 当VIH 0V时 其 三极管T处于截止状态 则 因此参数设计合理 TTL 晶体管 晶体管逻辑集成电路 MOS 金属氧化物半导体场效应管集成电路 3 5 2TTL反相器 输入级 倒相级 输出级 称为推拉式电路或图腾柱输出电路 一 TTL反相器的电路结构和工作原理 1 输入为低电平 0 2V 时 0 9V 不足以让T2 T5导通 T2 T5截止 1 输入为低电平 0 2V 时 vo 5 vR2 vbe4 vD2 3 4V输出高电平 2 输入为高电平 3 4V 时 电位被嵌在2 1V vB1 VIH VON 4 1V 1V T2 T5饱和导通 2 输入为高电平 3 4V 时 vo VCE5 0 3V输出低电平 可见 无论输入如何 T4和T5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 二 电压传输特性 二 电压传输特性 二 电压传输特性 二 电压传输特性 输出高电平VOH 输出低电平VOL VOH 2 4VVOL 0 4V便认为合格 典型值VOH 3 4VVOL 0 3V 阈值电压VTH 门槛电压 vI VTH时 认为vI是低电平 vI VTH时 认为vI是高电平 VTH 1 4V 输入低电平时噪声容限 输入高电平时噪声容限 三 输入端噪声容限 思考 74系列门电路的典型参数是多少 一 输入特性 3 5 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 输入短路电流IIS IIL 高电平输入电流IIH 对于TTL反相器 输入电流随输入电压的变化关系 称为输入特性 其输入端的等效电路如图3 5 12所示 一 输入特性 3 5 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 a 当输入为低电平时 即vI 0 2V 若VCC 5V 则TTL反相器的输入电流为 当vI 0时 此电流IIS称为输入短路电流 在TTL门电路手册中给出 由于和输入电流值相近 故分析和计算时代替IIL b 当输入为高电平时 即vI 3 4V T1发射结处于倒置状态 倒置状态下三极管的电流放大系数 极小 近似为0 所以只有很小的反向饱和电流IIH 对于74系列的TTL门电路 IIH在40 A以下 TTL反相器的静态输入特性如图3 5 13所示 D1导通 输入低电平 输入高电平 对于TTL反相器 输出电压与输出电流的关系 称为输出特性 分为高电平输出特性和低电平输出特性 1 高电平输出特性 当输出为vO VOH时 T4 D2导通 T5截止 等效电路如图3 5 14所示 图3 5 14输出高电平等效电路 二 输出特性 其高电平输出特性曲线如图3 5 15所示 图3 5 15输出高电平特性曲线 2 低电平输出特性 当输出为vO VOL时 T4 D2截止 T5导通 等效电路如图3 5 16所示 图3 5 16输出高电平等效电路 其低电平输出特性曲线如图3 5 17所示 图3 5 16输出高电平等效电路 图3 5 17输出低电平特性曲线 在实际使用时 有时需要在输入端和地之间或输入端和信号源低电平之间接入电阻RP 如图3 5 21所示 由图可知 RP上的压降即为反相器的输入电压vI 即 在RP R1 较小 的条件下 vI随RP几乎线性上升 但当vI上升到1 4V以后 T2和T5的发射结同时导通 将vB1钳位在2 1V左右 此时vI不再随RP的增加而上升 三 输入端负载特性 TTL反相器输入端负载特性曲线如图2 3 22所示 故一般对于TTL门电路 若输入端通过电阻接地 一般当RP 0 7K 时 构成低电平输入方式 当RP 1 5K 时 构成高电平输入方式 1 悬空的输入端相当于接高电平 2 为了防止干扰 一般应将悬空的输入端接高电平 说明 TTL集成门电路的封装 双列直插式 如 TTL门电路芯片 四2输入与非门 型号74LS00 地GND 外形 电源VCC 5V 74LS00内含4个2输入与非门 74LS20内含2个4输入与非门 或非门 与或非门 74LS86 3 5 6TTL数字集成电路的各种系列 74H系列 高速系列 其工作速度的提高是用增加功耗的代价换取的 效果不够理想 从提高工作速度 降低功耗两方面考虑进行改进 74S系列 肖特基系列 采用抗饱和三极管 提高了工作速度 但电路功耗加大 并且输出的低电平升高 74LS系列 低功耗肖特基系列 兼顾功耗和速度两个方面 得到更小的延迟 功耗积 74AS系列 电路结构与74LS系列相似 采用低阻值 提高了工作速度 但功耗较大 74ALS系列 其延迟 功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种 54 54H 54S 54LS系列 54系列与74系列电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数 54系列工作温度范围更宽 电源允许的工作范围更大 74系列 温度0 70 电源电压5V 5 54系列 温度 55 125 电源电压5V 10 TTL集成门电路系列 多余输入端的处理措施 处理原则 不能影响输入与输出之间的逻辑关系 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 TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平 但CMOS电路 多余的输入端不允许悬空