邏輯門電路知識

1、第第3章章 邏輯門電路邏輯門電路本章講述分立元件門電路，本章講述分立元件門電路，TTL集成與非門電路，其它雙極型門電路和集成與非門電路，其它雙極型門電路和MOS門電路門電路 3.1 分立元件門電路分立元件門電路3.1.1 二極管開關(guān)特性二極管開關(guān)特性 理想開關(guān)特性理想開關(guān)特性(1) 開關(guān)斷開時，通過開關(guān)的電流為零，其間的電阻為無窮大開關(guān)斷開時，通過開關(guān)的電流為零，其間的電阻為無窮大(2) 開關(guān)閉合時，其間的電阻為無窮大開關(guān)閉合時，其間的電阻為無窮大(3) 開關(guān)的開閉動作瞬時完成開關(guān)的開閉動作瞬時完成 二極管開關(guān)特性二極管開關(guān)特性(1) 導(dǎo)通時，硅管正向壓降為導(dǎo)通時，硅管正向壓降為0.7V,鍺管

2、正向壓降為鍺管正向壓降為0.2V(2) 載止時，其飽和電流極小，相當(dāng)于一個大電阻載止時，其飽和電流極小，相當(dāng)于一個大電阻(3) 導(dǎo)通和載止并非瞬間完成導(dǎo)通和載止并非瞬間完成1ES+ V -RiES+ V -Ri(a)(b)D+ VD -R(a)i0.7VVDi0(b)二極管的伏安特性tV0D+ VD -RiV1V2ti0IfIrVti0IfIrRD=0二極管開關(guān)特性二極管開關(guān)特性理想開關(guān)特性理想開關(guān)特性二極管的一個重要參數(shù)反向恢復(fù)時間二極管的一個重要參數(shù)反向恢復(fù)時間(a)(b)(c)(d)2 iEVORCECVIRB000VIiCiCVOttttontoffVCEICStd1trtftd290

3、%10%晶體三極管開關(guān)特性晶體三極管開關(guān)特性晶體三極管的三種工作狀態(tài)晶體三極管的三種工作狀態(tài)1. 截止?fàn)顟B(tài)2. 放大狀態(tài)3. 飽和狀態(tài)晶體三極管的開關(guān)參數(shù)晶體三極管的開關(guān)參數(shù)3VA(V)VbABREC(+12V)FVB(V)VF(V)0.70.70.73.703030033ABF000101010011&ABFVa3.1.3 簡單門電路電位關(guān)系電位關(guān)系真值表真值表邏輯符號邏輯符號二極管與門電路二極管與門電路4VA(V)(a)VbABRFVB(V)VF(V)0.72.32.32.303030033ABF011101010011ABFVa電位關(guān)系電位關(guān)系真值表真值表邏輯符號邏輯符號二極管或

4、門電路二極管或門電路5iEVORC 1KEC +12VVIR1 1.5KEB -12VEQ +2.5VR2 18K=303.2V0.3VIEVORC 1KEC +12VVIR1 1.5KEB -12VEQ +2.5VR2 18KRL1RL2ECECIRCILIEVORC 1KEC +12VVIR1 1.5KEB -12VEQ +2.5VR2 18KIRCILEB -12VRL3.1.3 簡單門電路反相器電路灌電流負(fù)載方式拉電流負(fù)載方式6iEFRCEC +12VR1EB -12VEQ +2.5VR2VbABVaEC +12VPCRC1ABP000101010011F1110&ABF3.1

5、.3 復(fù)合門電路與非門電路的實(shí)現(xiàn)7iEFRCEC +12VR1EB -12VEQ +2.5VR2VbABVaPCC1ABP011101010011F1000ABFR或非門電路的實(shí)現(xiàn)83.2 TTL集成與非門電路-3.2.1 TTL電路結(jié)構(gòu) (Transistor Transistor -Logic)IE2R2750ECVIAIR2VOBCR13kIB1IB2R5100IE3R3360R43kQ1Q2Q3Q5Q4圖3.2.1 TTL與非門電路Q1: 多發(fā)射極三極管 A BC相當(dāng)于多個二極管 電路構(gòu)成分析電路構(gòu)成分析 多發(fā)射極輸入多發(fā)射極輸入 (Q1與與R1為輸入級，完成與功能為輸入級，完成與功能

6、)Q2,R2,R3為中間級，完成對輸出級的為中間級，完成對輸出級的驅(qū)動驅(qū)動 (Q2截止時；截止時；Q3,Q4導(dǎo)通，導(dǎo)通，Q5截止截止 Q2導(dǎo)通時；導(dǎo)通時；Q3,Q4截止，截止，Q5 導(dǎo)通導(dǎo)通) Q3,Q4,Q5,R4,R5為輸出級為輸出級 (Q3,Q4為為Q5的有源負(fù)載的有源負(fù)載) EC增大有助于可靠性的提高，但功增大有助于可靠性的提高，但功耗也增大，通常耗也增大，通常TTL電路的工作電電路的工作電壓為壓為5V (EC增大，增大，“1”電平的電壓范圍與電平的電壓范圍與“0”電平的電壓范圍的距離增大，電平的電壓范圍的距離增大，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性提高抗干擾能力強(qiáng)，可靠性提高)93.2 TTL集成

7、與非門電路-3.2.2 TTL電路的工作原理_高電平輸入時的分析IE2R2750ECAIR2VOBCR13kIB1IB2R5100IE3R3360R43kQ1Q2 Q15Q3Q5Q4圖3.2.1 TTL與非門電路VI 工作原理分析工作原理分析1. A,B,C輸入全為高電平輸入全為高電平(3.6V)時時Q1的各工作參數(shù)的各工作參數(shù)VA,VB,VC為3.6V(高電平)Q1工作于倒置狀態(tài)倒置狀態(tài),發(fā)射極做集電極用,集電極做發(fā)射極用。Q1 0.2B1 2.1VC1C2 1VmA97.031.25=RUE=I=I11BC1R1B-mA16.1=2.1*97.0=)+1(I=I1Q1B1CmA2.0I=I

8、1Q1B1EQ2的各工作參數(shù)的各工作參數(shù)mA3.575.015=RVE=II22CC2R2C-6.4=16.13.5=II=2B2C2Q所需最小所需最小Q1為為mA46.6=3.5+16.1=I+I=I2C2B2EQ5的各工作參數(shù)的各工作參數(shù)E2, B50.7VmA52.4=RVI=II=I35B2E3R2E5B-因此因此,Q5深度飽和深度飽和,允許的灌電流可以很大允許的灌電流可以很大V3.0=V=V5CEOLQ3,Q4的各工作參數(shù)的各工作參數(shù)B4E30.3V0.3V因因VBE3+VBE4=1.0, Q3,Q4不可能同時導(dǎo)通不可能同時導(dǎo)通,這里這里,因因R4的存在的存在,Q3導(dǎo)通導(dǎo)通,Q4截止

9、截止mAIR103304.mA1.0=II4R5RmA37.6=1.0+3.5+97.0=I+I+I=I5R2R1REL功率消耗功率消耗mW32=5*37.6=E*I=PCEL1.4V104.3VC2,B33.2 TTL集成與非門電路-3.2.2 TTL電路的工作原理_低電平輸入時的分析IE2R2750ECAIR2VOBCR13kIB1IB2R5100IE3R3360R43kQ1Q2 Q15Q3Q5Q4圖3.2.1 TTL與非門電路VI 工作原理分析工作原理分析1. A,B,C輸入有一個為低電平輸入有一個為低電平(0.3V)時時Q1的各工作參數(shù)的各工作參數(shù)VA為0.3V(低電平)VB,VC為3

10、.6V(高電平) Q1深度飽和 VCE1=0.1VVC1=0.4VQ2,Q5截止B1 1.0VC1mA3.1=315=RUE=I=I11BC1R1B-Q2,Q5的各工作參數(shù)的各工作參數(shù)3B2RIIQ4的各工作參數(shù)的各工作參數(shù)Q3的各工作參數(shù)的各工作參數(shù)B4E33.6V假定假定Q3=20, IB3=1.4/20=70uA, 則則mA4.1=33.4=I4RmA7.2=4.1+3.1=I+I=I3E1REH功率消耗功率消耗mW5.13=5*7.2=E*I=PCEL0.4VQ2,Q5截止截止0I4EC43E3BE23BE=R*I+V+RI但由于但由于IE3*R3IB3*R2V3.47.05=VE=R

11、*I=V3BEC43E3E-V95.4=750*10*705=R*IE=V623BC3B-4.95VV86.4=100*10*4.15=R*IE=V323EC3C-Q3處于微飽和狀態(tài)處于微飽和狀態(tài)(Q3集電結(jié)正偏集電結(jié)正偏)C3,C44.86V綜合上述情況綜合上述情況,可知可知Q4處于微導(dǎo)通狀態(tài)處于微導(dǎo)通狀態(tài)(不帶負(fù)載和不帶負(fù)載和Q5截止截止)V6.3=7.03.4=V=V4EOH-113.2 TTL集成與非門電路-3.2.2 TTL電路的工作原理_總結(jié)TTL與非門電路各晶體管工作情況與非門電路各晶體管工作情況輸入全高有低輸出低高Q1Q2Q3Q4Q5倒置飽和微導(dǎo)通截止飽和截止微導(dǎo)通微飽和截止深

12、飽和輸出級的情況輸出級的情況主要特點(diǎn)主要特點(diǎn) 1. 輸出無論是輸出無論是0或或1,輸出電阻都較小輸出電阻都較小,帶負(fù)載能力較強(qiáng)帶負(fù)載能力較強(qiáng),輸出脈沖的動態(tài)特性好輸出脈沖的動態(tài)特性好 2. 靜態(tài)消耗相對較小靜態(tài)消耗相對較小,在動態(tài)時可能存在在動態(tài)時可能存在Q1,Q2,Q3,Q4,Q5同時導(dǎo)通瞬間同時導(dǎo)通瞬間,出現(xiàn)尖峰電流出現(xiàn)尖峰電流01020304050600.51.01.52.0IL(mA)VOL(V)01020304050601.02.03.04.0IL(mA)VOH(V)圖圖3.2.2 輸出低電平時的輸出特性輸出低電平時的輸出特性圖圖3.2.3 輸出高電平時的輸出特性輸出高電平時的輸出特

13、性輸出為輸出為低電平時低電平時的輸出電阻為的輸出電阻為Q5飽和飽和下下的集電極與發(fā)射機(jī)間的的集電極與發(fā)射機(jī)間的導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻.輸出為輸出為高電平時高電平時的輸出電阻為的輸出電阻為Q3,Q4組成組成的的射極輸出器射極輸出器的的輸出電阻輸出電阻. 特點(diǎn)特點(diǎn)輸出電阻小輸出電阻小,允許允許較大的灌電流較大的灌電流隨灌電流的增大隨灌電流的增大,飽和深度減弱飽和深度減弱,輸輸出電壓上升出電壓上升 特點(diǎn)特點(diǎn)射極輸出器的射極輸出器的輸出電阻很輸出電阻很小小,允許較大的拉電流允許較大的拉電流隨拉電流的增大隨拉電流的增大,Q3飽和飽和加加,IE4增大增大,復(fù)合管復(fù)合管下降下降,輸出電阻上升輸出電阻上升,輸出電壓

14、下輸出電壓下降降123.2 TTL集成與非門電路-3.2.3 TTL與非門的傳輸特性電壓傳輸特性的定義：電壓傳輸特性的定義： 輸入電壓由低逐漸變高時，輸出電壓隨之變化的曲線變輸入電壓由低逐漸變高時，輸出電壓隨之變化的曲線變化關(guān)系，它是反映門電路的化關(guān)系，它是反映門電路的抗干擾能力抗干擾能力以及以及動態(tài)特性動態(tài)特性的的一個重要指標(biāo)。一個重要指標(biāo)。各輸入電壓段的輸出電壓分析各輸入電壓段的輸出電壓分析 1. AB段段_VI0.7V,Q2開始導(dǎo)通,VC2隨VC1的上升而下降,導(dǎo)致Q3,Q4的導(dǎo)通狀態(tài)發(fā)生變化,因而VO下降.但在這個輸入電壓范圍,Q5仍然截止.把VO下降到90%(3.2V)所對應(yīng)的輸入電

15、壓VI=0.8V,成為關(guān)門電平VIoff. 3. CD段段_VI 1.4V,輸出電壓明顯下降輸出電壓明顯下降 在VI=1.4V附近,Q2的導(dǎo)通狀態(tài)讓VB5達(dá)到0.7V左右,Q5即從導(dǎo)通進(jìn)入飽和,VO明顯下降,出現(xiàn)電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折點(diǎn). 4. DE段段_VI 1.4V,輸出為低電平輸出為低電平 VI1.4V,Q5完全飽和導(dǎo)通,Q4截止.VO 0.35V.與非門處于關(guān)門狀態(tài).對應(yīng)于VO=0.35V的輸入電平稱為開門電平,其值VIon約為1.8V.00.5 1 1.5 2 2.5 31.02.03.04.0VI (V)VO (V)A BCDE圖圖3.2.2 TTL與非門的電壓傳輸特性與非門的電壓傳輸

16、特性由上述可見由上述可見,所謂輸入低電平所謂輸入低電平,輸出就為高電輸出就為高電平平,此低電平此低電平有一定的范圍有一定的范圍;同樣所謂輸入高同樣所謂輸入高電平電平,輸出就為低電平輸出就為低電平,此高電平也此高電平也有一定的有一定的范圍范圍.有了一定的范圍有了一定的范圍,就意味著就意味著具有抗干擾的能具有抗干擾的能力力.低電平噪聲容限制低電平噪聲容限制_在在額定額定低電平低電平(0.35V)的輸入山能疊加正向最大干擾電壓的輸入山能疊加正向最大干擾電壓,而輸出而輸出高電平仍不低于高電平仍不低于額定值額定值(3.6V)的的90%.即即VNL=VIoff-VIL=0.8-0.35=0.45V.高電平

17、噪聲容限制高電平噪聲容限制_額定高電平額定高電平(3.6V)的的輸入山能疊加負(fù)向最大干擾電壓輸入山能疊加負(fù)向最大干擾電壓,而輸出電而輸出電平仍維持平仍維持額定值額定值. 即即 VNH=VIH-VIon=3.6-1.8=1.8V.133.2 TTL集成與非門電路-3.2.4 TTL與非門的性能指標(biāo)主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)1. 輸出高輸出高,低電平低電平(靜態(tài)值靜態(tài)值) 輸出高電平為3.6V. 某輸入輸入端接地,其余輸入端開路,輸出不接負(fù)載為條件. 輸出低電平為0.35 V.某輸入輸入端接開門電平(1.8V),其余輸入端開路,輸出端接額定負(fù)載為條件. 假定電源電壓EC為5V,灌電流為12mA, 則額定負(fù)載

18、RL=(EC-VOL)/IL=(5-0.35)/12=380 2. 輸入短路電流輸入短路電流IIS 某一輸入端接地,其余輸入端開路,流入接地輸入端的電流即為輸入短路電流IIS,通常其值小于2.2mA3. 輸入漏電流輸入漏電流 某一輸入端接高電平,其余輸入端接地,流入接高電平輸入端的電流即為輸入漏電流IIH,通常其值小于 70uA 4. 開門電平開門電平VON 在額定負(fù)載條件下,使輸出達(dá)到規(guī)定低電平VOL(0.35V)時輸入高電平的最低值,通常其值VIon= 0.8V 6. 扇入扇出系數(shù)扇入扇出系數(shù)N 扇入系數(shù)指一個門電路所能允許的輸入端個數(shù).扇出系數(shù)指與非門輸出端最多能接幾個同類與非門的個數(shù).7. 平均傳輸時間平均傳輸時間tpd8. 功耗功耗 P=EC*IC143.2 TTL集成與非門電路-3.2.6.4 集電極開路與非門IE3Q4ECIE3Q5ECZECVIAL