《数字电子技术基础》第2章_逻辑门电路.

第2章逻辑门电路2.1二极管和三极管的开关特性2.2TTL门电路2.3CMOS门电路实现输入逻辑变量与输出逻辑变量之间某种基本逻辑运算或复合逻辑运算的电路称为逻辑门电路，简称门电路。常用的逻辑门电路有：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门和同或门等。逻辑门电路通常是集成电路，分为双极型和MOS。TTL门和CMOS门特性优良，是集成电路的主流产品。在门电路中，晶体管和MOS管工作开关状态。2.1二极管和三极管的开关特性2.1.1二极管的开关特性2.1.2三极管的开关特性逻辑输入信号（高电平或低电平）使门电路中的二极管双极型三极管场效应管工作在开关状态导致输出亦为逻辑信号（高电平或低电平）。因此，电子元件的开关特性是实现逻辑门电路的基础。2.1.1二极管的开关特性Vthvi-VBR+v-i图2.1.1二极管伏安特性曲线O1．二极管的开关作用当，二极管截止，等效为开关断开0iVvVthBR时，当，二极管导通，等效为开关闭合0iVvth时，2．二极管的开关时间由于PN结具有等效电容，二极管的通断就伴随着电容的充放电，所以，二极管的通断转换需要一定时间。即开关时间。1）开通时间ton：二极管从截止转为导通所需的时间。+v-iRL+Iv-图2.1.2二极管的开关时间（a）二极管开关电路(b)二极管的电流波形OOIvVF-VRIF-IRttiIStsttton它由2段时间组成，即存储时间ts和渡越时间tttre=ts+tt。2）反向恢复时间tre：二极管从导通转为截止所需的时间。3．PN结的存储电荷正向电压削弱PN结的势垒电场，N区的电子向P区扩散并建立电子浓度分布，P区的空穴向N区扩散并建立空穴浓度分布。存储电荷：•距PN结越远，电荷浓度越低；•正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。图2.1.3PN结的存储电荷+-IFP区N区n--存储电荷浓度nN—电子浓度nP—空穴浓度x—距离oLNLP从截止形成稳定的正向电流的过程就是二极管的导通时间ton。PN结的正向导通过程：由于浓度不同，穿越PN结的电荷继续扩散，形成连续的正向电流。+-iRP区N区图2.1.4PN存储电荷的驱散N区的空穴存储电荷被电场赶回到P区P区的电子存储电荷被电场赶回到N区通常，开通时间ton和反向恢复时间tre为纳秒级，tre=ts+ttton,tstt。PN结截止过程：驱散存储电荷的时间就是存储时间ts。在存储电荷驱散后，PN结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到PN结通过反向饱和电流IS，这段时间就是渡越时间tt。在反向电压的作用下：形成反向电流，驱散存储电荷。所以，二极管的开关时间主要取决于PN存储电荷的驱散时间ts。2.1.2三极管的开关作用特性1.三极管的开关作用电路输入特性输出特性(a)(b)(c)VthBEvBiOVCESCEvCiOVCCcCCRV0=BiIB4IB3=IBSIB2IB1ABIvCEvCiBiCCVBEvRbRcC当输入电压为低电平，使三极管处于截止状态，ce之间等效为开关断开。时，thBEVv当输入电压为高电平，使，使三极管工作在输出特性的B点，处于临界饱和状态。ce之间等效为开关闭合。时BSBIi=在数字电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在截止或饱和状态，称为开关状态。CSBSBBIIii=饱和条件：截止条件：0cCCcCESCCCSRVRVVI=IvCEvCiBiCCVBEvRbRcC表2.2.1NPN三极管的工作状态及特点工作状态截止放大饱和条件0BiCSBSBIIi=0CSBSBIIi=PN结偏置发射结反偏集电结反偏发射结正偏集电结反偏发射结正偏集电结正偏集电极电流0CiBCii×CSBSBIIi=集射电压{图2.1.5(a)}CCCEVvcCCCCERiVv=VVvCESCE3.0~2.0=特点集射等效电阻约为数百千欧等效为开关断开可变约为数百欧姆等效为开关闭合2．三极管的开关时间三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状态相互转换需要一定的时间。三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是三极管的开关时间。IvCEvCiBiCCVBEvRbRcOIvVIHVILICS0.9ICStttstftdOtr0.1ICSCi设输入电压的高电平VIH和低电平VIL满足下述条件：截止饱和thILBEbBSIHVVVRIV根据集电极电流波形，三极管的开关时间用下述参数描述：1)延迟时间td：从正跳变开始到从0上升至0.1ICS所需的时间；2)上升时间tr：从0.1ICS上升至0.9ICS所需的时间；5）开通时间ton：从截止转换到饱和所需的时间，ton=td+tr；6）关闭时间toff：从饱和转换为截止所需的时间，toff=ts+tf。OIvVIHVILICS0.9ICStttstftdO0.1ICSCitr3)存储时间ts：从负跳变开始到从ICS下降至0.9ICS所需的时间；4）下降时间tf：从0.9ICS下降至0.1ICS所需的时间；三极管的开关时间一般为ns数量级，并且toff＞ton、ts＞tf。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷。2.2TTL门电路2.2.1TTL非门的工作原理2.2.2TTL非门的特性2.2.3TTL与非门/或非门/与或非门2.2.4TTL集电极开路门和三态门*2.2.5TTL门电路的产品系列TTL----TransistorTransistorLogicTTL有与、或、非、与非、或非、异或、同或、与或非等逻辑门，它们的工作原理相似。2.2.1TTL非门的工作原理图2.2.1TTL非门AVVCC5=R13kR4100ΩYR2750ΩR3360ΩR53kT1T2T3T4T5NNPIvIiOiOv1.电路组成TTL门一般由3级组成：输入级、中间级和输出级输入级输入级：信号缓冲输入中间级：输出两个相位相反的倒相信号中间级输出级输出级：推拉式输出电路，无论输出高电平或低电平，输出级的输出电阻都很低，带负载能力强。2.2.1TTL非门的工作原理图2.2.1TTL非门AVVCC5=R13kR4100ΩYR2750ΩR3360ΩR53kT1T2T3T4T5NNPIvIiOiOv1）输入低电平（VIL=0.3V）输入低电平时，输出为高电平。2.工作原理=====0110YAYAAYVIL=0.3V1V0.4V5V4.33.6VT1深饱和T2、T5截止T3临界饱和，T4放大，形成射极输出器，输出电阻小。图2.2.1TTL非门AVVCC5=R13kR4100ΩYR2750ΩR3360ΩR53kT1T2T3T4T5NNPIvIiOiOv②输入高电平（VIH=3.6V）mARVVIBCC131.25111==输入高电平，输出为低电平。VIH=3.6V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.3T2、T5饱和T1处于倒置状态T3放大状态，T4截止综上述：输入低电平时，输出为高电平；输入高电平时，输出为低电平。实现了逻辑非AY=无论输出低电平或是高电平，TTL非门的推拉输出级输出电阻均很小，带负载能力强。而且T4和T5总是一个导通、另一个就截止。图2.2.1TTL非门AVVCC5=R13kR4100ΩYR2750ΩR3360ΩR53kT1T2T3T4T5NNPIvIiOiOv3．工作速度的提高输入T1T2、T5T3T4输出低电平深饱和截止临界饱和放大(射极)高电平高电平倒置放大饱和放大截止低电平VIH=3.6V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.31）vI:VIH→VIL，T1放大T1吸取T2管饱和时的超量存储电荷，使T2管快速脱离饱和，转换到截止状态。2）TTL门具有推拉输出级，其输出电阻很小，与分布电容形成的时间常数小，故输出状态转换快。2.2.2TTL非门的特性1.电压传输特性截止区ab段：vI＜0.5V。T1饱和，VC1=+VCES10.6V,T2、T5截止，T3和T4组成复合管射极输出器，vo=3.6V。线性区bc段:0.5V＜vI＜1.1V。T1饱和，0.6VVC1=+VCES11.2V,T2处于放大状态，T5仍然截止，T3和T4仍然是射极输出器，vo随vI线性减少，斜率为T2级的放大倍数：1.232==RRdvdvIO图2.2.1TTL非门AVVCC5=R13kR4100ΩYR2750ΩR3360ΩR53kT1T2T3T4T5NNPIvIiOiOvIv（V）Ov（V）021ab4cde1图2.2.2TTL非门的电压传输特性0VOHmaxVOHminVOLmaxVOLmin33VILminVILmaxVIHminVIHmax转折区cd段：1.2V＜vI＜1.3V。T1饱和，1.3VVC1=vI+VCES11.4V,T5由截止进入放大状态,T2、T3和T4的状态同前。由于T5集电极的等效电阻减小快，vo急剧减少。转折区中点输入电压定义为门坎电压Vth，约为1.3V。图2.2.1TTL非门AVVCC5=R13kR4100ΩYR2750ΩR3360ΩR53kT1T2T3T4T5NNPIvIiOiOvIv（V）Ov（V）021ab4cde1图2.2.2TTL非门的电压传输特性0VOHmaxVOHminVOLmaxVOLmin33VILminVILmaxVIHminVIHmax饱和区de段：vI＞1.4V。T1处于倒置状态，T2、T5饱和，T3放大状态，T4截止。vo=0.3V。2.输入噪声容限高电平噪声容限VNH——在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为…。定义:对于TTL反相器，低电平噪声容限VNL——在保证输出高电平在其值域内的条件下，输入低电平允许的干扰脉冲最大幅度称为….。Iv（V）Ov（V）021ab4cde1图2.2.2TTL非门的电压传输特性0VOHmaxVOHminVOLmaxVOLmin33VILminVILmaxVIHminVIHmax输出高电平值域：[VOHmin，3.6V],VOHmin2V输出低电平值域：[0.1V，VOLmax]，VOLmax0.5V输入低电平值域：[0.0V,VILmax]VILmax是对应于输出电平为VOHmin的输入电平，亦称为关门电平（T5截止）；VIHmin是对应于输出电平为VOLmax的输入电平，亦称为开门电平（T5饱和）。输入高电平值域：[VIHmin,5.0V]111OvVOHmaxVOHminVOLmax0VIHminVILmax12345V12345V2Iv2OvVOLmaxVOHmaxVOHminG1G2图2.2.3TTL门的输入噪声容限干扰脉冲=适当选择VOLmax、VILmax、VIHmin和VOHmin，获得最佳的噪声容限一个门的输出常常是另一个门的输入，如图2.2.3所示。G2门输入低电平允许的干扰脉冲幅度为：VNL=VILmax-VOLmaxG2门输入高电平允许的干扰脉冲幅度为：VNH=VOHmin-VIHmin3.输入特性输入伏安特性输入负载特性。1)输入伏安特性:输入电流与输入电压之间的关系曲线图2.2.1TTL非门AVVCC5=R13kR4100ΩYR2750ΩR3360ΩR53kT1T2T3T4T5NNPIvIiOiOv当（即vI=VIL）时，T1发射结导通，T2、T5截止，max0ILIVvISILccIImARVVi===6.13051IIS称为输入短路电流。VvVIIH5min当（即vI=VIH）时，T1发射结截止，T2、T5饱和，其反向电流即为高电平输入电流IIH,约为40μA。当随vI增加，即从-1.6mA增加至40μA。IIHIILiVvV时，minmax1Ii2Iv(V)4IIH=40μA-IIS0VILmaxIvIi-1.0mA-2.0mA图2.2.4非门的输入伏安特性VIHmin2)输入负载特性TTL门的输入端与参