[信息与通信]第四讲 逻辑门电路1-TTL逻辑门电路的原理.ppt

脉冲数字电路电子技术基础 3 第四讲逻辑门电路 1 2010年9月19日 第三章逻辑门电路 3 1MOS逻辑门电路3 2TTL逻辑门电路3 3射极耦合门电路3 5逻辑描述中的几个问题3 6逻辑门电路使用中的几个实际问题 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 2 获得高 低电平的基本原理 2010 09 19 3 用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路 中国科学技术大学快电子刘树彬 第三章逻辑门电路 3 1MOS逻辑门电路3 2TTL逻辑门电路3 3射极耦合门电路3 5逻辑描述中的几个问题3 6逻辑门电路使用中的几个实际问题 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 4 TTL逻辑门电路 二极管的开关特性BJT的开关特性基本逻辑门电路TTL逻辑门电路 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 5 本征半导体中的自由电子和空穴 6 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99 9999999 常称为 九个9 本征半导体 化学成分纯净的半导体晶体 很低温度时 晶体接近于理想结构 当于绝缘体 共价键 室温下 热能破坏共价键 产生自由电子和空穴 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 2010 09 19 7 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼 镓等 空穴 硼原子 硅原子 多数载流子 空穴 少数载流子 自由电子 受主离子 空穴 电子空穴对 P型半导体 中国科学技术大学快电子刘树彬 2010 09 19 8 N型半导体 多余电子 磷原子 硅原子 多数载流子 自由电子 少数载流子 空穴 施主离子 自由电子 电子空穴对 在本征半导体中掺入五价杂质元素 如磷 砷等 中国科学技术大学快电子刘树彬 PN结 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 9 内电场 PN结的导电特性 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 10 PN结的伏安特性 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 11 根据理论推导 PN结的伏安特性曲线如图 正偏 IF 多数载流子扩散 IR 少数载流子漂移 反偏 反向饱和电流 反向击穿电压 反向击穿 热击穿 烧坏PN结 电击穿 可逆 TTL逻辑门电路 二极管的开关特性BJT的开关特性基本逻辑门电路TTL逻辑门电路 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 12 二极管的开关特性 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 13 开通时间 极短反向恢复时间tre ts 存储时间 tt 渡越时间 产生反向恢复过程的原因 电荷存储效应 2010 09 19 14 中国科学技术大学快电子刘树彬 TTL逻辑门电路 二极管的开关特性BJT的开关特性基本逻辑门电路TTL逻辑门电路 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 15 BJT的结构 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 16 NPN型 PNP型 符号 三极管的结构特点 1 发射区的掺杂浓度 基区掺杂浓度 2 基区要制造得很薄且浓度很低 BipolarJunctionTransistor BJT的结构 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 17 BJT放大的工作原理 2010 09 19 18 发射结正偏 发射区的电子向基区移动形成电流 其中小部分与空穴复合 形成电流IBN因为集电结反偏 收集扩散到集电区边缘的电子 形成电流ICN另外 集电结区的少数载流子形成漂移电流ICBO 两种载流子参与导电 双极性晶体管BipolarJunctionTransistor 中国科学技术大学快电子刘树彬 BJT的开关工作状态 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 19 截止时 发射结和集电结都反偏 NPN饱和时各极电压 iB VCC RC iC VCC vCE RCvCE VCC ICSRC VCES 0 2 0 3VvBE 0 7VvBC vBE vCE 0 4V集电结和发射结均正向偏置 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 20 NPN型BJT工作状态的特点 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 21 BJT的开关时间 延迟时间td势垒区变窄 发射区电子注入基区并大部分被集电极收集上升时间tric增大到0 9ICS存储时间ts存储电荷从基区和集电区抽出下降时间tf对应于0 9ICS的存储电荷消散需要的时间可通过改进BJT内部构造和外电路方法来提高BJT的开关速度 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 22 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 23 基本BJT反相器的动态特性 带负载电容 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 24 容性负载的充放电 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 25 ro 容性负载的充放电 截止 时间常数 RC CL 饱和 时间常数 rce CL rbe rce Rc 时间常数RC CL较大 使得充电 放电时间过大 增加了波形的上升时间 TTL逻辑门电路 二极管的开关特性BJT的开关特性基本逻辑门电路TTL逻辑门电路 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 26 二极管与门电路 27 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 二极管或门电路 28 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 三极管非门电路 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 29 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 30 1 在多个与门串接使用时 会出现低电平偏离标准数值的情况 或门情况类似 2 负载能力差 3 速度慢 二极管与门和或门电路的缺点 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 31 将二极管与门 或门 电路和三极管非门电路组合起来 DiodeTransistorLogic DTL 解决办法 DTL与非门电路 2010 09 19 32 工作原理 1 当A B C全接为高电平5V时 二极管D1 D3都截止 而D4 D5和T导通 且T为饱和导通 VL 0 3V 即输出低电平 2 A B C中只要有一个为低电平0 3V时 则VP 1V 从而使D4 D5和T都截止 VL VCC 5V 即输出高电平所以该电路满足与非逻辑关系 即 中国科学技术大学快电子刘树彬 TTL逻辑门电路 二极管的开关特性BJT的开关特性基本逻辑门电路TTL逻辑门电路 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 33 DTL门到TTL门的演进 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 34 Transistor TransistorLogic TTL与非门电路 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 35 带负载电容的BJT反相器 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 36 TTL反相器的基本电路 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 37 TTL反相器的工作原理 vi 0 2V 低电平T1发射结导通 VB1 0 9VT2 T3截止T1集电极回路电阻是RC2和T2的集电结反向电阻之和 T1深度饱和忽略流过RC2的电流 VB4 VCC 5VT4和D导通VO VCC VBE4 VD 5V 0 7V 0 7V 3 6V输入为低时 输出为高电平 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 38 饱和 0 2V 截止 截止 导通 导通 0 9V TTL反相器的工作原理 vi 3 6V 高电平VB1 2 1V T1为倒置使用的放大状态T1发射结反偏T2 T3饱和 输出0 2VVC2 0 7V 0 2V 0 9V T4和D截止输入为高时 输出为低电平 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 39 0 9V 倒置状态 3 6V 饱和 饱和 截止 截止 0 2V 4 3V 采用输入级以提高工作速度 输入由3 6V 0 2VVB1 0 2V 0 7V 0 9VT2 T3的储存电荷来不及消散 仍是饱和状态VC1 0 7V 0 7V 1 4VT1集电结反向偏置 T1工作在放大区T2的基极电流为T1的 倍 即 iB1 使T2迅速脱离饱和进入截止状态T4迅速导通 T3负载小 集电极电流加大 存储电荷迅速消散 进入截止状态 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 40 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力 驱动能力 输出低电平T3饱和 T4 D截止低输出阻抗 饱和电阻大电流输出 IC3输出高电平T3截止 D导通T4射级跟随器 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 41 推拉式 push pull 或图腾柱 totem pole 输出电路 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力 开关速度输出低 高iB2迅速增大 T2先脱离饱和并截止VC2 VC3 T4和D导通 iC4迅速增大 T4饱和 加速对负载电容充电输出高 低T3深度饱和 呈现低阻 CL快速放电 2010 09 19 中国科学技术大学快电子刘树彬 42 输出波形具