数字电路-逻辑门电路

2020/3/141第2章逻辑门电路2.1二极管及三极管的开关特性2.2基本逻辑门电路2.1.1二极管的开关特性2.1.2三极管的开关特性2.2.1二极管与门2.2.2二极管或门2.2.3关于高低电平的概念及状态赋值2.2.4二极管非门（反相器）2.2.5关于正逻辑和负逻辑的概念2020/3/142复习请回忆实现与、或、非逻辑的开关电路形式？它们有何共同特点？开关电路与逻辑电路是如何联系起来的？2020/3/1432.1二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。2020/3/144(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：2020/3/145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。2020/3/1462.1.1二极管的开关特性1.静态特性及开关等效电路正向导通时UD(ON)≈0.7V（硅）0.3V（锗）RD≈几Ω～几十Ω相当于开关闭合图2-1二极管的伏安特性曲线2020/3/147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2-1二极管的伏安特性曲线2020/3/148图2-2二极管的开关等效电路(a)导通时(b)截止时图2-1二极管的伏安特性曲线开启电压理想化伏安特性曲线2020/3/1492.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）。2020/3/14102.1.2三极管的开关特性1.静态特性及开关等效电路在数字电路中，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。图2-3三极管的三种工作状态（a）电路（b）输出特性曲线2020/3/1411开关等效电路(1)截止状态条件：发射结反偏特点：电流约为02020/3/1412(2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅2020/3/1413图2-4三极管开关等效电路(a)截止时(b)饱和时2020/3/14142.三极管的开关时间（动态特性）图2-5三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ts2020/3/1415(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。2020/3/1416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。2.2基本逻辑门电路2020/3/14172.2.1二极管与门电路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2-1电路输入与输出电压的关系ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V2020/3/1418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）ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.逻辑赋值并规定高低电平4.真值表ABF000010100111表2-2二极管与门的真值表A、B全1，F才为1。可见实现了与逻辑2020/3/14195.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2020/3/14202.2.2二极管或门电路1.电路2.工作原理电路输入与输出电压的关系ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B为输入信号（+3V或0V）F为输出信号2020/3/14214.真值表ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V可见实现了或逻辑3.逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1表示高电平（此例为≥+2.3V）用逻辑0表示低电平（此例为≤0V）ABF000011101111A、B有1，F就1。表2-2二极管或门的真值表2020/3/1422图2-7二极管或门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形5.逻辑符号6.工作波形7.逻辑表达式F＝A+B2020/3/14232.2.3关于高低电平的概念及状态赋值电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围。例：上面二极管与门电路中规定高电平为≥3V，低电平≤0.7V。又如，TTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V，但从0V到0.8V都算作低电平。1.关于高低电平的概念2020/3/14242.逻辑状态赋值在数字电路中，用逻辑0和逻辑1分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。2020/3/14252.2.4非门（反相器）图2-8非门(a)电路（b）逻辑符号1.电路2.工作原理A、B为输入信号（+3.6V或0.3V）F为输出信号AF0.3V+VCC3.6V0.3V2020/3/14263.逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1表示高电平（此例为≥+3.6V）用逻辑0表示低电平（此例为≤0.3V）4.真值表AF0.3V+VCC3.6V0.3VAF0110表2-4三极管非门的真值表A与F相反可见实现了非逻辑Y=A2020/3/14272.2.5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。2020/3/1428ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V正与门相当于负或门二极管与门电路用正逻辑ABF000010100111正与门用负逻辑负或门ABF1111010110002020/3/14292.3.1TTL反相器的工作原理2.3.2TTL反相器的电压传输特性及参数2.3TTL反相器2.3.4TTL反相器的其它参数2.3.3TTL反相器的输入特性和输出特性2020/3/14302.3TTL反相器TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管—晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。TTL电路的基本环节是反相器。简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。2020/3/14312.3.1TTL反相器的工作原理1.电路组成图2-9TTL反相器的基本电路2020/3/1432(1)输入级NPN当输入低电平时，uI=0.3V，发射结正向导通，uB1=1.0V当输入高电平时，uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将反向截止。uB1由后级电路决定。NNP2020/3/1433(2)中间级反相器VT2实现非逻辑反相输出同相输出向后级提供反相与同相输出。输入高电压时饱和输入低电压时截止2020/3/1434(3)输出级（推拉式输出）VT3为射极跟随器低输入高输入饱和截止低输入高输入截止导通2020/3/14352.工作原理（1）当输入高电平时，uI=3.6V，VT1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，uB1=0.7V×3=2.1V，VT2和VT4饱和，输出为低电平uO=0.3V。2.1V0.3V3.6V2020/3/1436（2）当输入低电平时，uI=0.3V，VT1发射结导通，uB1=0.3V+0.7V=1V，VT2和VT4均截止，VT3和VD导通。输出高电平uO=VCC-UBE3-UD≈5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3V2020/3/1437(3)采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。当输入高电平时，VT4饱和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载。当输入低电平时，VT4截止，VT3导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。2020/3/14382.3.2TTL反相器的电压传输特性及参数电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。图2-10TTL反相器电路的电压传输特性截止区线性区转折区饱和区1.曲线分析VT4截止，称关门VT4饱和，称开门2020/3/14392.结合电压传输特性介绍几个参数(1)输出高电平UOH典型值为3V。(2)输出低电平UOL典型值为0.3V。2020/3/1440(3)开门电平UON一般要求UON≤1.8V(4)关门电平UOFF一般要求UOFF≥0.8V在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。UOFFUON2020/3/1441(5)阈值电压UTH电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH≈1.4V。(6)噪声容限（UNL和UNH）噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。2020/3/1442UOFFUNLUILUONUNHUIH2020/3/1443①低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）UNL=UOFF-UILUIL为电路输入低电平的典型值（0.3V）若UOFF=0.8V，则有UNL=0.8-0.3=0.5(V)②高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）UNH=UIH-UONUIH为电路输入高电平的典型值（3V）若UON=1.8V，则有UNH=3-1.8=1.2(V)2020/3/14442.3.3TTL反相器的输入特性和输出特性1.输入伏安特性输入电压和输入电流之间的关系曲线。图2-11TTL反相器的输入伏安特性（a）测试电路（b）输入伏安特性曲线2020/3/1445两个重要参数：(1)输入短路电流IIS当uI=0V时，iI从输入端流出。iI=－(VCC－UBE1)/R1=－(5－0.7)/4≈－1.1mA(2)高电平输入电流IIH当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数β反很小(约在0.01以下)，所以iI=IIH=β反iB2IIH很小，约为10μA左右。2020/3/1446图2-12输入负载特性曲线（a）测试电路（b）输入