数字电子技术基础简明教程第三版(2)

EXIT概述第2章逻辑门电路三极管的开关特性TTL集成逻辑门CMOS集成逻辑门集成逻辑门的应用本章小结EXIT2.1概述主要要求：了解逻辑门电路的作用和常用类型。理解高电平信号和低电平信号的含义。EXITTTL即Transistor-TransistorLogicCMOS即ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor一、门电路的作用和常用类型按功能特点不同分普通门(推拉式输出)CMOS传输门输出开路门三态门门电路(GateCircuit)指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分与门或门非门异或门与非门或非门与或非门按电路结构不同分TTL集成门电路CMOS集成门电路输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。用互补对称MOS管构成的逻辑门电路。EXIT二、高电平和低电平的含义高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？10高电平低电平01高电平低电平正逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定EXIT2.2三极管的开关特性主要要求：理解三极管的开关特性。掌握三极管开关工作的条件。EXIT三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？当输入uI为低电平，使uBEUth时，三极管截止。iB0，iC0，C、E间相当于开关断开。三极管关断的条件和等效电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS负载线临界饱和线饱和区放大区一、三极管的开关作用及其条件截止区uBEUthBEC三极管截止状态等效电路uI=UILuBE+-Uth为门限电压EXITIC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线饱和区放大区一、三极管的开关作用及其条件uI增大使iB增大，从而工作点上移，iC增大，uCE减小。截止区uBEUthBEC三极管截止状态等效电路S为放大和饱和的交界点，这时的iB称临界饱和基极电流，用IB(sat)表示；相应地，IC(sat)为临界饱和集电极电流；UBE(sat)为饱和基极电压；UCE(sat)为饱和集电极电压。对硅管，UBE(sat)0.7V，UCE(sat)0.3V。在临界饱和点三极管仍然具有放大作用。uI增大使uBEUth时，三极管开始导通，iB0，三极管工作于放大导通状态。EXITIC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线饱和区放大区一、三极管的开关作用及其条件截止区uBEUthBEC三极管截止状态等效电路uI=UIH三极管开通的条件和等效电路当输入uI为高电平，使iB≥IB(sat)时，三极管饱和。uBE+-uBE0.7VUCE(sat)0.3V，C、E间相当于开关合上。iB≥IB(sat)BEUBE(sat)CUCE(sat)三极管饱和状态等效电路EXITiB愈大于IB(Sat)，则饱和愈深。由于UCE(Sat)0，因此饱和后iC基本上为恒值，iCIC(Sat)=CCCCCE(sat)CCRVRUVCCCC(sat)B(sat)RVII开关工作的条件截止条件饱和条件uBE＜UthiB＞IB(Sat)可靠截止条件为uBE≤0EXIT[例]下图电路中=50,UBE(on)=0.7V,UIH=3.6V,UIL=0.3V,为使三极管开关工作,试选择RB值,并对应输入波形画出输出波形。解：(1)根据开关工作条件确定RB取值uI=UIL=0.3V时,三极管满足截止条件uI=UIH=3.6V时,为使三极管饱和,应满足iBIB(sat)因为iB=IHB0.7VURBBV.92V7.06.3RRCCCB(sat)RβVImA1.0k150V5所以求得RB29k，可取标称值27k。OuItUIHUILk1+5VEXIT(2)对应输入波形画出输出波形OuItUIHUIL可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器。三极管截止时，iC0，uO+5V三极管饱和时，uOUCE(sat)0.3VOuO/Vt50.3EXITIC(sat)OOOuIiCuOtttUIHUILVCCUCE(sat)上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为：uI从UIL正跳到UIH时，三极管将由截止转变为饱和，iC从0逐渐增大到IC(sat)，uC从VCC逐渐减小为UCE(sat)。uI从UIH负跳到时UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。二、三极管的动态开关特性EXITIC(sat)OOOuIiCuOtttUIHUILVCCUCE(sat)0.9IC(sat)ton0.1IC(sat)toffuI正跳变到iC上升到0.9IC(sat)所需的时间ton称为三极管开通时间。通常工作频率不高时，可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是否合适，否则导致不能正常工作。uI负跳变到iC下降到0.1IC(sat)所需的时间toff称为三极管关断时间。通常toffton二、三极管的动态开关特性开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。EXITCEBSBDBCE在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称SBD)。BCSBD抗饱和三极管的开关速度高①没有电荷存储效应②SBD的导通电压只有0.4V而非0.7V，因此UBC=0.4V时，SBD便导通，使UBC钳在0.4V上，降低了饱和深度。三、抗饱和三极管简介EXIT2.3TTL集成逻辑门主要要求：了解TTL与非门的组成和工作原理。了解TTL集成逻辑门的主要参数和使用常识。掌握TTL基本门的逻辑功能和主要外特性。了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。EXITABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3R1R2R4R5RBRCB1C1C2E2YVCC+5V输入级中间倒相级输出级STTL系列与非门电路逻辑符号8.2k900503.5k500250V1V2V3V5V6一、TTL与非门的基本组成与外特性(一)典型TTL与非门电路除V4外，采用了抗饱和三极管，用以提高门电路工作速度。V4不会工作于饱和状态，因此用普通三极管。输入级主要由多发射极管V1和基极电阻R1组成，用以实现输入变量A、B、C的与运算。VD1~VD3为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，VD1~VD3不工作，当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时，二极管导通，输入端负电压被钳在-0.7V上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对V1还有保护作用。中间级起倒相放大作用，V2集电极C2和发射极E2同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动V3和V5。RB、RC和V6构成有源泄放电路，用以减小V5管开关时间，从而提高门电路工作速度。输出级由V3、V4、R4、R5和V5组成。其中V3和V4构成复合管，与V5构成推拉式输出结构，提高了负载能力。EXITVD1~VD3在正常信号输入时不工作，因此下面的分析中不予考虑。RB、RC和V6所构成的有源泄放电路的作用是提高开关速度，它们不影响与非门的逻辑功能，因此下面的工作原理分析中也不予考虑。8.2k因为抗饱和三极管V1的集电结导通电压为0.4V，而V2、V5发射结导通电压为0.7V，因此要使V1集电结和V2、V5发射结导通，必须uB1≥1.8V。0.3V3.6V3.6V输入端有一个或数个为低电平时，输出高电平。输入低电平端对应的发射结导通，uB1=0.7V+0.3V=1VV1管其他发射结因反偏而截止。1V这时V2、V5截止。V2截止使V1集电极等效电阻很大，使IB1IB1(sat)，V1深度饱和。V2截止使uC2VCC=5V，5V因此，输入有低电平时，输出为高电平。截止截止深度饱和V3微饱和，V4放大工作。uY=5V-0.7V-0.7V=3.6V电路输出为高电平。微饱和放大(二)TTL与非门的工作原理EXIT综上所述,该电路实现了与非逻辑功能,即ABCY3.6V3.6V3.6V因此，V1发射结反偏而集电极正偏，称处于倒置放大状态。1.8V这时V2、V5饱和。uC2=UCE2(sat)+uBE5=0.3V+0.7V=1V使V3导通，而V4截止。1VuY=UCE5(sat)0.3V输出为低电平因此，输入均为高电平时，输出为低电平。0.3VV4截止使V5的等效集电极电阻很大，使IB5IB5(sat)，因此V5深度饱和。倒置放大饱和饱和截止导通TTL电路输入端悬空时相当于输入高电平。输入均为高电平时，输出低电平VCC经R1使V1集电结和V2、V5发射结导通，使uB1=1.8V。深注意2.TTL与非门的工作原理EXIT电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门电压传输特性曲线(三)TTL与非门的外特性及主要参数1.电压传输特性和噪声容限输出电压随输入电压变化的特性uI较小时工作于AB段，这时V2、V5截止，V3、V4导通，输出恒为高电平，UOH3.6V，称与非门工作在截止区或处于关门状态。uI较大时工作于BC段，这时V2、V5工作于放大区，uI的微小增大引起uO急剧下降，称与非门工作在转折区。uI很大时工作于CD段，这时V2、V5饱和，输出恒为低电平，UOL0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门电压传输特性曲线饱和区：与非门处于开门状态。截止区：与非门处于关门状态。转折区EXIT下面介绍与电压传输特性有关的主要参数：有关参数0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线标准高电平USH当uO≥USH时，则认为输出高电平，通常取USH=3V。标准低电平USL当uO≤USL时，则认为输出低电平，通常取USL=0.3V。关门电平UOFF保证输出不小于标准高电平USH时,允许的输入低电平的最大值。开门电平UON保证输出不高于标准低电平USL时,允许的输入高电平的最小值。阈值电压UTH转折区中点对应的输入电压，又称门槛电平。USH=3VUSL=0.3VUOFFUONUTH近似分析时认为：uIUTH，则与非门开通，输出低电平UOL；uIUTH，则与非门关闭，输出高电平UOH。EXIT噪声容限越大，抗干扰能力越强。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。UNL=UOFF–UIL指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。UNH=UIH–UON输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限。输入高电平噪声容限UNH输入低电平噪声容限UNLEXIT输入负载特性测试电路输入负载特性曲线0uI/VR1/kUOFF1.1FNROFFRON2.输入负载特性ROFF称关门电阻。RIROFF时，相应输入端相当于输入低电平。对STTL系列，ROFF700。RON称开门电阻。RIRON时，相应输入端相当于输入高电平。对STTL系列，RON2.1k。RONROFFUOFFEXIT[例]下图中，已知ROFF800，RON3k，试对应输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。(a)(b)tA0.3V3.6VO不同TTL系列，RON、ROFF不同。相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑0。逻辑0因此Ya输出恒为高电平UOH。相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑1。逻辑1AAYb1因此，可画出波形如图所示。YbtOYatUOHO解：图(a)中，RI=300ROFF800图(b)中，RI=5.1kRON3kEXIT3.负载能力负载电流流入与非门的输出端。负载电流从与非门的输出端