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- 关 键 词：
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电子
学习
模拟
摹拟
电路
教案
- 资源描述：
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0515、电子学习模拟电路教案,电子,学习,模拟,摹拟,电路,教案
- 内容简介：
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第2章 逻辑门电路,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,在数字电路中，一般用高电平代表1、低电平代表0，即所谓的正逻辑系统。,只要能判断高低电平即可,正逻辑,21 二极管的开关特性,第2章 逻辑门电路,数字集成电路绝大多数都是由双极型二极管、三极管或单极型场效应管组成。这些晶体管大部分工作在导通和截止状态，相当于开关的“接通”和“断开” 。,211 晶体二极管的开关特性,静态开关特性 ：什么条件下导通，什么条件下截止,动态开关特性 ：导通与截止两种状态之间转换过程的特性,21 双极型晶体管的开关特性及简单门,211 晶体二极管的开关特性,1、晶体二极管静态开关特性,（1）二极管正向导通时的特点及导通条件,VON ：门槛电压或称阈值电压、开启电压,VD ：导通压降,VD =0.7V 视为硅二极管导通的条件,二极管正向导通时的等效电路,21 双极型晶体管的开关特性及简单门,211 晶体二极管的开关特性,1、晶体二极管静态开关特性,（1）二极管正向导通时的特点及导通条件,（2）二极管反向截止时的特点及截止条件,A. 截止条件：vD VON,B. 实际：vD0，保证二极管可靠截止,C. VZ：二极管的反向击穿电压,二极管截止时的等效电路,Von：阈值(开启)电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,VD:导通压降 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,VZ: 反向击穿电压,Is: 反向饱和电流,静态特性：,uo,uo,ui0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。,ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。,Ui0.5V时，二极管导通。,211 晶体二极管的开关特性,2、晶体二极管动态开关特性,动态过程（过渡过程）：二极管导通和截止之间转换过程。,t re反向恢复时间：二极管从导通到截止所需时间。,若二极管两端输入电压的频率过高，会使输入负电压的持续时间小于它的反向恢复时间，此时二极管将失去其单向导电性。,反向恢复时间：从导通到截止所需时间。 tre= ts + tt,V I,i,V1,V2,I1,I2,tre,t,Is: 反向饱和电流,0,动态特性：,t,ts,tt,ts存储时间 tt渡越时间,（由于PN结电容中存有电荷电荷存储效应）,二极管开通时间很短 , 可忽略不计。,二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。,22 双极型晶体三极管(BJT)的开关特性,三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态，在数字电路中，静态主要工作于饱和和截止状态 。,NPN型硅三极管开关电路及其特性,22 双极型晶体三极管的开关特性,（1）三极管的截止状态和可靠截止的条件,当vI很小，如vI0.5V时 ：,A.vBE小于开启电压，BE 间，CE间都截止,B.,C.三极管工作在Q1点或Q1点以下位置，三极管的这种工作状态叫截止状态,NPN硅三极管截止的条件为vBE0.5V，可靠截止的条件为vBE0V。,22 双极型晶体三极管的开关特性,（2）三极管的放大状态,当输入电压vI0.7V时 ：,A. vBE大于开启电压，BE 间导通,B. vBE被钳在约0.7V，,C.三极管工作在Q2点附近,于Q1和Q3之间,三极管的 这种工作状态称为放大状态。,22 双极型晶体三极管的开关特性,（3）三极管的饱和状态和可靠饱和的条件,当输入电压vI增加 ：,A. iB增加，工作点上移，当工作点上移至Q3点时，三极管进入临界饱和状态。,B. iB再增加，输出iC将不再明显变化 。,C.工作点向上移至Q3点以上，饱和深度增加，进入可靠饱和状态。 VCE=VCES0.3V,当输入电压vI增加 ：,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，三极管工作在饱和状态。输出电压：,uoUCES0.3V,22 双极型晶体三极管的开关特性,三极管的截止状态,三极管的饱和状态,NPN型硅三极管开关等效电路,三极管作为开关使用时只需要：饱和状态和截止状态,输入信号为高电压时，应使三极管可靠地饱和； 输入信号为低电压时，应使三极管可靠地截止。,22 双极型晶体三极管的开关特性,（4）三极管开关的过渡过程,ton = td +tr ton开通时间,toff = ts +tf toff关断时间,td：延迟时间，上升到0.1Icmax,tr：上升时间， 0.1Icmax到0.9Icmax,ts：存储时间，下降到0.9Icmax,tf：下降时间，下降到0.1Icmax,td-延迟时间(Delay time)，为从输入信号正跃变瞬间到iC 上升到0.1ICmax所需的时间。,开通时间 ton :为从输入信号正跃变瞬间到iC 上升到最大值ICmax的90所经历的时间。,ton = td +tr,tr-上升时间(Rise time)，是集电极电流iC 从0.1ICmax上升到0.9ICmax所需的时间。,ts-存储时间 (Storage time)：从输入信号的负跃变瞬间到iC 下降到0.9ICmax所需的时间。,关断时间toff ：从输入信号负跃变的瞬间，到iC 下降到0.1ICmax所经历的时间。,toff = ts +tf,tf-下降时间(Fall time)：从0.9ICmax下降到0.1ICmax所需的时间。,ton和toff一般约在几十纳秒（ns=10-9 s）范围。通常都有toff ton，而且ts tf 。 ts 的大小是影响三极管速度的最主要因素，要提高三极管的开关速度就要设法缩短ton与toff ，特别是要缩短ts 。,23 基本逻辑门电路,231 二极管与门及或门电路,晶体管门电路(分立元件),集成电路 (TTL和MOS),可编程逻辑器件(CPLD、FPGA),数字电路,1、二极管“与”门电路,D1D2导通,D1D2导通,D1截止D2导通,D1导通D2截止,2、二极管“或”门电路,D1D2导通,D1D2导通,D1截止D2导通,D1导通D2截止,例：已知二极管三输入与门和三输入或门以及三个输入信号的波形，根据与逻辑和或逻辑的功能，对应输入信号分别画出与门和或门的输出信号波形。,231 三极管非门,三极管非门,钳位二极管,T导通,T截止,DTL与非门,例：由图所示电路，根据输入波形，画出输出Y的波形。,解：由图可以看出，输出Y=Y1+Y2=AB+CD，根据“与”逻辑和“或”逻辑的性质，画出输出Y的波形,24 TTL门电路,集成电路优点:体积小、耗电少、重量轻、可靠性高等。,RTL（Resister-Transistor Logic）电阻晶体管逻辑；DTL（Diode-Transistor Logic）二极管晶体管逻辑；HTL（High-Threshold Logic）高阈值逻辑；TTL（Transistor -Transistor Logic）晶体管晶体管逻辑；ECL（Emitter Coupled Logic）发射极耦合逻辑；I2L（Integrated Injection Logic）集成注入逻辑(IIL)。,常见的数字集成电路分为双极型和单极型两大工艺类,双极型,PMOS型;NMOS型;CMOS型,单极型,24 TTL门电路,241 TTL与非门,（1）输入级,1、TTL与非门的电路结构与工作原理,输出级,组成: V1和R1,多发射极三极管,实现与逻辑,D1D2保护,（2）分相级,输入级,组成: V2和R2、R3,（3）输出级,分相级,组成 ：V3、V4和R4、D3,(1) 输入级：由多发射极管V1和电阻R1组成。作用是对输入变量A、B、C实现与逻辑，V1可以等效为二极管与门的形式。,在流过R1的电流相同的情况下，使输出管V4有更大的基极电流，提高了带负载能力并提高了开关速度。,(2) 中间级：由V2、 R2和R3组成。V2的集电极和发射极输出两个相位相反的信号，作为V3和V5的驱动信号。,V3和V4：推拉式电路。总是一个导通而另一个截止，有效地降低了输出级的静态功耗，提高了与非门的负载能力。,(3) 输出级：由V3、V4、D3和R4组成，这种电路形式称为推拉式电路（推挽式电路）。,1、任一输入为低电平（0.3V）时,1.4V,不足以让T2、T5导通,TTL与非门的工作原理,1.4V,Vo=5-VR2-Vbe3-VD3 3.6V 输出高电平！,1、任一输入为低电平（0.3V）时,TTL与非门的工作原理,2、输入全为高电平（3.6V）时,“1”,电位被钳在2.1V,全反偏截止,1V,TTL与非门的工作原理,2、输入全为高电平（3.6V）时,TTL与非门的工作原理,全反偏,vo=0.3V,Vo=0.3V 输出低电平！,D1D2保护,-0.7V,24 TTL门电路,241 TTL与非门,2、TTL与非门的电气特性及参数,TTL与非门的电气特性主要包括电压传输特性、输入输出特性和动态特性。,（1）电压传输特性,VOL,(0.3V),传输特性曲线,VOL,(0.3V),阈值Vth=1.4V,理想的传输特性,输出高电平,输出低电平,电压传输特性,截止区,线性区,转折区,饱和区,空载时，输出高电压VOH3.6V， 带载后，其输出电压有所下降。,（a） 输出高电压VOH,TTL产品规定:标准值VOSH=3V，下限值VOH（min）=2.4V。,VOH,当输入为低电压VIL时，输出为高电压VOH 。,空载时，T4工作于深饱和状态，输出低电压VOL0，带负载后，T4的饱和程度降低，VOL随之上升。,（b）输出低电压VOL,TTL产品规定:标准值VOSL=0.3V，上限值VOL（max）=0.5V。,VOL,当输入全为高电压VIH时，输出为低电压VOL。,传输特性曲线上转折区中点所对应的输入电压，既是T4截止和导通的分界线，也是输出高、低电平的分界线。称此输入电压为阈值电压或门坎电压Vth。,（c）阈值电压 Vth,Vth VBE2VBE40.70.71.4 V,在分析中，常将Vth视为决定与非门工作状态的关键值(转折点)。认为：,当VIVth时，与非门处于开门状态，输出为低电压VOL。,当VIVth时，与非门处于关门状态，输出为高电压VOH；,（d）噪声容限,在保证输出为高电平的条件下，输入端低电平上允许的最大干扰电压为低电平噪声容限VNL,在保证输出为低电平的条件下，输入端高电平上允许的最大干扰电压为高电平噪声容限VNH,VNL越大，表明与非门输入低电平时，抗正向干扰的能力越强。标准产品的噪声容限为：VNLVILVOL,VNH越大，表明与非门输入高电平时，抗负向干扰的能力越强。标准产品的噪声容限为： VNHVOHVIH,2、TTL与非门的电气特性及参数,（1）电压传输特性,（2）输入、输出特性,前级输出为高电平时,前级,后级,流出前级电流IOH（拉电流）,前级输出为低电平时,前级,后级,流入前级的电流IIL 约 1.6mA (灌电流),扇出系数与门电路输出驱动同类门的个数,+5V,R4,R2,V3,前级,前级输出为 高电平时,后级,前级,前级输出为 低电平时,扇出系数与门电路输出驱动同类门的个数,输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：,输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：,标准TTL系列器件，规范值为NO8 。,IOL（max）越大,带灌电流负载能力越强;,IOH（max）越大,带拉电流负载能力越强。,（3）、平均传输延迟时间,tPLH,tPHL,平均传输延迟时间,输出波形相对输入波形的滞后时间称为传输延迟时间 tpd,集成电路的平均传输延迟时间的单位是纳秒（3-40ns）。,空载功耗是指与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积。,（4）、空载功耗,标准TTL门，空载导通功耗PON 32mW。,输出高电平时的功耗称为空载截止功耗POFF ，输出低电平时的功耗称为空载导通功耗PON 。POFF VCCICCH，PON VCCICCL，显然，PONPOFF。,“1”,“0”？,注意：悬空的输入端?,？,R较小时,vi0时,VGS足够大时（VGSVT），电子导电为主N型导电沟道。,感应出电子,VT称为阈值电压,VGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，VGS越大此电阻越小。,当VDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。,当VDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。,VDS增加，VGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,1. NMOS管的开关特性,转移特性曲线,输出特性曲线,符号,当vGS VT ，且vDS0，若vGD VT ，且vDS0，若vGDVT时， D-S间有导通沟道，呈低阻状态， iD随vDS增大线性上升，则MOS管工作于线性区，vGS不同，斜率不同。vGS 越大，曲线越陡，D-S之间的等效电阻越小。rDS(on)一般在1k以下。线性区也称为可变电阻区、未饱和区，相当于双极型三极管的饱和区。,（3）线性区：,（4）NMOS管的开关特性,（a）当vIvGS 109），传输门处于截止（断开）状态。,当C = 0， 时，,若0VIVDDVTN，则TN导通；若|VTP|VIVDD，则TP导通。因此，当vI在0 VDD之间变化时，TN和 TP必有一个导通，使vI与vO间呈低阻态（1k），传输门处于导通（传输）状态。,当C = 1， 时,最简单的三态输出的电路即是在逻辑门的输出端串接一个传输门，用使能端控制传输门的传输控制端，那么输出端就有逻辑1、逻辑0和高阻三种状态了。,4、CMOS三态门,从逻辑功能和应用的角度上讲，CMOS三态门和TTL三态门没什么区别。但在电路结构上，CMOS三态门电路要简单得多。,EN=1,Y高阻,如OC门那样，CMOS输出电路也可以做成漏极开路的形式。这种结构常用在输出缓冲驱动器中，或用于电平转换。此外也可用于实现“线与”逻辑。,5、CMOS漏极开路门（OD门）,6、CMOS集成电路使用注意事项,（1）注意检查电源电压应在允许范围内,（2）负载适配问题（带载能力）,（3）连线应尽可能短（信号畸变、相互干扰）,（4）如果环境温度变化剧烈，应选用温度性能优良的器件,（5）防静电（感应电势会将栅极击穿）,（6）焊接（接地、防过热、防时间过长）,（7）输入输出端：CMOS电路不用的输入端，不允许悬空，必须按逻辑要求接VDD 或VSS 。 输出端不允许直接与VDD 或VSS 连接，否则将导致器件损坏。,（8）电源： VDD 接电源正极，VSS 接电源负极 （通常接地），不允许反接，严禁带电操作。,（9）输入信号： 输入信号vI不允许超出电源电压范围（VDDVSS ），输入端的电流不得超过10mA。 先接电源，再接信号源，,（10）接地： 所有测试仪器，外壳必须有良好的接地。,22 晶体管-晶体管逻辑门(TTL),223 TTL集成电路的系列产品,23 其他类型双极型数字集成电路,24 MOS集成门电路,24 MOS集成门电路,241 NMOS管和PMOS管,1、NMOS管的开关特性,G：栅极或称控制极,D：漏极,S：源极,B：衬底,晶体管的三个区：截止区、放大区、饱和区,MOS管的三个区：截止区、恒流区和线性区,VT：开启电压，也叫阈值电压，一般为（23V）,1、NMOS管的开关特性,特性曲线,（1）当vIvGS VT时，截止区,iD0mA，vO VDDiD RDVDD,RDS（off）极大，约为109以上,（2）当vIvGSVT时，恒流区,（3）当vIvm时，线性区,vO0V，iD很大，等效电阻RDS（on）很小，约为几百欧姆,2、PMOS管的开关特性,（1）当vI=0V，vSG = -vI=0V-VT，线性区,RDS（off）,24 MOS集成门电路,241 NMOS管和PMOS管,242 CMOS集成逻辑门,1、CMOS反相器,CMOS反相器是由NMOS管T1和PMOS管T2组成的互补式电路。通常以PMOS管作负载管，NMOS管作驱动管。采用单一正电源供电。,T1和T2的栅极G并联为反相器的输入端，漏极D并联作为反相器的输出端。工作时，T2的源极接电源正极，T1的源极接地。,（1）电路结构,1、CMOS反相器,（2）工作原理,A.当输入信号VI=VIL=0V时,NMOS管的栅源电压vGS1=0VT1，所以T1管截止,内阻高达108；,PMOS管的栅源电压vGS2= -VDDVT2，即|vGS2|VT2|，T2管导通，导通电阻小于1k。,VOHVDD,B.当输入信号vI=VIH=VDD时,NMOS管的栅源电压vGS1=VDDVT1 ，所以T1管导通,导通电阻小于1k ；,PMOS管的栅源电压|vGS2|=0109）。,（3）当C =1， 时,A.若0VIVDDVT1，则T1导通；,B.若|VT2|VIVDD， 则T2导通。,CMOS电路的优点,、静态功耗小。,、允许电源电压范围宽（318V）。,3、扇出系数大，抗噪容限大。,CMOS电路的注意：,CMOS电路不用的输入端，不允许悬空，必须按逻辑要求接VDD 或VSS 。,7、CMOS集成电路系列产品,（1）4000/4500系列,（2）54/74HC系列 54 HC /74 HC MOS系列（简称54/74 HC）是高速CMOS系列集成电路，具有54/74LS系列的工作速度和CMOS固有的低功耗及工作电压范围宽的特点。, 2.5逻辑门电路使用中的几个问题,1、TTL驱动CMOS：,CMOS采用+5V电源时，可以直接驱动：,TTL,CMOS,CMOS电源较高时，不能直接驱动：,+VDD（318V）,TTLOC门,CMOS,普通TTL可采用电平转换器,二、CMOS驱动TTL：,CMOS采用+5V电源时，可以直接驱动TTL：,TTL,CMOS,CMOS电源较高时，不能直接驱动TTL，可采用电平转换器。,三、TTL和CMOS驱动负载：,1。可以直接驱动小电流负载：,TTL或CMOS,2。大电流负载可以加驱动电路：,3。多余输入端的处理：,TTL门电路：悬空的输入端相当于接高电平，为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。,CMOS电路：多余输入端不能悬空，必须相应地接高电平或低电平。,1、二极管具有单向导电性，可作为开关使用。硅二极管导通压降约0.7V，锗二极管约为0.3V。若忽略导通压降，可近似看作理想开关。,小结,2、三极管是双极型、电流控制元件，输出特性曲线有三个区，截止区、放大区和饱和区。,NPN型三极管，当vBE0.5V时，截止，iB0，iC0，C-E之间相当于断开的开关。,当vBE0.5V，且iBIBS时，饱和，vBE=VBES0.7V，vCE=VCES0.3V，C-E之间相当于闭合的开关。,当vBE0.5V，且iBIBS时，放大状态，vBE=0.50.7V，iC=iB， vCE=VCC-iCRC。,数字电路中，三极管主要工作在截止区和饱和区。模拟电路中，三极管主要
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