数字模拟技术第三章

1、3.1 概述概述 门电路是用以实现逻辑运算的电子电路，与已经讲过的逻辑运算相对应。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。正逻辑正逻辑：高电平表示逻辑：高电平表示逻辑1 1、低电平表示逻辑、低电平表示逻辑0 0。负逻辑负逻辑：高电平表示逻辑：高电平表示逻辑0 0、低电平表示逻辑、低电平表示逻辑1 1。获得高、低电平的基本方法获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的：利用半导体开关元件的 导通导通、截止截止（即开、关）两种工作状态。（即开、关）两种工作状态。3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.2.1 半导体二极管的开关特性 if 0.5

2、0.7id(ma) ud(v)伏安特性ubr0ui0.5v时，二时，二极管导通。极管导通。ui0.5v时，二极管时，二极管截止，截止，id=0。 + ui rl +uo d开关电路 + ui=0v rl +uo dui=0v时的等效电路 ui0v时，二极管截止，如同开关断开，时，二极管截止，如同开关断开，uo0v。 + ui rl +uo d开关电路 + + ui=5v rl +uo d 0.7vui=5v 时的等效电路ui5v时，二极管导通，如同时，二极管导通，如同0.7v0.7v的电压源，的电压源，uo4.3v。 当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电场当外加电压突然由正向变为反向

3、时，存储电荷反向电场的作用下，形成较大的反向电流。经过的作用下，形成较大的反向电流。经过t ts s后，存储电荷显著后，存储电荷显著减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。 当外加电压由反向突然变当外加电压由反向突然变为正向时，要等到为正向时，要等到pn结内部结内部建立起足够的电荷梯度后才开建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向始有扩散电流形成，因而正向电流的建立稍微滞后一点。电流的建立稍微滞后一点。反向恢复时间反向恢复时间（几纳秒内）（几纳秒内） 反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，反向恢复时间即存储电荷消失所需要

4、的时间，它远大于正向导通所需要的时间。这就是说，二它远大于正向导通所需要的时间。这就是说，二极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响很小，以致可以忽略不计。很小，以致可以忽略不计。 因此，影响二极管的开关时间主要是因此，影响二极管的开关时间主要是反向恢复时间，而不是开通时间。反向恢复时间，而不是开通时间。 +vcc(+5v) r y d1 a d2 b 3v 0v 3.2.2 二极管与门a by0 00 11 01 10001y=ababy3.2.3 二极管或门a by0 00 11 01 10111y=a+b3.5 ttl门电路门电路3.5.1 双

5、极型三极管的开关特性一、双极型三极管的结构一、双极型三极管的结构 becnnp基极基极 发射极发射极集电极集电极becnpn型三极管型三极管pnp集电极集电极 基极基极 发射极发射极 bcebecpnp型三极管型三极管二、双极型三极管的输入特性和输出特性二、双极型三极管的输入特性和输出特性 ic(ma )1234uce(v)36912ib=020 a40 a60 a80 a100 aib( a)ube(v)204060800.40.8输入特性曲线输入特性曲线输出特性曲线输出特性曲线开启电压开启电压饱饱和和区区截止区截止区放大区放大区三、双极型三极管的基本开关电路三、双极型三极管的基本开关电路

6、在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和饱和和和截止截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。四、双极型三极管的开关等效电路四、双极型三极管的开关等效电路 开关等效电路开关等效电路(1) 截止状态 条件：发射结反偏特点：电流约为0 (2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：ubes=0.7v，uces=0.3v/硅uituot+vcc0.3v五、双极型三极管的动态开关特性五、双极型三极管的动态开关特性 bjtbjt的开关时间：的开关时间：是指是指bjtbjt管由管由截止到饱和截止到饱和导通导

7、通 或者由或者由饱和导通到截止饱和导通到截止所需要的时间。所需要的时间。延迟时间延迟时间td从从+ +vb2加到集加到集电极电流电极电流ic上升到上升到0.10.1ics所需所需要的时间；要的时间； 上升时间上升时间tric从从0.10.1ics到到0.90.9ics所需要的时间；所需要的时间； 开通时间开通时间t tonon= =t td d+ +t tr r就是建立基区电荷时间就是建立基区电荷时间存储时间存储时间ts从输入信号降从输入信号降到到- -vb1到到ic降到降到0.90.9ics 所需要所需要的时间；的时间； 下降时间下降时间tfic从从0.90.9ics降到降到0.10.1ic

8、s所需要的时间。所需要的时间。 关闭时间关闭时间toff=ts+tf就是就是存储电荷消散的时间存储电荷消散的时间 集成门电路集成门电路双极型双极型ttl (transistor-transistor logic integrated circuit , ttl)eclnmoscmospmosmosmos型型（m metal-etal-o oxide-xide- s semiconductoremiconductor，mosmos）ttl 晶体管晶体管- -晶体管逻辑集成电路晶体管逻辑集成电路mos 金属氧化物半导体场效应管集成电路金属氧化物半导体场效应管集成电路3.5.2 ttl反相器输入级倒

9、相级输出级称为称为推拉式推拉式电路电路或或图腾图腾柱输出电路柱输出电路一、一、ttl反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理1.输入为低电平（输入为低电平（0.2v）时）时三个三个pn结结导通需导通需2.1v0.9v不足以让不足以让t2、t5导通导通t2、t5截止截止1.输入为低电平（输入为低电平（0.2v）时）时vovo=5vr2vbe4vd23.4v 输出输出高电平高电平2.输入为高电平（输入为高电平（3.4v）时）时电位被嵌电位被嵌在在2.1v全导通全导通 vb1=vih+von=4.1v发射结反偏 1v截止t2、t5饱和导通饱和导通2.输入为高电平（输入为高电平（3.4v）

10、时）时vo =vce50.3v 输出低电平输出低电平 可见，无论输入如何，可见，无论输入如何，t4和和t5总是一管总是一管导通而另一管截止。导通而另一管截止。 这种推拉式工作方式，这种推拉式工作方式，带负载能力很强带负载能力很强。1. 悬空的输入端相当于接高电平。悬空的输入端相当于接高电平。2. 为了防止干扰，一般应将悬空的为了防止干扰，一般应将悬空的输入端接高电平。输入端接高电平。 ttl集成门电路的封装：集成门电路的封装： 双列直插式双列直插式 如：如：ttlttl门电路芯片（门电路芯片（四四2 2输入与非门，输入与非门，型号型号74ls0074ls00 ) )地地gndgnd外外 形形管

11、脚管脚 电源电源v vcccc（+5v+5v）74ls00内含4个2输入与非门，74ls20内含2个4输入与非门。或非门或非门与或非门与或非门74ls86二二.集电极开路门（集电极开路门（oc门）门）为什么需要为什么需要oc门？门？普通与非门输出不能普通与非门输出不能直接连在一起实现直接连在一起实现“线与线与”！10产生一个很大的电流产生一个很大的电流)()( cdabyabycd集电极悬空集电极悬空 )(bayabyococ门输出端可直接连接实现线与。门输出端可直接连接实现线与。 三三. 三态门三态门 （tsts门门) ) 三态输出门三态输出门(three-state output gate

12、)是是在普通门电路的在普通门电路的基础上附加控制基础上附加控制电路而构成的。电路而构成的。enaybenayb3.5.6 ttl数字集成电路的各种系列 74h系列：系列：高速系列。其工作速度的提高是用增高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代价换取的，效果不够理想。加功耗的代价换取的，效果不够理想。从从提高工作速度提高工作速度、降低功耗降低功耗两方面考虑进行改进。两方面考虑进行改进。74s系列：系列：肖特基系列。采用抗饱和三极管，提肖特基系列。采用抗饱和三极管，提高了工作速度，但电路功耗加大，并且输出的低高了工作速度，但电路功耗加大，并且输出的低电平升高。电平升高。74ls系列：系列：低功耗

13、肖特基系列。兼顾功耗和速度低功耗肖特基系列。兼顾功耗和速度两个方面，得到更小的延迟功耗积。两个方面，得到更小的延迟功耗积。74as系列：系列：电路结构与电路结构与74ls系列相似，采用低系列相似，采用低 阻值，提高了工作速度，但功耗较大。阻值，提高了工作速度，但功耗较大。74als系列：系列：其延迟功耗积是其延迟功耗积是ttl电路所有系电路所有系列中最小的一种。列中最小的一种。54、54h、54s、54ls系列：系列：54系列与系列与74系列电路系列电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。具有完全相同的电路结构和电气性能参数。54系列系列工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。工作温度范围

14、更宽，电源允许的工作范围更大。74系列：温度系列：温度070，电源电压，电源电压5v5%;54系列系列: 温度温度-55+125，电源电压，电源电压5v10%。cmos电路与电路与ttl电路比较：电路比较：（1）cmos电路的工作速度比电路的工作速度比ttl电路的低。电路的低。（2）cmos带负载的能力比带负载的能力比ttl电路强。电路强。（3）cmos电路的电源电压允许范围较大，约在电路的电源电压允许范围较大，约在 318v，抗干扰能力比，抗干扰能力比ttl电路强。电路强。（4）cmos电路的功耗比电路的功耗比ttl电路小得多。门电电路小得多。门电路的功耗只有几个路的功耗只有几个w，中规模集

15、成电路的功耗也，中规模集成电路的功耗也不会超过不会超过100w。（5）cmos集成电路的集成度比集成电路的集成度比ttl电路高。电路高。（6）cmos电路容易受静电感应而击穿，在使用和电路容易受静电感应而击穿，在使用和 存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地 良好，尤其是良好，尤其是cmos电路多余不用的输入端不电路多余不用的输入端不 能悬空，应根据需要接地或接高电平。能悬空，应根据需要接地或接高电平。cmos电路与电路与ttl电路比较：电路比较：多余输入端的处理措施多余输入端的处理措施处理原则：处理原则： 不能影响输入与输出之间的逻辑关系不能影响输入

16、与输出之间的逻辑关系 。 数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以关系的前提下可以并联并联起来使用，也可起来使用，也可根据逻辑关根据逻辑关系的要求接地或接高电平系的要求接地或接高电平。ttl电路多余的输入端电路多余的输入端悬空表示输入为高电平悬空表示输入为高电平；但但cmos电路，多余的输电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。 对于对于ttl门，一般可将多余的输入端通过上拉门，一般可将多余的输入端通过上拉电阻（电阻（13 k ）接电源正端；也可利用反相器）接电源正端；也可利用反相器将其输入端接地将其输入端接地;通过大电阻接地（通过大电阻接地（逻辑逻辑1的处的处理理）。直接把多余端接地（）。直接把多余端接地（逻辑逻辑