电子线路课件2014第二章门电路改

1、第二章 门电路 2.1 基本逻辑门电路 2.2 TTL逻辑门电路 2.1 基本逻辑门电路2.1.1三级管的开关特性三极管开关的通断是受基极 b 控制。BBCECE特性曲线 三极管输出特性曲线IC=f(UCE) Ib=C饱和区:Ic受Uce显著控制的区域，该区域内Uce的数值较小，一般Uce0.7V(硅管)。发射结正偏，集电结正偏(2) Uces=0.3V左右截止区：Ib=0的曲线的下方的区域Ib=0 Ic=Iceo NPN：Ube0.5V,管子就处于截止态通常该区：发射结反偏，集电结反偏。输出特性曲线可以分为三个区域:特性曲线 三极管输出特性曲线放大区IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距

2、。(1) Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。(2) 发射结正偏，集电结反偏，电压Ube大于0.7V左右(硅管) 。判断三极管工作状态的依据：饱和区:发射结正偏，集电结正偏截止区：发射结电压小于开启电压, 集电结反偏放大区:发射结正偏，集电结反偏2.1.2 三极管构成的反相器下面以NPN硅管为例进行分析三极管是电流控制的电流源，在模拟电路中，工作在放大区。在数字电路中工作在饱和区或截止区开关状态。TRcRBUCCiCiBuiuCEuOuCEiC0ICS负载线放大区截止区IBSIB=0UCC三极管CE之间相当于一个开关：在饱和区“闭合”，截止区“断开”一、三极管开关特性1.三极管的截止条件和等效

3、电路当输入信号uI=UIL=0.3V时（UBE=0.3V0.5V）三极管截止，iB=0，iC 0，uO=UOH=UCC输入特性0uBE/ViB0.50.7BCE等效电路截止时，iB、iC都很小，三个极均可看作开路TRCRBUCCui=0.3ViCiBuCE饱和区截止区ICSIBSIB=0UCCuCEiC0uO输出特性2.三极管的饱和条件和等效电路 在模拟电路中，为了不产生失真，通常规定饱和时UCES=1V。由于三极管的输入特性很陡，通常认为饱和时的UBES和导通时的UBE相等（硅管：0.7V，锗管0.3V）在数字电路中，为了更接近理想开关，规定饱和时UCES=0.3V。输入特性0uBE/ViB

4、/AUBES饱和区截止区ICSIBSIB=0UCCuCEiC0输出特性UCES临界饱和电压UCES=0.6-0.7将三极管刚刚从放大进入饱和时的状态称为：临界饱和状态。当输入信号uI=UIH=3.2V时iCuCEuOui=3.2ViBTRcRBUCCIB=0UCCuCEiC0输出特性ICSIBSUCES临界饱和集电极电流：定义饱和深度：临界饱和基极电流：可靠饱和条件为：iBIBSUCESBCEUBES等效电路3.三极管的动态开关特性当基极施加一矩形电压uI时截止到饱和所需的时间称为开启时间ton，它基本上由三极管自身决定。iC、uO波形不够陡峭， iC、uO滞后于uI，即三极管在截止与饱和状态

5、转换需要一定的时间。这是由三极管的结电容引起的，管内电荷的建立与消散需要一定的时间。uI iC uO UIL UIH ICS 0 Ucc UCES tontoff饱和到截止所需的时间称为关闭时间toff。三极管非门uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。基极电流为：iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。三极管临界饱和时的基极电流为：2.1.3二极管门电路1、二极管与门Y=AB2、二极管或门Y=A+BRAABCFRBRCTP1D4D5D1D2D3D1 D2 D3 和RA构成二极管与门。D4 D5 为电平移位二极管。T、RC、

6、RB 构成反相器。当ABC输入中只要有一个为0.3V时：VP1=0.3+0.7=1V,二极管正向导通压降0.7VT 截止，F=VCC当ABC输入全为3.6V时:VP1=2.1VT饱和 F=Vces=0.3V全高为低，一低出高。是与非门。DTL 逻辑门电路电路组成工作原理：稳态0.3V3.6V5V 2.1.4 正负逻辑 在数字系统中，逻辑值是用逻辑电平表示的。若用逻辑高电平UOH表示逻辑“真”，用逻辑低电平UOL表示逻辑“假”，则称为正逻辑；反之，则称为负逻辑。本教材采用正逻辑。 当规定“真”记作“1”，“假”记作“0”时，正逻辑可描述为： 若UOH代表“1”，UOL代表“0”，则为正逻辑；反之

7、，则为负逻辑。 UOH和UOL统称为逻辑电平，其值因逻辑器件内部结构不同而异(后述)。 UOH和UOL的差值(叫逻辑摆幅)愈大，则“”和“0”的区别越明显，电路可靠性越高。 TTL 晶体管-晶体管逻辑集成电路2.2 TTL逻辑门电路集成门电路双极型TTL (Transistor-Transistor Logic Integrated Circuit , TTL)ECL NMOSCMOSPMOSMOS型（Metal-Oxide- Semiconductor，MOS）MOS 金属氧化物半导体场效应管集成电路(Emitter Coupled Logic)2.2.1 TTL与非门的基本原理TTL与非门

8、的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCNNPT1是输入级（与门）T2是放大级T3、T4 、 T5 是输出级（非门）多射极晶体管的结构及其等效电路 1. 任一输入为低电平（0.3V）时“0”1V不足以让T2、T5导通三个PN结导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCT2、T5截止uouo=5-uR2-ube3-ube43.6V 高电平！NNP3k750 100+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC“1”全导通电位被嵌在2.1V全反偏1V截止2. 输入全为高电平（3.6V）时或输入全悬空T2、

9、T5饱和导通uo =0.3V输出低电平输入悬空，相当于输入“1”NNP输入、输出的逻辑关系式：+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC2.2.2TTL与非门的外特性及主要参数 外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护和设计电路的重要依据。 下面介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。 TTL与非门的外特性及主要参数（一）电压传输特性 TTL与非门输入电压UI与输出电压UO之间的关系曲线，即 UO = f（UI）。截止区：当UI0.6V，Ub11.3， UC10.7V,T2、T5截止，输出高电平UOH = 3.6V。线性

10、区：当0.6VUI1.3V， 0.7VUb21.4V时，T2导通，T5仍截止。 T2处于放大状态，T3、T4为射随器，UO随着UI的升高而下降。转折区：当UI1.3V时，输入电压略微升高，输出电压急剧下降，因为T2、T3、T4、T5均处于放大状态。饱和区：UI继续升高，T1进入倒置工作状态Ub1=2.1V，此时T2、T5饱和，T3、T4截止，输出低电平UOL = 0.3V ，且UO不随UI的增大而变化。 ABCDETTL与非门的外特性及主要参数 根据电压传输特性，可以求出TTL与非门几个重要参数：输出高电平UOH和输出低电平UOL 、阈值电压UTH、开门电平UON和关门电平UOFF 、噪声容限

11、等。1.输出高电平UOH和输出低电平UOL ： AB段所对应的输出电压为UOH 。DE段所对应的输出电压为UOL。一般要求UOH3V，UOL0.4V 。3. 开门电平UON：指的是输出电平UO =0.3V时，允许输入高电平的最小值。UON典型值为1.4V，一般产品要求UON1.8V。4. 关门电平UOFF ：指的是在保证输出电压为额定高电平UOH的90%时，允许输入低电平的最大值。一般产品要求UOFF0.8V。2. 阈值电压UTH：CD段中点所对应的输入电压称为阈值电压UTH，也称门槛电压。UTH=1.31.4V。低电平噪声容限U NL：高电平噪声容限U NH： 噪声容限TTL与非门的外特性及

12、主要参数噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。 （二）输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II = f（UI）。TTL与非门的外特性及主要参数假定输入电流II流入T1发射极时方向为正，反之为负。当UIL = 0V时由输入端流出的电流。输入短路电流IIS（输入低电平电流IIL）依然为1.4mA（二）输入特性2. 输入高电平电流IIH 指输入端接高电平，流入该输入端的电流，约10A左右。TTL与非门的外特性及主要参数3.6V30uA左右TTL与非门的外特性及主要参数（三）输入负载特性 UI在一定范围内会随着Ri的增加而升高，形成Ui = f（Ri）变化曲线，称为输入负载特性。 若要使与非门稳

13、定在截止状态，输出高电平，应选择RiROFF(0.7k) 。 若要保证与非门可靠导通，输出低电平，应选择RiRON(1.5k)。TTL与非门的外特性及主要参数（四）输出特性 输出电压UO与负载电流iL之间的电流曲线称为输出特性 输出为高电平时的输出特性： uo=VCC-uCE3-ube4-iLR4 uo=VCC-uR2-ube3-ube43.6V 拉电流负载TTL与非门的外特性及主要参数 输出为低电平时的输出特性 灌电流负载 扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，NO表示可驱动同类门的个数。 NO分为两种情况，一是灌电流负载NOL，二是拉电流负载NOH。NO=min（NOL，NOH）。 IO

14、Lmax为驱动门的最大允许灌电流，IIL是一个负载门灌入本级的电流。 IOHmax为驱动门的最大允许拉电流，IIH是负载门高电平输入电流。 （四）扇出系数NOTTL与非门的外特性及主要参数（五）平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd：TTL与非门的外特性及主要参数 平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延迟了多少时间。 导通延迟时间tPHL ：输入波形上升沿的50%幅值处到输出波形下降沿50% 幅值处所需要的时间。 截止延迟时间tPLH：从输入波形下降沿50% 幅值处到输出波形上升沿50% 幅值处所需要的时间。 通常tPLHtPH

15、L，tpd越小，电路的开关速度越高。一般tpd=10ns40ns。两个TTL门输出端并联情况 2.2.3 OC门和三态门RLUCC1. 集电极开路的与非门（OC门）输入全1时，输出=0；输入任0时，输出悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符号应用时输出端要接一上拉负载电阻 RL 。& OC门可以实现“线与”功能。&UCCF1F2F3F分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。 F1、F2、F3全截止，则F=1 。输出级RLUCCRLT5T5T5F=F1F2F32. 三态门E 控制端+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDE一、结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c