数字电路与逻辑设计第3章

与非门的逻辑功能：输入有“0”，输出为“1”输入全为“1”，输出才为“0”F1=AB或非门的逻辑功能：输入有“1”，输出为“0”输入全为“0”，输出才为“1”F2=A+B异或门的逻辑功能：输入相同，输出为“0”输入不同，输出为“1”ABF=1F=AB知识回顾F1=ABF2=A+BABF=1F=AB内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？知识回顾第三章逻辑门电路3.1半导体器件的开关特性3.3TTL逻辑门电路3.4MOS逻辑门电路3.2基本逻辑门电路PN结的构成半导体材料经不同掺杂过程，可使其内部的电子和空穴的浓度各不相同。浓度大的称为多数载流子，浓度小的称为少数载流子。多子为电子的是N型材料；多子为空穴的是P型材料。晶体二极管和三极管由P型和N型半导体材料复合而成，P型和N型半导体材料贴在一起，其接合部称为结。二极管有一个结，三极管有两个结。3.1半导体器件的开关特性1、二极管的开关特性3.1半导体器件的开关特性PN阳极阴极阳极阴极（a）结构示意图（b）符号Di＋－Dv+uiRL－+uo－D开关电路IF0.50.7iD(mA)uD(V)伏安特性UBRIs+ui=0VRL－+uo－Dui=0V时的等效电路++－ui=5VRL－+uo－D0.7Vui=5V时的等效电路ui＝0V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝4.3V。Ui0.5V时，二极管截止，iD=-Is。Ui0.5V时，二极管导通。iD=Is(eqv/kT-1)二极管的瞬态开关特性反向恢复时间是影响二极管开关特性的主要因素2、三极管的开关特性3.1半导体器件的开关特性N+NPbcebce集电极发射极基极集电区集电结发射区发射结基区（a）结构示意图（b）符号三极管的符号及结构图如图所示：三个极——基极（b）、发射极（e）、集电极（c）。两个PN结——发射结、集电结。UBE=VI-RBIBVO=UCE=VCC-RCICNPN型三极管截止、放大、饱和3种工作状态的特点工作状态截止放大饱和条件VB＜VEVB＜VCiB＝0VBVEVB＜VC0＜iB＜IBSVBVEVBVCiB＞IBS偏置情况发射结反偏集电结反偏uBE0，uBC0发射结正偏集电结反偏uBE0，uBC0发射结正偏集电结正偏uBE0，uBC0集电极电流iC＝0iC＝βiBiC＝ICSce间电压uCE＝VCCuCE＝VCC－iCRcuCE＝UCES＝0.3V工作特点ce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合Q2uiiBeRbbiC(mA)直流负载线VCCRc0+VCCiCuo工作原理电路输出特性曲线80μA60μA40μA20μAiB=00UCESVCCuCE(V)00.5uBE(V)输入特性曲线iB(μA)Q1QRcc＋－RbRc+VCCbce＋－截止状态饱和状态iB≥IBSui=0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V饱和区截止区放大区10kΩuiiBeRbb+VCC=+5ViCuoRc1kΩcβ=40②ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：①ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0iBIBS，三极管工作在放大状态。iC=βiB=50×0.03=1.5mA，输出电压：mA03.0mA107.01bBEiBRuui三极管临界饱和时的基极电流：mA094.0mA1503.05cCESiBSRuuIuo=uCE=UCC-iCRc=5-1.5×1=3.5Vuo=VCC=5V③ui＝3V时，三极管导通，基极电流：mA23.0mA107.03Bi而mA094.0BSI因为iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uo＝UCES＝0.3V三极管瞬态开关特性延迟时间上升时间存储时间下降时间对上升沿：三极管从截止到导通，称为开通时间TON它包括：TON=Td+Tr延迟时间TD，主要对应位垒电容的充电过程。上升时间TR，主要对应扩散电容的充电过程。对下降沿：三极管从导通到截止，称为关断时间TOFF它包括：TOFF=TS+Tf存储时间TS，主要对应扩散电容的放电过程。下降时间Tf，主要对应位垒电容的放电过程。一、二极管与门和或门电路1．与门电路3.2基本逻辑门电路B+VALDD3kΩR（+5V）CC12&L=A·BBA输入输出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0011输入0001输出与逻辑真值表2．或门电路输入输出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5VLABDD3kΩ21R≥1L=A+BAB0101BLA0011输入0111输出或逻辑真值表二、三极管非门电路输入输出VA（V）VL（V）0V5V5V0VLA01输入10输出非逻辑真值表+VALT123（+5V）bCRCCRA1AL=A1L=A二极管与门和或门电路的缺点：（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。（2）负载能力差。解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。LBA+VD123D1kΩTP（+5V）1R2Rc3kΩCCRbDD5R14.7kΩ4CBAL三、DTL与非门电路工作原理：（1）当A、B、C全接为高电平5V时，二极管D1～D3都截止，而D4、D5和T导通，且T为饱和导通，VL=0.3V，即输出低电平。（2）A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP≈1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：+VLABC123DDDDD4（+5V）PR3152CC3kΩR4.7kΩR1kΩTc13.3TTL集成逻辑门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理1．TTL与非门的基本结构+VLABC123DDDDD4（+5V）PR3152CC3kΩR4.7kΩR1kΩTc1C+VBA（+5V）NNNNPPPPCCRb1+V13b1（+5V）T1CRBACCTTL与非门的基本结构+VV12312312313DTRC输入级输出级中间级T4Tc22R3b1BRc4Aoe211kΩ1.6kΩVc2TCCVR（+5V）e24kΩ130Ω一．TTL与非门的工作原理（1）输入全为高电平3.6V时。T2、T3饱和导通，V3.6V+V123D12312313Rb11K1.6kΩ2RCC4kΩ1（+5V）4TB饱和RRCe2TT130Ω截止o饱和3倒置状态c4截止c2TA实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。由于T2饱和导通，VC2=1V。T4和二极管D都截止。由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES3≈0.3V2.1V1.4V0.7V1V0.3V该发射结导通，VB1=1V。T2、T3都截止。（2）输入有低电平0.3V时。3.6V0.3VV+V123123123D131.6kΩ4kΩTCT1kΩ截止e2导通饱和4o截止T130ΩRb12导通TRRBCC3c21ARc4实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。忽略流过RC2的电流，VB4≈VCC=5V。由于T4和D导通，所以：VO≈VCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V）CBAL综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：1V5V4.3V3.6V二、TTL与非门的开关速度1．TTL与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。+VV0.3V3.6V12312313βb14kΩB10.7VTiiB111kΩBR1.6kΩc2e21.4VTA1VTRCCR2oC3（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。+V+VVV123123DD123123（+5V）（+5V）oCC放电CCLRCTT4导通ToL截止c43TR导通3截止4截止充电导通c4C2．TTL与非门传输延迟时间tpd导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。2PHLPLHpdttt与非门的传输延迟时间tpd：tPHLtPLHVoViiV0.52.0V3.02.53.5(V)1.5(V)4.03.02.51.01.03.50.54.02.0o1.5三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力1．电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）V+V13123123D1231K21TBRCe2To3TAiV4T4kΩc4RRCCb11.6kΩR130Ωc2ABCDEV2.4VOH（min）0.4VVOL（max）VOFFONVab段：截止区Vi0.6vT1饱和，T2、T4截止，T3、D4饱和。V0=3.6vbc段：线性区VI=0.6~1.3VT4截止，其他导通，V0随VI增加线性下降。cd段：转折区VI1.3v以后，T4开始导通，V0加速下降。de段：饱和区VI增大，T4饱和。（1）输出高电平电压VOH——在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。（2）输出低电平电压VOL——在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。（3）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。2．几个重要参数（4）开门电平电压VON——是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。（5）阈值电压Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：Vth≈（VOFF+VON)/2即Vi＜Vth，与非门关门，输出高电平；Vi＞Vth，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V～1.４V。OH（min）3.01.5B(0.6V,3.6V)DD(1.4V,0.3V)o0.4V0.5C(1.3V,2.48V)A(0V,3.6V)iVV4.00.5E(3.6V,0.3V)VVV3.52.51.5VOFFOL（max）2.4VA3.52.0(V)ONE4.02.0(V)2.51.0B1.0C3.0OH（min）3.01.5B(0.6V,3.6V)DD(1.4V,0.3V)o0.4V0.5C(1.3V,2.48V)A(0V,3.6V)iVV4.00.5E(3.6V,0.3V)VVV3.52.51.5VOFFOL（max）2.4VA3.52.0(V)ONE4.02.0(V)2.51.0B1.0C3.0低电平噪声容限VNL＝VOFF-VOL（max）＝0.8V-0.4V＝0.4V高电平噪声容限VNH＝VOH（min）-VON＝2.4V-2.0V＝0.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。3．抗干扰能力高电平电压“0”2.4V0.4V3.6V的范围“1”0VV的范围低电平电压oVNHi3.6VVVG&NL12V&GoVVOL（max）OFF0.8V输入“0”ONOH（min）2V0V0V输出“1”V输出“0”V输入“1”VoV2.4Vi3.6V0.4V同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。由表达式可见，Voff越大，Von越小（或两者越接近）噪声容限越大，抗干扰能力越