数字电子2

1中国铁道出版社第2章逻辑门电路22.1二极管、三极管开关特性2.1.1二极管开关特性一个理想的开关应具备以下几个基本条件：开关接通时阻抗为零；开关断开时阻抗为无穷大；开关在通、断两状态之间转换速度极快。二极管的主要特点是具有单向导电性，它在正向导通时，内阻很小，相当于开关接通；而在反向截止时，内阻很大，相当于开关断开。因此，二极管可作为开关元件使用。31．静态特性当外加正向电压超过一定的数值UT以后，二极管导通，相当于开关闭合。当二极管外加反向电压且小于击穿电压时，二极管截止，相当于开关断开。2.1二极管、三极管开关特性图2-1二极管的伏安特性曲线4在二极管开关电路中，二极管导通压降与外加电源电压相比及导通电阻与外电路电阻相比均可忽略，则可近似地认为二极管具有理想开关的静态开关特性。在数字电路的分析与估算过程中，常把uD＜UT=0.7V，看成是硅二极管的截止条件，而且一旦截止之后，就近似认为iD≈0，如同断开了的开关。2.1二极管、三极管开关特性52．动态特性在数字电路中，二极管开关经常工作在高速通断状态。由于PN结中存储电荷的存在，使二极管开关状态转换不能瞬间完成，因此，必须了解二极管开关两种状态之间的快速转换过程。当外加电压反向时，它们就会形成较大的漂移电流。随着存储电荷的消散，PN结厚度逐渐变宽，电阻增大，IR不断减小，经tf时间后逐渐趋近于零，二极管才转换为截止状态。2.1二极管、三极管开关特性图2-2二极管开关的转换过程62.1.2双极型三极管的开关特性双极型三极管也简称为三极管，在数字电路中，三极管主要工作在截止区和饱和区，并经常在截止区和饱和区之间通过放大区进行快速转换。三极管的这种工作状态称为开关工作状态。三极管工作于开关状态时，其动态范围遍及三极管输出特性的整个区域。2.1二极管、三极管开关特性（a）电路（b）工作状态图解图2-3三极管的开关工作状态71．三极管三种工作状态的特点以NPN硅三极管共射极电路为例进行分析。2.1二极管、三极管开关特性表2-1三极管截止、放大、饱和的工作条件及特点82.1二极管、三极管开关特性2．三极管的动态特性在理想矩形脉冲作用下，其输出电流iC已不是理想矩形波，与输入波形相比，在时间上有推移，而且上升沿和下降沿都变缓慢了。开通时间ton和关闭时间toff总称为三极管的开关时间，即有：ton=td+trtoff=ts+tf通常toff＞ton，而且ts＞tf，要减小存储时间ts，只能采用减轻三极管的饱和程度的方法或采用反向过驱动基极电流以使Qbs加速消失。图2-4三极管的开关电路及波形92.1.3单极型三极管的开关特性以绝缘栅型场效应管为例。当输入电压ui为高电平（大于开启电压）时，MOS管导通，相当于开关闭合。当输入电压ui为低电平时，MOS管截止，相当于开关断开。2.1二极管、三极管开关特性图2-5MOS管开关电路101．与门电路A、B、C为信号的输入端，Z为信号的输出端。功能分析：（1）A、B、C都是低电平，UA=UB=UC=0V，二极管VD1、VD2、VD3都导通，则Z输出为低电平。若忽略二极管正向导通压降，则UZ≈0V。（2）A、B是低电平，C是高电平，UA=UB=0V，UC=5V，二极管VD1、VD2导通，二极管VD3截止，则Z输出低电平，UZ≈0V。（3）A为低电平，B、C为高电平，UA=0V，UB=UC=5V，二极管VD1导通，二极管VD2、VD3截止，则Z输出低电平，UZ≈0V。（4）A、B、C都是高电平，UA=UB=UC=5V，二极管VD1、VD2、VD3都截止，则Z输出高电平，UZ≈5V。从上述分析可知，该电路实现的是与逻辑关系：只有所有输入信号都是高电平时，输出才是高电平，否则输出就是低电平，所以它是一种与门。2.2基本的与、或、非门电路图2-6二极管与门11与门的函数表达式Z=A·B·CVHDL语言描述：Z=AandBandC2.2基本的与、或、非门电路表2-2图2-6电路的电位关系表表2-3与门的真值表122．或门电路A、B、C为信号的输入端，Z为信号的输出端。功能分析：（1）A、B、C都是高电平，UA=UB=UC=5V，二极管VD1、VD2、VD3都导通，输出为高电平，UZ≈5V。（2）A、B、C中有一个或两个是高电平，UA=5V，UB=UC=0V或者UA=UB=5V，UC=0V，与输入高电平相对应的二极管导通，而与输入低电平相对应的二极管截止，同样，输出为高电平，UZ≈5V。（3）A、B、C都是低电平，UA=UB=UC=0V，二极管VD1、VD2、VD3都截止，输出低电平，UZ≈0V。通过上述分析可知，该电路实现的是或逻辑关系：只要输入有高电平，输出就是高电平，否则输出就是低电平，所以它是一种或门。2.2基本的与、或、非门电路图2-7二极管或门13或门函数表达式为Z=A+B+CVHDL语言描述：Z=AorBorC2.2基本的与、或、非门电路表2-4或门逻辑真值表143．非门电路非门电路只有一个输入端和一个输出端，输入高电平，输出为低电平；输入低电平，输出为高电平，实现非逻辑功能。因为它的输入与输出之间是反相关系，故又称为反相器。A、B、C为信号的输入端，Z为信号的输出端。功能分析：当输入信号为低电平时，三极管VT在基极偏置电源-VBB的作用下，发射结反向偏置，三极管充分截止，输出高电平；当输入信号为高电平时，它与基数电源-VBB共同作用产生足够的基极电流，三极管饱和导通，输出低电平。实现反相器的非逻辑功能。2.2基本的与、或、非门电路图2-8三极管反相器152.2基本的与、或、非门电路非门的函数表达式VHDL语言描述：Z=notA表2-5非门逻辑真值表164．复合门电路A、B、C为信号的输入端，Z为信号的输出端。功能分析：当输入端A、B、C都是高电平时，二极管VD1、VD2、VD3均截止，而VD4、VD5和三极管导通，流入三极管的基极电流iB足够大，三极管饱和导通，输出低电平，UZ≈0V；当输入端A、B、C中有一个为低电平时，VD4、VD5和三极管均截止，输出高电平，UZ≈VCC。2.2基本的与、或、非门电路图2-9DTL与非门17与非门的函数表达式为VHDL语言描述：Z=not(AandBandC)2.2基本的与、或、非门电路表2-6与非门逻辑真值表18与非门的函数表达式为VHDL语言描述：Z=not(AorBorC)2.2基本的与、或、非门电路表2-7或非门逻辑真值表192.3.1TTL与非门的工作原理TTL电路即三极管-三极管逻辑电路（Transistor-TransistorLogic），在中、小规模集成电路中应用最为普遍。它们的基本单元电路大多由与非门组成。现通过典型TTL与非门电路的分析，了解TTL门电路的结构特点及外特性。2.3TTL逻辑门电路201．典型TTL与非门电路2.3TTL逻辑门电路图2-10典型TTL与非门电路R1=3kΩR2=750ΩR3=360ΩR4=100ΩR1=3kΩ21电路组成输入级：多射极三极管VT1和电阻R1构成输入级，VT1可用如图2-9（b）所示电路来等效。加到各输入端的信号通过多发射极三极管的各个发射极与集电极实现“与”功能。中间倒相级：三极管VT2和电阻R2、R3组成电路的中间级。这一级的主要作用是从三极管VT2的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为三极管VT3和VT5的驱动信号。具有这种作用的电路称为倒相电路。输出级：三极管VT3、VT4、VT5和电阻R4、R5构成输出级。中间级提供两个相位相反的信号，使三极管VT4、VT5总是处于一个导通另一个截止的工作状态。因此，这种电路结构常称为推拉式输出电路或图腾输出电路。由于TTL电路的输入、输出级都是由三极管组成，故称为三极管-三极管逻辑电路。2.3TTL逻辑门电路222．TTL与非门的工作原理方法与步骤1）逻辑功能2.3TTL逻辑门电路图2-11TTL与非门的工作情况232.3TTL逻辑门电路输入全部为高电平3.6V时，电源电VCC流过电阻R1的电流IR1，只能通过多射极三极管的集电结给三极管VT2提供基流，使其工作于饱和状态。三极管VT2发射极电流的大部分又给三极管VT5提供基流，使输出管VT5饱和，输出低电平UOL=0.3V。由于输入全部为高电平，输出管VT5饱和导通，输出低电平，故常称为导通状态或开态。242.3TTL逻辑门电路输入有低电平时，设输入端A为低电平0.3V，其他输入端为高电平3.6V，故与A端相连的发射结为正偏，则VT1的基极电流iB1=IR1。多射极三极管基极电位被箝位在uB1=0.3V+0.7V=1V。这时多射极三极管的集电极电阻为R2和三极管VT2反偏集电结电阻之和，其阻值很大，因此，电流iC1很小，多射极三极管处于深度饱和状态，其饱和压降UCES1≈0.1V，则uC1=uB2=0.4V，使三极管VT2、VT5截止，输高出电平。由于uC2≈VCC，故输出高平UOH≈VCC-uBE3-uBE4≈3.6V。在此状态下输出管VT5截止，故称为截止状态或关态。由以上分析可知，此电路具有与非逻辑功能，其逻辑表达式为252.3TTL逻辑门电路2）电压传输特性（1）电压传输特性分析①AB段——截止区对应于输入电压ui＜0.6V的区间。多射极三极管工作于深度饱和状态，故三极管VT2、VT5截止，VT3、VT4导通，输出高电平UOH≈3.6V。由于在此区间输出管VT5截止，所以叫截止区。②BC段——线性区。对应于输入电压ui在0.6～1.3V之间。在曲线的B点ui=0.6V，uB2≈0.7V，三极管VT2开始导通进入放大状态，但输出管VT5仍截止。可见在BC段，输出电压uo随着输入电压ui的变化而线性变化，负号表示ui的增加使uo下降，R2/R3为BC段下降的斜率。所以BC段又称线性区。图2-12TLL与非门的电压传输特性曲线262.3TTL逻辑门电路③CD段——过渡区。在输入电压ui＞1.3V以后，输出管VT5开始导通。随着ui的增加，一方面输出管VT5的基极电流急剧增加，另一方面三极管VT2的集电极电位uC2(uB3)急剧下降，使三极管VT3、VT4趋于截止。这两个因素促使输出电压uo急剧下降。当ui达到1.4V左右时，输出管VT5进入饱和状态，输出低电平UOL=0.3V。CD段是从VT5开始导通到饱和为止，电路完成了从关态向开态的过渡，故CD段又称为过渡区。④CE段——饱和区。输出管VT5进入饱和状态后，输入电压ui再继续增加，输出电压已不再变化，保持输出为低电平。但电路内部的工作状态仍在继续变化，随着输入电压ui的升高，多射极三极管的发射结逐渐由正偏转入反偏，这时IR1全部流入三极管VT2的基极，VT2进入饱和状态，uC2(uB3)下降到1V，三极管VT4截止。由于在DE段三极管VT2、VT5均处于饱和状态，因此也称为饱和区。272.3TTL逻辑门电路（2）关门电平、开门电平、阈值电压及噪声容限①关门电平和开门电平。使电路的输出电平达到标准高电平USH时，所对应的最大输入低电平，称为关门电平，用UOFF表示。显然只有当ui＜UOFF时，输出才是高电平UOH。使电路的输出电平达到标准低电平USL时，所对应的最小输入高电平称为开门电平，用UON表示。显然只有当ui＞UON时，输出才是低电平UOL相当于电压传输特性曲线中D点对应的输入电压值。由于电压传输特性曲线中对应UOFF和UON处是很陡的，因此，技术规范确定由“输入低电平最大值UiLmax”代替UOFF，由“输入高电平最小值UiHmin”代替UON。当ui＜UiLmax时电路处于关态，输出高电平；当ui＞UiHmin时电路处于开态，输出低电平。282.3TTL逻辑门电路②阈值电压UT。从电压传输特性看出UOFF和UON是很接近的。有时为了分析简单，常常把它们看做近似相等，并用“门坎电平”或“阈值电压”即UT表示。并定义为过渡区的中点所对应的输入电压值。③噪声容限(NoiseMar