第3部分门电路

1、第第3章章 门电路门电路数字电子技术数字电子技术 digital electronics technology海南大学海南大学数字电子技术数字电子技术课程组课程组教学网址：教学网址：http:/ digital electronics technology1. 门电路门电路 是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相是用以实现逻辑关系的电子电路，与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、对应。门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等异或门等。3.1 概述概述3. 正负逻辑正负逻辑n 正逻辑：正逻辑：用高电平代表用高电平代表1、低点平代表、低点平代表0。在数字

2、电路。在数字电路中，一般采用正逻辑系统。中，一般采用正逻辑系统。n 负逻辑：负逻辑：用高电平代表用高电平代表0、低点平代表、低点平代表1。2. 高低电平高低电平n 高电平：高电平：数字电路中较高电平代数值的范围。数字电路中较高电平代数值的范围。n 低电平：低电平：数字电路中较低电平代数值的范围。数字电路中较低电平代数值的范围。digital electronics technology4. 集成电路集成电路n ic（integrated circuits）：）：将元、器件制作在同一硅片上，将元、器件制作在同一硅片上，以实现电路的某些功能。以实现电路的某些功能。n ssi（small-scale

3、 integration）：）： 10个门电路。个门电路。n msi（medium-scale integration）：）：10100个门电路。个门电路。n lsi（large-scale integration）：）：100010000个门电路。个门电路。n vlsi（very large-scale integration）：）： 10000个门电路。个门电路。tvvhvlpositive logic10tvvhvlnegative logic103.1 概述概述digital electronics technology3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路1. 半导体二极管的开

4、关特性半导体二极管的开关特性 用来接通或断开电路的开关器件应具有两种工作状态：用来接通或断开电路的开关器件应具有两种工作状态：一种是接通（要求其阻抗很小，相当于短路），另一种是一种是接通（要求其阻抗很小，相当于短路），另一种是断开（要求其阻抗很大，相当于开路）。断开（要求其阻抗很大，相当于开路）。 二极管具有单向导电性：正向导通，反向截止，相当二极管具有单向导电性：正向导通，反向截止，相当于一个受电压控制的电子开关。于一个受电压控制的电子开关。 二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡、压降很小二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡、压降很小（硅管为（硅管为0.7v，锗管为，锗管为0.3v），可以近

5、似看作是一个闭合），可以近似看作是一个闭合的开关。二极管加反向电压时截止，反向电流很小（的开关。二极管加反向电压时截止，反向电流很小（na级），可以近似看作是一个断开的开关。把级），可以近似看作是一个断开的开关。把udut=0.5v看看成是硅二极管的截止条件。成是硅二极管的截止条件。 digital electronics technology3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路digital electronics technology3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 在低速脉冲电路中，二极管开关在低速脉冲电路中，二极管开关由接通到断开，或由断开到接通所需由接通到断开，或

6、由断开到接通所需要的转换时间通常是可以忽略的。然要的转换时间通常是可以忽略的。然而在数字电路中，二极管开关经常工而在数字电路中，二极管开关经常工作在高速通断状态。由于作在高速通断状态。由于pn结中存储结中存储电荷的存在，二极管开关状态的转换电荷的存在，二极管开关状态的转换不能瞬间完成，需经历一个过程。不能瞬间完成，需经历一个过程。 tre=ts+tf 叫做反向恢复时间。该现象叫做反向恢复时间。该现象说明，二极管在输入负跳变电压作用说明，二极管在输入负跳变电压作用下，开始仍然是导通的，只有经过一下，开始仍然是导通的，只有经过一段反向恢复时间段反向恢复时间tre之后，才能进入截之后，才能进入截止状

7、态。由于止状态。由于tre的存在，限制了二极的存在，限制了二极管的开关速度管的开关速度 。digital electronics technology3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路2. 二极管与门二极管与门3. 二极管或门二极管或门abydigital electronics technology3.3 cmos门电路门电路 mos门电路：以门电路：以mos管作为开关元件构成的门电路。管作为开关元件构成的门电路。 mos门电路，尤其是门电路，尤其是cmos门电路具有制造工艺简单、门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得集成度高、抗干扰能力强、功耗

8、低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。到了十分迅速的发展。 mos管有管有nmos管和管和pmos管两种。当管两种。当nmos管和管和pmos管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为cmos管管(意为互补意为互补)。mos管有增强型和耗尽型两种。在管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。数字电路中，多采用增强型。digital electronics technology1. mos管的开关特性管的开关特性3.3 cmos门电路门电路d接正电源截止导通 （1）nmos管的开关特性管的开关特性 vgs=0 rds 106 () i

9、10-6 (a) 0vgs vgs(th) rds 10 () ton 。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。3.4 ttl门电路digital electronics technology3. ttl反相器（反相器（transistor-transistor logic）3.4 ttl门电路 当输入高电平时，当输入高电平时， ui=3.6v，vt1处于倒置工作状态，集电结处于倒置工作状态，集电结正 偏 ， 发 射 结 反 偏 ，正 偏 ， 发 射 结 反 偏 ， ub1=0.7v3=2.1v ib2=(5-2.1)/4=0.725ma 假定

10、假定 210，若，若t2工作于放大工作于放大状态，则状态，则 ic27.25ma 所以所以 vc2vcc-ic2r2=-6.6v故故t2不可能工作于放大状态和截不可能工作于放大状态和截止状态，只可能是饱和状态。止状态，只可能是饱和状态。 因因vb4=vces2+vbe5=1vvt4截止。截止。vt5状态取决于外电状态取决于外电路，在输出电流小于路，在输出电流小于iolmax时，时，输出为低电平输出为低电平uo=00.3v。2.1v0.3v3.6v（1）电路结构和工作原理）电路结构和工作原理digital electronics technology3.4 ttl门电路 当 输 入 低 电 平

11、时 ，当 输 入 低 电 平 时 ， ui=0.3v，vt1发射结导通，发射结导通， ub1=0.3v+0.7v=1vvt2和和vt5均截止，均截止，vt4和和vd导通。输出高电平导通。输出高电平 uo =vcc -ube3-ud-ib4r2 5v-0.7v-0.7v=3.6v1v3.6v0.3vdigital electronics technology3.4 ttl门电路 采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力 vt3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。提高负载能力。 当输入高电

12、平时，当输入高电平时，vt4饱和，饱和，ub3=uc2=0.3v+0.7v=1v，vt3和和vd截止，截止，vt4的集电极电流可以全部用来驱动负载。的集电极电流可以全部用来驱动负载。 当输入低电平时，当输入低电平时，vt4截止，截止，vt3导通（为射极输出器）导通（为射极输出器），其输出电阻很小，带负载能力很强。，其输出电阻很小，带负载能力很强。 可见，无论输入如何，可见，无论输入如何，vt3和和vt4总是一管导通而另一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。管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。 digital electronics technology3.4

13、ttl门电路（2）ttl反相器的电压传输特性及参数反相器的电压传输特性及参数 截止区截止区线性区线性区转折区转折区饱和区饱和区vt4截止，称关门截止，称关门vt4饱和，饱和，称开门称开门digital electronics technology3.4 ttl门电路 输出高电平输出高电平uoh 典型值为典型值为3v。 输出低电平输出低电平uol 典型值为典型值为0.3v。digital electronics technology3.4 ttl门电路 开门电平开门电平uon一般要求一般要求uon1.8v 关门电平关门电平uoff一般要求一般要求uoff0.8v 在保证输出为额在保证输出为额定低

14、电平的条件下，定低电平的条件下，允许的最小输入高电允许的最小输入高电平的数值，称为开门平的数值，称为开门电平电平uon。在保证输出为额定高电平的条件在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平称为关门电平uoff。uoffuon 电压传输特性曲线转折区中点所对应的电压传输特性曲线转折区中点所对应的ui值称为阈值电压值称为阈值电压uth（又称门槛电平）。通常（又称门槛电平）。通常uth 1.4v。 digital electronics technology3.4 ttl门电路 噪声容限（噪声容限（ unl和和unh ） 噪声容限也称抗

15、噪声容限也称抗干扰能力，它反映干扰能力，它反映门电路在多大的干门电路在多大的干扰电压下仍能正常扰电压下仍能正常工作。工作。unl和和unh越越大，电路的抗干扰大，电路的抗干扰能力越强。能力越强。maxnloffilvvvminnhihohvvvdigital electronics technology3.4 ttl门电路（3）ttl反相器的输入特性和输出特性反相器的输入特性和输出特性 输入伏安特性输入伏安特性digital electronics technology3.4 ttl门电路 两个重要参数：两个重要参数： (1) 输入短路电流输入短路电流iis当当ui = 0v时，时，ii从输入

16、端流出。从输入端流出。 ii =(vccube1)/r1 =(50.7)/4 1.1ma(2) 高电平输入电流高电平输入电流iih 当输入为高电平时，当输入为高电平时，vt1的发射结反偏，集电结正偏，的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数反反很很小小(约在约在0.01以下以下)，所以，所以 ii = iih =反反 ib2 iih很小，约为很小，约为10a左右。左右。digital electronics technology3.4 ttl门电路ttl反相器的输入端对地接上电阻反相器的输入端对地接上电阻ri 时，时

17、，ui随随ri 的的变化而变化的关系曲线。变化而变化的关系曲线。 输入负载特性输入负载特性digital electronics technology3.4 ttl门电路在一定范围内，在一定范围内，ui随随ri的增大而升高。的增大而升高。但当输入电压但当输入电压ui达到达到1.4v以后，以后，ub1 = 2.1v，ri增大，由于增大，由于ub1不变，不变，故故ui = 1.4v也不变。也不变。这时这时vt2和和vt4饱和导饱和导通，输出为低电平。通，输出为低电平。虚框内为虚框内为ttl反相器的部分内部电路反相器的部分内部电路 digital electronics technology3.4

18、ttl门电路ri 不大不小时，工作在线性区或转折区。ri 较小时，关门，输出高电平；ri 较大时，开门，输出低电平；roffronri 悬空时？digital electronics technology3.4 ttl门电路(1) 关门电阻关门电阻roff 在保证门电路输出为额定高电在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许平的条件下，所允许ri 的最大值称为关门电阻。典型的的最大值称为关门电阻。典型的ttl门电路门电路roff 0.7k。 (2) 开门电阻开门电阻ron 在保证门电路输出为额定低电平在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许的条件下，所允许ri 的最小值称为开门电阻。典型

19、的的最小值称为开门电阻。典型的ttl门电路门电路ron 2k。 数字电路中要求输入负载电阻数字电路中要求输入负载电阻ri ron或或ri roff ，否，否则输入信号将不在高低电平范围内。则输入信号将不在高低电平范围内。 振荡电路则令振荡电路则令 roff ri ron使电路处于转折区。使电路处于转折区。digital electronics technology3.4 ttl门电路 输出特性输出特性(a) 输出高电平时的输出特性输出高电平时的输出特性负载电流负载电流il不可过大，否则输出高电平会降低。不可过大，否则输出高电平会降低。拉电流负载拉电流负载digital electronics

20、technology3.4 ttl门电路(b) 输出低电平时的输出特性输出低电平时的输出特性 负载电流负载电流il不可过大，否则输出低电平会升高。一般不可过大，否则输出低电平会升高。一般灌电流在灌电流在20ma以下时，电路可以正常工作。典型以下时，电路可以正常工作。典型ttl门门电路的灌电流负载为电路的灌电流负载为12.8 ma。 灌电流负载灌电流负载digital electronics technology3.4 ttl门电路 （4 ）ttl反相器的动态特性反相器的动态特性 传输延迟时间传输延迟时间tpd 平均传输延迟时平均传输延迟时间间tpd表征了门电路表征了门电路的开关速度。的开关速度

21、。 tpd =（tplh +tphl）/2 digital electronics technology3.4 ttl门电路（1） ttl与非门与非门4. 其他类型的其他类型的ttl门电路门电路全全1输出输出0有有0输出输出11v2.1vdigital electronics technology3.4 ttl门电路 每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三极管进入放大或饱和区。可使三极管进入放大或饱和区。多发射极三极管多发射极三极管 有有0.3v箝位于箝位于1.0v全为全为3.6v集电集电结导结导通通digital electroni

22、cs technology3.4 ttl门电路（2）集电极开路门（）集电极开路门（oc门）门）集电极集电极开路开路digital electronics technology3.4 ttl门电路例：例：用用oc门实现电平转换门实现电平转换digital electronics technology3.4 ttl门电路（3）三态门）三态门01截止截止yab en = 0时，电路为正常的与非工作状态，所以称时，电路为正常的与非工作状态，所以称控制端低电平有效。控制端低电平有效。digital electronics technology3.4 ttl门电路10导通导通1.0v1.0v截止截止截止截

23、止高阻高阻当当en = 1时，门电路输出端处于高阻状态。时，门电路输出端处于高阻状态。digital electronics technology3.4 ttl门电路控制端高电平有效的三态门控制端高电平有效的三态门控制端低电平有效的三态门控制端低电平有效的三态门用用“”表示输出表示输出为三态。为三态。高电平有效高电平有效低电平有效低电平有效digital electronics technology3.4 ttl门电路肖特基三极管（肖特基三极管（schottky transistors）r2+vin-+vce=0.2v-vbe=0.6v+-vbc=0.4vbaseemittercollecto

24、rr2r1vinvoutq1vcc+vin-+vce=0.35v-vbe=0.6v+-vbc=0.25v+ 0.25v - why can propagation delay be reduced by using a schottky transistor ?（4）肖特基系列）肖特基系列ttl门电路门电路digital electronics technology3.4 ttl门电路vattl与非门与非门diode and gate and input protectionphase splitteroutputstageactive load what is the purpose of the 120- resistor r5?digital electronics technology3.4 ttl门电路5. ttl系列