数字电路基础知识-新疆大学

2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组1第二章门电路2.1概述2.2半导体二极管和三极管的开关特性2.3最简单的与、或、非门电路2.4TTL门电路*2.5其它类型的双极型数字集成电路2.6CMOS门电路*2.7其它类型的MOS集成电路*2.8TTL电路与CMOS电路的接口返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组22.1概述用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路统称为门电路常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。用高、低电平分别表示二值逻辑1和0两种逻辑状态。返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组3图2.1.1获得高、低电平的基本原理返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组4关于正逻辑和负逻辑的概念正逻辑体系：用1表示高电平，用0表示低电平。负逻辑体系：用1表示低电平，用0表示高电平。1.正负逻辑的规定2.正负逻辑的转换对于同一个门电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。本书若无特殊说明，一律采用正逻辑体制。同一个门电路，对正、负逻辑而言，其逻辑功能是不同的。返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组5图2.1.2正逻辑与负逻辑返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组62.2二极管及三极管的开关特性数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。逻辑变量←→两状态开关：在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1；电子开关有两种状态：闭合、断开。半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组7(1)静态特性：断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF=无穷，电流IOFF=0。闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON=0，电压UAK=0。(2)动态特性：开通时间ton=0关断时间toff=0理想开关的开关特性：返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组8客观世界中，没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组92.1.1二极管的开关特性1.静态特性及开关等效电路正向导通时VD(ON)≈0.7V（硅）0.3V（锗）RD≈几Ω～几十Ω相当于开关闭合图2.2.2二极管的伏安特性曲线返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组10反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百kΩ）相当于开关断开图2.2.2二极管的伏安特性曲线返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组11图2.2.2二极管的伏安特性曲线开启电压理想化伏安特性曲线返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组12图2.2.3二极管伏安特性的几种近似方法返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组132.动态特性：若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。反向恢复时间tre：二极管从导通到截止所需的时间。一般为纳秒数量级（通常tre≤5ns）。返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组14图2.2.4二极管的动态电流波形返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组152.2.2半导体三极管的开关特性返回一、双极型三极管1.双极型三极管结构在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组16图2.2.5双极型三极管的两种类型返回(a)NPN型(b)PNP型2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组17图2.2.6双极型三极管的特性曲线(a)输入特性曲线(b)输出特性曲线返回2.双极型三极管的静态输入特性及输出特性2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组183．三极管的基本开关电路（1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压时，IB＝ICBO≈0，IC＝ICEO≈0，VCE≈VCC，三极管工作在截止区，对应图1.4.5（b）中的A点。三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压+V+－T123cbeRRbCCVIiBiCCiCIB1IB2B3IB4IB5IB=0=IBSABCDEvCEVCCVCC/RCICS0.7VI返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组19此时，若调节Rb↓，则IB↑，IC↑，VCE↓，工作点沿着负载线由A点→B点→C点→D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为IC＝βIB。三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏（2）放大状态：当VI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有bIbBEIBRVRVVI返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组20（3）饱和状态：保持VI不变，继续减小Rb，当VCE＝0.7V时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（b）中的E点。此时的集电极电流称为集电极饱和电流，用ICS表示，基极电流称为基极临界饱和电流，用IBS表示，有:CCCC0.7V-RVRVICCCSCCCCSBSRVII2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组21若再减小Rb，IB会继续增加，但IC已接近于最大值VCC/RC，不会再增加，三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES，其典型值为：VCES≈0.3V。三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB＞IBS电压条件为：集电结和发射结均正偏CCCC0.7V-RVRVICCCSCCCCSBSRVII返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组22图2.2.9双极型三极管的开关等效电路(a)截止状态(b)饱和导通状态4、双极型三极管的开关等效电路返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组23解：根据饱和条件IB＞IBS解题。例电路及参数如图所示，设输入电压VI=3V，三极管的VBE=0.7V。（1）若β＝60，试判断三极管是否饱和，并求出IC和VO的值。（2）将RC改为6.8kW，重复以上计算。+V－++-T123RRbCCIVC（+12V）OV10kΩ100kΩ图1.4.6例1.4.1电路IB不变，仍为0.023mA)mA0.029(6.86012CCCBSRVI∵IB＜IBS∴三极管处在放大状态。)mA1.4(0.02360BIIC)V2.48(6.81.4-12-CCCCCEORIVVVV3.0)mA1.2(1012mA0.020(106012)mA0.023(1000.7-3CESOCCCCSCCCCBSBVVRVIIIIRVIIBSB三极管饱和).2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组24（3）将RC改为6.8kW，再将Rb改为60kW，重复以上计算。由上例可见，Rb、RC、β等参数都能决定三极管是否饱和。该电路的则饱和条件可写为：即在VI一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，Rb越小，β越大，RC越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。+V－++-T123RRbCCIVC（+12V）OV10kΩ100kΩ图1.4.6例1.4.1电路)mA0.038(600.7-3BIIBS≈0.029mA∵IB＞IBS∴三极管饱和。)mA1.76(6.812CCCCSRVIICV3.0CESOVVbIRVCCCRV＞.2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组252020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组265.三极管的动态开关特性图2.2.11三极管的开关时间开启时间ton上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间ts返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组27(1)开启时间ton三极管从截止到饱和所需的时间。ton=td+trtd：延迟时间tr：上升时间(2)关闭时间toff三极管从饱和到截止所需的时间。toff=ts+tfts：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）tf：下降时间toffton。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组28二、MOS管1.MOS管结构和符号返回图2.2.11MOS管的结构和符号2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组29(a)共源接法(b)输出特性曲线图2.2.12MOS管共源接法及其输出特性曲线返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组30图2.2.13MOS管的转移特性返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组31图2.2.14MOS管的基本开关电路返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组32(a)截止状态(b)导通状态图2.2.15MOS管的开关等效电路返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组33图2.2.16P沟道增强型MOS管返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组34图2.2.17P沟道增强型MOS管的漏极特性返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组35图2.2.18用P沟道增强型MOS管接成的开关电路返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组36图2.2.20P沟道耗尽型MOS管的符号图2.2.19N沟道耗尽型MOS管的符号返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组37门电路的概念：实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。分立元件门电路和集成门电路:分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。2.3最简单的逻辑门电路返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组382.3.1二极管与门电路1.电路2.工作原理A、B为输入信号（+3V或0V）F为输出信号VCC＝+12V表2.3.1电路输入与输出电压的关系ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V返回2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组39用逻辑1表示高电平（此例为≥+3V）用逻辑0表示低电平（此例为≤0.7V）ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.逻辑赋值并规定高低电平4.真值表ABY000010100111表2.3.2二极管与门的真值表A、B全1，Y才为1。可见实现了与逻辑2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组405.逻辑符号6.工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）7.逻辑表达式F＝AB图2-6二极管与门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形2020/2/9新疆大学信息科学与工程学院《数字电路》课题组412.2.2二