數(shù)字電路及數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

1、第二章 門電路2.1 概述概述一、正邏輯與負(fù)邏輯一、正邏輯與負(fù)邏輯正邏輯：用高電平表示邏輯正邏輯：用高電平表示邏輯1，用低電平表示邏輯，用低電平表示邏輯0負(fù)邏輯：用低電平表示邏輯負(fù)邏輯：用低電平表示邏輯1，用高電平表示邏輯，用高電平表示邏輯0正負(fù)邏輯之間存在著簡(jiǎn)單的對(duì)偶關(guān)系，例如正邏輯與門等正負(fù)邏輯之間存在著簡(jiǎn)單的對(duì)偶關(guān)系，例如正邏輯與門等同于負(fù)邏輯或門等。同于負(fù)邏輯或門等。在數(shù)字系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)中，若采用在數(shù)字系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)中，若采用NPN晶體管和晶體管和NMOS管，管，電源電壓是正值，一般采用正邏輯。若采用的是電源電壓是正值，一般采用正邏輯。若采用的是PNP管和管和PMOS管，電源電壓為負(fù)值

2、，則采用負(fù)邏輯比較方便。管，電源電壓為負(fù)值，則采用負(fù)邏輯比較方便。今后除非特別說(shuō)明，一律采用正邏輯。今后除非特別說(shuō)明，一律采用正邏輯。第二章第二章 門電路門電路二、數(shù)字系統(tǒng)中所用的為兩值邏輯二、數(shù)字系統(tǒng)中所用的為兩值邏輯0 0和和1 1，一般用高、低電平，一般用高、低電平來(lái)表示，我們利用開(kāi)關(guān)來(lái)表示，我們利用開(kāi)關(guān)S S獲得高、低電平。獲得高、低電平。如圖如圖1 1示：示： VI控制開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)S的斷、的斷、通情況。通情況。S斷開(kāi)，斷開(kāi)，VO為高為高電平；電平；S接通，接通，VO為低為低電平。電平。 使用的實(shí)際開(kāi)關(guān)為晶體二極管、三極管以及場(chǎng)效應(yīng)使用的實(shí)際開(kāi)關(guān)為晶體二極管、三極管以及場(chǎng)效應(yīng)管等電子器

3、件。管等電子器件。 VISVccVo邏輯電平v高電平高電平VH：大于給定電平值的電壓范圍：大于給定電平值的電壓范圍輸入高電平輸入高電平VIH輸出高電平輸出高電平VOHv低電平低電平VL：小于給定電平值的電壓范圍：小于給定電平值的電壓范圍輸入低電平輸入低電平VIL輸出低電平輸出低電平VOLv邏輯邏輯“0”和邏輯和邏輯“1”對(duì)應(yīng)的電壓范圍寬，對(duì)應(yīng)的電壓范圍寬，因此在數(shù)字電路中，對(duì)因此在數(shù)字電路中，對(duì)電子元件、器件電子元件、器件參數(shù)精度的要求及其電源的穩(wěn)定度的要參數(shù)精度的要求及其電源的穩(wěn)定度的要求比模擬電路要低求比模擬電路要低邏輯電平示意圖 工藝分類工藝分類雙極型門電路雙極型門電路 MOS門電路門電

4、路 Bi-CMOS電路電路 基本邏輯門電路基本邏輯門電路與門、或門、非門與門、或門、非門 常用門電路常用門電路與門、或門、非門與門、或門、非門與非門、或非門、與或非門、同或、異或與非門、或非門、與或非門、同或、異或三、門電路概述三、門電路概述一、二極管伏安特性 IS-二極管的反向飽和電流；k-玻爾茲曼常數(shù)1.381*10-23J/K；T-熱力學(xué)溫度；V-加到二極管兩端的電壓；q-電子電荷1.6*10-19C2.2 半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性2.2.1 半導(dǎo)體二極管開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體二極管開(kāi)關(guān)特性二、二極管等效電路應(yīng)用于二極管外電路電阻R值與其動(dòng)態(tài)rD電阻 等 量

5、級(jí) 場(chǎng)合應(yīng)用于二極管電路輸入電壓V正向幅值與VON差別不大，且RrD的場(chǎng)合，數(shù)字電路屬于此類應(yīng)用于二極管電 路 輸 入 電壓V正向峰值VPPVON，且RrD的場(chǎng)合利用二極管的單項(xiàng)導(dǎo)電性，相當(dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制的利用二極管的單項(xiàng)導(dǎo)電性，相當(dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制的開(kāi)關(guān)。如圖示：開(kāi)關(guān)。如圖示： 假定：假定：VIH=VCC,VIL=0二極管二極管D的正向電阻為的正向電阻為0，反向電阻為，反向電阻為 （在數(shù)字電路中，為便于分析，取單一值：在數(shù)字電路中，為便于分析，取單一值：硅管硅管0.7V，鍺管，鍺管0.3V）則當(dāng)則當(dāng)VI=VIH時(shí)，時(shí)，D截止，截止，Vo=VOH=VCC VI=VLH時(shí)，時(shí)，

6、D導(dǎo)通，導(dǎo)通，VO=VOL=0VISVccVoDR 導(dǎo)通條件及特點(diǎn)導(dǎo)通條件及特點(diǎn)條件：條件：VD0.7V 特點(diǎn)：相當(dāng)于特點(diǎn)：相當(dāng)于0.7V電壓降的閉合開(kāi)關(guān)電壓降的閉合開(kāi)關(guān) 截止條件及特點(diǎn)截止條件及特點(diǎn)條件：條件： VD0V時(shí)，若Vbe一定，則發(fā)射電子能力一定，而集電極又有一定的電子收集能力，因此Ib必減小2. 三極管輸出特性 截止區(qū)：兩個(gè)PN結(jié)深度反偏，Vce0V，Vbe0V；Ib0V，Ic0V；一般地，VbeVT， VbcVT， VbcVT，均正向偏置；由于RC的存在，IC越大，VRC也越大，因此Vce到一定值后，基本不變。 反偏狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加反向電壓；集電結(jié)加正向電壓。二、分區(qū)等效電路：（

7、NPN晶體三極管）工 作狀態(tài) 特點(diǎn) 條件 等效電路 截止 發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏 ib=Icbo0 ic=Icbo0 VceEc VbeVT 對(duì)硅管 VT0.5V 放大 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏 ic=ib Vce=EcicRc 0ibibs 對(duì)硅管 Vbe=Vbes=0.70.8V ccREccREebcIcbo ib rbe ic Vces b e c +Vbes+Vcesbec三、三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間：三極管在理想情況下三、三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間：三極管在理想情況下,其輸其輸出電壓出電壓Vo應(yīng)重現(xiàn)輸入應(yīng)重現(xiàn)輸入Vi的形狀的形狀,只是對(duì)其有放大和倒只是對(duì)其有放大和倒相作用。實(shí)際中，晶體三極管也是有惰性的

8、開(kāi)關(guān)，截相作用。實(shí)際中，晶體三極管也是有惰性的開(kāi)關(guān)，截止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不能在瞬間完成。止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不能在瞬間完成。t0t3E2E1Vittdtr0 . 1 ic sic sict0 . 9 ic ststftVcto nto f fEc1.晶體三極管從截止向飽和轉(zhuǎn)換的過(guò)渡過(guò)程：由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr組成。即開(kāi)啟時(shí)間 ton=td+tr延遲時(shí)間 td: 從輸入信號(hào)正躍變開(kāi)始，到集電極電流上升到0.1ics所需的時(shí)間。 產(chǎn)生原因是發(fā)射結(jié)位疊電容的正向充電過(guò)程。 td的大小與晶體三極管的結(jié)構(gòu)有關(guān)，發(fā)射結(jié)面積越大，結(jié)電容面積也越大，td越長(zhǎng)。另外，三極管截止深度越大， t

9、d越長(zhǎng)。上升時(shí)間 tr : 集電極電流ic從0.1ics開(kāi)始，上升到0.9ics所需的時(shí)間。 產(chǎn)生原因是集電極電流的形成要求電子在基區(qū)中有一定的濃度梯度，由于基區(qū)中的電子有一個(gè)逐漸積累的過(guò)程，不會(huì)隨ib躍變而躍變。 tr的大小與管子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，基區(qū)寬度越小，tr越小。外電路方面，基極正向驅(qū)動(dòng)電流ib越大，則基區(qū)電子濃度分布建立越快， tr越短。 通常 td ibs ，發(fā)射極發(fā)射的載流子數(shù)目超過(guò)了集電極所吸收的載流子數(shù)目，超量的電子在基區(qū)中大量積累，形成超量電荷。輸入信號(hào)躍變后，基極電流ib反向，使基區(qū)存儲(chǔ)的電子在反向電流作用下逐漸消散，當(dāng)超量電荷消散完畢，晶體三極管由深飽和退至臨界飽和過(guò)程所需

10、的時(shí)間為存儲(chǔ)時(shí)間ts。下降時(shí)間tf：晶體三極管的集電極電流從0.9ics開(kāi)始，下降到0.1ics所需要的時(shí)間。產(chǎn)生原因：三極管脫離飽和時(shí)，集電結(jié)開(kāi)始由正偏轉(zhuǎn)向反偏，基區(qū)存儲(chǔ)電荷開(kāi)始消散，使集電極電流隨之減少，下降至0。這段下降過(guò)程所需的時(shí)間就為下降時(shí)間tf。3.晶體三極管的開(kāi)啟時(shí)間ton和關(guān)閉時(shí)間toff的總和稱為三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間。一般為幾到幾十毫微秒量級(jí)。2.2.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性管的開(kāi)關(guān)特性一、一、MOS管是金屬管是金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)稱。半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)稱。（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）右圖為右圖

11、為N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)管( (NMOS) )P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管(PMOS)MOS管特性二、MOS管的輸入特性和輸出特性以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例.MOS管是電壓控制器件,用柵極電壓VGS來(lái)控制漏極電流iD，如圖所示的轉(zhuǎn)移特性，表示在漏源電壓VDS一定時(shí)，iD和VGS的關(guān)系。VT為開(kāi)啟電壓。當(dāng)VGSVT后，形成iD，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。在開(kāi)關(guān)電路中，電路工作在大信號(hào)狀態(tài)，從下圖的輸出特性中，MOS管的工作狀態(tài)可劃分為四個(gè)區(qū)：VT0246810123iD(mA)VGS(v)V)VDS=6 v(VT=4v)截止區(qū)：VGSVT， VDSBVDS后，iD將隨VDS增加而急劇增加，應(yīng)避免此種

12、情況，以免損壞管子。0246810123iD(mA)VDS(v)V)12線性電阻區(qū)線性電阻區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)截止區(qū)VGS=8v7v6v5v4v三、MOS管的開(kāi)關(guān)等效電路由于MOS管截止時(shí)漏極和源級(jí)之間的內(nèi)阻ROFF非常大，所以截止?fàn)顟B(tài)下的等效電路可用斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)代替。MOS管導(dǎo)通狀態(tài)下的內(nèi)阻RON約在1K以內(nèi)，而且與VGS的數(shù)值有關(guān)。C1代表柵極的輸入電容。約為幾皮法。由于開(kāi)關(guān)電路的輸出端不可避免地會(huì)帶有一定的負(fù)載電容，所以在動(dòng)態(tài)工作情況下（即VI在高、低電平間跳變時(shí)），漏極電流 iD的變化和輸出電壓VDS的變化都將滯后于輸入電壓的變化。C1SDGSDGRON目前，采用目前，采用M

13、OS管的邏輯集成電路主要有三類：以管的邏輯集成電路主要有三類：以P溝道增強(qiáng)溝道增強(qiáng)型管構(gòu)成的型管構(gòu)成的PMOS電路，以電路，以N溝道增強(qiáng)型管構(gòu)成的溝道增強(qiáng)型管構(gòu)成的NMOS電路電路以及以及用用PMOS和和NMOS兩種管子構(gòu)成的互補(bǔ)兩種管子構(gòu)成的互補(bǔ)MOS，即，即CMOS電電路路。四、四、MOS管的基本開(kāi)關(guān)電路管的基本開(kāi)關(guān)電路 G S iD D RD +VDD Vi Vo NMOS倒相器倒相器當(dāng)當(dāng)Vi=ViL時(shí)，時(shí)，VGS=ViLVT，MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，合理選擇管處于導(dǎo)通狀態(tài)，合理選擇VDD和和RD，使，使iD足夠大，輸出足夠大，輸出VO=VOL=VDDiDRD為得到足夠低的為得到足夠低的V

14、OL，要求，要求RD很大，在實(shí)際電路中，常用另一個(gè)很大，在實(shí)際電路中，常用另一個(gè)MOS管來(lái)做負(fù)載。管來(lái)做負(fù)載。2.3 分離元件門電路分離元件門電路一、二極管與門電路一、二極管與門電路VA=VB=0V，都導(dǎo)通，若，都導(dǎo)通，若VT=0.7V ，則，則VF=0.7V2. VA=0V，D1導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使VF=0.7V，D2截止，成立截止，成立 VB=3V，D2導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使VF=3.7V ，D1仍將導(dǎo)通，仍將導(dǎo)通，使使VF降為降為0.7V3. VB=0V，D2導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使VF=0.7V，D2導(dǎo)通，成立導(dǎo)通，成立 VA=3V，D1導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使VF=3.7V，D1將截止，使將截止，使VF降為降

15、為0.7V4. VA=VB=3V，都導(dǎo)通，若，都導(dǎo)通，若VT=0.7V，則，則VF=3.7V二極管與門電路功能二極管與門電路功能v按正邏輯約定按正邏輯約定v設(shè)設(shè)(VH)MIN=2.4V，(VL)MAX=0.8V功能功能表ABF000010100111l電路邏輯功能：電路邏輯功能：F=AB二、二極管或門電路二、二極管或門電路VA=VB=0.7V，都導(dǎo)通，若，都導(dǎo)通，若VT=0.7V ，則，則VF=0V2. VA=0.7V，D1導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使VF=0V，D2仍將導(dǎo)通，使仍將導(dǎo)通，使VF提升為提升為3V VB=3.7V，D2導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使VF=3V，D1截止，成立截止，成立3. VA=3.7V，

16、D1導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使VF=3V，D2截止，成立截止，成立 VB=0.7V，D2導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使VF=0V，D1仍將導(dǎo)通，使仍將導(dǎo)通，使VF提升為提升為3V 4. VA=VB=3.7V，都導(dǎo)通，則，都導(dǎo)通，則VF=3V二極管或門電路功能二極管或門電路功能v按正邏輯約定按正邏輯約定v設(shè)設(shè)(VH)MIN=2.4V，(VL)MAX=0.8Vv功能表功能表ABF000011101111l電路邏輯功能：電路邏輯功能：F=A+B三、三、 三極管非門三極管非門1、工作原理、工作原理當(dāng)當(dāng)Vi=ViL=0時(shí)，三極管截止，時(shí)，三極管截止，輸出電壓輸出電壓Vo=VoH Ecc當(dāng)當(dāng)Vi=ViH Ec時(shí)，三極管飽和，時(shí)，

17、三極管飽和，輸出電壓輸出電壓Vo=VoL=Vces 02、正常工作條件、正常工作條件1）.截止條件：截止條件：Vbe0 ViL R1 02）.飽和條件：飽和條件：ibibs=ib= 21RREVbiLccescRVE1RVVbesiH2REVbbesccescRVE ViR1R2EbTRc+EcVottViVo00ViLViHVcesEc3、開(kāi)關(guān)時(shí)間開(kāi)關(guān)時(shí)間在輸入矩形方波在輸入矩形方波Vi時(shí)，倒相器的輸出一般并不是理想方波，時(shí)，倒相器的輸出一般并不是理想方波，Vo的波的波形邊沿變化較為平緩，特別是波形的上升沿。形邊沿變化較為平緩，特別是波形的上升沿。原因：原因：1）.晶體三極管本身存在的開(kāi)關(guān)時(shí)

18、間晶體三極管本身存在的開(kāi)關(guān)時(shí)間ton和和toff 2）.電路中存在分布電容電路中存在分布電容CL(通常指輸出端的分布電容通常指輸出端的分布電容Co與負(fù)與負(fù)載電容的總和載電容的總和)可采用箝位電路改善：即接入箝位二極管可采用箝位電路改善：即接入箝位二極管D,箝位電壓為箝位電壓為ED,滿足條滿足條件：件：VcesEDEc ViCjR1R2EbTCLVoD+ED+EcRcViViLViHtVoEcEDVcest1t2tr trt一般開(kāi)關(guān)電路分析要點(diǎn)：一般開(kāi)關(guān)電路分析要點(diǎn)： 1 . 先假定所有開(kāi)關(guān)器件全部斷開(kāi)（截止）；先假定所有開(kāi)關(guān)器件全部斷開(kāi)（截止）； 2. 輸入端分別加低電平和高電平，從輸入端開(kāi)始

19、逐個(gè)器件進(jìn)行分輸入端分別加低電平和高電平，從輸入端開(kāi)始逐個(gè)器件進(jìn)行分析析 3. 判斷是否滿足導(dǎo)通條件；若不滿足，該器件截止，分析下一器判斷是否滿足導(dǎo)通條件；若不滿足，該器件截止，分析下一器件件 4. 導(dǎo)通時(shí)，判斷是否滿足飽和條件；確定后，分析下一器件；導(dǎo)通時(shí)，判斷是否滿足飽和條件；確定后，分析下一器件； 所有開(kāi)關(guān)器件狀態(tài)確定后，討論下列特性：所有開(kāi)關(guān)器件狀態(tài)確定后，討論下列特性：傳輸特性傳輸特性（電路功能）：（電路功能）：輸入電平輸入電平輸出電平關(guān)系輸出電平關(guān)系 輸入特性輸入特性：在高在高/低電平輸入時(shí)，輸入端電流特性（大小，方向）低電平輸入時(shí)，輸入端電流特性（大小，方向）輸出特性輸出特性：在

20、高在高/低電平輸出時(shí)，輸出端電流特性（大小，方向）低電平輸出時(shí)，輸出端電流特性（大小，方向） 思考題和習(xí)題： 2.1 2.2 2.18 2.4 TTL門電路門電路雙極性數(shù)字集成電路中應(yīng)用最廣的為雙極性數(shù)字集成電路中應(yīng)用最廣的為TTL電路電路 （Transister-Transister-Logic的縮寫）的縮寫）國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)TTL集成電路有集成電路有CT54/74通用系列、通用系列、CT54H/74H高速高速系列、系列、CT54S/74S肖特基系列和肖特基系列和CT54LS/74LS低功耗肖特低功耗肖特基系列。上述四個(gè)系列的主要差別反映在典型門的平均傳基系列。上述四個(gè)系列的主要差別反映在典型門的平

21、均傳輸延遲時(shí)間和平均功耗兩個(gè)參數(shù)上，其他電參數(shù)和外引線輸延遲時(shí)間和平均功耗兩個(gè)參數(shù)上，其他電參數(shù)和外引線排列基本上是彼此相容的。排列基本上是彼此相容的。2.4.1 典型典型TTL非門非門一、電路結(jié)構(gòu)：輸入端和輸出端都是三極管結(jié)構(gòu)。一、電路結(jié)構(gòu)：輸入端和輸出端都是三極管結(jié)構(gòu)。電路由三部分組成：電路由三部分組成：T1、R1，D1構(gòu)成的輸入級(jí)；構(gòu)成的輸入級(jí)；T2、R2、R3組成的倒相級(jí)，組成的倒相級(jí)，T4、T5、D2、R4組成輸出級(jí)。組成輸出級(jí)。二、工作原理A,B輸入信號(hào)的高、低電平輸入信號(hào)的高、低電平分別為：分別為：VIH=3.4v，VIL=0.2vVo=0.7v，Ec=+5v1. A為低電平時(shí)，

22、為低電平時(shí)，T1的發(fā)射的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，并將結(jié)導(dǎo)通，并將T1的集電極電的集電極電位鉗在位鉗在VIL+Vo=0.9v，因?yàn)橐驗(yàn)門1的集電極回路電阻為的集電極回路電阻為R2和和T2的的b-c結(jié)反向電阻之和，阻值非常結(jié)反向電阻之和，阻值非常大，所以大，所以T1工作在深度飽和區(qū)，工作在深度飽和區(qū)，Vces1 0。顯然，顯然，T2的發(fā)射結(jié)不導(dǎo)通，的發(fā)射結(jié)不導(dǎo)通，T2截止，截止，Vc2為高電平，為高電平，Ve2為低電平，為低電平，使使T5截止，故截止，故 R2上的壓降很小，上的壓降很小，Vc2 Vcc，T4管導(dǎo)通。管導(dǎo)通。因此，輸出為高電平因此，輸出為高電平VOH=3.6v。 A R1 4k T1 T2 T4

23、 T5 R4 R3 1K 130 +Ec R2 1.6K Y D1 D2 2. 當(dāng)輸入信號(hào)為高電平當(dāng)輸入信號(hào)為高電平VIH=3.6v，假設(shè)暫不考慮，假設(shè)暫不考慮T1管的集電極支路，管的集電極支路，則則T1管的發(fā)射結(jié)均應(yīng)導(dǎo)通，可能使管的發(fā)射結(jié)均應(yīng)導(dǎo)通，可能使Vb1=VIH+0.7=4.3v。但是，由于但是，由于Vcc經(jīng)經(jīng)R1作用于作用于T1管的集電極、管的集電極、T2和和T5管的發(fā)射結(jié)，使管的發(fā)射結(jié)，使三個(gè)三個(gè)PN結(jié)必定導(dǎo)通，結(jié)必定導(dǎo)通，Tb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5=2.1v，使，使T1管的所有發(fā)射管的所有發(fā)射結(jié)均反偏，結(jié)均反偏，T1管處于倒置工作狀態(tài)，管處于倒置工作狀態(tài)，T1、T2和和

24、T5管飽和導(dǎo)通，管飽和導(dǎo)通，Vo=VoL=Vces5=0.3v，Vc2=Vces2+Vbe5=0.3+0.7=1v，T4管截止。管截止。綜上所述，綜上所述，TTL非門輸入端輸入低電平，輸出即為高電平；當(dāng)輸入非門輸入端輸入低電平，輸出即為高電平；當(dāng)輸入端輸入高電平時(shí)，輸出為低電平，實(shí)現(xiàn)了非邏輯功能。端輸入高電平時(shí)，輸出為低電平，實(shí)現(xiàn)了非邏輯功能。推拉式輸出級(jí)作用：降低功耗，提高負(fù)載能力推拉式輸出級(jí)作用：降低功耗，提高負(fù)載能力三極管射極輸入級(jí)作用：提高輸入電阻三極管射極輸入級(jí)作用：提高輸入電阻三、電壓傳輸特性：三、電壓傳輸特性：AB段段: 當(dāng)當(dāng)Vi0.6v時(shí)，時(shí)，Vb11.3v，T2和和T5管截止

25、，管截止，T4導(dǎo)通，輸出為高導(dǎo)通，輸出為高電平電平VoH=VccVR2Vd2Vbe4 3.4v，故故AB段稱為截止區(qū)。段稱為截止區(qū)。BC段段: 當(dāng)當(dāng)0.7Vi1.3v時(shí)，時(shí)，T2管的管的發(fā)射極電阻發(fā)射極電阻R3直接接地，故直接接地，故T2管開(kāi)管開(kāi)始導(dǎo)通并處于放大狀態(tài)，所以始導(dǎo)通并處于放大狀態(tài)，所以Vc2和和Vo隨隨Vi的增高而線性地降低。但的增高而線性地降低。但T5管仍截止。故管仍截止。故BC段稱為線性區(qū)。段稱為線性區(qū)。ABCDEVoVi0123321CD段段:當(dāng)當(dāng)1.3vVi1.4v時(shí)，時(shí)， Vb1=2.1v，使，使T2和和T5管均趨于飽和導(dǎo)通，管均趨于飽和導(dǎo)通，T4 管截止，所以管截止，所

26、以Vo急劇下降為低電平，急劇下降為低電平，Vo=VoL=0.3v，故稱，故稱CD段為段為轉(zhuǎn)折區(qū)。轉(zhuǎn)折區(qū)。DE段段: Vi大于大于1.4v以后，以后，Vb1被箝位在被箝位在2.1v，T2和和T5管均飽和，管均飽和，Vo=Vces5=0.3v,故故DE段稱為飽和區(qū)。段稱為飽和區(qū)。四、輸入特性：四、輸入特性： Vi(v) iI(mA) 0 1.0 1.5 0.5 1 1.5 當(dāng)當(dāng)ViVT時(shí)，時(shí)，iI為負(fù)值，當(dāng)為負(fù)值，當(dāng)Vi5mA后，輸出電壓便線性下降，輸出高電平不能保持。后，輸出電壓便線性下降，輸出高電平不能保持。一般器件一般器件手冊(cè)所給的手冊(cè)所給的高電平最大輸出電流高電平最大輸出電流 IOH 0.

27、4mA七、輸入端負(fù)載能力：七、輸入端負(fù)載能力： 輸入低電平時(shí)，輸入端輸入低電平時(shí)，輸入端串接電阻的影響串接電阻的影響kRO5 . 0kRO5 . 0當(dāng)串接電阻小于當(dāng)串接電阻小于 時(shí)，能可靠實(shí)現(xiàn)輸入時(shí)，能可靠實(shí)現(xiàn)輸入低電平低電平當(dāng)串接電阻遠(yuǎn)大于當(dāng)串接電阻遠(yuǎn)大于 時(shí)，應(yīng)視為輸時(shí)，應(yīng)視為輸入高電平入高電平八、八、TTL門的動(dòng)態(tài)特性：門的動(dòng)態(tài)特性：傳輸延遲時(shí)間：輸出波形相對(duì)于輸入波形滯后的時(shí)間：傳輸延遲時(shí)間：輸出波形相對(duì)于輸入波形滯后的時(shí)間： 50ns 通常把輸出電壓由高電平變?yōu)榈碗娖降膫鬏斞舆t時(shí)間記作通常把輸出電壓由高電平變?yōu)榈碗娖降膫鬏斞舆t時(shí)間記作tPHL，由低電平變?yōu)楦唠娖降膫鬏斞舆t時(shí)間記作由低

28、電平變?yōu)楦唠娖降膫鬏斞舆t時(shí)間記作tPLH。在此。在此TTL非門中，由于輸出管非門中，由于輸出管T5工作在深度飽和狀態(tài)，所以工作在深度飽和狀態(tài)，所以tPLHtPHL。 一般在器件手冊(cè)上給出的是平均傳輸延遲時(shí)間一般在器件手冊(cè)上給出的是平均傳輸延遲時(shí)間tpd。 其定義為：其定義為：tpd=(tPHL+tPLH)/22. 電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流：電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流： 在動(dòng)態(tài)工作情況下，特別是當(dāng)輸入由高電平下跳到低電平時(shí)，在動(dòng)態(tài)工作情況下，特別是當(dāng)輸入由高電平下跳到低電平時(shí)，T1管飽和導(dǎo)通，為管飽和導(dǎo)通，為T2管提供了一個(gè)低阻的反向基極電流通路，管提供了一個(gè)低阻的反向基極電流通路，使使T2管很快截止，但管很

29、快截止，但T5管并不能隨之迅速截止。因?yàn)楣懿⒉荒茈S之迅速截止。因?yàn)門5管原來(lái)管原來(lái)處于深度飽和狀態(tài)，其基區(qū)存儲(chǔ)電荷的消散需一定的時(shí)間，故處于深度飽和狀態(tài)，其基區(qū)存儲(chǔ)電荷的消散需一定的時(shí)間，故T4、T5管在一短暫時(shí)間會(huì)同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，因而使電源電流管在一短暫時(shí)間會(huì)同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，因而使電源電流產(chǎn)生一尖峰脈沖產(chǎn)生一尖峰脈沖。此尖峰電流使電源的平均電流增大，而且，。此尖峰電流使電源的平均電流增大，而且，信號(hào)的重復(fù)頻率越高，電源電流的平均值增加越多。信號(hào)的重復(fù)頻率越高，電源電流的平均值增加越多。3. 交流噪聲容限：高電平交流噪聲容限：高電平2.0v 低電平低電平0.8v2.4.2 其他類型的其他類

30、型的TTL門電路門電路1.其他邏輯功能的其他邏輯功能的TTL門電路：門電路：輸入特性：輸入特性： 低電平電流低電平電流 單端單端 高電平電流高電平電流 多端多端輸出特性：輸出特性： 與反相器相同與反相器相同1).與非門與非門多發(fā)射極三極管多發(fā)射極三極管2).或非門或非門 電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多套（輸入級(jí)電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多套（輸入級(jí)+倒相級(jí)）并聯(lián)倒相級(jí)）并聯(lián) 輸入特性：輸入特性： 低電平電流低電平電流 多端多端 高電平電流高電平電流 多端多端 輸出特性：輸出特性： 與反相器相同與反相器相同3).與或非門與或非門電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：將或非門各輸電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：將或非門各輸入端改用多發(fā)射極三極管入端改用多發(fā)射極三極

31、管輸入特性：輸入特性： 低電平電流：低電平電流： 每個(gè)與門一端每個(gè)與門一端高電平電流：高電平電流： 多端多端輸出特性：輸出特性： 與反相器相同與反相器相同2. 集電極開(kāi)路門（集電極開(kāi)路門（OC）將輸出端直接并聯(lián)組合成各種邏輯電路將輸出端直接并聯(lián)組合成各種邏輯電路用以上講過(guò)的用以上講過(guò)的TTL門電路不能將輸出端直接并聯(lián)門電路不能將輸出端直接并聯(lián)因?yàn)椋寒?dāng)并聯(lián)的兩個(gè)門電路中有一個(gè)門的輸出是高電平，因?yàn)椋寒?dāng)并聯(lián)的兩個(gè)門電路中有一個(gè)門的輸出是高電平，而另一個(gè)門的輸出為低電平時(shí)，則輸出端并聯(lián)后必將有很而另一個(gè)門的輸出為低電平時(shí)，則輸出端并聯(lián)后必將有很大的負(fù)載電流同時(shí)流經(jīng)兩個(gè)門電路的輸出極。這個(gè)電流遠(yuǎn)大的負(fù)

32、載電流同時(shí)流經(jīng)兩個(gè)門電路的輸出極。這個(gè)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了正常工作電流，甚至使門電路損壞。遠(yuǎn)超過(guò)了正常工作電流，甚至使門電路損壞。解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是把輸出極改為集電極開(kāi)路的三極解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是把輸出極改為集電極開(kāi)路的三極管結(jié)構(gòu)。管結(jié)構(gòu)。集電極開(kāi)路輸出的門電路稱為集電極開(kāi)路輸出的門電路稱為OC門。門。OC門電路在工作時(shí)需外接負(fù)載電阻和電源門電路在工作時(shí)需外接負(fù)載電阻和電源。只要電阻的。只要電阻的阻值和電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就可保證輸出的高、低阻值和電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就可保證輸出的高、低電平符合要求，輸出三極管的負(fù)載電流又不至過(guò)大。電平符合要求，輸出三極管的負(fù)載電流又不至過(guò)大。OC門的

33、電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)：由于由于n個(gè)個(gè)OC門的輸出接在一起，所以只要有一個(gè)是低電平，門的輸出接在一起，所以只要有一個(gè)是低電平，Vo就是就是低電平；只有每個(gè)輸出都是高電平時(shí)，低電平；只有每個(gè)輸出都是高電平時(shí)，Vo才是高電平。這種輸出端才是高電平。這種輸出端并聯(lián)的連接方式稱為并聯(lián)的連接方式稱為“線與線與”。集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)也用于制作驅(qū)動(dòng)高電壓，大電流負(fù)載的門電路，通集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)也用于制作驅(qū)動(dòng)高電壓，大電流負(fù)載的門電路，通常把這種門電路稱作為驅(qū)動(dòng)器。常把這種門電路稱作為驅(qū)動(dòng)器。除了與非門，或非門，與門，或門等都可做成除了與非門，或非門，與門，或門等都可做成OC門結(jié)構(gòu)。門結(jié)構(gòu)。外接負(fù)

34、載電阻的計(jì)算方法：外接負(fù)載電阻的計(jì)算方法：當(dāng)所有當(dāng)所有OC門中只有一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，全部負(fù)載電流都流入導(dǎo)通的那門中只有一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，全部負(fù)載電流都流入導(dǎo)通的那個(gè)個(gè) OC門，因而門，因而RL值不可太小，以確保流入導(dǎo)通值不可太小，以確保流入導(dǎo)通OC門的電流不至門的電流不至于超過(guò)最大允許的于超過(guò)最大允許的ILM值。值。負(fù)載電阻最小值計(jì)算公式：負(fù)載電阻最小值計(jì)算公式：當(dāng)所有當(dāng)所有OC門門同時(shí)截止時(shí)，同時(shí)截止時(shí)，輸出輸出Vo為高電為高電平，為保證輸平，為保證輸出的高電平不出的高電平不低于規(guī)定的低于規(guī)定的VOH值。負(fù)載電阻值。負(fù)載電阻的最大值計(jì)算的最大值計(jì)算公式：公式：iHOHOHCCLmInIVVR(max)I

35、LLMOLCCLImIVVR(min)3. 三態(tài)輸出門（三態(tài)輸出門（TSL）當(dāng)控制端當(dāng)控制端 EN=0 時(shí)，時(shí)，T2，T5截止，同時(shí)，截止，同時(shí)，二極管二極管D導(dǎo)通，導(dǎo)通，T4的的基極電位基極電位 箝在低電箝在低電平，平，T4也截止。所以也截止。所以輸出端呈高阻狀態(tài)。輸出端呈高阻狀態(tài)。 EN=1時(shí)，二極管時(shí)，二極管D截止，電路處于正常截止，電路處于正常工作狀態(tài)。工作狀態(tài)。輸出端有三種可能的輸出端有三種可能的狀態(tài)：高阻，高電平，狀態(tài)：高阻，高電平，低電平，所以稱為三低電平，所以稱為三態(tài)輸出門態(tài)輸出門,TSL電路。電路。應(yīng)用：應(yīng)用：1. 在微機(jī)系統(tǒng)中，希望在同一在微機(jī)系統(tǒng)中，希望在同一條導(dǎo)線上分別

36、傳遞若干門電路條導(dǎo)線上分別傳遞若干門電路的輸出信號(hào)，以減少連線數(shù)目，的輸出信號(hào)，以減少連線數(shù)目，這時(shí)，可用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)。只要這時(shí)，可用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)。只要控制各個(gè)門的控制各個(gè)門的EN端輪流為端輪流為1，且任何時(shí)刻僅有一個(gè)為且任何時(shí)刻僅有一個(gè)為1，就，就可以把各個(gè)門的輸出信號(hào)輪流可以把各個(gè)門的輸出信號(hào)輪流送到公共的傳輸線總線上而送到公共的傳輸線總線上而互不干擾這種連線方式叫做互不干擾這種連線方式叫做總線結(jié)構(gòu)?？偩€結(jié)構(gòu)。2. 還可利用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)還可利用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞：的雙向傳遞：EN=1，G1工作，工作，G2高阻，高阻，Do經(jīng)經(jīng)G1反相送至總線。反相送至總線。EN=0，G1高阻，高阻，G2

37、工作，總工作，總線數(shù)據(jù)經(jīng)線數(shù)據(jù)經(jīng)G2反相從反相從D1端送出。端送出。TTL門電路多余輸入端的處理：門電路多余輸入端的處理：TTL與非門在使用時(shí)如果有多余的輸入端不用，一般不應(yīng)懸空，與非門在使用時(shí)如果有多余的輸入端不用，一般不應(yīng)懸空，以防止外界干擾信號(hào)的侵入。有以下幾種處理方法：以防止外界干擾信號(hào)的侵入。有以下幾種處理方法：將其經(jīng)將其經(jīng)13K 的電阻接至電源正端；的電阻接至電源正端；接高電平接高電平VH;與其他信號(hào)輸入端并接使用。與其他信號(hào)輸入端并接使用。或門及或非門的多余輸入端應(yīng)接低電平。與或非的多余與門其輸或門及或非門的多余輸入端應(yīng)接低電平。與或非的多余與門其輸入端必須接低電平。入端必須接低

38、電平。TTL系列電路的主要特點(diǎn)：系列電路的主要特點(diǎn)：功耗大功耗大 延遲時(shí)間小延遲時(shí)間小 延遲延遲-功耗積功耗積P.87 表表 2.4.1其他雙極型數(shù)字集成電路特點(diǎn)：其他雙極型數(shù)字集成電路特點(diǎn)：DTL 二極管二極管-三極管邏輯三極管邏輯 速度低速度低 功耗低功耗低ECL 發(fā)射極耦合邏輯發(fā)射極耦合邏輯 速度最高，功耗很大速度最高，功耗很大I2L 集成注入邏輯集成注入邏輯 集成度高，速度低集成度高，速度低 思考題和習(xí)題：思考題和習(xí)題： 2.3 2.5 2.9 倒相器要求：倒相器要求：TPTNDDVVVT1是是P溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管，管，T2是是N溝溝道增強(qiáng)型道增強(qiáng)型MOS管。且管。且T1、T

39、2的開(kāi)啟的開(kāi)啟電壓分別為電壓分別為VTN、VTP。VSST2T1VDDVOViiD當(dāng)當(dāng)Vi=ViL=0時(shí)，有，時(shí)，有，VGS=0VTN ，故，故T1截截止而止而T2導(dǎo)通，輸出為低電平導(dǎo)通，輸出為低電平VOL，且，且VOL 0TPDDGSVVV1TPGSVV 0靜態(tài)時(shí)靜態(tài)時(shí)T1和和T2總是工作在一個(gè)導(dǎo)通而另一個(gè)截止，其截止內(nèi)阻又極總是工作在一個(gè)導(dǎo)通而另一個(gè)截止，其截止內(nèi)阻又極高，流過(guò)高，流過(guò)T1和和T2的靜態(tài)電流極小，所以的靜態(tài)電流極小，所以CMOS反向器的靜態(tài)功耗極反向器的靜態(tài)功耗極小。小。2.6 CMOS門電路2.6.1 CMOS反相器1.電路結(jié)構(gòu)及工作原理：電路結(jié)構(gòu)及工作原理：電壓傳輸特性

40、電壓傳輸特性 0.5VDDVoVIVDDVTN VTP VDD 1/2VDDABCDEF電流傳輸特性電流傳輸特性iDVIVTN VTP VDD 1/2VDDABC DEFiDVDSVGS VDS =VGSVTNiDVDS VGS VDS =VGS-VTP2.6.2 CMOS反相器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性電壓傳輸特性和電流傳輸特性電壓傳輸特性和電流傳輸特性AB：VIVTN，VGS2 VTP ， VDS1 VTN，VGS2 VTN，VDS2 =VoVGS2-VTN， VGS1，Vo ， VDS1VTN，VDS2 VGS2-VTN， VGS1 VTP ， VDS1 VGS1-VTP ，T2和和T1 都在

41、飽和區(qū)都在飽和區(qū)DE：VI ，VGS2 VTN，VDS2 VGS2-VTN ， T2低內(nèi)阻的電阻區(qū)，低內(nèi)阻的電阻區(qū)，T1飽和區(qū)飽和區(qū)EF：VI ， VGS1 =VDD-VI VTP ， T2低內(nèi)阻的電阻區(qū)，低內(nèi)阻的電阻區(qū)，T1截止區(qū)截止區(qū)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：噪聲容限為噪聲容限為VDD/2（可通過(guò)提高電源電壓提高輸入端噪聲容（可通過(guò)提高電源電壓提高輸入端噪聲容限）限） ，抗干擾能力最強(qiáng)，抗干擾能力最強(qiáng)輸入特性輸入特性:輸入端絕緣，輸輸入端絕緣，輸入電流為入電流為0輸入端保護(hù)電路輸入端保護(hù)電路必須避免輸入端必須避免輸入端懸空懸空 輸出特性輸出特性:導(dǎo)通內(nèi)阻的影響導(dǎo)通內(nèi)阻的影響低電平最大輸出電流低電平最大輸出電流 灌電流灌電流mAIOL5 .0高電平最大輸出電流高電平最大輸出電流 拉電流拉電流 mAIOH5 .0動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性:延遲時(shí)間延遲時(shí)間交流噪聲容限交流噪聲容限動(dòng)態(tài)功耗動(dòng)態(tài)功耗2.6.3 其他其他