门电路

数字电子技术基础第五版五邑大学第三章门电路概述1半导体二极管门电路2TTL和COMS门电路3数字电子技术基础第五版五邑大学思考题1二极管为什么可以实现开关功能2三极管为什么可以实现开关功能3门电路如何能实现基本的逻辑运算数字电子技术基础第五版五邑大学3.1概述•门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、与或非门等。门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0数字电子技术基础第五版五邑大学获得高、低电平的基本原理高/低电平都允许有一定的变化范围概述数字电子技术基础第五版五邑大学正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1概述本书采用正逻辑系统数字电子技术基础第五版五邑大学3.2半导体二极管门电路二极管的结构：PN结+引线+封装构成PN半导体二极管的结构和外特性（Diode）数字电子技术基础第五版五邑大学补：半导体基础知识数字电子技术基础第五版五邑大学半导体基础知识（1）•本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。•常用：硅Si，锗Ge两种载流子数字电子技术基础第五版五邑大学半导体基础知识（2）•杂质半导体•N型半导体多子：自由电子少子：空穴数字电子技术基础第五版五邑大学半导体基础知识（2）•杂质半导体•P型半导体多子：空穴少子：自由电子数字电子技术基础第五版五邑大学半导体基础知识（3）•PN结的形成•空间电荷区（耗尽层）•扩散和漂移数字电子技术基础第五版五邑大学半导体基础知识（4）•PN结的单向导电性•外加正向电压数字电子技术基础第五版五邑大学半导体基础知识（4）•PN结的单向导电性•外加反向电压数字电子技术基础第五版五邑大学半导体基础知识（5）•PN结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区qnkTVeIiTVVST)(1K:波耳兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷数字电子技术基础第五版五邑大学二极管的开关等效电路数字电子技术基础第五版五邑大学半导体二极管的开关特性将图3.1.2中的开关用二极管代替，则可得到图3.2.1所示的半导体二极管开关电路图3.1.2高低电平实现原理电路图3.2.1二极管的开关电路数字电子技术基础第五版五邑大学半导体二极管的开关特性高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0•VI=VIHD截止，VO=VOH=VCC•VI=VILD导通，VO=VOL=0.7V数字电子技术基础第五版五邑大学3.2.2二极管与门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定2V以上为11V以下为03.2半导体二极管门电路数字电子技术基础第五版五邑大学3.2.3二极管或门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定2V以上为11V以下为03.2半导体二极管门电路数字电子技术基础第五版五邑大学二极管构成的门电路的缺点•电平有偏移：输出的高低电平数值与输入的高低电平数值相差一个二极管的压降，后级的二极管门电路电平偏移，甚至使得高电平下降到门限值以下•带负载能力差：由于这种二极管门电路的输出电阻比较低，故带负载能力差，输出电平会随负载的变化而变化。•只用于IC内部电路数字电子技术基础第五版五邑大学TTL—Transistor-TransistorLogic(三极管－三极管逻辑），TTL逻辑门就是由双极型晶体三极管（BJT,BipolarJunctionTransistor）构成的逻辑门电路。3.3TTL门电路一、双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳数字电子技术基础第五版五邑大学基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂双极型三极管的开关特性数字电子技术基础第五版五邑大学以NPN为例说明工作原理：•当VCCVBB•be结正偏,bc结反偏•e区发射大量的电子•b区薄，只有少量的空穴•bc反偏，大量电子形成IC双极型三极管的开关特性数字电子技术基础第五版五邑大学•VON：开启电压硅管，0.5~0.7V锗管，0.2~0.3V•近似认为:VBEVONiB=0VBE≥VONiB的大小由外电路电压，电阻决定bBEBBBRVVi双极型三极管的开关特性数字电子技术基础第五版五邑大学三极管的输出特性:•固定一个IB值，即得一条曲线，在VCE0.7V以后，基本为水平直线双极型三极管的开关特性数字电子技术基础第五版五邑大学•特性曲线分三个部分1.放大区：条件VCE0.7V,iB0,iC随iB成正比变化，ΔiC=βΔiB。2.饱和区：条件VCE0.7V,iB0,VCE很低，ΔiC随ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。3.截止区：条件VBEVon,iB≈0,iC≈0,c—e间“断开”。双极型三极管的开关特性数字电子技术基础第五版五邑大学双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL数字电子技术基础第五版五邑大学TTL—Transistor-TransistorLogic(三极管－三极管逻辑），TTL逻辑门就是由双极型晶体三极管（BJT,BipolarJunctionTransistor）构成的逻辑门电路。TTL逻辑器件分成54系列和74系列两大类，其电路结构、逻辑功能和电气参数完全相同。不同的是54系列工作环境温度、电源工作范围比74系列的宽。74系列工作环境温度为00C～700C,电源电压工作范围为5V±5%；54系列工作环境温度为－550C～+1250C,电源电压工作范围为5V±10%.TTL门电路数字电子技术基础第五版五邑大学54系列和74系列按工作速度和功耗可分成4个系列：(a)标准通用系列：国产型号为CT54/74系列，与国际上SN54/74系列相当，部标型号为T1000系列；国产型号为CT54H/74H系列，与国际上SN54H/74H系列相当，部标型号为T2000系列(c)肖特基系列：国产型号为CT54S/74S系列，与国际上SN54S/74S系列相当，部标型号为T3000系列(b)高速系列：TTL门电路数字电子技术基础第五版五邑大学(d)低功耗肖特基系列：国产型号为CT54LS/74LS系列，与国际上SN54LS/74LS系列相当，部标型号为T4000系列不同系列的同一种逻辑门，结构上略有差异，目的是为了提高逻辑门的工作速度，降低功耗，如为了改进74系列的工作速度，则采用达林顿管（74H系列）、肖特基管（74S系列）；为了降低功耗，采用小电阻。但这些差异不影响电路功能的分析。TTL门电路P135~138数字电子技术基础第五版五邑大学TTL反相器的电路结构TTL反相器的电路TTL门电路数字电子技术基础第五版五邑大学TTL反相器的电路结构VVPNVVVVVVONILIHCC7020435...结导通压降)()(.1020YVVAVVVOHOILI)()(.0143YVVAVVVOLOIHITTL反相器的电路TTL门电路数字电子技术基础第五版五邑大学①当vI＝VIL＝0.2V时T1饱和导通T2截止T4导通T5截止D2导通vo＝VOH≈VCC－IC2R2－2VON≈3.4V输出为高电平二、工作原理：图3.5.9TTL反相器的电路0.9V3.4V0.2V0.2VTTL反相器的电路结构和工作原理数字电子技术基础第五版五邑大学T1截止T2导通T4截止T5饱和导通D2截止vo＝VOL≈VCE（sat）≈0.2V输出为低电平则输出和输入的逻辑关系为AY②当vI＝VIH＝3.4V时图3.5.9TTL反相器的电路2.1V0.3V3.4V0.7V1.4VTTL反相器的电路结构和工作原理数字电子技术基础第五版五邑大学特点：①T1处于“倒置”状态，其电流放大系数远远小于1②推拉式输出结构由T4和T5构成TTL反相器推拉式输出，在输出为高电平时，T4导通，T5截止；在输出为低电平时，T4截止，T5导通。由于T4和T5总有一个导通，一个截止，这样就降低输出级的功耗，提高带负载能力。TTL反相器的电路结构和工作原理数字电子技术基础第五版五邑大学当输出为高电平时，其输出阻抗低，具有很强的带负载能力，可提供5mA的输出电流当输出为低电平时。其输出阻抗小于100Ω,可灌入电流14mA，也有较强的驱动能力。③二极管D1是输入级的钳位二极管，作用：a.抑制负脉冲干扰；b.保护T1发射极，防止输入为负电压时，电流过大，它可允许最大电流为20mA。TTL反相器的电路结构和工作原理数字电子技术基础第五版五邑大学TTL与非门的电路结构TTL门电路数字电子技术基础第五版五邑大学TTL与非门的电路结构012190205241451OLOBOHOBVVTTTVVBAVVTTVVVBABA导通，和截止，同为高电平时，和当导通，截止，时，有一个为和当由多发射极三极管实现,.,..加倍：每个值相同，并联后时相同：并联后与仅一个接地输入电流计算：IHILIITTL门电路数字电子技术基础第五版五邑大学或非门与或非门TTL门电路数字电子技术基础第五版五邑大学集电极开路与非门（OC门）1.推拉式输出电路结构的局限性：如图3.3.35所示将推拉式TTL与非门的输出端并联，则当某一门的输出端为低电平，如Y2=0,则当Y1=1时，会有G1门的电流通过G2门的T5管，这个电流远远超过正常工作电路，有可能使T5管损坏图3.3.35①输出电平不可调②负载能力不强，尤其是高电平输出③输出端不能并联使用数字电子技术基础第五版五邑大学为了使TTL与非门能实现线与功能，把输出级的去掉D3、T4管，使T5管的集电极开路，就构成集电极开路门，即OC门。OC门的结构特点如图3.3.36所示为OC门的电路和结构和符号，输出管的集电极开路图3.3.36集电极开路与非门（OC门）数字电子技术基础第五版五邑大学图3.3.36VmASNTTOC30/40:740755、电流，如可承受较大电压，三极管输出端为工作时也需外接负载和电源，如图3.5.37所示图3.5.37OC门的工作电路ABVCC2RLY)(00,,22552ABYVVVVTBAVTBAVRCCCCCCOOLCCL），则可以不等于（截止，时，只要有一个为和；当饱和，高电平时，同为取值合适，可使只要集电极开路与非门（OC门）数字电子技术基础第五版五邑大学若利用OC门实现线与功能，则将几个OC门的输出并联起来用一个上拉电阻即可，如图3.3.38所示，即线与的实现)()()(21CDABCDABYYY图3.5.38集电极开路与非门（OC门）数字电子技术基础第五版五邑大学OC门的应用a.实现线与功能如图3.5.38的线与电路，其输出为实现电路比较简单图3.5.38)()()(21CDABCDABYYY数字电子技术基础第五版五邑大学OC门的应用b.电平转换＆CCVABFRL图3.5.42OC门在电平转换的应用＆1TTLCMOS＋12V由于OC门的高电平可以通过外加电源改变，故它可作为电平转换电路。一般TTL与非门的电平为0~3.6V,若需要逻辑电平为0~12V的逻辑电平，只要将负载电阻接到12V电源即可数字电子技术基础第五版五邑大学c.实现数据采集如图3.5.43,可实现母线（总线）的数据的接收和传送＆＆＆＆＆＆＆图3.5.43OC门在数据采集的应用总线SASBSCSDSESFSGABCDEFGSA～SG为选通信号OC门的应用数字电子技术基础第五版五邑大学三态门三态门（TS），它是在普通与非门电路的基础上附加控制电路构成的。其特点是除了输出高、低电平两个状态外，还有第三种状态，即高阻状态。其典型电路如图3.5.46所示它与普通与非门电路的主要差别是输入级多了一个使能端EN和一个二极管D。图3.5.461.电路结构数字电子技术基础第五版五邑大学其逻辑符号及逻辑功能如图所示，控制