第2章门电路终

1、第 2 章 逻 辑 门 电 路,习题与思考题,2.1 半导体二极管门电路,2.3 TTL 集成门电路,2.4 CMOS集成门电路,2.5* 集成门电路的实际应用问题,2.2 半导体三极管门电路,作业题号,门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。,2.1 半导体二极管门电路,1.二极管的开关作用,2.1.1 二极管的开关特性,（1）加正向电压 时，二极管导通，管压降VON很小。二极管可近似成一个闭合的开关。,（2）加反向电压 时，二极管截止，IS电流近似为0。二极管相当于一个断开的开关。,条件： 外加电源电压较低而外加电阻较大时，这种近似是合理的。,2.二极管的动态开关特性,输入信号是

2、脉冲信号时,：反向恢复时间,存储电荷消散所需要的时间。,开关时间：二极管正向导通需要时间-开通时间很短，影响二极管开关时间的主要是反向恢复时间。,：反向恢复时间,存储电荷消散所需要的时间。,2.1.2 二极管门电路,高电平(2-5V)代表1； 低电平(0-0.8V)代表0。 设VIH=3V, VIL=0V,1二极管与门,电压关系表,2二极管或门,缺点：(1).电平偏移； (2).负载能力差。,二极管与门和或门电路的缺点：,(1）在多个门串接时，会出现低电平偏离标准值.,（2）负载能力差.,一般用作保护电路、钳位电路，或作逻辑电路的输入级,2.2 半导体三极管门电路,2.2.1 三极管的开关特性

3、,1三极管的开关作用,1）截止状态：VBEVON IB= 0，vCEVCC，对应图中的A点。,C、E间相当于开关断开,若增加vI，则IB，IC，VCE，工作点沿着负载线由A点B点C点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区:,（2）放大状态：VBEVON 三极管导通,继续增加vI ，IB会继续增加，VCEVBE0.7V，集电结正偏，三极管进入饱和状态。ICICS基本不变，VCEVCES 0.3V。 工作在饱和状态时： IB IBS 发射结正偏，集电结也正偏。,（3）饱和状态：继续增加vI，当VCEVBE0.7V时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应C点。此时的集电极电流为ICS，基极电流为I

4、BS。,临界饱和,近似的 等效电路,管压降,集电极电流,偏值情况,电流判断条件,放 大,截 止,开关作用,工作状态,饱 和,三种工作状态比较,发射结电压 死区电压,发射结正偏 集电结反偏,发射结正偏 集电结正偏,C、E 间相当 开关断开,C、E 间相当 开关闭合,2三极管的动态开关特性,1）开启时间,延迟时间,上升时间,关闭时间,2）,存储时间,下降时间,(T过饱和),2.2.2 三极管反相器,【例2-1】 在如图2-7所示的反相器电路中，若三极管导通时,VBE=0.7V,饱和压降VCE=0.3V.,=30，VIH=5V ,VIL=0V,（1）计算并说明电路参数的设计是否合理。,（2）试说明电

5、路中哪些参数影响三极管是否饱和？,当VI=VIL=0时：三极管截止，VO=VCC=5V,解： （1） 根据饱和条件IBIBS解题.,IB IBS 三极管饱和，VO=VCES=0.3V,电路实现了反相器功能，电路参数设计合理,2.2.2 三极管反相器,【例2-1】 在如图2-7所示的反相器电路中，若三极管导通时,VBE=0.7V,饱和压降VCE=0.3V.,=30，VIH=5V ,VIL=0V,（2）试说明电路中哪些参数影响三极管是否饱和？,电流判断条件是,IBIBS 则有,解（2）,在输入电压VIH和电源电压VCC一定时，,RB越小 ，RC越大， 越大，三极管越易于饱和,2.3 TTL 集成门

6、电路,2.3.1 TTL反相器电路结构及原理,2.3.2 TTL反相器的电压传输特性和抗干扰能力,2.3.3 TTL反相器的静态输入特性、 输出特性和负载能力,2.3.4 TTL反相器的动态特性,2.3.5 TTL门电路的其他类型,2.3.6 TTL集成门系列简介,2.3 TTL 集成门电路,TTL-Transistor-Transistor Logic三极管三极管逻辑(电路),集成度,(5-V TTL: 0-0.8V输入低电平 2- 5V输入高电平),TTL集成门属于小规模集成电路,小节提纲,2.3.1 TTL反相器电路结构及原理,1反相器的工作原理,反相器逻辑关系： 输入高电平时，输出为低

7、电平； 输入低电平时，输出为高电平。,小节提纲,（1）输入为高电平3.6V时,T2 T5均饱和导通,工作原理分析：,3.6,T1 集电结导通（T1是双向结构）,2.1,0.7,1.4,1.0,0.2,T1 发射结反相偏置,T4 D2截止,由于T2饱和导通，VC2=1V,由于T5饱和导通，VO=0.2V,实现了输入为高电平时输出低电平,小节提纲,（2）输入为低电平0.2V时,工作原理分析：,0.2,T1 发射结导通，VB1=0.9V,0.9,5.0,3.6,T2 T5均截止,T4 D2导通,VB4=5V,VO=3.6V,实现了输入为低电平时输出高电平,忽略R2上的电流（很小）,根据上述分析，该电

8、路可实现反相器功能,小节提纲,2.3.2 TTL反相器的电压传输特性和抗干扰能力,1）AB段（截止区）0VVI0.6V,1电压传输特性曲线,0.7VVB11.3V,2）BC段（线性区）,3）CD段（转折区）,4）DE段（饱和区）,阈值电压 VTH =1.4V,小节提纲,3抗干扰能力,= 0.4V,= 0.4V,主要参数,小节提纲,2.3.3 反相器的静态输入特性、输出特性和负载能力,1反相器的输入特性,（1）输入低电平的电流,VIL=0.2V,IIS=1mA,输入短路电流,（2）输入高电平的电流,IIH40uA,VI = -0.5V以后,D1 保护管导通，电流不流经内部电路。,小节提纲,2反相

9、器的输入端负载特性,1）关门电阻：,T1正向导通（T2 T5截止）有:,RP0.7K相当于输入VIL,2）开门电阻：,T2 T5均导通，输出为低电平,RP2K相当于输入VIH,小节提纲,3反相器的输出特性,1）输出为高电平时的输出特性,小节提纲,3反相器的输出特性,2）输出为低电平时的输出特性,VOL(max)=0.4V,小节提纲,4TTL反相器的带负载能力,1）驱动门输出高电平时的负载能力,由驱动门输出特性：,由负载门输入特性：,IIH=40uA,NOH: 驱动门输出高电平时的扇出系数,小节提纲,4TTL反相器的带负载能力,2）驱动门输出低电平时的负载能力,由驱动门输出特性：,由负载门输入特

10、性：,IIL=1mA,NOL: 驱动门输出低电平时的扇出系数,综合两种情况 N=10,小节提纲,2.3.4 TTL反相器的动态特性,1传输延迟时间,是反映门电路开关速度的参数,一般约为几纳秒到十几纳秒.,小节提纲,2）电源的动态尖锋电流,ICCM,因瞬间T4、D2、T5同时导通,小节提纲,2.3.5 TTL门电路的其他类型,1其他逻辑功能的门电路,1）与非门,（1）多发射极三极管的与门作用,电路实现的与非逻辑功能,小节提纲,2）或非门,1其他逻辑功能的门电路,T2和T2并联实现或门作用,A,B,T2,T2,T5,截止,小节提纲,（3）与非门和或非门输入电流计算的区别,IIL=1mA,IIH=4

11、0uA,0.2V,0.2V,1mA,1mA,与门输入电流和与非门相同,或门输入电流和或非门相同,小节提纲,2集电极开路门（OC门）,多个普通TTL门输出端直接并联会,普通TTL门不允许将输出端直接并联在一起,产生很大的电流，烧毁器件,大电流烧毁器件,小节提纲,1）OC门电路的结构及工作原理,集电极开路门-简称OC门 （Open Collector）,小节提纲,2）OC门外接负载电阻RL的计算,一. RL（max) 的计算,二. RL（min) 的计算,小节提纲,3）OC门主要的应用,普通TTL门输出加与门实现“与”,OC门输出并联实现“与”,（1）实现“线与”,小节提纲,0.2,0.2,0.9

12、,T5截止,5V,10V,Y=10V,（2）实现电平转换,（3）用做驱动器,小节提纲,3三态输出门（TS门）,（Tri-State logic）,1）三态输出门的电路结构及工作原理,一.EN=0.2V时,P=3.6V,二.EN=3.6V时,P=0.2V,Y = (AB),Y = Z（高阻态）,相当于两输入端与非门,T4 D2 T5 均截止,VB1=0.9V,低电平有效的三态门,高电平有效的三态门,小节提纲,2）三态门的应用问题,小节提纲,小节提纲,2.3.6 TTL集成门系列简介,输入低电平最大值,输出低电平最大值,输入高电平最小值,输出高电平最小值,低电平输入电流最大值,低电平输出电流最大值

13、,高电平输入电流最大值,高电平输出电流最大值,传输延迟时间,每个门的功耗,延迟功耗积,小节提纲,小节提纲,2.4 CMOS集成门电路,2.4.1 MOS管的开关特性,2.4.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,2.4.3 CMOS反相器的特性及参数,2.4.4 CMOS门电路的其他类型,2.4.5 CMOS集成门系列简介,（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）,N沟道增强型MOS管,电极：源极S，漏极D， 栅极G和 衬底B。,增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,电压控制器件-电压控制电流,单极型原件-只有一种载流子

14、参与导电,应用广泛-功耗小，温度特性好，输入电阻极高,特点：,分类：,MOS管 （金属氧化物半导体场效应晶体管）,也称绝缘栅型场效应管,CMOS电路：,由NMOS和PMOS互补组成,2.4 CMOS集成门电路,小节提纲,2.4.1 MOS管的开关特性,1MOS管的结构和工作原理,将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道 反型层,纵向电场,如果此时加有漏源电压,可以形成漏极电流, MOS管导通,N沟道增强型MOS管,小节提纲,2MOS管的三个工作区和特性曲线,1）MOS管截止区,2）MOS管可变电阻区,（ 比较小）,举例,假设VT=2V,只要,是临界点,可变电阻,电阻很大109,可变电阻区,称预

15、夹断点,可变电阻区-未夹断,则,小节提纲,3）MOS管的饱和区（恒流区）,判断条件,（ 比较大）,预夹断,饱和区-预夹断后,不变时,电压控制电流,转移特性,小节提纲,3MOS管的开关电路,MOS管截止状态：,D、S两极间相当开关断开,MOS管导通状态 （可变电阻区）,D、S两极间相当开关闭合,RON=1K,C代表栅极的输入电容,输出端也有负载电容,输出和输入之间有时间延迟,小节提纲,小节提纲,4MOS管的分类,2）P沟道增强型,3）N沟道耗尽型,1）N沟道增强型,4）N沟道耗尽型,时就已经有导电沟道存在,小节提纲,2.4.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,CMOS反相器:,（设VDD（V

16、TN+|VTP|），且VTN=|VTP|） （1）当vI=0V时:T2截止，T1导通。输出VOVDD. （2）当vI=VDD时:T2导通，T1截止，输出VO0V.,逻辑关系：,在正常工作状态，T1与T2轮流导通，即 互补状态, 静态电流 0, 静态功耗非常小。,特点：,小节提纲,2.4.3 CMOS反相器的特性及参数,1电压传输特性和电流传输特性,（设: VDD=10V， VTN=|VTP|=2V）,5VvI8V，T1工作在饱和区， T2工作在可变电阻区.,AB段: vI2V，T2截止，T1导通，VoVDD=10V.,2VvI5V，T2工作在饱和区，T1工作在可变电阻区.,BC段:,阈值电压,

17、当vI8V，T1截止， T2导通，Vo=0V.,CD段:,电压传输特性,阈值,电压传输特性,电流传输特性,电流传输特性,AB段和CD段,BC段:,小节提纲,2CMOS反相器传输延迟时间,输入端有输入保护环节:,传输延迟时间 :,由于CMOS反相器工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平均传输延迟时间小于10ns.,输入工作电压0VDD时,小节提纲,3CMOS电路的主要性能特点,1）输入阻抗高，输入电流小,输入正常工作电压0VDD时,输入电流,2）抗干扰能力强,3）功耗小,5）电源电压范围宽,4）扇出系数大,能带CMOS负载门的个数高达50,VDD=

18、315V范围内正常工作，有的甚至可以达到18V,CMOS电路的静态功耗是W数量级,TTL电路是mW数量级。,VNL= VNH=VDD30%,小节提纲,2.4.4 CMOS门电路的其他类型,1CMOS与非门和或非门,1）与非门,2）或非门,小节提纲,3）带缓冲级的CMOS门电路,为了稳定输出高低电平，可在输入输出端,分别加反相器作缓冲,或非门同理加缓冲级,小节提纲,2漏极开路门（OD门）,OD门与TTL集电极开路门（OC门）对应，其特点是可以实现线与，可以用来进行逻辑电平变换，具有较强的带负载能力等。,小节提纲,3CMOS三态门,当EN=0时， 同时导通,为正常的非门，输出:,当EN=1时， 同

19、时截止，输出:,高阻态Z,小节提纲,4CMOS传输门,工作原理：（设两管的开启电压VTN=|VTP|2V，VDD=10V）,传输门逻辑符号,传输门的导通电阻小于1k,小节提纲,CMOS模拟开关的电路和逻辑符号,模拟开关的电路,模拟开关的符号,小节提纲,章首,2.4.5 CMOS集成门系列简介,小节提纲,作业题号,题2-2,题2-5,题2-6,题2-7,题2-8,题2-11,题2-12,题2-15,题2-13,题2-19,因此,关断时间是指三极管由正向导通转为反向截止所需的时间，即关闭时间,题2-1 三极管的开关特性指的是什么？什么是三极管的开通时间和关断时间？若希望提高三极管的开关速度，应采取

20、哪些措施？,解：三极管在快速变化的脉冲信号的作用下，其状态在截止与饱和导通之间转换，三极管输出信号随输入信号变化的动态过程称开关特性。 开通时间是指三极管由反向截止转为正向导通所需时间，即开启时间 （是三极管发射结由宽变窄及基区建立电荷所需时间）,三级管的开启时间和关闭时间总称为三极管的开关时间，提高开关速度就是减小开关时间。因为有,的大小是决定三极管开关时间的主要参数。所以为提高开关速度通常要减轻三极管饱和深度。,（主要是清除三极管内存储电荷的时间）,习题与思考题,题2-2 试写出三极管的饱和条件，并说明对于题图2-62的电路，下列方法中，哪些能使未达到饱和的三极管饱和.,解：三极管的饱和判

21、断条件为,所以，能使未达到饱和的三极管饱和的方法：,小于何值时，三极管T截止；,=20，试求：,（1）,（2）,大于何值时，三极管T饱和；,解： (1) 设三极管T的开启电压VBE=0.5V，,0.5V ,代人已知数值得：,因此,时，三极管T截止。,(2) 根据三极管T饱和条件：,代人已知数值得：,题2-3 电路如图2-63所示，其三极管为硅管，,则VB0.5V三极管截止，有：,因此,时，三极管T饱和。,题2-4 电路如图2-64所示：,（1）已知,=6V，,=0.2V，,=10mA，求电阻,的值。,（2）已知三极管的,=50，,=0.7V，输入高电平,当电路处于,临界饱和时，,的值应是多少。

22、,=2V,（1）,代人已知数值得,(2) 临界饱和时,有,，得,题2-5 为什么说TTL反相器的输入端在以下4种接法下都属于逻辑0？,(1)输入端接地。 (2)输入端接低于0.8V的电源。 (3)输入端接同类门的输出低电压0.2V。 (4)输入端接200,的电阻到地。,解： （2）因为TTL 反相器VIL(max)=0.8V,相当于输入低电平。 （4）因为TTL反相器接的输入端负载,则TTL反相器输出,为高电平，所以输入端接200,的电阻到地相当于接低电平。,(1)输入端悬空。 (2)输入端接高于2V的电源。 (3)输入端接同类门的输出高电压3.6V。,(4)输入端接10k,的电阻到地。,解：

23、,(1) 如果输入端A悬空，由下图TTL反相器电路可见，反相器各点的电位将和A端接高电平的情况相同，输出也为低电平。所以说TTL反相器的输入端悬空相当于接高电平。,题2-6 为什么说TTL反相器的输入端在以下4种接法下都属于逻辑1？,（2）因为TTL反相器,，输入端接高于2V的电,源相当于输入高电平。(此时反相器输出低电平）,（4）因为TTL反相器接的输入端负载,则TTL反相器输出低电平。所以输入端接,的电阻到地相当于接高电平。,题2-7 指出图2-65中各门电路的输出是什么状态（高电平、低电平或高阻态）。已知这些门电路都是74系列的TTL电路。,题2-8 说明图2-66中各门电路的输出是高电

24、平还是低电,解：根据CMOS门在输入正常工作电压0VDD时，输入端的电流为“0”的特点，则接输入端电阻时，电阻两端几乎没有压降值。答案如下：,平。已知它们都是74HC系列的CMOS电路。,图2-66,题2-9 用OC门实现逻辑函数,画出逻辑电路图。,解：逻辑图如下：,题表 2-10中。,解：,题2-10 分析题图2-67所示电路，求输入S1 、S0各种取值下的输出Y，填入,2.11 在题图2-68所示的TTL门电路中，要实现下列规定的逻辑功能时，其连接有无错误？如有错误请改正。,解：原图都有错误： （a）图的普通TTL 门不可输出端“线与”连接， TTL门只有OC门可输出端线与连接； （b）图

25、应把接VCC处改为接逻辑“0”，才能实现；,（c）图原来不能实现；原图需作如下修改：,题2-12 在图2-69所示的由74系列TTL与非门组成的电路中，计算 门能驱动多少同样的与非门。要求 输出的高、低电平满足 3.2V, 0.4V。与非门的输入电流为 1.6mA， 40uA。 0.4V时输出电流最大值为 = 16mA ， 3.2V 时输出电 流最大值为 0.4mA。 的输出电阻可忽略不计。,输出的高电平 时：,图2- 69,解：分两种情况讨论：,输出的低电平,时：,（注释：,输出的低电平,低电平,每个门只消耗一倍的,与后面每个门的输入端个数无关）,时，后面驱动的与非门就输入了,考虑同时满足两

26、种情况:TTL与非门能驱动同类门个数 N=5,。,题2-13 如上题，其他条件相同，在图2-70所示的由74系列TTL或非门组成的电路中，或非门每个输入端的输入电流为,计算门,多少同样的或非门。,输出的高电平 时：,解：分两种情况讨论：,（注释：,输出的低电平,时,后面驱动的或非门就输入,了低电平，每个门的每个输入端都消耗一倍的,每个或非门消耗的电流和该门的输入端个数相关）,能驱动,考虑同时满足两种情况:TTL与非门能驱动同类门个数 N=5,题2-14 设发光二极管的正向导通电流为10mA，与非门的电 源电压为5V，输出低电平为0.2V，输出低电平电流为16mA，试画出与非门驱动发光二极管的电

27、路，并计算出发光二极管支路中的限流电阻阻值。,解：二极管驱动电路如下图，设光电二极管导通电压为0.7V,为了满足电流要求，则限流电阻R应满足下面不等式：,得到：,题2-15 试说明在下列情况下，用万用表测量图2-71中的端得到的电压各 为多少：,（1） 悬空； （2） 接低电平（0.2V）； （3） 接高电平（3.2V）； （4） 经51电阻接地； （5） 经10k电阻接地。,图中的与非门为74系列的TTL电路，万用表使用5V量程，内阻为20 k/V.,图2-71,（a）,( b),解：根据TTL 门电路输入端负载特性和TTL 与非门的逻辑功能解题。 （1） 悬空时：图2-71的等效电路如图(a)所示， 悬空的端连接的发射结不导通，只有 端的发射结导通，总电路等同一个反相器。万用表相当一个20k 以上的大电阻接在 和地之间。因为20k （2.0k），根据反相器输入端负载特性，则 =1.4V。,（2） 接低电平（0.2V）时：连接 端的发射结导通，VB1 被箝位在0.9V,此时接端 的发射