第三章邏輯門電路一

第三章邏輯門電路3.1二極管的開關(guān)特性2024/4/203獲得高、低電平的基本原理用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路通稱為門(gate)電路上拉電阻pullup下拉電阻pulldown2024/4/204本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。2024/4/205

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對P型半導(dǎo)體2024/4/206N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、砷等。2024/4/207PN結(jié)-++++++++++---------N區(qū)P區(qū)-++++++++++---------N區(qū)P區(qū)平衡狀態(tài)下的PN結(jié)耗盡層內(nèi)電場2024/4/208PN結(jié)的導(dǎo)電特性-++++++++++---------N區(qū)P區(qū)R+++++++------N區(qū)P區(qū)++--++--R+電流I2024/4/209

根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如下圖正偏I(xiàn)F（多數(shù)載流子擴(kuò)散）IR（少數(shù)載流子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆PN結(jié)的伏安特性2024/4/2010二極管的開關(guān)特性導(dǎo)通所需時(shí)間：極短Ts為存儲時(shí)間，Tt為渡越時(shí)間，Ts+Tt為反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)所需時(shí)間：相對較長2024/4/2011產(chǎn)生反相恢復(fù)過程的原因——電荷存儲效應(yīng)2024/4/20123.2BJT的特性2024/4/2013BJT的結(jié)構(gòu)符號:

三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞基區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造的濃度很低且很薄。NPN型--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極PNP型--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極2024/4/2014發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的電子向基區(qū)移動(dòng)形成電流，其中小部分與空穴復(fù)合，形成電流IBN

集電結(jié)反偏，擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子被集電極的正向電壓收集，形成電流ICN另外，集電結(jié)區(qū)的少數(shù)載流子形成漂移電流ICBOBJT放大的工作原理兩種載流子參與導(dǎo)電——雙極型晶體管2024/4/2015BJT的結(jié)構(gòu)2024/4/2016BJT的開關(guān)工作狀態(tài)截止時(shí)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏2024/4/2017NPN飽和時(shí)各極電壓iB=iC/β=VCC/βRCVCE=VCC-ICSRC

=VCES≈0.2~0.3VVBE=0.7VVBC=VBE-VCE=0.4V發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正向偏置+VCCRbRc4KΩ+0.3V—IBIC+0.7V—-0.4V+2024/4/2018NPN型BJT工作狀態(tài)的特點(diǎn)2024/4/2019BJT的開關(guān)時(shí)間延遲時(shí)間td

勢壘區(qū)變窄，發(fā)射區(qū)電子注入基區(qū)并大部分被集電極收集上升時(shí)間tr

ic增大到0.9ICS存儲時(shí)間ts

存儲電荷從基區(qū)和集電區(qū)抽出下降時(shí)間tf

對應(yīng)于0.9ICS的存儲電荷消散需要的時(shí)間通過改進(jìn)BJT內(nèi)部構(gòu)造和外電路方法來提高BJT的開關(guān)速度（本章的關(guān)鍵）2024/4/20203.3基本邏輯門電路2024/4/2021輸入輸出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0011輸入0001輸出

與邏輯真值表二極管與門電路2024/4/2022輸入輸出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5V0101BLA0011輸入0111輸出

或邏輯真值表二極管或門電路2024/4/2023三極管非門電路輸入輸出VA（V）VL（V）0V5V5V0VLA01輸入10輸出非邏輯真值表2024/4/2024二極管與門和或門電路的缺點(diǎn)：在多個(gè)門串接使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)低電平偏離標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的情況（輸出電平被抬升）。2024/4/2025解決辦法：將二極管與門（或門）電路和三極管非門電路組合起來。輸出低電平時(shí)，令T飽和等效成一個(gè)低阻抗的R對CL放電。輸出高電平時(shí)，由RC對CL充電。思考：只要RC足夠小，就可實(shí)現(xiàn)快速RC沖電，那么RC是否可以用很小的電阻實(shí)現(xiàn)？缺點(diǎn)：負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力差2024/4/2026帶容性負(fù)載的BJT反相器2024/4/20273.4TTL門電路2024/4/2028工作原理：

（1）當(dāng)A、B、C全接為高電平5V時(shí)，二極管D1～D3都截止，而D4、D5和T導(dǎo)通，且T為飽和導(dǎo)通，VL=0.3V，即輸出低電平。（2）A、B、C中只要有一個(gè)為低電平0.3V時(shí)，則VP≈1V，從而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即輸出高電平。所以該電路滿足與非邏輯關(guān)系，即：DTL與非門電路2024/4/2029DTL門到TTL門的演進(jìn)2024/4/2030TTL與非門電路2024/4/2031解決帶負(fù)載電容的BJT反相器速度慢的問題BJT反相器輸出高電平等效于一個(gè)RC電路，充電常數(shù)受到RC的影響，提高速度的辦法是減小RC2024/4/2032TTL反相器的基本電路2024/4/2033(1)輸入級NPN當(dāng)輸入低電平uI=0.3V時(shí)，發(fā)射結(jié)正向?qū)?，uB1=1.0V當(dāng)輸入高電平uI=3.6V時(shí)，uB1電平由后級電路決定，由于受3個(gè)PN節(jié)的限制只能≤2.1V，因此發(fā)射結(jié)反向截止。NNP

uB1的電壓是一個(gè)典型的短板效應(yīng)2024/4/2034(2)中間級反相器T2實(shí)現(xiàn)非邏輯反相輸出同相輸出向后級提供正反兩相輸出輸入低電壓時(shí)截止2024/4/2035(3)輸出級（推拉式輸出）VT3為射極跟隨模式低電平高電平飽和截止低電平高電平截止導(dǎo)通2024/4/2036TTL反相器的工作原理（1）Vi＝0.2V，輸入低電平T1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，VB1=0.9V。T1飽和→T1集電極=0.5VT2、T3截止忽略流過RC2的電流，VB4≈VCC=5VT4和D導(dǎo)通

VO≈VCC-VBE4-VD=5V-0.7V-0.7V=3.6V輸入為低時(shí)，輸出為高電平飽和0.2V截止截止導(dǎo)通（射隨）導(dǎo)通0.9V0.5V0.0V2024/4/2037TTL反相器的工作原理（2）Vi＝3.6V，輸入高電平VB1=2.1V，T1發(fā)射結(jié)反偏，T1為倒置放大狀態(tài)T2、T3飽和，T3輸出0.2VVC2=0.7V+0.2V=0.9V，T4和D截止輸入為高時(shí)，輸出為低電平0.9V倒置狀態(tài)3.6V飽和飽和截止截止0.2V0.2V2024/4/2038輸出級對提高負(fù)載能力的貢獻(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力：輸出低電平T3飽和，T4、D截止低輸出阻抗=飽和電阻大電流吸入：IC3輸出高電平T3截止，D導(dǎo)通，T4射級跟隨器，低阻抗驅(qū)動(dòng)電路2024/4/2039推拉式輸出級利于提高開關(guān)速度和負(fù)載能力T4構(gòu)成的射極跟隨器，優(yōu)點(diǎn)是既能提高開關(guān)速度，又能提高負(fù)載能力。當(dāng)輸入高電平時(shí)，輸出為低。T3飽和，uB4=uC2=0.7V+0.2V=0.9V，T4和D截止。T3的集電極飽和電流可以全部用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。當(dāng)輸入低電平時(shí)，輸出為高。T3截止，T4導(dǎo)通(射極跟隨器)，其輸出電阻很小，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。

可見，無論輸入如何，T3和T4總是一管導(dǎo)通而另一管截止。這種推拉式工作方式的特點(diǎn)是：帶負(fù)載能力很強(qiáng)。

2024/4/2040采用推拉式輸出級以提高開關(guān)速度和帶負(fù)載能力2024/4/2041TotemPole圖騰柱2024/4/2042輸入級對工作速度提高的貢獻(xiàn)輸入由3.6V→0.2V，輸出變高VB1=0.2V+0.7V=0.9VT2、T3的儲存電荷來不及消散，仍是飽和狀態(tài)VC1=0.7V+0.7V=1.4VT1集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正偏，T1工作在放大區(qū)T2的基極電流為T1基極電流的β倍，即βiB1,使T2迅速脫離飽和進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。VC2升高，Ve2下降VC2升高→T4導(dǎo)通→輸出電壓上升Ve2下降→T3存儲電荷消散，T3進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)2024/4/2043輸出級的開關(guān)速度開關(guān)速度輸出低→高Ib2迅速增大，T2先脫離飽和并截止VC2>>VC3，T4和D導(dǎo)通，IC4迅速增大，加速對負(fù)載電容充電輸出高→低T3深度飽和，呈現(xiàn)低阻，CL快速放電輸出波形具有快速的前后沿2024/4/2044TTL基本反相器門電路延伸2024