第6章時(shí)序邏輯電路

1復(fù)習(xí)請(qǐng)回憶實(shí)現(xiàn)與、或、非邏輯的開關(guān)電路形式？它們有何共同特點(diǎn)？開關(guān)電路與邏輯電路是如何聯(lián)系起來的？23.1概述

數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)：相當(dāng)于開關(guān)閉合截止?fàn)顟B(tài)：相當(dāng)于開關(guān)斷開。

邏輯變量←→兩狀態(tài)開關(guān)：在邏輯代數(shù)中邏輯變量有兩種取值：0和1；電子開關(guān)有兩種狀態(tài)：閉合、斷開。

半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管，則是構(gòu)成這種電子開關(guān)的基本開關(guān)元件。

用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路成為門電路。3

(1)靜態(tài)特性：斷開時(shí)，開關(guān)兩端的電壓不管多大，等效電阻ROFF=無窮，電流IOFF=0。閉合時(shí)，流過其中的電流不管多大，等效電阻RON=0，電壓UAK=0。

(2)動(dòng)態(tài)特性：開通時(shí)間ton=0

關(guān)斷時(shí)間toff=0

理想開關(guān)的開關(guān)特性：

4

客觀世界中，沒有理想開關(guān)。乒乓開關(guān)、繼電器、接觸器等的靜態(tài)特性十分接近理想開關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很差，無法滿足數(shù)字電路一秒鐘開關(guān)幾百萬次乃至數(shù)千萬次的需要。半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管做為開關(guān)使用時(shí)，其靜態(tài)特性不如機(jī)械開關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很好。5

門電路的概念：實(shí)現(xiàn)基本和常用邏輯運(yùn)算的電子電路，叫邏輯門電路。實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算的叫與門，實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算的叫或門，實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算的叫非門，也叫做反相器，等等。

分立元件門電路和集成門電路:

分立元件門電路：用分立的元件和導(dǎo)線連接起來構(gòu)成的門電路。簡單、經(jīng)濟(jì)、功耗低，負(fù)載差。集成門電路：把構(gòu)成門電路的元器件和連線都制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，再封裝起來，便構(gòu)成了集成門電路。現(xiàn)在使用最多的是CMOS和TTL集成門電路。6關(guān)于高低電平的概念及狀態(tài)賦值

電位指絕對(duì)電壓的大?。浑娖街敢欢ǖ碾妷悍秶?。高電平和低電平：在數(shù)字電路中分別表示兩段電壓范圍。例：上面二極管與門電路中規(guī)定高電平為≥3V，低電平≤0.7V。又如，TTL電路中，通常規(guī)定高電平的額定值為3V，但從2V到5V都算高電平；低電平的額定值為0.3V，但從0V到0.8V都算作低電平。1.關(guān)于高低電平的概念72.邏輯狀態(tài)賦值

在數(shù)字電路中，用邏輯0和邏輯1分別表示輸入、輸出高電平和低電平的過程稱為邏輯賦值。經(jīng)過邏輯賦值之后可以得到邏輯電路的真值表，便于進(jìn)行邏輯分析。8關(guān)于正邏輯和負(fù)邏輯的概念

正邏輯體系：用1表示高電平，用0表示低電平。負(fù)邏輯體系：用1表示低電平，用0表示高電平。1.正負(fù)邏輯的規(guī)定

2.正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換對(duì)于同一個(gè)門電路，可以采用正邏輯，也可以采用負(fù)邏輯。本書若無特殊說明，一律采用正邏輯體制。同一個(gè)門電路，對(duì)正、負(fù)邏輯而言，其邏輯功能是不同的。9ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V正與門相當(dāng)于負(fù)或門二極管與門電路用正邏輯ABF000010100111正與門用負(fù)邏輯負(fù)或門ABF111101011000103.2.1半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性

1.靜態(tài)特性及開關(guān)等效電路正向?qū)〞r(shí)UD(ON)≈0.7V（硅）

0.3V（鍺）RD≈幾Ω～幾十Ω相當(dāng)于開關(guān)閉合

圖3-1二極管的伏安特性曲線3.2半導(dǎo)體二極管門電路11反向截止時(shí)反向飽和電流極小反向電阻很大（約幾百kΩ）相當(dāng)于開關(guān)斷開圖3-1二極管的伏安特性曲線12圖3-2二極管的開關(guān)等效電路(a)導(dǎo)通時(shí)(b)截止時(shí)圖3-1二極管的伏安特性曲線開啟電壓理想化伏安特性曲線132.動(dòng)態(tài)特性：

若輸入信號(hào)頻率過高，二極管會(huì)雙向?qū)?，失去單向?qū)щ娮饔?。因此高頻應(yīng)用時(shí)需考慮此參數(shù)。

二極管從截止變?yōu)閷?dǎo)通和從導(dǎo)通變?yōu)榻刂苟夹枰欢ǖ臅r(shí)間。通常后者所需的時(shí)間長得多。

反向恢復(fù)時(shí)間tre

：二極管從導(dǎo)通到截止所需的時(shí)間。一般為納秒數(shù)量級(jí)（通常tre≤5ns）。143.2.2二極管與門1.電路2.工作原理A、B為輸入信號(hào)（+3V或0V）F為輸出信號(hào)VCC＝+12V表2-1電路輸入與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)BF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V15用邏輯1表示高電平（此例為≥+3V）用邏輯0表示低電平（此例為≤0.7V）ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.邏輯賦值并規(guī)定高低電平4.真值表ABF000010100111表2-2二極管與門的真值表A、B全1，F(xiàn)才為1?？梢妼?shí)現(xiàn)了與邏輯165.邏輯符號(hào)6.工作波形(又一種表示邏輯功能的方法）7.邏輯表達(dá)式F＝AB圖3-6二極管與門（a）電路（b）邏輯符號(hào)（c）工作波形17

3.2.3二極管或門電路

1.電路2.工作原理電路輸入與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)BF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B為輸入信號(hào)（+3V或0V）F為輸出信號(hào)184.真值表ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V可見實(shí)現(xiàn)了或邏輯3.邏輯賦值并規(guī)定高低電平用邏輯1表示高電平（此例為≥+2.3V）用邏輯0表示低電平（此例為≤0V）ABF000011101111A、B有1，F(xiàn)就1。表3-2二極管或門的真值表19圖3-7二極管或門（a）電路（b）邏輯符號(hào)（c）工作波形5.邏輯符號(hào)6.工作波形7.邏輯表達(dá)式F＝A+B203.3CMOS門電路213.3.1MOS管的開關(guān)特性3.3.2CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理3.3.3CMOS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性3.3.4CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性3.3.5其它類型的CMOS門電路3.3.6CMOS門電路的正確使用3.3.7CMOS數(shù)字集成電路的各種系列3.3CMOS門電路22復(fù)習(xí)為什么不宜將多個(gè)二極管門電路串聯(lián)起來使用?23

MOS(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor)門電路：以MOS管作為開關(guān)元件構(gòu)成的門電路。

MOS門電路，尤其是CMOS門電路具有制造工藝簡單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，得到了十分迅速的發(fā)展。3.3CMOS門電路3.3.1

MOS管的開關(guān)特性24MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。當(dāng)NMOS管和PMOS管成對(duì)出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為CMOS管(意為互補(bǔ))。

MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。在數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。一.MOS管的結(jié)構(gòu)和工作原理25圖3.3.1MOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)26圖3.3.2MOS管共源接法及其輸出特性曲線(a)共源接法

(b)輸出特性曲線二.MOS管的輸入特性和輸出特性有三個(gè)工作區(qū):截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)27圖3.3.3MOS管的轉(zhuǎn)移特性28圖3.3.4MOS管的基本開關(guān)電路三.MOS管的基本開關(guān)特性29圖3.3.5MOS管的開關(guān)等效電路(a)截止?fàn)顟B(tài)

(b)導(dǎo)通狀態(tài)三.MOS管的基本開關(guān)特性30圖3.3.6P溝道增強(qiáng)型MOS管三.MOS管的四種類型1.N溝道增強(qiáng)型見前圖2.P溝道增強(qiáng)型見下圖31圖3.3.7P溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極特性32圖3.3.8用P溝道增強(qiáng)型MOS管接成的開關(guān)電路33圖3.3.9N溝道耗盡型MOS管的符號(hào)3.N溝道耗盡型34圖3.3.10P溝道耗盡型MOS管的符號(hào)4.P溝道耗盡型35圖3.3.1NMOS管的電路符號(hào)及轉(zhuǎn)移特性

(a)電路符號(hào)（b）轉(zhuǎn)移特性D接正電源截止導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小NMOS管的開關(guān)特性

36圖2-25PMOS管的電路符號(hào)及轉(zhuǎn)移特性

(a)電路符號(hào)（b）轉(zhuǎn)移特性D接負(fù)電源PMOS管的開關(guān)特性

導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小截止373.3.2COMS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)(ComplementarysymmetryMetalOxideSemiconductor)圖3.3.11CMOS反相器（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）電路圖38圖3.3.11CMOS反相器

PMOS管負(fù)載管NMOS管驅(qū)動(dòng)管

開啟電壓|UTP|=UTN，且小于VDD。

39

1.工作原理圖2.3.11CMOS反相器

UIL=0V截止導(dǎo)通UOH≈VDD當(dāng)uI=UIL=0V時(shí)，VTN截止，VTP導(dǎo)通，

uO

=UOH≈VDD

40圖3.3.11CMOS反相器

UIH=VDD截止UOL≈0V當(dāng)uI=UIH=DD

，VTN導(dǎo)通，VTP截止，

uO=UOL≈0V導(dǎo)通41

2.邏輯功能實(shí)現(xiàn)反相器功能（非邏輯）。3.工作特點(diǎn)

VTP和VTN總是一管導(dǎo)通而另一管截止，流過VTP和VTN的靜態(tài)電流極?。{安數(shù)量級(jí)），因而CMOS反相器的靜態(tài)功耗極小。這是CMOS電路最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。424.CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)

（1）微功耗。

CMOS電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)量級(jí)。（2）抗干擾能力很強(qiáng)。輸入噪聲容限可達(dá)到VDD/2。（3）電源電壓范圍寬。多數(shù)CMOS電路可在3～18V的電源電壓范圍內(nèi)正常工作。（4）輸入阻抗高。（5）負(fù)載能力強(qiáng)。

CMOS電路可以帶50個(gè)同類門以上。（6）邏輯擺幅大。（低電平0V，高電平VDD）43圖3.3.12CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性

二．電壓傳輸特性和電流傳輸特性AB段：截止區(qū)iD為0BC段：轉(zhuǎn)折區(qū)閾值電壓UTH≈VDD/2轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)：電流最大CMOS反相器在使用時(shí)應(yīng)盡量避免長期工作在BC段。CD段：導(dǎo)通區(qū)44電壓傳輸特性和電流傳輸特性(續(xù)）圖3.3.12CMOS反相器的電壓傳輸特性圖3.3.13CMOS反相器的

電流傳輸特性45三、輸入端噪聲容限圖3.3.14不同VDD下CMOS反相器的噪聲容限圖3.3.15CMOS反相器輸入端噪聲容限與VDD的關(guān)系463.3.3COMS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性一、輸入特性圖2.6.6CMOS反相器的輸入保護(hù)電路（a）CC4000系列的輸入保護(hù)電路（b）74HC系列的輸入保護(hù)電路47一、輸入特性(續(xù))圖3.3.17CMOS反相器的輸入特性（b）圖3.3.16(b)電路的輸入特性（a）圖3.3.16(a)電路的輸入特性48二、輸出特性1.低電平輸出特性圖3.3.18vO=VOL時(shí)CMOS反相器的工作狀態(tài)圖3.3.19CMOS反相器的低電平輸出特性492.高電平輸出特性圖3.3.20vO=VOH時(shí)CMOS反相器的工作狀態(tài)圖3.3.21CMOS反相器的高電平輸出特性503.3.4COMS反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間圖3.3.22CMOS反相器傳輸延遲時(shí)間的定義圖3.3.23VDD

和CL對(duì)傳輸延遲時(shí)間的影響51二、交流噪聲容限圖3.3.24CMOS反相器的交流噪聲容限52三、動(dòng)態(tài)功耗圖3.3.25CMOS反相器的瞬時(shí)導(dǎo)通電流圖3.3.26CMOS反相器對(duì)負(fù)載電容的充、放電電流圖3.3.27CMOS反相器的靜態(tài)漏電流（a）vI=0（b）vI=VDD533.3.5其他類型的COMS門電路一、其他邏輯功能的CMOS門電路圖3.3.27CMOS與非門圖3.3.28CMOS或非門54

負(fù)載管串聯(lián)（串聯(lián)開關(guān)）1．CMOS或非門

驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)（并聯(lián)開關(guān)）圖2-28CMOS或非門

A、B有高電平，則驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通、負(fù)載管截止，輸出為低電平。

10截止導(dǎo)通55

該電路具有或非邏輯功能,即Y=(A+B)’

當(dāng)輸入全為低電平，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管均截止，兩個(gè)負(fù)載管均導(dǎo)通，輸出為高電平。00截止導(dǎo)通156圖2-29CMOS與非門

該電路具有與非邏輯功能，即Y=AB2．CMOS與非門

負(fù)載管并聯(lián)（并聯(lián)開關(guān)）

驅(qū)動(dòng)管串聯(lián)（串聯(lián)開關(guān)）573.帶緩沖級(jí)的CMOS門電路圖3.3.29帶緩沖級(jí)的CMOS與非門電路圖2.2.30帶緩沖級(jí)的CMOS或非門電路Y=ABY=A+B58二、漏極開路的門電路（OD門）圖3.3.31漏極開路輸出的與非門CC4010759三、COMS傳輸門和雙向模擬開關(guān)圖3.3.35CMOS傳輸門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)圖3.3.36CMOS傳輸門中兩個(gè)MOS管的工作狀態(tài)圖3.3.37CMOS雙向模擬開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和符號(hào)圖3.3.38CMOS模擬開關(guān)接

負(fù)載電阻的情況圖3.3.39CMOS模擬開關(guān)的電阻特性60

1.電路結(jié)構(gòu)

C和C是一對(duì)互補(bǔ)的控制信號(hào)。由于VTP和VTN在結(jié)構(gòu)上對(duì)稱，所以圖中的輸入和輸出端可以互換，又稱雙向開關(guān)。圖3-30CMOS傳輸門（a）電路（b）邏輯符號(hào)61若C=1（接VDD)、C’=0（接地），當(dāng)0＜uI＜(VDD－|UT|)時(shí)，VTN導(dǎo)通；當(dāng)|UT|＜uI＜VDD時(shí)，VTP導(dǎo)通；

uI在0~VDD之間變化時(shí)，VTP和VTN至少有一管導(dǎo)通，使傳輸門TG導(dǎo)通。2.工作原理若C=0（接地)、C’=1（接VDD），

uI在0~VDD之間變化時(shí)，VTP和VTN均截止，即傳輸門TG截止。623.應(yīng)用舉例圖3-31CMOS模擬開關(guān)

①CMOS模擬開關(guān)：實(shí)現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能。

C=0時(shí)，TG1導(dǎo)通、TG2截止，uO=uI1；

C=1時(shí)，TG1截止、TG2導(dǎo)通，uO=uI2。63四、三態(tài)輸出的CMOS門電路圖3.3.40CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)之一圖3.3.41CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)之二

（a）用或非門控制（b）用與非門控制圖3.3.42CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)之三6465圖2-32CMOS三態(tài)門(a)電路(b)邏輯符號(hào)

當(dāng)EN=0時(shí)，TG導(dǎo)通，F(xiàn)=A；當(dāng)EN=1時(shí)，TG截止，F(xiàn)為高阻輸出。CMOS三態(tài)門66

一.．輸入電路的靜電保護(hù)

CMOS電路的輸入端設(shè)置了保護(hù)電路，給使用者帶來很大方便。但是，這種保護(hù)還是有限的。由于CMOS電路的輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，從而擊穿MOS管柵極極薄的絕緣層，造成器件的永久損壞。為避免靜電損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

3.3.6CMOS電路的正確使用67

（1）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。（2）存儲(chǔ)和運(yùn)輸CMOS電路，最好采用金屬屏蔽層做包裝材料。

（3）多余的輸入端不能懸空。輸入端懸空極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，造成器件的永久損壞。對(duì)多余的輸入端，可以按功能要求接電源或接地，或者與其它輸入端并聯(lián)使用。68二.輸入電路的過流保護(hù)(略)三.CMOS鎖定效應(yīng)的防護(hù)(略)693.3.7CMOS數(shù)字集成電路的各種系列70表3-7各種系列門電路的主要參數(shù)71表3-8常用集成門電路(TTL系列）型號(hào)名稱主要功能74LS00四2輸入與非門

74LS02四2輸入或非門

74LS04六反相器

74LS05六反相器OC門74LS08四2輸入與門

74LS13雙4輸入與非門施密特觸發(fā)74LS308輸入與非門

74LS32四2輸入或門

74LS644-2-3-2輸入與或非門

74LS13313輸入與非門

74LS136四異或門OC輸出74LS365六總線驅(qū)動(dòng)器同相、三態(tài)、公共控制74LS368六總線驅(qū)動(dòng)器反相、三態(tài)、兩組控制72表3-8常用集成門電路(CMOS系列）

型號(hào)名稱主要功能CC4001四2輸入或非門

CC4011四2輸入與非門

CC4030四異或門

CC4049六反相器

CC4066四雙向開關(guān)

CC4071四2輸入或門

CC4073三3輸入與門

CC4077四異或非門

CC40788輸入或/或非門

CC40862-2-2-2輸入與或非門可擴(kuò)展CC4097雙8選1模擬開關(guān)

CC4502六反相器/緩沖器三態(tài)、有選通端73作業(yè)題[題3.4][題3.7][題3.8]743.5TTL門電路753.5.1雙極型三極管的開關(guān)特性3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性3.5.4TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性3.5.5其它類型的TTL門電路3.5.6TTL數(shù)字集成電路的各種系列3.5TTL門電路76一．三極管的三種工作狀態(tài)

（1）截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)VI小于三極管發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓時(shí)，IB＝ICBO≈0，IC＝ICEO≈0，VCE≈VCC，三極管工作在截止區(qū)，對(duì)應(yīng)圖1.4.5（b）中的A點(diǎn)。三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)的條件為：發(fā)射結(jié)反偏或小于死區(qū)電壓3.5.1

雙極型三極管的開關(guān)特性77

此時(shí)，若調(diào)節(jié)Rb↓，則IB↑，IC↑，VCE↓，工作點(diǎn)沿著負(fù)載線由A點(diǎn)→B點(diǎn)→C點(diǎn)→D點(diǎn)向上移動(dòng)。在此期間，三極管工作在放大區(qū)，其特點(diǎn)為IC＝βIb。三極管工作在放大狀態(tài)的條件為：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏

（2）放大狀態(tài)：當(dāng)VI為正值且大于死區(qū)電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通。有

78

（3）飽和狀態(tài)：保持VI不變，繼續(xù)減小Rb，當(dāng)VCE

＝0.7V時(shí)，集電結(jié)變?yōu)榱闫Q為臨界飽和狀態(tài)，對(duì)應(yīng)圖（b）中的E點(diǎn)。此時(shí)的集電極電流稱為集電極飽和電流，用ICS表示，基極電流稱為基極臨界飽和電流，用IBS表示，有:79

●若再減小Rb，IB會(huì)繼續(xù)增加，但I(xiàn)C已接近于最大值VCC/RC，不會(huì)再增加，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。飽和時(shí)的VCE電壓稱為飽和壓降VCES，其典型值為：VCES≈0.3V?！袢龢O管工作在飽和狀態(tài)的電流條件為：IB＞IBS●電壓條件為：集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均正偏80二.基本開關(guān)電路及等效電路

在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在飽和和截止兩種開關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。圖3.5.3三極管的三種工作狀態(tài)（a）電路（b）輸出特性曲線81開關(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

82(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83圖3.5.4三極管開關(guān)等效電路(a)截止時(shí)(b)飽和時(shí)84四.三極管的動(dòng)態(tài)特性圖3-5三極管的開關(guān)時(shí)間

開啟時(shí)間ton

上升時(shí)間tr延遲時(shí)間td關(guān)閉時(shí)間toff下降時(shí)間tf存儲(chǔ)時(shí)間ts85(1)開啟時(shí)間ton

三極管從截止到飽和所需的時(shí)間。

ton=td+tr

td：延遲時(shí)間

tr

：上升時(shí)間(2)關(guān)閉時(shí)間toff

三極管從飽和到截止所需的時(shí)間。

toff=ts+tf

ts

：存儲(chǔ)時(shí)間（幾個(gè)參數(shù)中最長的；飽和越深越長）tf

：下降時(shí)間toff>ton

。開關(guān)時(shí)間一般在納秒數(shù)量級(jí)。高頻應(yīng)用時(shí)需考慮。86解：根據(jù)飽和條件IB＞IBS解題。例1

電路及參數(shù)如圖1.4.6所示，設(shè)輸入電壓VI=3V，三極管的VBE=0.7V。（1）若β＝60，試判斷三極管是否飽和，并求出IC和VO的值。五.三極管反向器87（2）將RC改為6.8kW，重復(fù)以上計(jì)算。IB不變，仍為0.023mA∵IB＜IBS∴三極管處在放大狀態(tài)。88（3）將RC改為6.8kW，再將Rb改為60kW，重復(fù)以上計(jì)算。

由上例可見，Rb

、RC

、β等參數(shù)都能決定三極管是否飽和。則該電路的飽和條件可寫為：

IBS≈0.029mA∵IB＞IBS∴三極管飽和。＞

89

即在VI一定（要保證發(fā)射結(jié)正偏）和VCC一定的條件下，Rb越小，β越大，RC越大，三極管越容易飽和。在數(shù)字電路中總是合理地選擇這幾個(gè)參數(shù)，使三極管在導(dǎo)通時(shí)為飽和導(dǎo)通。90例2：若Vcc=5V,Vee=-8v,Rc=1kΩ,R1=3.3kΩ,R2=10kΩ,β=20,Vces=0.1V，VIH=5v,VIL=0v試計(jì)算輸入高、低電平時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電平，并說明電路參數(shù)的設(shè)計(jì)是否合理。圖3.5.7三極管非門（反相器）91圖2.3.4圖2.3.3電路的化簡解：由等效電路可得：

VI

－VEEVB=VI－R1

R1＋R292①當(dāng)VI=VIL=0V時(shí)，VB=-2.0V這時(shí)加在b-e結(jié)上的是反向電壓,所以三極管截止,ic=0,vo=VCC=5v.②當(dāng)VI=VIH=5V時(shí),由上式計(jì)算得VB=1.8VVB>0.7V,,因而,三極管導(dǎo)通,VB=0.7V這時(shí),可求出IB=(VB-VBE)/RB=0.44mAIBS=(VCC-VCES)/βRC=0.25mA

由于IB>IBS,故三極管飽和,VO=VCES=0,參數(shù)設(shè)置合理。93

TTL集成邏輯門電路的輸入和輸出結(jié)構(gòu)均采用半導(dǎo)體三極管，所以稱晶體管—晶體管邏輯門電路，簡稱TTL電路。

TTL電路的基本環(huán)節(jié)是反相器。簡單了解TTL反相器的電路及工作原理，重點(diǎn)掌握其特性曲線和主要參數(shù)（應(yīng)用所需知識(shí)）。3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理94一.電路組成圖3.5.9TTL反相器的基本電路

3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理95(1)輸入級(jí)NPN當(dāng)輸入低電平時(shí)，

uI=0.3V，發(fā)射結(jié)正向?qū)ǎ?/p>

uB1=1.0V當(dāng)輸入高電平時(shí)，

uI=3.6V，發(fā)射結(jié)受后級(jí)電路的影響將反向截止。uB1由后級(jí)電路決定。NNP96(2)中間級(jí)反相器VT2實(shí)現(xiàn)非邏輯反相輸出同相輸出向后級(jí)提供反相與同相輸出。輸入高電壓時(shí)飽和輸入低電壓時(shí)截止97(3)輸出級(jí)（推拉式輸出）VT3為射極跟隨器低輸入高輸入飽和截止低輸入高輸入截止導(dǎo)通98二.工作原理（1）當(dāng)輸入高電平時(shí)，

uI=3.6V，VT1處于倒置工作狀態(tài)，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏，uB1=0.7V×3=2.1V，VT2和VT4飽和，輸出為低電平uO=0.3V。2.1V0.3V3.6V99（2）當(dāng)輸入低電平時(shí)，

uI=0.3V，VT1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，uB1=0.3V+0.7V=1V，VT2和VT4均截止，VT3和VD導(dǎo)通。輸出高電平uO=VCC-UBE3-UD≈5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3V100(3)采用推拉式輸出級(jí)利于提高開關(guān)速度和負(fù)載能力

VT3組成射極輸出器，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)，VT4飽和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集電極電流可以全部用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。當(dāng)輸入低電平時(shí)，VT4截止，VT3導(dǎo)通(為射極輸出器)，其輸出電阻很小，帶負(fù)載能力很強(qiáng)?？梢?，無論輸入如何，VT3和VT4總是一管導(dǎo)通而另一管截止。這種推拉式工作方式，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。

101

(4)電壓傳輸特性：輸出電壓uO與輸入電壓uI的關(guān)系曲線。圖3.5.10TTL反相器電路的電壓傳輸特性截止區(qū)線性區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)飽和區(qū)1.

曲線分析VT4截止，稱關(guān)門VT4飽和，稱開門1022.結(jié)合電壓傳輸特性介紹幾個(gè)參數(shù)

(1)輸出高電平UOH典型值為3V。(2)輸出低電平UOL

典型值為0.3V。103(3)開門電平UON一般要求UON≤1.8V(4)關(guān)門電平UOFF一般要求UOFF≥0.8V

在保證輸出為額定低電平的條件下，允許的最小輸入高電平的數(shù)值，稱為開門電平UON。在保證輸出為額定高電平的條件下，允許的最大輸入低電平的數(shù)值，稱為關(guān)門電平UOFF。UOFFUON104

(5)閾值電壓UTH:電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的uI值稱為閾值電壓UTH（又稱門檻電平）。通常UTH≈1.4V。

(6)噪聲容限（UNL和UNH

）噪聲容限也稱抗干擾能力，它反映門電路在多大的干擾電壓下仍能正常工作。

UNL和UNH越大，電路的抗干擾能力越強(qiáng)。105圖3.5.3輸入端噪聲容限示意圖106UOFFUNLUILUONUNHUIH107①低電平噪聲容限（低電平正向干擾范圍）

UNL=UOFF-UIL

UIL為電路輸入低電平的典型值（0.3V）若UOFF=0.8V，則有UNL=0.8-0.3=0.5(V)

②高電平噪聲容限（高電平負(fù)向干擾范圍）

UNH=UIH-UON

UIH為電路輸入高電平的典型值（3V）若UON=1.8V，則有UNH=3-1.8=1.2(V)1083.5.3TTL反相器的輸入特性和輸出特性

1.

輸入伏安特性輸入電壓和輸入電流之間的關(guān)系曲線。圖3.5.11TTL反相器的輸入伏安特性（a）測試電路（b）輸入伏安特性曲線109

兩個(gè)重要參數(shù)：

(1)輸入短路電流IIS當(dāng)uI

=0V時(shí)，iI從輸入端流出。

iI

=－(VCC－UBE1)/R1=－(5－0.7)/4≈－1.1mA

(2)高電平輸入電流IIH

當(dāng)輸入為高電平時(shí)，VT1的發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏，處于倒置工作狀態(tài)，倒置工作的三極管電流放大系數(shù)β反很小(約在0.01以下)，所以

iI=IIH=β反

iB2

IIH很小，約為10μA左右。110圖3.5.19輸入負(fù)載特性曲線（a）測試電路（b）輸入負(fù)載特性曲線

TTL反相器的輸入端對(duì)地接上電阻RI時(shí)，uI隨RI

的變化而變化的關(guān)系曲線。2.輸入負(fù)載特性111

在一定范圍內(nèi)，uI隨RI的增大而升高。但當(dāng)輸入電壓uI達(dá)到1.4V以后，uB1=2.1V，RI增大，由于uB1不變，故uI

=1.4V也不變。這時(shí)VT2和VT4飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。虛框內(nèi)為TTL反相器的部分內(nèi)部電路

112RI不大不小時(shí)，工作在線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)。RI較小時(shí)，關(guān)門，輸出高電平；RI

較大時(shí)，開門，輸出低電平；ROFFRONRI→∞懸空時(shí)？113

(1)關(guān)門電阻ROFF——在保證門電路輸出為額定高電平的條件下，所允許RI

的最大值稱為關(guān)門電阻。典型的TTL門電路ROFF≈0.7kΩ。

(2)開門電阻RON——在保證門電路輸出為額定低電平的條件下，所允許RI

的最小值稱為開門電阻。典型的TTL門電路RON≈2kΩ。數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻RI≥RON或RI≤ROFF

，否則輸入信號(hào)將不在高低電平范圍內(nèi)。振蕩電路則令ROFF≤RI≤RON使電路處于轉(zhuǎn)折區(qū)。1143.輸出特性

指輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系曲線。

(1)輸出高電平時(shí)的輸出特性負(fù)載電流iL不可過大，否則輸出高電平會(huì)降低。圖3-13輸出高電平時(shí)的輸出特性（a）電路（b）特性曲線拉電流負(fù)載115圖2-14輸出低電平時(shí)的輸出特性（a）電路（b）特性曲線(2)輸出低電平時(shí)的輸出特性負(fù)載電流iL不可過大，否則輸出低電平會(huì)升高。

一般灌電流在20mA以下時(shí)，電路可以正常工作。典型TTL門電路的灌電流負(fù)載為12.8mA。灌電流負(fù)載116

3.4.4TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性

1.平均傳輸延遲時(shí)間tpd

平均傳輸延遲時(shí)間tpd表征了門電路的開關(guān)速度。

tpd=（tpLH+tpHL）/2

圖3-15TTL反相器的平均延遲時(shí)間

1172．TTL門電路主要參數(shù)的典型數(shù)據(jù)表3-574系列TTL門電路主要參數(shù)的典型數(shù)據(jù)參數(shù)名稱典型數(shù)據(jù)

導(dǎo)通電源電流ICCL

≤10mA

截止電源電流ICCH

≤5mA

輸出高電平UOH

≥3V

輸出低電平UOL

≤0.35V

輸入短路電流IIS

≤2.2mA

輸入漏電流IIH

≤70μA

開門電平UON

≤1.8V

關(guān)門電平UOFF

≥0.8V

平均傳輸時(shí)間tpd

≤30ns118復(fù)習(xí)TTL反相器的電壓傳輸特性有哪幾個(gè)區(qū)？TTL反相器主要有哪些特性？TTL反相器的主要參數(shù)有哪些？119一.TTL與非門

每一個(gè)發(fā)射極能各自獨(dú)立形成正向偏置的發(fā)射結(jié)，并可使三極管進(jìn)入放大或飽和區(qū)。 圖3-16多發(fā)射極三極管

1．TTL與非門的電路結(jié)構(gòu)及工作原理有0.3V箝位于1.0V全為3.6V集電結(jié)導(dǎo)通3.4.4其它類型的TTL電路120圖3-17三輸入TTL與非門電路(a)電路(b)邏輯符號(hào)全1輸出0有0輸出11V2.1V121

為了提高工作速度，降低功耗，提高抗干擾能力，各生產(chǎn)廠家對(duì)門電路作了多次改進(jìn)。

74系列與54系列的電路具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)。其不同之處見下表所示。

系列參數(shù)74系列54系列工作環(huán)境溫度0~70OC-55~125OC電源電壓工作范圍5V±5%5V±10%2．TTL門電路的改進(jìn)系列122表2-6

不同系列TTL門電路的比較

系列參數(shù)54/74標(biāo)準(zhǔn)