电子线路及数字逻辑补充内容(二)

1、第二章第二章 门电路门电路 本章要求： 了解TTL集成门电路、TTL与非门、TTL集电极开路与非门，了解三态输出与非门、其他类型的TTL门电路。一、门电路一、门电路 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与与 或或 非非 与与 非非 或或 非非 异或异或与或非与或非与与 门门或或 门门非非 门门与与 非非 门门或或 非非 门门异或门异或门与或非门与或非门二、逻辑变量与两状态开关二、逻辑变量与两状态开关低电平低电平 高电平高电平 断开断开闭合闭合高电平高电平 3V低电平低电平 0V二值逻辑二值逻辑:所有逻辑变量只有两种取值所有逻辑变量只有两种取值

2、( (1 或或 0) )。数字电路数字电路:通过电子开关通过电子开关 S 的两种状态的两种状态( (开或关开或关) )获得高、低电平，用来表示获得高、低电平，用来表示 1 或或 0。3VIuSOu3VIuSOuIuSOu逻辑状态逻辑状态1001S 可由可由二极管二极管、三极管三极管或或 MOS 管实现管实现三、高、低电平与正、负逻辑三、高、低电平与正、负逻辑负逻辑负逻辑正逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V 高电平和低电平是两个不同的可以截然高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。区别开来的电压范围。010V5V2.4V0.8V10四、分立元件门电路和集成门电路四、分立元件门电路和

3、集成门电路1. 分立元件门电路分立元件门电路用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。2. 集成门电路集成门电路把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半导体芯片上，再封装起来。导体芯片上，再封装起来。常用：常用：CMOS 和和 TTL 集成门电路集成门电路五、数字集成电路的集成度五、数字集成电路的集成度一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数小规模集成电路小规模集成电路 SSI(Small Scale Integration) 10 门门/ /片片或或 10 000 门门/

4、 /片片或或 100 000 元器件元器件/ /片片2. 1. 1 理想开关的开关特性理想开关的开关特性一、一、 静态特性静态特性1. 断开断开 0 OFFOFF IR，2. 闭合闭合 0 0AKON UR，2. 1 半导体二极管半导体二极管 、三极管、三极管和和 MOS 管的开关特性管的开关特性 SAK二、动态特性二、动态特性1. 开通时间：开通时间：2. 关断时间：关断时间：闭合）闭合）（断开（断开断开）断开）（闭合（闭合普通开关：普通开关：静态特性好，动态特性差静态特性好，动态特性差半导体开关：半导体开关：静态特性较差，动态特性好静态特性较差，动态特性好几百万几百万/ /秒秒几千万几千万

5、/ /秒秒0on t0off tSAK2. 1. 2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性一、静态特性一、静态特性1. 外加正向电压外加正向电压( (正偏正偏) )二极管导通二极管导通( (相当于开关闭合相当于开关闭合) ) V7 . 0D U2. 外加反向电压外加反向电压( (反偏反偏) ) V5 . 0 DU二极管截止二极管截止( (相当于开关断开相当于开关断开) ) 0D I硅二极管伏安特性硅二极管伏安特性阴极阴极A阳极阳极KPN结结- -AK+ +DUDIP区区N区区+- - - - -正向正向导通区导通区反向反向截止区截止区反向反向击穿区击穿区0.5 0.7/ /mADI/

6、/V0(BR)UDUD+ +- -Iu+ +- -Ou二极管的开关作用：二极管的开关作用： 例例 V2L II UuuO = 0 VV3H II UuuO = 2.3 V电路如图所示，电路如图所示，V3 V 2I或或 u试判别二极管的工作试判别二极管的工作状态及输出电压。状态及输出电压。二极管截止二极管截止二极管导通二极管导通 解解 D0.7 V+ +- -二、动态特性二、动态特性1. 二极管的电容效应二极管的电容效应结电容结电容 C j扩散电容扩散电容 C D2. 二极管的开关时间二极管的开关时间ontofft电容效应使二极管电容效应使二极管的通断需要的通断需要一段延一段延迟时间才能完成迟时

7、间才能完成tIuDit00( (反向恢复时间反向恢复时间) )ns 5)(rroffontttton 开通时间开通时间toff 关断时间关断时间一、静态特性一、静态特性NPN2. 1. 3 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性发射结发射结集电结集电结发射极发射极emitter基极基极base集电极集电极collectorbiBiCec( (电流控制型电流控制型) )1. 结构、符号和输入、输出特性结构、符号和输入、输出特性( (2) ) 符号符号NNP( (Transistor) )( (1) ) 结构结构( (3) ) 输入特性输入特性CE)(BEBuufi (4) 输出特性输出特性

8、B)(CECiufi iC / mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB = 00 2 4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区0CE uV1CE u0uBE /ViB / A发射结正偏发射结正偏放大放大i C= iB集电结反偏集电结反偏饱和饱和 i C iB两个结正偏两个结正偏I CS= IBS临界临界截止截止iB 0, iC 0两个结反偏两个结反偏电流关系电流关系状态状态 条条 件件2. 开关应用举例开关应用举例 V2 )1(L II Uu V3 )2(H II Uu发射结反偏发射结反偏 T 截止截止0 0CB ii V12CCO Vu发射结正偏发射结正偏

9、 T 导通导通+ RcRb+VCC (12V)+uo iBiCTuI3V-2V2 k 100 2.3 k 放大还放大还是饱和？是饱和？bBEIBRuui cCESCCCSBSRUVIIBSB Ii 饱饱和和 T饱和导通条件：饱和导通条件：cCCBSB RVIi + RcRb+VCC +12V+uo iBiCTuI3V-2V2 k 100 2.3 k mA 1mA3 . 27 . 03 mA 06. 0mA210012 cCC RV V)7 . 0(BE uV 3 . 0CESOUu 因为因为所以所以二、动态特性二、动态特性ontofft3-2tV/Iu00.9ICS0.1ICSCit0V/Ou

10、 off t三极管饱和程度三极管饱和程度30.3t02. 1. 4 MOS 管的开关特性管的开关特性( (电压控制型电压控制型) )MOS（Mental Oxide Semiconductor） 金属金属 氧化物氧化物 半导体半导体场效应管场效应管一、一、 静态特性静态特性1. 结构和特性结构和特性：(1) N 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 S3V4V5VuGS = 6ViD /mA42643210uGS /ViD /mA43210246810uDS /V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区UTNiD开启电压开启电压UTN = 2 V+ +- -uGS+ +- -uDS衬衬底底漏

11、极特性漏极特性转移特性转移特性uDS = 6V截止区截止区P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管与与 N 沟道有对偶关系。沟道有对偶关系。 (2) P 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 SiD+ +- -uGS+ +- -uDS衬衬底底iD /mAiD /mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2- 3V- 4V- 5VuGS = - 6V-1-2-3-4-6uGS /VuDS /V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区 漏极特性漏极特性 转移特性转移特性截止区截止区UTPuDS = - 6V开启电压开启电压UTP = - 2 V参考方向参考方向2. MOS管的开关作用：管

12、的开关作用：TNIUu DDOHOVUu V0OLO Uu(1) N 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO+VDD+10VRD20 k GDSuIuOTNIUu 开启电压开启电压UTN = 2 ViD+VDD+10VRD20 k GDSuIuORONRDTPIUu DDOLO VUu V0OLO Uu(2) P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管-VDD-10VRD20 k BGDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuOTPIUu 开启电压开启电压UTP = 2 V-VDD-10VRD20 k GDSuIuOiD2. 4 TTL 集成门

13、电路集成门电路（TransistorTransistor Logic）一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理+VCC(5V)R1uIuo4k AD1T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1 保护二极管保护二极管 防止输入电压过低。防止输入电压过低。当当 uI uB uE现在现在 : uE uB uC ，即，即 发射结反偏发射结反偏 集电结正偏集电结正偏 倒置放大倒置放大02. 0 i iii = i ib =(1+ i )ib4.3Vc e 3.6 V1.4V0.7V2.1V V6 . 3 )2(IHI Uu1.4V+VCC(5V)

14、R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y V6 . 3 IHI UuT1 倒置放大状态倒置放大状态mA 725. 011BCCB1 RuVimA74. 0)1(B1iB2 ii 假设假设 T2 饱和导通饱和导通 V14BECES2C2 uuuT3 、D 均截止均截止mA 2.5 2C2CCCS2 RuVI( (设设1 4 = 20) )mA 125. 02CS2BS2 IIBS2B2B2 , mA 74. 0Iii 则则T2 饱和的假设成立饱和的假设成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思考：思考：D 的作用？的作用？若无若无 D，此时，此时

15、T3 可以可以导通，电路将不能实现导通，电路将不能实现正常的逻辑运算正常的逻辑运算因为因为3.6 ViE1+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y V6 . 3IHI UuT1 倒置放大状态倒置放大状态T2 饱和，饱和，T3 、D 均截止均截止3.6 2.1 1.4 0.7 1 T4 的工作状态：导通的工作状态：导通放大还是放大还是饱和？饱和？R3E2B4iii mA 24. 3CS2B2E2 IiimA 0.717 . 03E23 RuiRmA 2.54 iB2ICS2iB1iE1iE2iB4iR3又因为又因为 T3、D 均截止，即均截止，

16、即0 0BS4CS4 II、BS4B4 Ii T4 深度饱和：深度饱和：uO = UCES4 0.3V（无外接负载）（无外接负载）若外接负载若外接负载 RL ： BS4CS4 II O4 Tu的饱和程度的饱和程度RL+VCC0.3 所以所以输入短路电流输入短路电流 IIS二、静态特性二、静态特性1. 输入特性输入特性(1)(1) 输入伏安特性：输入伏安特性：)(IIufi 1iI+VCC+5 VuI+ +- -uoT1iIuI+ +- -be2be4+VCC+5 VR14k IV/uImA/i012-1V0ILI UumA05. 11BE1CCISI RuVIiV3 . 0ILI UumA 1

17、1ILBE1CCILI RUuVIiISIILIUILUIHIHI低电平输入电流低电平输入电流 IIL V6 . 3IHI UumA 0145. 0)V1 . 2(1CCiIHI RVIi 高电平输入电流高电平输入电流或输入端漏电流或输入端漏电流 IIH即：当即：当 Ri 为为 2.5 k 以上电阻时，输入由以上电阻时，输入由低电平低电平变为变为高电平高电平( (2) ) 输入端负载特性：输入端负载特性：)(iIRfu 1+VCC+5VuI+ +- -uoRiT1iB1uI+ +- -be2be4+VCC+5 VR14k RiRi/ 026412uI / V) ( k 5 . 2i悬空悬空 R

18、V4 . 1I uT2、T4饱和导通饱和导通V3 . 0OLO UuRi = Ron 开门电阻开门电阻（2.5 k）Ron k 7 . 0iRV7 . 0I uT2、T4 截止截止V6 . 3OHO UuRi = Roff 关门电阻关门电阻（ 0.7 k ）即：当即：当 Ri 为为 0 .7 k 以下电阻时以下电阻时 , 输入端相当于低电平。输入端相当于低电平。Roff0.7 V1.4 V2. 输出特性输出特性)(OOifu uO1+ VCC+ 5 VuI+ +- -+ +- -iOuO / ViO /mA0 10 20 30-10-20-30123: , )1(OLOIHIUuUu 在输出为

19、低电平条件下，带灌在输出为低电平条件下，带灌电流负载能力电流负载能力 IOL 可达可达 16 mAIHIUu 0.3V:, )2(OHOILIUuUu 受功耗限制，带拉电流负载能受功耗限制，带拉电流负载能力力 IOH 可一般为可一般为 400 AILIUu 3.6V 注意：注意： 输出短路电流输出短路电流 IOS 可达可达 33 mA，将，将造成器件过热烧毁造成器件过热烧毁 ，故门电路，故门电路输出端不输出端不能接地能接地！3. 电压传输特性：电压传输特性：)(IOufu 1+VCC+5VuI+ +- -uO+ +- -A B0uO /VuI /V12341234AB 段：段：uI 0.5 V

20、 ， uB1 1.4 V ，T2 、T4 饱和饱和导通，导通， T3 、D 截止。截止。uO = UOL 0.3 V阈值电压阈值电压4. 输入端噪声容限输入端噪声容限uIuO1G1G21min IHUmax ILUNHUNLUOHUOLUmin OHUmax OLUIHUILU输出高电平输出高电平 V4 . 2min OH U典型值典型值 = 3.6 V 输出低电平输出低电平 V4 . 0max OL U典型值典型值 = 0.3 V 输入高电平输入高电平 V0 . 2min IH U典型值典型值 = 3.6 V 输入低电平输入低电平 V8 . 0max IL U典型值典型值 = 0.3 V U

21、NH 允许叠加的负向噪声电压的最大值允许叠加的负向噪声电压的最大值G2 输入高电平时的输入高电平时的噪声容限：噪声容限：V4 . 0IHminmin OHNH UUUUNL 允许叠加的正向噪声电压的最大值允许叠加的正向噪声电压的最大值G2 输入低电平时的输入低电平时的噪声容限：噪声容限：V4 . 0max OLILmaxNL UUU三、动态特性三、动态特性传输延迟时间传输延迟时间1uIuO 50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL 输出电压由高到输出电压由高到 低时的传输延迟低时的传输延迟 时间。时间。tpd 平均传输延迟时间平均传输延迟时间2PLHPHLpdttt tPL

22、H 输出电压由低到输出电压由低到 高时的传输延迟高时的传输延迟 时间。时间。tPHLtPLH典型值：典型值： tPHL= 8 ns , tPLH= 12 ns最大值：最大值： tPHL= 15 ns , tPLH= 22 ns+VCC+5VR14k AD2T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BT1 多发射极三极管多发射极三极管e1e2bc等效电路：等效电路：1. A、B 只要有一个为只要有一个为 0 0.3V1V V1 V)7 . 03 . 0( B1 uT2 、 T4截止截止5VT3 、 D 导通导通 V3.6 V)7 . 07 .

23、 05(O u V3 . 0BA uu V6 . 3 , V3 . 0BA uu V3 . 0 , V6 . 3BA uu2. 4. 2 TTL与非门和其他逻辑门电路与非门和其他逻辑门电路一、一、TTL 与非门与非门0.7VRL3.6V+VCC+5V4k AD2T1T2T3T4D1.6k 1k 130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BR1R2R3R43.6V3.6V0.7V1V0.3V4.3V2.1V2. A、B 均为均为 1 V6 . 3BA uu理论：理论： V3 . 4 V)7 . 06 . 3( B1 u实际：实际： V1 . 2 V)7 . 03( B1 uT2 、 T4

24、 导通导通T3 、 D 截止截止uO = UCES4 0.3VTTL 与非门与非门RL+VCC+VCC+5V4k AD2T1T2T3T4D1.6k 1k 130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BR1R2R3R4TTL 与非门与非门整理结果：整理结果：1110ABY00011011ABY ABY&二、二、TTL 或非门或非门+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 输入级输入级中间级中间级输出级输出级1. A、B只要有一个为只要有一个为 1 V6 . 3BA uu V6 . 3 , V3 . 0BA uu V3 . 0 , V6 . 3BA u

25、uT2 、 T4 饱和饱和T2 、T3 、 D 截止截止uO = 0.3V2.1V1V0.3V3.6V0.3VRL+VCC2. A、B 均为均为 0 V3 . 0BA uuiB1、i B1分别流入分别流入T1、T 1 的发射极的发射极T2 、 T 2均截止均截止则则 T4 截止截止T3 、 D 导通导通 V3.6 V)7 . 07 . 05(O u+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 0.3 V0.3 ViB1i B1RL输入级输入级中间级中间级输出级输出级TTL 或非门或非门5V1V1V3.6V整理结果：整理结果：1000ABY00011011BA

26、Y ABY1+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 输入级输入级中间级中间级输出级输出级TTL 或非门或非门2. 4. 3 TTL 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门一、一、集电极开路门集电极开路门OC 门门(Open Collector Gate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B 1. 电路组成及符号电路组成及符号+V CCRC外外接接YAB&+V CCRCOC 门必须外接负载电阻门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。和电源才能正常工作。AB可以线与连接可以线与连接V CC 根据电路根据电路需要进行选择需要进行选择 2. O

27、C 门的主要特点门的主要特点线与连接举例：线与连接举例：21YYY CDAB CDAB +VCCAT1T2T4Y1B+VCCCT 1T 2T 4Y2D+V CCRC+V CCRCABY1AB&G1Y2CD&G2线与线与YCDY外接电阻外接电阻 RC 的估算：的估算：n OC 与非门的个数与非门的个数m 负载与非门的个数负载与非门的个数k 每个与非门输入端的个数每个与非门输入端的个数IIH+V CCRC&1&2Y&12&n&m&1kIOHIOH ：OC门截止时的反向漏电流。门截止时的反向漏电流。IIH ：与非门高电平输入电流与非门高电平输入电流( (流入流入 接在线上的每个门的输入端接在线上的每个门的输入端) )1OHOUu 1. RC 最大值的估算最大值的估算CCCORiVuR IOiiiR IHOHmkInI IHOHmin OHCCmkInIUV IHOHmin OHCCmax CmkInIUVR iOiI UOH minRC 外接电阻外接电阻 RC 的估算：的估算：+V CCRC&1&2Y&12&n&m&1k2. RC 最小值的估算最小值的估算OLOUu 0最不利的情况：最不利的情况：只有一个只有一个 OC 门导通，门导通，iR 和和 iI 都流入该门。都流入该门。IOL： OC 门带灌电流负载的能