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第3章逻辑门电路本章讲述分立元件门电路 TTL集成与非门电路 其它双极型门电路和MOS门电路 3 1分立元件门电路3 1 1二极管开关特性 理想开关特性 开关断开时 通过开关的电流为零 其间的电阻为无穷大开关闭合时 其间的电阻为无穷大开关的开闭动作瞬时完成 二极管开关特性 导通时 硅管正向压降为0 7V 锗管正向压降为0 2V载止时 其饱和电流极小 相当于一个大电阻导通和载止并非瞬间完成 1 E S V R i E S V R i a b D VD R a i 0 7V VD i 0 b 二极管的伏安特性 t V 0 D VD R i V1 V2 t i 0 If Ir V t i 0 If Ir RD 0 二极管开关特性 理想开关特性 二极管的一个重要参数 反向恢复时间 a b c d 2 iE VO RC EC VI RB 0 0 0 VI iC iC VO t t t ton toff VCE ICS td1 tr tf td2 90 10 晶体三极管开关特性 晶体三极管的三种工作状态截止状态放大状态饱和状态 晶体三极管的开关参数 3 VA V Vb A B R EC 12V F VB V VF V 0 7 0 7 0 7 3 7 0 3 0 3 0 0 3 3 A B F 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 A B F Va 3 1 3简单门电路 电位关系 真值表 逻辑符号 二极管与门电路 4 VA V a Vb A B R F VB V VF V 0 7 2 3 2 3 2 3 0 3 0 3 0 0 3 3 A B F 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 A B F Va 电位关系 真值表 逻辑符号 二极管或门电路 5 iE VO RC1K EC 12V VI R11 5K EB 12V EQ 2 5V R218K 30 3 2V 0 3V IE VO RC1K EC 12V VI R11 5K EB 12V EQ 2 5V R218K RL1 RL2 EC EC IRC IL IE VO RC1K EC 12V VI R11 5K EB 12V EQ 2 5V R218K IRC IL EB 12V RL 3 1 3简单门电路 反相器电路 灌电流负载方式 拉电流负载方式 6 iE F RC EC 12V R1 EB 12V EQ 2 5V R2 Vb A B Va EC 12V P C R C1 A B P 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 F 1 1 1 0 A B F 3 1 3复合门电路 与非门电路的实现 7 iE F RC EC 12V R1 EB 12V EQ 2 5V R2 Vb A B Va P C C1 A B P 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 F 1 0 0 0 A B F R 或非门电路的实现 8 3 2TTL集成与非门电路 3 2 1TTL电路结构 Transistor Transistor Logic IE2 R2750 EC VI A IR2 VO B C R13k IB1 IB2 R5100 IE3 R3360 R43k Q1 Q2 Q3 Q5 Q4 图3 2 1TTL与非门电路 Q1 多发射极三极管 相当于多个二极管 电路构成分析 多发射极输入 Q1与R1为输入级 完成与功能 Q2 R2 R3为中间级 完成对输出级的驱动 Q2截止时 Q3 Q4导通 Q5截止Q2导通时 Q3 Q4截止 Q5导通 Q3 Q4 Q5 R4 R5为输出级 Q3 Q4为Q5的有源负载 EC增大有助于可靠性的提高 但功耗也增大 通常TTL电路的工作电压为5V EC增大 1 电平的电压范围与 0 电平的电压范围的距离增大 抗干扰能力强 可靠性提高 9 3 2TTL集成与非门电路 3 2 2TTL电路的工作原理 高电平输入时的分析 IE2 R2750 EC A IR2 VO B C R13k IB1 IB2 R5100 IE3 R3360 R43k Q1 Q2 Q1 5 Q3 Q5 Q4 图3 2 1TTL与非门电路 VI 工作原理分析1 A B C输入全为高电平 3 6V 时 Q1的各工作参数 VA VB VC为3 6V 高电平 Q1工作于倒置状态 发射极做集电极用 集电极做发射极用 Q1 0 2 B12 1V C1 C21V Q2的各工作参数 所需最小 Q1为 Q5的各工作参数 E2 B50 7V 因此 Q5深度饱和 允许的灌电流可以很大 Q3 Q4的各工作参数 B4 E3 0 3V 0 3V 因VBE3 VBE4 1 0 Q3 Q4不可能同时导通 这里 因R4的存在 Q3导通 Q4截止 功率消耗 1 4V 10 4 3V C2 B3 3 2TTL集成与非门电路 3 2 2TTL电路的工作原理 低电平输入时的分析 IE2 R2750 EC A IR2 VO B C R13k IB1 IB2 R5100 IE3 R3360 R43k Q1 Q2 Q1 5 Q3 Q5 Q4 图3 2 1TTL与非门电路 VI 工作原理分析1 A B C输入有一个为低电平 0 3V 时 Q1的各工作参数 VA为0 3V 低电平 VB VC为3 6V 高电平 Q1深度饱和VCE1 0 1VVC1 0 4VQ2 Q5截止 B11 0V C1 Q2 Q5的各工作参数 Q4的各工作参数 Q3的各工作参数 B4 E3 3 6V 假定 Q3 20 IB3 1 4 20 70uA 则 功率消耗 0 4V Q2 Q5截止 但由于IE3 R3 IB3 R2 4 95V Q3处于微饱和状态 Q3集电结正偏 C3 C4 4 86V 综合上述情况 可知Q4处于微导通状态 不带负载和Q5截止 11 3 2TTL集成与非门电路 3 2 2TTL电路的工作原理 总结 TTL与非门电路各晶体管工作情况 输入 全高 有低 输出 低 高 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 倒置 饱和 微导通 截止 饱和 截止 微导通 微饱和 截止 深饱和 输出级的情况 主要特点1 输出无论是0或1 输出电阻都较小 带负载能力较强 输出脉冲的动态特性好2 静态消耗相对较小 在动态时可能存在Q1 Q2 Q3 Q4 Q5同时导通瞬间 出现尖峰电流 0 10 20 30 40 50 60 0 5 1 0 1 5 2 0 IL mA VOL V 0 10 20 30 40 50 60 1 0 2 0 3 0 4 0 IL mA VOH V 图3 2 2输出低电平时的输出特性 图3 2 3输出高电平时的输出特性 输出为低电平时的输出电阻为Q5饱和下的集电极与发射机间的导通电阻 输出为高电平时的输出电阻为Q3 Q4组成的射极输出器的输出电阻 特点 输出电阻小 允许较大的灌电流 随灌电流的增大 饱和深度减弱 输出电压上升 特点 射极输出器的输出电阻很小 允许较大的拉电流 随拉电流的增大 Q3饱和加 IE4增大 复合管 下降 输出电阻上升 输出电压下降 12 3 2TTL集成与非门电路 3 2 3TTL与非门的传输特性 电压传输特性的定义 输入电压由低逐渐变高时 输出电压随之变化的曲线变化关系 它是反映门电路的抗干扰能力以及动态特性的一个重要指标 各输入电压段的输出电压分析1 AB段 VI0 7V Q2开始导通 VC2随VC1的上升而下降 导致Q3 Q4的导通状态发生变化 因而VO下降 但在这个输入电压范围 Q5仍然截止 把VO下降到90 3 2V 所对应的输入电压VI 0 8V 成为关门电平VIoff 3 CD段 VI 1 4V 输出电压明显下降在VI 1 4V附近 Q2的导通状态让VB5达到0 7V左右 Q5即从导通进入饱和 VO明显下降 出现电压传输特性的转折点 4 DE段 VI 1 4V 输出为低电平VI 1 4V Q5完全饱和导通 Q4截止 VO 0 35V 与非门处于关门状态 对应于VO 0 35V的输入电平称为开门电平 其值VIon约为1 8V 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 1 0 2 0 3 0 4 0 VI V VO V A B C D E 图3 2 2TTL与非门的电压传输特性 由上述可见 所谓输入低电平 输出就为高电平 此低电平有一定的范围 同样所谓输入高电平 输出就为低电平 此高电平也有一定的范围 有了一定的范围 就意味着具有抗干扰的能力 低电平噪声容限制 在额定低电平 0 35V 的输入山能叠加正向最大干扰电压 而输出高电平仍不低于额定值 3 6V 的90 即VNL VIoff VIL 0 8 0 35 0 45V 高电平噪声容限制 额定高电平 3 6V 的输入山能叠加负向最大干扰电压 而输出电平仍维持额定值 即VNH VIH VIon 3 6 1 8 1 8V 13 3 2TTL集成与非门电路 3 2 4TTL与非门的性能指标 主要特点1 输出高 低电平 静态值 输出高电平为3 6V 某输入输入端接地 其余输入端开路 输出不接负载为条件 输出低电平为0 35V 某输入输入端接开门电平 1 8V 其余输入端开路 输出端接额定负载为条件 假定电源电压EC为5V 灌电流为12mA 则额定负载RL EC VOL IL 5 0 35 12 380 2 输入短路电流IIS某一输入端接地 其余输入端开路 流入接地输入端的电流即为输入短路电流IIS 通常其值小于2 2mA3 输入漏电流某一输入端接高电平 其余输入端接地 流入接高电平输入端的电流即为输入漏电流IIH 通常其值小于70uA4 开门电平VON在额定负载条件下 使输出达到规定低电平VOL 0 35V 时输入高电平的最低值 通常其值VIon 0 8V6 扇入扇出系数N扇入系数指一个门电路所能允许的输入端个数 扇出系数指与非门输出端最多能接几个同类与非门的个数 7 平均传输时间tpd8 功耗P EC IC 14 3 2TTL集成与非门电路 3 2 6 4集电极开路与非门 IE3 Q4 EC IE3 Q5 EC Z EC VI A L B C Q1 Q2 Q5 Q6 图3 2 18两与非门直接相连 图3 2 18集电极开路与非门 a 电路 b 符号 线与 将两个或多个与非门直接相连 用这种方法实现各个门输出信号之间的关系称为线与 Z Z1 Z2 Z1 Z2 Q5灌电流 其值可以很大 当发热Q4拉电流 其值不能太大 发热 15 关于R