第3章門電路

1、第三章第三章 門電路門電路3.5 TTL門電路門電路3.1 概述概述3.2 半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路3.3 CMOS門電路門電路1、二極管、三極管、MOS管簡化開關(guān)等效電路2、CMOS、TTL集成電路基本特性3、輸入、輸出電路結(jié)構(gòu)4、輸入、輸出特性及其應(yīng)用5、電氣參數(shù)的物理意義難難點(diǎn)點(diǎn)本本章章重重點(diǎn)點(diǎn)電路的輸入、輸出特性重點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)難點(diǎn)第三章第三章 門電路門電路門電路門電路是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路。是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路。門電路門電路分立元件門電路分立元件門電路集成門電路集成門電路雙極型集成門電路（雙極型集成門電路（TTL）MOS集成門集成門電路電路NMOSPMOSCMO

2、S3.1 3.1 概述概述正邏輯：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 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晶體管晶體管和和NMOS管，電源電壓是正值，一般采用正邏輯。管，電源電壓是正值，一般采用正邏輯。若采用的是若采用的是PNP管和管和PMOS管，電源電壓為負(fù)值，管，電源電壓為負(fù)值，則采用負(fù)邏輯比較方便。則采用負(fù)邏輯比較方便。今后除非特別說明，一律采用正邏輯。今后除非特別說明，一律采用正邏輯。一、正邏輯與負(fù)邏輯一、正邏輯與負(fù)邏輯3.

3、1 3.1 概述概述VI控制開關(guān)控制開關(guān)S的斷、通情況。的斷、通情況。S斷開，斷開，VO為高電平；為高電平；S接通，接通，VO為低電平。為低電平。 VISVccVo二、邏輯電平二、邏輯電平實(shí)際開關(guān)為晶體二極實(shí)際開關(guān)為晶體二極管、三極管以及場效管、三極管以及場效應(yīng)管等電子器件應(yīng)管等電子器件3.1 3.1 概述概述單開關(guān)電路單開關(guān)電路 互補(bǔ)開關(guān)電路互補(bǔ)開關(guān)電路 v高電平高電平UH：輸入高電平輸入高電平UIH輸出高電平輸出高電平UOHv低電平低電平UL：輸入低電平輸入低電平UIL輸出低電平輸出低電平UOLv邏輯邏輯“0”和邏輯和邏輯“1”對應(yīng)的電壓范圍寬，因此對應(yīng)的電壓范圍寬，因此在數(shù)字電路中，對在

4、數(shù)字電路中，對電子元件、器件參數(shù)精度的電子元件、器件參數(shù)精度的要求及其電源的穩(wěn)定度的要求比模擬電路要低。要求及其電源的穩(wěn)定度的要求比模擬電路要低。邏輯電平1 10 05V0V0.8V2V高電平下限高電平下限低電平上限低電平上限一、二極管伏安特性一、二極管伏安特性 0.5 0.7 iD(mA) uD(V) 硅硅 PN 結(jié)伏安特性結(jié)伏安特性 UZ 0 門坎電壓UON反向擊穿電壓二極管的單向?qū)щ娦裕憾O管的單向?qū)щ娦裕和饧诱螂妷海ㄍ饧诱螂妷海║UONON），二極），二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降約為管導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降約為0.7V0.7V；外加反向電壓，二極管截止。外加反向電壓，二極管截止。uD(V) iD(

5、mA) 0.7V0.7V3.2.1 3.2.1 半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性3.2 3.2 半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路二極管的單向?qū)щ娦?，相?dāng)二極管的單向?qū)щ娦?，相?dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制于一個(gè)受外加電壓極性控制的開關(guān)。的開關(guān)。當(dāng)當(dāng)VI=VIL時(shí)，時(shí)，D導(dǎo)通，導(dǎo)通，VO=0.7=VOL 開關(guān)閉合開關(guān)閉合 VI 二極管開關(guān)電路二極管開關(guān)電路 Vcc Vo D R 二、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性二、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性假定：假定：VIH=VCC ，VIL=0當(dāng)當(dāng)VI=VIH時(shí)，時(shí)，D截止，截止，Vo=VCC=VOH 開關(guān)斷開開關(guān)斷開 Vi的高低電平控制二極管的開關(guān)狀態(tài)，的

6、高低電平控制二極管的開關(guān)狀態(tài)，輸出端得到相應(yīng)的輸出電平信號輸出端得到相應(yīng)的輸出電平信號) 1(TVvSeIi二極管伏安特性二極管伏安特性二極管伏安特性第一種近似方法二極管伏安特性第一種近似方法二極管伏安特性第二種近似方法二極管伏安特性第二種近似方法二極管伏安特性第三種近似方法二極管伏安特性第三種近似方法：二極管的動(dòng)態(tài)電流波形 +VCC(+5V) R Y VD1 A VD2 B ABY &A BY0 00 11 01 10001Y=AB3.2.2 二極管與門二極管與門 A VD1 B VD2 Y R ABY 1A BY0 00 11 01 10111Y=A+B3.2.3 二極管或門二極管

7、或門0V5VL5V+V+VDDDD1213kRR3k2CC（+5V）（+5V）CCpa.a. 多個(gè)門串接使用時(shí)，出現(xiàn)低電平偏離標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的情況。多個(gè)門串接使用時(shí)，出現(xiàn)低電平偏離標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的情況。b b. . 輸出電阻大，負(fù)載能力差。輸出電阻大，負(fù)載能力差。c.c. 開關(guān)性能不理想開關(guān)性能不理想二極管二極管與門和或門電路的缺點(diǎn)與門和或門電路的缺點(diǎn)（1）CMOS電路的電路的工作速度比工作速度比TTL電路的低電路的低（2）CMOS帶負(fù)載的能力帶負(fù)載的能力比比TTL電路強(qiáng)電路強(qiáng)（3）電源電壓允許范圍較大，）電源電壓允許范圍較大，抗干擾能力抗干擾能力比比TTL電路強(qiáng)電路強(qiáng)（4）CMOS電路的電路的功耗功耗比

8、比TTL電路小得多電路小得多（5）CMOS電路的電路的集成度集成度比比TTL電路高電路高（6）CMOS電路電路容易受靜電感應(yīng)而擊穿容易受靜電感應(yīng)而擊穿，使用和存放時(shí)，使用和存放時(shí) 應(yīng)注意靜電屏蔽，尤其是應(yīng)注意靜電屏蔽，尤其是CMOS電路多余不用的輸入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。端不能懸空，應(yīng)根據(jù)需要接地或接高電平。CMOS門電路的特點(diǎn)門電路的特點(diǎn)3.3.1 MOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性一、一、MOS管的結(jié)構(gòu)管的結(jié)構(gòu) S (Source)： 源極 G (Gate)： 柵極 D (Drain)： 漏極 B (Substrate): 襯底金屬層氧化物層半導(dǎo)體層PN結(jié)3

9、.3 CMOS門電路門電路MOS管管:金屬金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管。半導(dǎo)體場效應(yīng)管。只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，故稱只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，故稱單極型三極管單極型三極管。一、一、MOS管的結(jié)構(gòu)管的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS管的符號管的符號開啟電壓開啟電壓工作原理工作原理-以以N N溝道增強(qiáng)型為例溝道增強(qiáng)型為例輸出特性：輸出特性：iD = f (VDS) 對應(yīng)不同的對應(yīng)不同的VGS下得一族曲線下得一族曲線 。輸入特性：輸入特性：柵極電流為柵極電流為0 0，看進(jìn)去有一個(gè)輸入電容，看進(jìn)去有一個(gè)輸入電容C CI I，輸，輸入特性曲線不必畫出。入特性曲線不必畫出。二、二、MOS管的輸入特性和輸出特性

10、管的輸入特性和輸出特性漏極特性曲線恒流區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)截止區(qū)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)MOS管共源接法管共源接法截止區(qū)：截止區(qū)：VGS 109漏極特性曲線漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）（分三個(gè)區(qū)域）恒流區(qū)：恒流區(qū)： iD 基本上由基本上由VGS決定，與決定，與VDS 關(guān)系不大關(guān)系不大2)(2)(,) 1(GSDthGSGSthGSGSDSDViVVVVIi下，當(dāng)可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS 較低（近似為0）， VGS 一定時(shí)， 這個(gè)電阻受VGS 控制、可變。常數(shù)（電阻）常數(shù)（電阻） DDSiV 一定）DSthGSGSONvVvKR()(21)(MOS管的基本開關(guān)電路管的基本開關(guān)電路三、MOS管的基本開關(guān)電路控制的

11、開關(guān)。間相當(dāng)于一個(gè)受管所以導(dǎo)通當(dāng)截止當(dāng)IOLOGSIHIDDOHOGSILIVSDMOSVVTthVVVVVVTthVVV0)()(則：只要OFFDONRRR,ONOFFKRRWW1109,開關(guān)閉合開關(guān)閉合開關(guān)斷開開關(guān)斷開OFF ，截止?fàn)顟B(tài) ON，導(dǎo)通狀態(tài)四、 MOS管的開關(guān)等效電路五、MOS管的四種類型v增強(qiáng)型v耗盡型3.3.2 CMOS3.3.2 CMOS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)和工作原理電源電壓電源電壓VDD VGS(th) N +| VGS(th)P |VGS（th）N-NMOS的開啟電壓的開啟電壓VGS（th）P-PMOS的開啟電壓的開啟電壓1 1、輸入為低電平、輸

12、入為低電平V VIL IL = 0V= 0V時(shí)時(shí)電路中電流近似為零（忽略電路中電流近似為零（忽略T T2 2的的截止漏電流）截止漏電流）, , 輸出為高電平輸出為高電平V VOHOHVVDDDDV VGS1GS1V VGS(thGS(th）N NT T1 1管截止；管截止；|V|VGS2GS2| |V|VGS(th)PGS(th)P | |T T2 2導(dǎo)通導(dǎo)通2 2、輸入為高電平、輸入為高電平V VIHIH = V = VDDDD時(shí)，時(shí)，T T1 1通通 T T2 2止 ， 輸 出 為 低 電 平止 ， 輸 出 為 低 電 平V VOLOL0V0V。實(shí)現(xiàn)邏輯實(shí)現(xiàn)邏輯“非非”功能功能AF PMO

13、SNMOS柵極相連柵極相連做輸入端做輸入端漏極相連漏極相連做輸出端做輸出端NMOSNMOS管的襯底總是接到電路的管的襯底總是接到電路的最最低電位低電位，PMOSPMOS管的襯底總是接到管的襯底總是接到電路的電路的最高電位最高電位021)(OLOPTHGSDDIVVTTVVVCD截止導(dǎo)通，段：二、電壓、電流傳輸特性 CMOS CMOS反相器的傳輸特性接近反相器的傳輸特性接近理想開關(guān)特性，理想開關(guān)特性， 轉(zhuǎn)折區(qū)的變化轉(zhuǎn)折區(qū)的變化率很大。率很大。CMOS非門電壓傳輸特性CMOS非門電流傳輸特性DDOHONTHGSIVVVTTVVAB截止導(dǎo)通，段：12)(DDODDIPTHGSDDINTHGSVVVV

14、TTTTVVVVBC2121,2121)()(時(shí)，參數(shù)完全對稱，若同時(shí)導(dǎo)通段：閾值電壓閾值電壓VTH(min)(min)IHOHNHVVV三、輸入端噪聲容限(max)(max)OLILNLVVV保證輸出高、低電平基本不變的條件下，允許輸入信號的高、低電平有一個(gè)波動(dòng)范圍，這個(gè)范圍稱為輸入端的噪聲容限。噪聲容限計(jì)算方法：1輸出0輸出1輸出0輸出VVVDDOH1 . 0(min)VVVSSOL1 . 0(max)3.3.3 CMOS反相器的輸入輸出特性0,IDFDDIDFiVVvV的絕對值迅速增加或IDFIDFDDIiVvVVv,一、一、74HC系列輸入特性系列輸入特性正常工作范圍正常工作范圍一、一

15、、4000系列輸入特性系列輸入特性O(shè)LGSOLVVI下，同樣的二、輸出特性)(. 1OLOLIfV低電平輸出特性越少下，同樣的OHGSOHVVI二、輸出特性)(. 2OHOHIfV高電平輸出特性一、傳輸延遲時(shí)間一、傳輸延遲時(shí)間3.3.4 CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性。系列為，系列為，5ns74AHC10ns74HC3PLHPHLtt.影響；，受ONLPLHPHLRCtt,. 1輸入信號影響；受,.2,DDPLHPHLVtt)(1,2143ttttTTTAVTAVDDTdtidtiTIIVP其中二、動(dòng)態(tài)功耗導(dǎo)通功耗. 1動(dòng)態(tài)功耗：CMOS反相器從一種穩(wěn)定工作狀態(tài)突然轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中產(chǎn)生的

16、附加功耗。CP. 2負(fù)負(fù)載載電電容容充充放放電電功功耗耗CTDPPPPL1DDIiCTV,V充電，有充電，有向向經(jīng)經(jīng)當(dāng)當(dāng) N2LIiTC,V放電，有放電，有經(jīng)經(jīng)當(dāng)當(dāng) 2DDLCfVCP 可得平均功耗可得平均功耗總的動(dòng)態(tài)功耗. 3一、其他邏輯功能的門電路一、其他邏輯功能的門電路3.3.5 其它類型的CMOS門電路ABY 1、CMOS與非門（與非門（P并并N串）串）2、CMOS或非門（或非門（P串串N并）并）BAY 與非與非門門存在的缺點(diǎn)：存在的缺點(diǎn)：ON3ONOON1ONOON3ON1ONOON4ON2ONOORRR0B, 1ARRR1B,0AR21R/RR0B,0AR2RRR1B, 1AR:)

17、1( 則則則則受輸入狀態(tài)影響輸出電阻也更高越高，輸入端越多，端數(shù)目的影響輸出的高低電平受輸入OHOLVV)2(值不同的達(dá)到開啟電壓時(shí)，對應(yīng)的、使IGS42VVTT)3(或非或非門門也存在類似的問題也存在類似的問題與非門緩沖器或非門二、帶緩沖極的CMOS門電路或非門緩沖器與非門特點(diǎn)：需外接上拉電阻。特點(diǎn)：需外接上拉電阻。ABY 三、漏極開路的三、漏極開路的CMOS門電路（門電路（OD）應(yīng)用：輸出端可以并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用：輸出端可以并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)“線與線與”功能；功能； 實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換； 吸收大負(fù)載電流。吸收大負(fù)載電流。將輸出并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)將輸出并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)線與線與）（）（）（ CDABCD

18、ABYYY21OHIHOHLVmInIRV)(DD外接電阻外接電阻RL(max)的計(jì)算方法的計(jì)算方法不能太大，為保證負(fù)載高電平輸入電流為時(shí)，截止漏電流為門同時(shí)截止輸出高電平當(dāng)所有的LOHOIHOHRVVIIO,Dn是并聯(lián)OD 門的數(shù)目M是負(fù)載門電路高電平輸入電流的數(shù)目(max)DDLIHOHOHLRmInIVVRmax)(LLLDD)(OILOIImRVV不能太小，為保證為負(fù)載門低電平輸入電流為門允許的最大負(fù)載電流門導(dǎo)通，當(dāng)僅一個(gè)LOLLOILOLRIVIIOO,DD(max)(max)(min)LL(max)LRRR m 是負(fù)載門電路低電平輸入電流的數(shù)目外接電阻外接電阻RL(min)的計(jì)算方

19、法的計(jì)算方法(min)(max)DDLILOLOLLRImIVVR舉例舉例 uI/uo uo/uI VDDD C T1 T2 C TG uI/uo uo/uI C C T1、T2管的結(jié)構(gòu)形式是對稱的，即漏極和源極可互易使管的結(jié)構(gòu)形式是對稱的，即漏極和源極可互易使用，因而用，因而CMOS傳輸門屬于雙向器件，它的輸入端和輸傳輸門屬于雙向器件，它的輸入端和輸出端也可互易使用出端也可互易使用。四、四、CMOSCMOS傳輸門傳輸門1. 傳輸門結(jié)構(gòu)傳輸門結(jié)構(gòu)構(gòu)成各種邏構(gòu)成各種邏輯電路的基輯電路的基本單元電路本單元電路2.傳輸門工作原理傳輸門工作原理傳輸門截止之間呈高阻態(tài)均截止、oIDDIvvTTVVCC2

20、101, 0) 1 (門導(dǎo)通之間呈低電阻態(tài)，傳輸至少一個(gè)導(dǎo)通和OIDDIvvTTVV21,0C0、 ，T1和和T2截止，相當(dāng)于截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開開關(guān)斷開C1、 ，T1和和T2導(dǎo)通，相當(dāng)于導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)接通開關(guān)接通，uoui1 C0 C導(dǎo)通2)(0, 1)3(TVVVCCDDIPthGS導(dǎo)通1)(00, 1)2(TVVVCCNthGSDDI3. 構(gòu)成其他邏輯電路構(gòu)成其他邏輯電路異或門異或門、數(shù)據(jù)選擇器、寄存器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器、寄存器、計(jì)數(shù)器例如：反相例如：反相器和傳輸門器和傳輸門構(gòu)成異或門構(gòu)成異或門（P98）4. 雙向模擬開關(guān)雙向模擬開關(guān))(ZY1NE)2(AY0NE)1(高阻時(shí)，時(shí)，

21、1. CMOS三態(tài)三態(tài)門之一門之一五、五、CMOS三態(tài)輸出門三態(tài)輸出門電路輸出的電路輸出的高電平、低電平、高阻態(tài)高電平、低電平、高阻態(tài) 3 3種狀態(tài)種狀態(tài) A EN TP2 TP1 Y TN1 TN2 A EN 1 1 EN Y +VDD (a) CMOS三態(tài)門電路 (b) 邏輯符號 時(shí)，時(shí)，TP2、TN2均均截止，截止，Y與地和電源都斷開與地和電源都斷開了，輸出端呈現(xiàn)為高阻態(tài)。了，輸出端呈現(xiàn)為高阻態(tài)。1 ENAY 2. CMOS三態(tài)門之二三態(tài)門之二0 EN 時(shí)，時(shí)，TP2、TN2均導(dǎo)均導(dǎo)通，通，TP1、TN1構(gòu)成反相器。構(gòu)成反相器。 時(shí)，時(shí)，TG截止，輸出端呈現(xiàn)高阻態(tài)。截止，輸出端呈現(xiàn)高阻態(tài)

22、。 時(shí)，時(shí)，TG導(dǎo)通，導(dǎo)通， 。1 EN0 ENAY 3. CMOS三態(tài)門之三三態(tài)門之三三態(tài)門的用途三態(tài)門的用途1、作為與、作為與總線總線間的間的接口電路接口電路EN1、EN2ENn分時(shí)接入高電平分時(shí)接入高電平2.數(shù)據(jù)的雙向傳輸數(shù)據(jù)的雙向傳輸3.5.1 半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性3.5 TTL3.5 TTL門電路門電路一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)管芯 + 三個(gè)引出電極 + 外殼三極管的輸入特性曲線（三極管的輸入特性曲線（NPN）vVON ：開啟電壓：開啟電壓v硅管，硅管，0.5 0.7Vv鍺管，鍺管，0.2 0.3Vv近似認(rèn)為近似認(rèn)為:vVBE 0.7V以后，

23、基本為水平直線以后，基本為水平直線三極管的輸出特性曲線三極管的輸出特性曲線截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏, 集電結(jié)反偏，集電結(jié)反偏，iB = 0, iC = 0。 c-e間間“斷開斷開”。特性曲線分三個(gè)區(qū)域特性曲線分三個(gè)區(qū)域飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏, 集電集電結(jié)正偏結(jié)正偏, iB 0, VCE 很低，很低，iC 隨隨iB增加變緩，趨增加變緩，趨于于“飽和飽和”。 c-e間間“閉合閉合” 。放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏, 集電結(jié)反偏，集電結(jié)反偏，iB 0, iC= iB三、雙極型三極管的基本開關(guān)電路三、雙極型三極管的基本開關(guān)電路。截止，則設(shè)0, 0, 0) 1 (CBO

24、NBEILIiiTVVVVIOVOCBICBCCCCCCCEOBCBONIBBONIVVAViiVRiVRiVVViiRVViiVV三極管工作在放大區(qū)。產(chǎn)生后，有當(dāng),)2(。態(tài)三極管工作在深飽和狀。時(shí)，上壓降接近于當(dāng)繼續(xù)下降。繼續(xù)上升，繼續(xù)上升，當(dāng)00)3()(satCEOLOOCCCOBIVVVVVRViV工作狀態(tài)分析工作狀態(tài)分析四、三極管的開關(guān)等效電路快快慢慢從截止到導(dǎo)通從截止到導(dǎo)通當(dāng)當(dāng)vI由低變高時(shí)，發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子不能馬上到達(dá)集電區(qū)，由低變高時(shí)，發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子不能馬上到達(dá)集電區(qū)，形成集電極電流。形成集電極電流。輸出輸出iC落后于輸入落后于輸入V VI IvIiCvOttt從導(dǎo)通到截止

25、從導(dǎo)通到截止由于在飽和時(shí)，集電區(qū)收集載流由于在飽和時(shí)，集電區(qū)收集載流子能力很弱，超量電子在基區(qū)存子能力很弱，超量電子在基區(qū)存儲(chǔ)，當(dāng)儲(chǔ)，當(dāng)vI由高變低時(shí)，存儲(chǔ)電荷由高變低時(shí)，存儲(chǔ)電荷不能馬上消散，不能馬上消散，iC不能馬上下降，不能馬上下降，而要維持一段時(shí)間，飽和越深，而要維持一段時(shí)間，飽和越深，存儲(chǔ)電荷越多，延遲時(shí)間越長。存儲(chǔ)電荷越多，延遲時(shí)間越長。輸出輸出vO落后于輸入落后于輸入vI五、動(dòng)態(tài)開關(guān)特性v三極管的基本開關(guān)電路就是三極管的基本開關(guān)電路就是非非門門六 、三極管反相器v實(shí)際應(yīng)用中，為保證實(shí)際應(yīng)用中，為保證VI=VIL時(shí)時(shí)T可靠截止，常在輸可靠截止，常在輸入接入負(fù)壓。入接入負(fù)壓。 解：將

26、發(fā)射極外接電路解：將發(fā)射極外接電路化為等效的化為等效的VB與與RB電路電路3331385212121./WIIEEIIBBVVRRRVVVVKRRRVIH=5VVIL=0V例例3.5.1計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理V0 . 5VVV,0iTV0 . 23 . 33 .1380V0VV1CCOHOCBILI 截止，時(shí)，、mA44. 0RVViV7 . 0VT,V8 . 13 . 33 .13855VV5VV2BBEBBBEBIHI ，則設(shè)導(dǎo)通時(shí)，、V0)sat(VVT,iimA25. 0R)sat(VVIII3CEOBSBCCECCCSBSBS 飽和，故為：、深度飽和時(shí) 參數(shù)設(shè)計(jì)合理

27、參數(shù)設(shè)計(jì)合理 A R1 4kW W T1 T2 T4 T5 R4 R3 1KW W 130W W +Vcc R2 1.6KW W Y D1 D2 輸入級輸入級倒相級倒相級輸出級輸出級一、電路結(jié)構(gòu)一、電路結(jié)構(gòu)3.5.2 TTL3.5.2 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)和工作原理輸入級：由發(fā)射輸入級：由發(fā)射極晶體管極晶體管T1和基和基極電組極電組R1、D1組成組成 b T1等等效效電電路路 c e 中間級：放大級，由中間級：放大級，由T2、R2和和R3組成，組成，T2的集電極的集電極C2和和發(fā)射極發(fā)射極E2可以分別提供兩個(gè)可以分別提供兩個(gè)相位相反的電壓信號相位相反的電壓信號輸出級

28、：由輸出級：由T4、T5、R4、D2組組成其中成其中T4與與T5組成推拉式輸出組成推拉式輸出結(jié)構(gòu)。功耗低，帶負(fù)載能力強(qiáng)結(jié)構(gòu)。功耗低，帶負(fù)載能力強(qiáng) A R1 4kW W T1 T2 T4 T5 R4 R3 1KW W 130W W +Vcc R2 1.6KW W Y D1 D2 B1C2E2(vI)(vO)工作原理工作原理設(shè)：設(shè)：VIL=0.2V，VIH=3.4V1、vI=VIL時(shí)時(shí)T1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，vB1=0.2+0.7=0.9V0.9V的電壓加在的電壓加在T1的集電的集電結(jié)和結(jié)和T2的發(fā)射結(jié)上的發(fā)射結(jié)上,不足以不足以使使T2導(dǎo)通導(dǎo)通,故故T2截止截止.vC2為高電平為高電平T4導(dǎo)通

29、導(dǎo)通vE2為低電平為低電平T5截止截止vO=VCC - vR2 - vBE4 - vD2=3.4V輸出高電平輸出高電平 T1基極電流很大基極電流很大,而集電極電流由于而集電極電流由于T2截止截止,故很小故很小, 基區(qū)存儲(chǔ)電荷很多基區(qū)存儲(chǔ)電荷很多,T1處于深度飽和狀態(tài)處于深度飽和狀態(tài).2、vI=VIH時(shí)時(shí)若不考慮若不考慮T2、T5，則，則T1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，vB1=3.4+0.7=4.1V ?vC2為低電平為低電平T4截止截止vE2為高電平為高電平T5導(dǎo)通導(dǎo)通T2導(dǎo)通導(dǎo)通輸出低電平輸出低電平vO=VCE(sat)=0.2V此時(shí)此時(shí)T1發(fā)射結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏,集電結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，T1處于

30、處于倒置放大倒置放大狀態(tài)狀態(tài).由于存在由于存在T2、T5，則，則T2、T5 的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。vB1=0.7+0.7+0.7=2.1VT1發(fā)射結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏 A R1 4kW W T1 T2 T4 T5 R4 R3 1KW W 130W W +Vcc R2 1.6KW W Y D1 D2 B1C2E2(vI)(vO)VVPNVVVVVVONILIHCC7020435.結(jié)導(dǎo)通壓降)0Y(VV)1A(V4 . 3VVOLOIHI A(V) Y(V) 0.2 3.4 3.4 0.2 AY0110AY )1Y(VV)0A(V2 . 0VVOHOILI 總結(jié)二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性V

31、VVVVVTTTTVVVVABDBERCCOHBI4 . 3,3 . 1,6 . 024245211導(dǎo)通截止，導(dǎo)通，段：截止區(qū)OIIVVTTTVVVBC導(dǎo)通，截止，導(dǎo)通且工作在放大區(qū)段：線性區(qū)452,3 . 17 . 00,1 . 2,4 . 14521OLOBTHIVVTTTVVVVVCD迅速所以截止，同時(shí)導(dǎo)通，所以段：轉(zhuǎn)折區(qū)OLOOIVVVVDE不變，而繼續(xù)段：飽和區(qū)需要說明的幾個(gè)問題需要說明的幾個(gè)問題故稱倒相級。變化方向相反和的輸出,222eCVVT。帶負(fù)載能力，稱推拉式既能降低功耗又提高了止?？傆幸粋€(gè)導(dǎo)通、一個(gè)截和輸出級在穩(wěn)態(tài)下，54TTVVVVvvsatCEBEsatCECB7 .

32、02 . 0)7 . 02 . 0()(5)(52)(54若無若無D2，則，則T4會(huì)導(dǎo)通。會(huì)導(dǎo)通。D1 鉗位二極管鉗位二極管，限制輸入端的負(fù)脈沖干擾，保護(hù)發(fā)射結(jié)。，限制輸入端的負(fù)脈沖干擾，保護(hù)發(fā)射結(jié)。若無若無D1，則輸入端有負(fù)脈沖時(shí)，電流，則輸入端有負(fù)脈沖時(shí)，電流iB很大，燒壞發(fā)射結(jié)。很大，燒壞發(fā)射結(jié)。加上加上D1，輸入端電位被鉗位在，輸入端電位被鉗位在-0.7V，保證發(fā)射結(jié)不被燒壞保證發(fā)射結(jié)不被燒壞可靠地截止。飽和導(dǎo)通時(shí)保證452TTD稱為輸入噪聲容限，允許輸入的變化范圍在輸出變化允許范圍內(nèi)基本不變；的一定范圍內(nèi)，和偏離在OILIHIVVVV(max)(max)(min)(min)OLILN

33、LIHOHNHVVVVVV三、輸入噪聲容限三、輸入噪聲容限低電平低電平輸入輸入電壓電壓U UILIL（maxmax）0.8V0.8V高電平高電平輸入輸入電壓電壓U UIHIH（minmin）2V2V低電平低電平輸出輸出電壓電壓U UOLOL（maxmax）0.4V0.4V高電平高電平輸出輸出電壓電壓U UOHOH（minmin）2.4V2.4V7474系列門電路的典型參數(shù)：系列門電路的典型參數(shù)：參見參見P138-139一、輸入特性一、輸入特性（輸入端的伏安特性）（輸入端的伏安特性）mAKRVvVIILBECCLI142 . 07 . 05111. vI=VIL=0.2V時(shí)時(shí)1VIL=0.2VI

34、IL=?負(fù)號表示輸入電流流出門負(fù)號表示輸入電流流出門 3.5.3 TTL3.5.3 TTL反相器輸入特性和輸出特性反相器輸入特性和輸出特性R14kD1T10.2VIILVCCbe2be5輸入端等效電路2. vI=VIH=3.4V時(shí)時(shí)1VIHI=3.4VIIH=?正號表示輸入電流流進(jìn)門正號表示輸入電流流進(jìn)門R14kD1T13.4VIIHVCCbe2be5VB1=2.1V高電平輸入端等效電路 T1處于處于倒置放大狀態(tài)倒置放大狀態(tài)，電流放大系數(shù)極小，輸入電電流放大系數(shù)極小，輸入電流只是流只是be結(jié)的反向電流，一結(jié)的反向電流，一般情況下，般情況下，IIH+40A 0v ,0vBEBC 3. 輸入端懸空

35、輸入端懸空-相當(dāng)于接高電平相當(dāng)于接高電平R14kD1T1VCCbe2be5VB1=2.1V輸入端懸空時(shí)，輸入端懸空時(shí)，VCC通過通過R1加在加在T1集電結(jié)、集電結(jié)、T2、T5發(fā)射結(jié)上，使發(fā)射結(jié)上，使T2、T5導(dǎo)通，輸出低電平。導(dǎo)通，輸出低電平。故相當(dāng)于輸入端故相當(dāng)于輸入端接高電平。接高電平。p當(dāng)輸入為低電平時(shí)，當(dāng)輸入為低電平時(shí)， 輸入電流流出門，大小為輸入電流流出門，大小為1mA；p當(dāng)輸入為高電平時(shí)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)， 輸入電流流進(jìn)門，很小輸入電流流進(jìn)門，很小40A。1. 高電平輸出特性高電平輸出特性RLVCCR4130VOHT4D2R21.6kiL負(fù)載電流為負(fù)載電流為5mA時(shí)時(shí),電平下降不多

36、，考慮到功耗，實(shí)際電平下降不多，考慮到功耗，實(shí)際使用時(shí)負(fù)載電流不能超過使用時(shí)負(fù)載電流不能超過0.4mA 輸出高電平時(shí)，輸出高電平時(shí)，T4導(dǎo)通，導(dǎo)通，T5截止截止,電流流出門電流流出門RL iL vR4 T4 的的bc結(jié)正偏進(jìn)入飽和，結(jié)正偏進(jìn)入飽和， T4失去射級跟隨功能失去射級跟隨功能 VOHiL /mA10 5153.02.01.0VOH /V二、輸出特性二、輸出特性T4工作在工作在射級輸出射級輸出狀態(tài)，電路的狀態(tài)，電路的輸出電阻很小，在負(fù)載電流較小輸出電阻很小，在負(fù)載電流較小的范圍內(nèi)，負(fù)載電流的變化對的范圍內(nèi)，負(fù)載電流的變化對VOH的影響很小的影響很小2. 低電平輸出特性低電平輸出特性RL

37、iL vCE5 VOL c-e間的飽和導(dǎo)通內(nèi)阻很小間的飽和導(dǎo)通內(nèi)阻很小10歐，歐， c-e間的飽和導(dǎo)通壓降很低間的飽和導(dǎo)通壓降很低0.1VVCCR3VOLT5iLRL輸出低電平時(shí)，輸出低電平時(shí)，T4截止，截止，T5飽和，電流流進(jìn)門飽和，電流流進(jìn)門VOL=0.2V時(shí)，時(shí)，iL=16mA I OL /mA1015 52.01.0VOL /V0.216例例3.5.2：圖示電路中，門圖示電路中，門G1最多可驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門電最多可驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門電路負(fù)載？要求路負(fù)載？要求G1的高低電平滿足的高低電平滿足VOH3.2V，VOL0.2V。解：解：輸出低電平時(shí)輸出低電平時(shí)據(jù)低電平輸出特性，據(jù)低電平輸出特

38、性，VOL0.2V時(shí)，時(shí)，iLM16mA據(jù)低電平輸入特性，據(jù)低電平輸入特性，vIL=0.2V時(shí)，時(shí)，iIL= -1mA16116iiNiNiILMLMLIL 輸出高電平時(shí)輸出高電平時(shí)據(jù)高電平輸出特性，據(jù)高電平輸出特性，VOH3.2V時(shí)，時(shí)，iOL7.5mA但考慮到功耗，但考慮到功耗，iOLtPHL3.5.4 TTL3.5.4 TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性反相器的動(dòng)態(tài)特性原因：結(jié)電容的存在，寄生電容的原因：結(jié)電容的存在，寄生電容的影響，二極管、三極管的狀態(tài)轉(zhuǎn)換影響，二極管、三極管的狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間。需要一定的時(shí)間。空載條件下：載電流不等、兩種靜態(tài)下的電源負(fù)1三、電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流三、電源的動(dòng)態(tài)尖

39、峰電流mA4 .3RVVRVVITTVV22CCC11BCCCCL45 ,2OLO 截止導(dǎo)通，時(shí)，mA1 .1RVVIT,VV11BCCCCH1OHO 導(dǎo)通僅時(shí)2、動(dòng)態(tài)情況下，動(dòng)態(tài)情況下，輸出從低到高變化的過渡過程中輸出從低到高變化的過渡過程中，T4由由截止到導(dǎo)通快，截止到導(dǎo)通快， T5由飽和導(dǎo)通到截止慢，由飽和導(dǎo)通到截止慢，故有一段時(shí)間故有一段時(shí)間T5、T4同時(shí)導(dǎo)通，電流很大。同時(shí)導(dǎo)通，電流很大。mARvVRVvvVRVVVVIBCCsatCEDBECCsatCEDsatCECCCCM7 .341125)(2445)(24)(3、動(dòng)態(tài)情況下，、動(dòng)態(tài)情況下，輸出從高到低變化時(shí)輸出從高到低變化時(shí)

40、，T5從截止到飽和，從截止到飽和，T4從導(dǎo)通到截止，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間較短，尖峰電流持續(xù)時(shí)間從導(dǎo)通到截止，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間較短，尖峰電流持續(xù)時(shí)間較短較短尖峰電流的影響：使電源的平均電流加大了尖峰電流的影響：使電源的平均電流加大了1. 與非門1,9 . 02 . 0451OHOBVVTTVVVBA導(dǎo)通，截止，時(shí)，有一個(gè)為和值相同，并聯(lián)后加倍：每相同：并 聯(lián)輸入電流計(jì)算：個(gè)后與反相器IHILII3.5.53.5.5其他類型的其他類型的TTLTTL門電路門電路由多發(fā)射極三極管實(shí)現(xiàn)BA0,1 . 25241OLOBVVTTTVVBA導(dǎo)通，和截止，同為高電平時(shí)，和的輸出并聯(lián)和電路兩個(gè)完全一樣的輸入22,TTOLO

41、VVTTBA截止導(dǎo)通，均使任何一個(gè)為、451OHOVVTTBA導(dǎo)通截止，才有同為、450均加倍和輸入電流計(jì)算時(shí)，ILIHII2.2.或非門或非門截止，輸出低電平導(dǎo)通，、同時(shí)為高電平時(shí)，452T TTAB截止，輸出低電平導(dǎo)通，、同時(shí)為高電平時(shí)，452T TTCD導(dǎo)通，輸出高電平截止，同時(shí)截止，、高電平時(shí)，每一組輸入都不同時(shí)為、和、4522TT TTDCBA）（CDABY3.3.與或非門與或非門截止，輸出低電平。導(dǎo)通，、同時(shí)為高電平，、896TTTBA止，輸出低電平。截導(dǎo)通，、同時(shí)截止，、同時(shí)為低電平，、89754TTTTTBA截止，輸出高電平。導(dǎo)通同時(shí)截止后，、截止。中有一個(gè)導(dǎo)通、中有一個(gè)為高電

42、平、截止，導(dǎo)通、中有一個(gè)為低電平、987675461TTTTTTTBATTBA4. 4. 異或門異或門 輸出電平不可調(diào)輸出電平不可調(diào)5 5、集電極開路的門電路、集電極開路的門電路1、推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性 負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用輸出端不能并聯(lián)使用2、OC門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)VmASNTTOC3040740755/:如如，可可承承受受較較大大電電壓壓、電電流流，三三極極管管輸輸出出端端為為 ）可以不等于（截止時(shí)，為或飽和同為高時(shí)，取值合適，可使、只要工作時(shí)需要外接CCCCCCOOLCCLCCLVVVVTBAVTBAVRVR5500

43、,;,與”輸出端并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)“線)()()(,2121 CDABCDABYYYYYYY才為高，即為低，只有兩者同高有一個(gè)低，、不能太大為保證負(fù)載輸入電流為截止漏電流為門同時(shí)截止，LOHOHIHOHRVVIIOC,(min)p 輸出高電平時(shí)，計(jì)算輸出高電平時(shí)，計(jì)算RL（max）(max)LIHOH(minOHCCL(min)OHIHOHLCCRmInIVVRV)mInI(RV 3、外接負(fù)載電阻、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算的計(jì)算不能太小保證負(fù)載門輸入電流為流為門飽和時(shí)允許的最大電門導(dǎo)通，當(dāng)僅一個(gè)）（LmaxOLOLRVVILLMIIOCOCp 輸出低電平時(shí)，計(jì)算輸出低電平時(shí)，計(jì)算RL（min）(min)

44、LILLM(max)OLCCL(max)OLILLMLCCOLRImIVVRV)ImI(RVV 例：例：選擇合適的阻值選擇合適的阻值RL 。已知。已知OC門門IOH=200A，ILM=16mA；IIL=1mA；IIH=40A，VCC=5V，要求，要求OC門輸出高電平門輸出高電平VOH3.0V，輸出低電平，輸出低電平VOL0.4V 。解：解：KmInIVVRIHOHOHCCL63. 204. 092 . 0235(min)KImIVVRILLMOLCCL35. 013164 . 05n=2，m=9，m =3選選RL=1KAB&RLVCCCD&G2G1G3G4G5Y)(,ZVVOH

45、OL，高阻輸出有三個(gè)狀態(tài)：)(, 1, 0) 1 (ABYDPNE截止，為“工作狀態(tài)”6 6、三態(tài)輸出門電路（、三態(tài)輸出門電路（TSTS）ZYDPNE導(dǎo)通，為“高阻狀態(tài)”, 0, 1)2(利用半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性，可構(gòu)成與門、或門、非門、利用半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性，可構(gòu)成與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等各種邏輯門電路，也可與非門、或非門、與或非門、異或門等各種邏輯門電路，也可構(gòu)成三態(tài)門、構(gòu)成三態(tài)門、OCOC門、門、ODOD門和傳輸門。門和傳輸門。隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，分立元件的數(shù)字電路已隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，分立元件的數(shù)字電路已被集成電路所取代。被集成電路所取代。

46、 TTL TTL電路輸入級采用多發(fā)射極晶體管，輸出級采用推拉電路輸入級采用多發(fā)射極晶體管，輸出級采用推拉式結(jié)構(gòu)，所以工作速度較快，帶負(fù)載能力較強(qiáng)，是目前使用最式結(jié)構(gòu)，所以工作速度較快，帶負(fù)載能力較強(qiáng)，是目前使用最廣泛的一種集成邏輯門。應(yīng)掌握好廣泛的一種集成邏輯門。應(yīng)掌握好TTLTTL門電氣特性和參數(shù)。門電氣特性和參數(shù)。 TTLTTL電路的缺點(diǎn)是功耗較大。電路的缺點(diǎn)是功耗較大。 MOS MOS電路屬于單極型電路，具有高速度、功耗低、扇出電路屬于單極型電路，具有高速度、功耗低、扇出大、電源電壓范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高等一系列特點(diǎn)，大、電源電壓范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高等一系列特點(diǎn)，使之在

47、整個(gè)數(shù)字集成電路中占據(jù)主導(dǎo)地位的趨勢日益明顯。使之在整個(gè)數(shù)字集成電路中占據(jù)主導(dǎo)地位的趨勢日益明顯。第第3 3章章 小小 結(jié)結(jié)一、雙極性三極管工作狀態(tài)的計(jì)算一、雙極性三極管工作狀態(tài)的計(jì)算解題方法和步驟：解題方法和步驟： 1、利用戴維南定理將輸入電路簡化為等效的、利用戴維南定理將輸入電路簡化為等效的VE與與RE串聯(lián)串聯(lián)電路電路 2、計(jì)算、計(jì)算VI為低電平時(shí)的為低電平時(shí)的VE值。若值。若VEVON，則認(rèn)為三極管，則認(rèn)為三極管基本截止，參數(shù)設(shè)計(jì)合理基本截止，參數(shù)設(shè)計(jì)合理3、計(jì)算、計(jì)算VI為高電平時(shí)的為高電平時(shí)的VE值及此時(shí)的值及此時(shí)的iB，并與臨界飽和基，并與臨界飽和基極電流極電流IBS比較。若比較。

48、若iBIBS，則認(rèn)為三極管飽和導(dǎo)通，參數(shù)，則認(rèn)為三極管飽和導(dǎo)通，參數(shù)設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì)合理本章習(xí)題類型與解題方法解題方法和步驟：解題方法和步驟： 給出門電路輸入的電壓波形給出門電路輸入的電壓波形或邏輯狀態(tài)，求輸出的電壓或邏輯狀態(tài)，求輸出的電壓波形或邏輯狀態(tài)。波形或邏輯狀態(tài)。 給出集成門電路的內(nèi)部電給出集成門電路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖，求它的邏輯功路結(jié)構(gòu)圖，求它的邏輯功能。能。1、按照給出門電路的邏輯功能逐一找出每一種輸入狀態(tài)、按照給出門電路的邏輯功能逐一找出每一種輸入狀態(tài)下的輸出。下的輸出。 對對CMOS門電路，不允許輸入端工作在懸空狀態(tài)。輸入端門電路，不允許輸入端工作在懸空狀態(tài)。輸入端經(jīng)過電阻接地時(shí)，與

49、接邏輯低電平等效；經(jīng)過電阻接電源經(jīng)過電阻接地時(shí)，與接邏輯低電平等效；經(jīng)過電阻接電源時(shí)，與接邏輯高電平等效；時(shí)，與接邏輯高電平等效； 對對TTL門電路，輸入端的懸空狀態(tài)和接邏輯高電平等效。門電路，輸入端的懸空狀態(tài)和接邏輯高電平等效。輸入端經(jīng)過電阻輸入端經(jīng)過電阻（幾十千歐以內(nèi)）（幾十千歐以內(nèi)）接電源電壓時(shí)，與接邏輯高接電源電壓時(shí)，與接邏輯高電平等效；經(jīng)過電阻接地時(shí)，輸入端的電平與電阻阻值的電平等效；經(jīng)過電阻接地時(shí)，輸入端的電平與電阻阻值的大小有關(guān)。當(dāng)電阻阻值很小時(shí)大小有關(guān)。當(dāng)電阻阻值很小時(shí)（幾十歐），（幾十歐），輸入端相當(dāng)于接輸入端相當(dāng)于接邏輯低電平；但電阻阻值達(dá)到一定程度邏輯低電平；但電阻阻值達(dá)到一定程度（2K）以后，輸入以后，輸入相當(dāng)于接邏輯高電平。相當(dāng)于接邏輯高電平。二、集