數(shù)字模擬技術(shù)第三章

1、3.1 概述概述 門電路是用以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的電子電路，與已經(jīng)講過(guò)的邏輯運(yùn)算相對(duì)應(yīng)。常用的門電路在邏輯功能上有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等。正邏輯正邏輯：高電平表示邏輯：高電平表示邏輯1 1、低電平表示邏輯、低電平表示邏輯0 0。負(fù)邏輯負(fù)邏輯：高電平表示邏輯：高電平表示邏輯0 0、低電平表示邏輯、低電平表示邏輯1 1。獲得高、低電平的基本方法獲得高、低電平的基本方法：利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的：利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的 導(dǎo)通導(dǎo)通、截止截止（即開(kāi)、關(guān)）兩種工作狀態(tài)。（即開(kāi)、關(guān)）兩種工作狀態(tài)。3.2 半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路3.2.1 半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性 if 0.5

2、0.7id(ma) ud(v)伏安特性u(píng)br0ui0.5v時(shí)，二時(shí)，二極管導(dǎo)通。極管導(dǎo)通。ui0.5v時(shí)，二極管時(shí)，二極管截止，截止，id=0。 + ui rl +uo d開(kāi)關(guān)電路 + ui=0v rl +uo dui=0v時(shí)的等效電路 ui0v時(shí)，二極管截止，如同開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，時(shí)，二極管截止，如同開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，uo0v。 + ui rl +uo d開(kāi)關(guān)電路 + + ui=5v rl +uo d 0.7vui=5v 時(shí)的等效電路ui5v時(shí)，二極管導(dǎo)通，如同時(shí)，二極管導(dǎo)通，如同0.7v0.7v的電壓源，的電壓源，uo4.3v。 當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，存儲(chǔ)電荷反向電場(chǎng)當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪?/p>

3、時(shí)，存儲(chǔ)電荷反向電場(chǎng)的作用下，形成較大的反向電流。經(jīng)過(guò)的作用下，形成較大的反向電流。經(jīng)過(guò)t ts s后，存儲(chǔ)電荷顯著后，存儲(chǔ)電荷顯著減少，反向電流迅速衰減并趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)的反向飽和電流。減少，反向電流迅速衰減并趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)的反向飽和電流。 當(dāng)外加電壓由反向突然變當(dāng)外加電壓由反向突然變?yōu)檎驎r(shí)，要等到為正向時(shí)，要等到pn結(jié)內(nèi)部結(jié)內(nèi)部建立起足夠的電荷梯度后才開(kāi)建立起足夠的電荷梯度后才開(kāi)始有擴(kuò)散電流形成，因而正向始有擴(kuò)散電流形成，因而正向電流的建立稍微滯后一點(diǎn)。電流的建立稍微滯后一點(diǎn)。反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間（幾納秒內(nèi)）（幾納秒內(nèi)） 反向恢復(fù)時(shí)間即存儲(chǔ)電荷消失所需要的時(shí)間，反向恢復(fù)時(shí)間即存儲(chǔ)電荷消失所需要

4、的時(shí)間，它遠(yuǎn)大于正向?qū)ㄋ枰臅r(shí)間。這就是說(shuō)，二它遠(yuǎn)大于正向?qū)ㄋ枰臅r(shí)間。這就是說(shuō)，二極管的開(kāi)通時(shí)間是很短的，它對(duì)開(kāi)關(guān)速度的影響極管的開(kāi)通時(shí)間是很短的，它對(duì)開(kāi)關(guān)速度的影響很小，以致可以忽略不計(jì)。很小，以致可以忽略不計(jì)。 因此，影響二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間主要是因此，影響二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間主要是反向恢復(fù)時(shí)間，而不是開(kāi)通時(shí)間。反向恢復(fù)時(shí)間，而不是開(kāi)通時(shí)間。 +vcc(+5v) r y d1 a d2 b 3v 0v 3.2.2 二極管與門a by0 00 11 01 10001y=ababy3.2.3 二極管或門a by0 00 11 01 10111y=a+b3.5 ttl門電路門電路3.5.1 雙

5、極型三極管的開(kāi)關(guān)特性一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu) becnnp基極基極 發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極becnpn型三極管型三極管pnp集電極集電極 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 bcebecpnp型三極管型三極管二、雙極型三極管的輸入特性和輸出特性二、雙極型三極管的輸入特性和輸出特性 ic(ma )1234uce(v)36912ib=020 a40 a60 a80 a100 aib( a)ube(v)204060800.40.8輸入特性曲線輸入特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓飽飽和和區(qū)區(qū)截止區(qū)截止區(qū)放大區(qū)放大區(qū)三、雙極型三極管的基本開(kāi)關(guān)電路三、雙極型三極管的基本開(kāi)關(guān)電路

6、在數(shù)字電路中，三極管作為開(kāi)關(guān)元件，主要工作在在數(shù)字電路中，三極管作為開(kāi)關(guān)元件，主要工作在飽和飽和和和截止截止兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過(guò)渡狀態(tài)。兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過(guò)渡狀態(tài)。四、雙極型三極管的開(kāi)關(guān)等效電路四、雙極型三極管的開(kāi)關(guān)等效電路 開(kāi)關(guān)等效電路開(kāi)關(guān)等效電路(1) 截止?fàn)顟B(tài) 條件：發(fā)射結(jié)反偏特點(diǎn)：電流約為0 (2)飽和狀態(tài)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏特點(diǎn)：ubes=0.7v，uces=0.3v/硅uituot+vcc0.3v五、雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性五、雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性 bjtbjt的開(kāi)關(guān)時(shí)間：的開(kāi)關(guān)時(shí)間：是指是指bjtbjt管由管由截止到飽和截止到飽和導(dǎo)通導(dǎo)

7、通 或者由或者由飽和導(dǎo)通到截止飽和導(dǎo)通到截止所需要的時(shí)間。所需要的時(shí)間。延遲時(shí)間延遲時(shí)間td從從+ +vb2加到集加到集電極電流電極電流ic上升到上升到0.10.1ics所需所需要的時(shí)間；要的時(shí)間； 上升時(shí)間上升時(shí)間tric從從0.10.1ics到到0.90.9ics所需要的時(shí)間；所需要的時(shí)間； 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間t tonon= =t td d+ +t tr r就是建立基區(qū)電荷時(shí)間就是建立基區(qū)電荷時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間ts從輸入信號(hào)降從輸入信號(hào)降到到- -vb1到到ic降到降到0.90.9ics 所需要所需要的時(shí)間；的時(shí)間； 下降時(shí)間下降時(shí)間tfic從從0.90.9ics降到降到0.10.1ic

8、s所需要的時(shí)間。所需要的時(shí)間。 關(guān)閉時(shí)間關(guān)閉時(shí)間toff=ts+tf就是就是存儲(chǔ)電荷消散的時(shí)間存儲(chǔ)電荷消散的時(shí)間 集成門電路集成門電路雙極型雙極型ttl (transistor-transistor logic integrated circuit , ttl)eclnmoscmospmosmosmos型型（m metal-etal-o oxide-xide- s semiconductoremiconductor，mosmos）ttl 晶體管晶體管- -晶體管邏輯集成電路晶體管邏輯集成電路mos 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管集成電路金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管集成電路3.5.2 ttl反相器輸入級(jí)倒

9、相級(jí)輸出級(jí)稱為稱為推拉式推拉式電路電路或或圖騰圖騰柱輸出電路柱輸出電路一、一、ttl反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理1.輸入為低電平（輸入為低電平（0.2v）時(shí)）時(shí)三個(gè)三個(gè)pn結(jié)結(jié)導(dǎo)通需導(dǎo)通需2.1v0.9v不足以讓不足以讓t2、t5導(dǎo)通導(dǎo)通t2、t5截止截止1.輸入為低電平（輸入為低電平（0.2v）時(shí)）時(shí)vovo=5vr2vbe4vd23.4v 輸出輸出高電平高電平2.輸入為高電平（輸入為高電平（3.4v）時(shí)）時(shí)電位被嵌電位被嵌在在2.1v全導(dǎo)通全導(dǎo)通 vb1=vih+von=4.1v發(fā)射結(jié)反偏 1v截止t2、t5飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通2.輸入為高電平（輸入為高電平（3.4v）

10、時(shí)）時(shí)vo =vce50.3v 輸出低電平輸出低電平 可見(jiàn)，無(wú)論輸入如何，可見(jiàn)，無(wú)論輸入如何，t4和和t5總是一管總是一管導(dǎo)通而另一管截止。導(dǎo)通而另一管截止。 這種推拉式工作方式，這種推拉式工作方式，帶負(fù)載能力很強(qiáng)帶負(fù)載能力很強(qiáng)。1. 懸空的輸入端相當(dāng)于接高電平。懸空的輸入端相當(dāng)于接高電平。2. 為了防止干擾，一般應(yīng)將懸空的為了防止干擾，一般應(yīng)將懸空的輸入端接高電平。輸入端接高電平。 ttl集成門電路的封裝：集成門電路的封裝： 雙列直插式雙列直插式 如：如：ttlttl門電路芯片（門電路芯片（四四2 2輸入與非門，輸入與非門，型號(hào)型號(hào)74ls0074ls00 ) )地地gndgnd外外 形形管

11、腳管腳 電源電源v vcccc（+5v+5v）74ls00內(nèi)含4個(gè)2輸入與非門，74ls20內(nèi)含2個(gè)4輸入與非門。或非門或非門與或非門與或非門74ls86二二.集電極開(kāi)路門（集電極開(kāi)路門（oc門）門）為什么需要為什么需要oc門？門？普通與非門輸出不能普通與非門輸出不能直接連在一起實(shí)現(xiàn)直接連在一起實(shí)現(xiàn)“線與線與”！10產(chǎn)生一個(gè)很大的電流產(chǎn)生一個(gè)很大的電流)()( cdabyabycd集電極懸空集電極懸空 )(bayabyococ門輸出端可直接連接實(shí)現(xiàn)線與。門輸出端可直接連接實(shí)現(xiàn)線與。 三三. 三態(tài)門三態(tài)門 （tsts門門) ) 三態(tài)輸出門三態(tài)輸出門(three-state output gate

12、)是是在普通門電路的在普通門電路的基礎(chǔ)上附加控制基礎(chǔ)上附加控制電路而構(gòu)成的。電路而構(gòu)成的。enaybenayb3.5.6 ttl數(shù)字集成電路的各種系列 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價(jià)換取的，效果不夠理想。加功耗的代價(jià)換取的，效果不夠理想。從從提高工作速度提高工作速度、降低功耗降低功耗兩方面考慮進(jìn)行改進(jìn)。兩方面考慮進(jìn)行改進(jìn)。74s系列：系列：肖特基系列。采用抗飽和三極管，提肖特基系列。采用抗飽和三極管，提高了工作速度，但電路功耗加大，并且輸出的低高了工作速度，但電路功耗加大，并且輸出的低電平升高。電平升高。74ls系列：系列：低功耗

13、肖特基系列。兼顧功耗和速度低功耗肖特基系列。兼顧功耗和速度兩個(gè)方面，得到更小的延遲功耗積。兩個(gè)方面，得到更小的延遲功耗積。74as系列：系列：電路結(jié)構(gòu)與電路結(jié)構(gòu)與74ls系列相似，采用低系列相似，采用低 阻值，提高了工作速度，但功耗較大。阻值，提高了工作速度，但功耗較大。74als系列：系列：其延遲功耗積是其延遲功耗積是ttl電路所有系電路所有系列中最小的一種。列中最小的一種。54、54h、54s、54ls系列：系列：54系列與系列與74系列電路系列電路具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)。具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)。54系列系列工作溫度范圍更寬，電源允許的工作范圍更大。工作溫度范圍

14、更寬，電源允許的工作范圍更大。74系列：溫度系列：溫度070，電源電壓，電源電壓5v5%;54系列系列: 溫度溫度-55+125，電源電壓，電源電壓5v10%。cmos電路與電路與ttl電路比較：電路比較：（1）cmos電路的工作速度比電路的工作速度比ttl電路的低。電路的低。（2）cmos帶負(fù)載的能力比帶負(fù)載的能力比ttl電路強(qiáng)。電路強(qiáng)。（3）cmos電路的電源電壓允許范圍較大，約在電路的電源電壓允許范圍較大，約在 318v，抗干擾能力比，抗干擾能力比ttl電路強(qiáng)。電路強(qiáng)。（4）cmos電路的功耗比電路的功耗比ttl電路小得多。門電電路小得多。門電路的功耗只有幾個(gè)路的功耗只有幾個(gè)w，中規(guī)模集

15、成電路的功耗也，中規(guī)模集成電路的功耗也不會(huì)超過(guò)不會(huì)超過(guò)100w。（5）cmos集成電路的集成度比集成電路的集成度比ttl電路高。電路高。（6）cmos電路容易受靜電感應(yīng)而擊穿，在使用和電路容易受靜電感應(yīng)而擊穿，在使用和 存放時(shí)應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時(shí)電烙鐵應(yīng)接地存放時(shí)應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時(shí)電烙鐵應(yīng)接地 良好，尤其是良好，尤其是cmos電路多余不用的輸入端不電路多余不用的輸入端不 能懸空，應(yīng)根據(jù)需要接地或接高電平。能懸空，應(yīng)根據(jù)需要接地或接高電平。cmos電路與電路與ttl電路比較：電路比較：多余輸入端的處理措施多余輸入端的處理措施處理原則：處理原則： 不能影響輸入與輸出之間的邏輯關(guān)系不能影響輸入

16、與輸出之間的邏輯關(guān)系 。 數(shù)字集成電路中多余的輸入端在不改變邏輯數(shù)字集成電路中多余的輸入端在不改變邏輯關(guān)系的前提下可以關(guān)系的前提下可以并聯(lián)并聯(lián)起來(lái)使用，也可起來(lái)使用，也可根據(jù)邏輯關(guān)根據(jù)邏輯關(guān)系的要求接地或接高電平系的要求接地或接高電平。ttl電路多余的輸入端電路多余的輸入端懸空表示輸入為高電平懸空表示輸入為高電平；但但cmos電路，多余的輸電路，多余的輸入端不允許懸空，否則電路將不能正常工作入端不允許懸空，否則電路將不能正常工作。 對(duì)于對(duì)于ttl門，一般可將多余的輸入端通過(guò)上拉門，一般可將多余的輸入端通過(guò)上拉電阻（電阻（13 k ）接電源正端；也可利用反相器）接電源正端；也可利用反相器將其輸入端接地將其輸入端接地;通過(guò)大電阻接地（通過(guò)大電阻接地（邏輯邏輯1的處的處理理）。直接把多余端接地（）。直接把多余端接地（邏輯邏輯