第三章-逻辑门2TTL门电路.ppt

2 1 2 双极型三极管的输入特性和输出特性 1 输入特性 以b和e之间的发射结作为输入回路 可得到表示输入电压vBE和输入电流iB之间关系的输入特性曲线 输入特性曲线近似于指数曲线 一般采用图中虚线所示的折线来近似 VON称为开启电压 VON 0 5 0 7V 硅管 VON 0 2 0 3V 锗管 2 2 2 输出特性 以c和e之间的回路作为输出回路 可得到在不同iB值下表示集电极电流iC和集电极电压vCE之间关系的输出特性曲线 iC不仅受vCE的影响 还受输入iB的控制 放大区 线性区 特点 iC随iB成正比地变化 几乎不受vCE影响电流放大系数 饱和区特点 iC不再随iB以 倍的比例增加而趋于饱和深度饱和状态下 饱和压降VCE sat 在0 3V以下 截止区特点 iB 0 iC几乎等于0仅有微小的反向穿透电流ICEO流过 硅三极管通常ICEO在1 A以下 2 3 3 三极管的基本开关电路 由输入特性可知 iB 0 三级管截止由输出特性可得 所以vO vOHVCC iB 0时iC0 1 当vI VON时 iB0 开关电路处于截止状态 2 4 2 当vI VON时 有iB产 生 三极管进入放大区 由三极管的放大系数 可得 2 5 负载线 3 当vI继续升高时 RC上的压降也随之增大 当RC上的压降接近VCC时 三极管处于深度饱和状态 开关电路处于导通状态 所以 2 6 若以VCE sat 表示三极管深度饱和时的压降 则深度饱和时所需要的基极电流为 IBS称为基极饱和电流 所以 为使三极管处于饱和工作状态 开关电路输出低电平 必须保证 由于饱和区内的 值比线性区内的 值小得多 而且不是常数 所以由上式计算出的IBS值比实际需要的IBS值要小 2 7 截止条件 截止特点 导通特点 导通条件 三极管开关电路的开关特性小结 2 8 4 三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态 实际电路中通常都满足饱和压降 截止时的反向穿透电流 所以在分析三极管开关电路时经常使用下面的开关等效电路 2 9 5 三极管的动态开关特性 三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间 2 10 vEE为负电源 6 三极管反相器 2 11 例2 3 1 已知RC 1K R1 3 3K R2 10K 20 VCE sat 0 1v 输入的高低电平分别为VIH 5v VIL 0v 求输出电平 解 首先利用戴维南定理将发射结的外接电路化简为如下的等效电路 2 12 当VI VIL V时 三极管截止 V0 VCC 5V 2 13 当VI VIH 5V时 满足 所以三极管饱和导通 V0 VCE sat 0 因此 电路参数的设计是合理的 2 14 3 5 2TTL反相器的电路结构和工作原理 一 电路结构 输入输出均为三极管 所以称为三极管 三极管逻辑电路 Transistor TransistorLogic 简称TTL电路 图3 5 9TTL反相器的典型电路 2 15 1 输入为低电平 0 2V 时 0 9V 不足以让T2 T5导通 vo VCC vR2 vBE4 vD2 3 4V高电平 0 2V 导通 截止 vR2 IBSR2 将T4看作深度饱和 IBS在手册中查到 2 16 2 输入高电平 3 4V 时 3 4V 电位被钳位在2 1V 倒置状态 0 9V vO VCE sat T5 0 2V低电平 2 17 输出级的工作特点是 在稳定状态下T4和T5总是一个导通而另一个截止 这就有效地降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力 通常把这种形式的电路称为推拉式 push pull 电路或图腾柱 totem pole 输出电路 钳位二极管 既可以抑制输入端负极性干扰脉冲 又可以防止输入电压为负时T1的发射极电流过大 2 18 AB段 vI 0 6V截止区所以VB1 1 3V T2和T5截止T4导通 故输出为高电平VOHVOH VCC vR2 vBE4 vD2 3 4V BC段 1 3V vI 0 7V线性区T2工作于放大区 T5截止随着vI的升高 vC2和vO线性下降 CD段 vI 1 4V转折区T2和T5同时导通 输出电位急剧下降为低电平 转折区中点对应的输入电压称为阈值电压 VTH DE段 饱和区vI继续升高时vO不再变化 二 电压传输特性 截止区 线性区 转折区 饱和区 2 19 三 输入端噪声容限 在保证输出高低电平基本不变的条件下 输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限 输入为高电平时的噪声容限 VNH VOH min VIH min 输入为低电平时的噪声容限 VNL VIL max VOL max VOH min VIL max VOL max VIH min 0 4V 0 4V 74系列 2 20 3 5 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 一 输入特性 仅考虑输入信号是高电平和和低电平而不是某一个中间值 输入端的等效电路可画成下图 当VCC 5V vI VIL 0 2V时 输入低电平电流为 vI 0时的输入电流叫做输入短路电流IIS 显然IIS比IIL略大 当VI VIH 3 4V时 T1管处于倒置状态 所以高电平输入电流IIH很小 74系列门电路每个输入端的IIH值在40 A以下 2 21 74系列门电路的运用条件规定 输出为高电平时 最大负载电流不能超过0 4mA 二 输出特性 高电平输出特性 TTL反相器高电平输出特性 2 22 为了保证反相器的低电平 负载电流应小于一定值 图2 4 9TTL反相器低电平输出特性 低电平输出特性 2 23 前级 后级 流出前级电流IOH 拉电流 2 24 前级 后级 流入前级的电流IOL 灌电流 2 25 扇出系数 与门电路输出驱动同类门的个数 前级输出为高电平时 后级 前级 2 26 前级 前级输出为低电平时 后级 2 27 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 与非门的扇出系数一般是10 2 28 关于电流的技术参数 2 29 TTL反相器的输入特性 TTL反相器低电平输出特性 VOL 0 2V iL 16mA vI 0 2V iI 1mA 2 30 高电平输出特性 VOH 3 2V iL 7 5mA TTL反相器的输入特性 2 31 三 输入端负载特性 2 32 vI随RP变化的规律 vI与RP几乎成正比 TTL反相器输入端负载特性 TTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路 2 33 1 悬空的输入端相当于接高电平 2 为了防止干扰 可将悬空的输入端接高电平 说明 2 34 TTL反相器的输入特性 2 35 由左图可见 故得到 2 36 一 传输延迟时间 输出电压波形滞后于输入电压波形的时间 tPHL tPLH 平均传输时间 3 5 4TTL反相器的动态特性 2 37 二 交流噪声容限 图3 5 22TTL反相器的交流噪声容限 a 正脉冲噪声容限 b 负脉冲噪声容限 输出高电压降至2 0V时输入正脉冲的幅度 输出低电压上升至0 8V时输入负脉冲的幅度 2 38 a vO VOL的情况 三 电源的动态尖峰电流 2 1V 0 8V 假定VON T5 0 7V VCE sat T2 0 1V 则vC2 0 8V 于是得到 2 39 b vO VOH的情况 0 9V 2 40 图3 5 26TTL反相器的电源动态尖峰电流 2 41 v0 R4 R2 R1 4k T2 R3 T4 T1 T5 VIL 0 2V 130 D2 Vcc 5V 1 6k TTL反相器电源尖峰电流的计算 电源尖峰电流带来的影响 使电源的平均电流增加了 它将通过电源线和地线以及电源的内阻形成一个系统内部的噪声源 如果v0从低电平跳变成高电平的瞬间T5尚未脱离饱和导通状态而T4已饱和导通 则电源电流的最大瞬时值为 2 42 为便于计算尖峰电流的平均值 可以近似地把电源的尖峰电流视为三角波 并认为尖峰电流的持续时间等于传输延迟时间tPLH T为信号重复周期 一个周期内尖峰脉冲的平均值为 或用频率f 1 T表示 如果每个周期中输出高 低电平的持续时间相等 电源电流的平均值将为 2 43 3 5 5其他类型的TTL门电路 一 其他逻辑功能的门电路 1 与非门 0 2V 3 4V 0 9V 3 4V 2 44 2 1V 0 2V 2 45 2 或非门 0 2V 3 4V 0 9V 2 1V 0 2V 2 46 或非门 0 9V 0 9V 3 4V 0 2V 0 2V 注 由于或非门的输入端和输出端电路结构与反相器相同 所以输入特性和输入特性也和反相器一样 2 47 3 与或非门 2 48 4 异或门 0 9V 0 2V 3 4V 0 9V 2 1V 0 9V 3 4V 截止 截止 截止 截止 导通 导通 2 49 异或门 0 9V 0 2V 0 2V 0 2V 0 9V 0 9V 截止 截止 导通 导通 截止 2 50 异或门 2 1V 3 4V 3 4V 0 2V 导通 导通 2 51 二 集电极开路的与非门 OC门 推拉式输出电路结构的局限性 1 输出端不能并联使用 倘若一个门G1的输出是高电平而另一个门G2的输出是低电平 则输出端并联后必然有很大的负载电流同时流过这两个门的输出级 烧坏门电路 输出高电平不能变化 图2 4 25推拉式输出级并联的情况 3 不能满足驱动较大电流 较大电压的负载要