第三章 門電路

1、內容提要：內容提要：半導體二極管和三極管的開關特性半導體二極管和三極管的開關特性TTL門電路的工作原理及其電器特性門電路的工作原理及其電器特性CMOS門電路的工作原理及其電器特性門電路的工作原理及其電器特性正邏輯：正邏輯： 在二值邏輯中，如果在二值邏輯中，如果用高電平表示邏輯用高電平表示邏輯“1” ，低電平表示邏輯低電平表示邏輯“0” ，在，在這種規(guī)定下的邏輯關系稱這種規(guī)定下的邏輯關系稱為正邏輯，如圖為正邏輯，如圖3.1.1所示所示1. 正負邏輯系統(tǒng)正負邏輯系統(tǒng)圖圖3.1.1 正負邏輯示意圖正負邏輯示意圖 正負邏輯式互為對偶式，正負邏輯式互為對偶式，正負邏輯的使用依個人的習正負邏輯的使用依個人

2、的習慣，但同一系統(tǒng)中采用一種慣，但同一系統(tǒng)中采用一種邏輯關系，邏輯關系，表表3.1.1 正負邏輯對應的門電路正負邏輯對應的門電路正邏輯正邏輯負邏輯負邏輯與門與門或門或門或門或門與門與門與非門與非門或非門或非門或非門或非門與非門與非門異或門異或門同或門同或門同或門同或門異或門異或門高低電平用高低電平用“0”和和“1”表示。表示。其高低電平的獲得是通過開關其高低電平的獲得是通過開關電路來實現，如二極管或三極電路來實現，如二極管或三極管電路組成。如圖管電路組成。如圖3.1.2所示。所示。圖圖3.1.2 高低電平實現原理電路高低電平實現原理電路其原理為：其原理為： 當當S斷開時，輸出電壓斷開時，輸出電

3、壓voVcc，為高電平，為高電平“1”； 當開關閉合時，輸出電壓當開關閉合時，輸出電壓vo0，為低電平為低電平“0”；3.2.1半導體二極管的開關特性半導體二極管的開關特性1. 穩(wěn)態(tài)開關特性穩(wěn)態(tài)開關特性圖圖3.2.1 二極管的開關電路二極管的開關電路圖圖3.1.2高低電平實現原理電路高低電平實現原理電路 將圖將圖3.1.2中的開關用二極管代替，則可得到圖中的開關用二極管代替，則可得到圖3.2.1所所示的半導體二極管開關電路示的半導體二極管開關電路 設設vi的高電平為的高電平為VIHVCC， vi的低電平為的低電平為VIL0，當當vIVIHVCC時，時，D截止，輸出電壓截止，輸出電壓vDVOH

4、VCC當當vIVIH0時，時，D導通，輸出電壓導通，輸出電壓vDVOH 0 將電路處于相對穩(wěn)定狀態(tài)下，將電路處于相對穩(wěn)定狀態(tài)下，晶體二極管所呈現的開關特性稱為晶體二極管所呈現的開關特性稱為穩(wěn)態(tài)開關特性穩(wěn)態(tài)開關特性圖圖3.2.1 二極管的開關電路二極管的開關電路+-+-Von+-VonrD外電路等效電源盒電阻外電路等效電源盒電阻都很小，不能忽略二極都很小，不能忽略二極管正向導通壓降和內阻管正向導通壓降和內阻正向導通壓降不能忽正向導通壓降不能忽略，但內阻和外接電略，但內阻和外接電阻相比可忽略阻相比可忽略二極管是理想開關，二極管是理想開關，正向導通壓降和內阻正向導通壓降和內阻均可忽略均可忽略截至區(qū)截

5、至區(qū)反向電阻反向電阻rDR可忽略，可忽略，反向飽和電流反向飽和電流Is（AA）可忽略可忽略 當電路處于動態(tài)狀態(tài)，即二極管兩端電壓突然反當電路處于動態(tài)狀態(tài)，即二極管兩端電壓突然反向時，半導體二極管所呈現的開關特性稱為動態(tài)開關向時，半導體二極管所呈現的開關特性稱為動態(tài)開關特性（簡稱動態(tài)特性）特性（簡稱動態(tài)特性） 在輸入信號頻率較低時，在輸入信號頻率較低時，二極管的導通和截止的轉換時二極管的導通和截止的轉換時間可以認為是瞬間完成的。但間可以認為是瞬間完成的。但在輸入信號頻率較高時，此時在輸入信號頻率較高時，此時間就不能忽略了。間就不能忽略了。圖圖3.2.3 二極管動態(tài)電流波形二極管動態(tài)電流波形tre

6、ton為可靠截止，一般在為可靠截止，一般在二極管兩端加負偏壓二極管兩端加負偏壓 簡單的二極管與簡單的二極管與門電路如圖門電路如圖3.2.4所示所示圖圖3.2.4 二極管與門電路二極管與門電路 設設VCC5V，輸，輸入端入端A、B的高低電平的高低電平為為VIH3V，VIL0V，二極管的正向導通壓二極管的正向導通壓降為降為 VDF0.7V，則：則：當當A、B中有一個是低電平中有一個是低電平0V時，至少有一個二極管導時，至少有一個二極管導通，使得輸出通，使得輸出Y的電壓為的電壓為0.7V，為低電平；只有，為低電平；只有A、B中都加高電平中都加高電平3V時，兩個二極管同時關斷，使得輸出時，兩個二極管同

7、時關斷，使得輸出Y為為3.7V，為高電平。，為高電平。規(guī)定規(guī)定3V以上為以上為“1”0.7V以下為以下為“0”表表3.2.1表表3.2.2BAY其輸出其輸出Y和輸入和輸入A、B是與的關系，是與的關系，即即二極管或門電路如圖二極管或門電路如圖3.2.5所示所示圖圖3.2.5 二極管或門電路二極管或門電路當當A、B中有一個是低電平中有一個是低電平0V時，至少有一個二極管導時，至少有一個二極管導通，使得輸出通，使得輸出Y的電壓為的電壓為0.7V，為低電平；，為低電平；只有只有A、B中都加高電平中都加高電平3V時，兩個二極管同時導通，時，兩個二極管同時導通，使得輸出使得輸出Y為為3.7V，為高電平。，

8、為高電平。BAY其輸出其輸出Y和輸入和輸入A、B是與是與的關系，即的關系，即圖圖3.2.5 二極管或門電路二極管或門電路規(guī)定規(guī)定2.3V以上為以上為10V以下為以下為0表表3.2.3表表3.2.41.電平有偏移電平有偏移:輸出的高低電平數值與輸入的高低電平輸出的高低電平數值與輸入的高低電平數值相差一個二極管的壓降，后級的二極管門電路電數值相差一個二極管的壓降，后級的二極管門電路電平偏移，甚至使得高電平下降到門限值以下平偏移，甚至使得高電平下降到門限值以下2.帶負載能力差帶負載能力差：由于這種二極管門電路的輸出電阻：由于這種二極管門電路的輸出電阻比較低，故帶負載能力差，輸出電平會隨負載的變化比較

9、低，故帶負載能力差，輸出電平會隨負載的變化而變化。而變化。只用于只用于IC內部電路內部電路一、一、 雙極型三極管的基本開關電路雙極型三極管的基本開關電路三極管替代三極管替代開關開關當當vI=VIH，為高電平時，使得，為高電平時，使得iBIBS=VCC /RC，三極管處于，三極管處于飽和導通狀態(tài)，輸出飽和導通狀態(tài)，輸出vo VOL Vces0,為低電平；為低電平；圖圖3.5.1 晶體三極管開關電路晶體三極管開關電路T當當vI=VILVON(死區(qū)電壓），為死區(qū)電壓），為低電平時，使得三極管處于截低電平時，使得三極管處于截止狀態(tài)，輸出止狀態(tài)，輸出vo VOHVCC,為為高電平高電平其中：其中：CCC

10、satCECsatCECCBSRVRRVVI)()()(硅管為硅管為0.3V,鍺管為鍺管為0.1V很小，為很小，為幾十歐姆幾十歐姆二、雙極型三極管的開關等效電路二、雙極型三極管的開關等效電路截止截止飽和飽和(c)飽和時的等效電路飽和時的等效電路圖圖3.5.6阻值很小，忽略阻值很小，忽略 在動態(tài)情況在動態(tài)情況下，三極管在截下，三極管在截止和飽和導通兩止和飽和導通兩種狀態(tài)迅速轉換種狀態(tài)迅速轉換時，三極管內部時，三極管內部電荷的建立與消電荷的建立與消失都需要一定的失都需要一定的時間，故集電極時間，故集電極電流的變化要滯電流的變化要滯后于輸入電壓的后于輸入電壓的變化。變化。圖圖3.5.7三極管反相器就

11、是三極管的開關電路，如圖三極管反相器就是三極管的開關電路，如圖3.5.8所示所示參數選擇合理，參數選擇合理， T截止：即當截止：即當VBIBS121RRRVVvivEEiBT1、 R1和和D1組成輸入級組成輸入級圖圖 TTL反相器的電路反相器的電路T2、R2和和R3組成倒相級組成倒相級T4、T5、R4、D2組組成推拉式輸出級成推拉式輸出級設：設：VCC5V VIH3.4V VIL0.2VT1導通導通T2截止截止T4導通導通T5截止截止D2導通導通voVOHVCC IC2R22VON 3.4V輸出為高電平輸出為高電平圖圖 TTL反相器的電路反相器的電路0.9V3.4V0.2VT1工作在深度飽和狀

12、態(tài)工作在深度飽和狀態(tài)T1截止截止T2導通導通T4截止截止T5導通導通D2截止截止voVOLVCE（sat）0.2V輸出為低電平輸出為低電平圖圖3.5.9 TTL反相器的電路反相器的電路2.1V0.2V3.4V則輸出和輸入的邏輯則輸出和輸入的邏輯關系為關系為AY.推拉式輸出結構推拉式輸出結構由由T4和和T5構成構成TTL反相器推拉式輸出反相器推拉式輸出 倒相級：倒相級：T2的的c, e極的輸出電壓信極的輸出電壓信號變化方向相反號變化方向相反二極管二極管D1是輸入級是輸入級的鉗位二極管，的鉗位二極管，作用：作用：a.抑制負脈沖干抑制負脈沖干擾；擾；b.保護保護T1發(fā)射極，防發(fā)射極，防止輸入為負電壓

13、時，止輸入為負電壓時，電流過大，它可允許電流過大，它可允許最大電流為最大電流為20mA。由于由于T4和和T5總有一個總有一個導通，一個截止，這導通，一個截止，這樣就降低輸出級的功樣就降低輸出級的功耗，提高帶負載能力耗，提高帶負載能力。TTL反相器輸出電壓隨輸入電壓變化的曲線，稱為電反相器輸出電壓隨輸入電壓變化的曲線，稱為電壓傳輸特性壓傳輸特性，如圖，如圖3.5.10所示所示圖圖3.5.10 TTL反相器的電反相器的電 壓傳輸特性壓傳輸特性 圖圖3.5.10 TTL反相器的電反相器的電 壓傳輸特性壓傳輸特性VVVVVVTTTTVVVVDBERCCOHBI4 . 3,3 . 1,6 . 0:242

14、45211導通截止，導通，截止區(qū)OIIVVTTTVVV導通，截止，導通且工作在放大區(qū)線性區(qū)452,3 . 17 . 0: 圖圖3.5.10 TTL反相器的電反相器的電 壓傳輸特性壓傳輸特性 圖圖3.5.10 TTL反相器的電反相器的電 壓傳輸特性壓傳輸特性0,1 . 2,4 . 1:4521OLOBTHIVVTTTVVVVV迅速所以截止，同時導通，所以轉折區(qū)OLOOIVVVV,:不變，而繼續(xù)飽和區(qū) 圖圖3.5.10 TTL反相器的電反相器的電 壓傳輸特性壓傳輸特性 從電壓傳輸特性看，從電壓傳輸特性看，當輸入電壓當輸入電壓vI偏離正常低電偏離正常低電平（平（0.2V）升高，在一定范）升高，在一定

15、范圍內，輸出高電平并不立刻圍內，輸出高電平并不立刻改變。同樣當輸入電壓偏離改變。同樣當輸入電壓偏離正常高電平（正常高電平（3.4V）降低，）降低，在一定范圍內，輸出低電平在一定范圍內，輸出低電平并不立刻改變并不立刻改變 圖圖3.5.10 TTL反相器的電反相器的電 壓傳輸特性壓傳輸特性在保證輸出高、低電平基本不變（或者說變化大小不超在保證輸出高、低電平基本不變（或者說變化大小不超出允許范圍）的條件下，輸入電平的允許波動的范圍稱出允許范圍）的條件下，輸入電平的允許波動的范圍稱為輸入端抗干擾容限（噪聲容限）。為輸入端抗干擾容限（噪聲容限）。(max)(max)(min)(min)OLILNLIHO

16、HNHVVVVVV圖圖3.5.11 TTL反相器噪聲容限的計算反相器噪聲容限的計算74系列典型值為：系列典型值為： VOH（min)=2.4V, VOL（max)=0.4V,VIH（min)=2.0V, VIL（max)=0.8V, VNH=0.4V, VNL=0.4V, 對于對于TTL反相器，輸入電流隨輸入電壓的變化關系，反相器，輸入電流隨輸入電壓的變化關系，稱為輸入特性。稱為輸入特性。一、輸入特性一、輸入特性mA11042 . 07 . 05311RvvVIIBECCIL當當vI0時時mA075. 110407 . 05311RvvVIIBECCIS此電流此電流IIS稱為輸入短路電流，由于

17、和輸入電流值相近，稱為輸入短路電流，由于和輸入電流值相近，故分析和計算時代替故分析和計算時代替IIL。TTL反相器的靜態(tài)輸入特性如圖所示反相器的靜態(tài)輸入特性如圖所示圖圖 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性反相器的靜態(tài)輸入特性IISD1導通導通輸入低電平輸入低電平輸入高電平輸入高電平 對于對于TTL反相器，輸出電壓與輸出電流的關系，稱反相器，輸出電壓與輸出電流的關系，稱為輸出特性為輸出特性1.高電平輸出特性高電平輸出特性 當輸出為當輸出為vOVOH時，時，T4、D2導通，導通， T5截止，等效截止，等效電路如圖電路如圖3.5.14所示所示圖圖3.5.14 輸出高電平等效電路輸出高電平等效電路圖圖3.5.

18、15輸出高電平特性曲線輸出高電平特性曲線圖圖3.5.14 輸出高電平等效電路輸出高電平等效電路實際方向實際方向由于由于T4為射極輸出，故輸出電阻低，為射極輸出，故輸出電阻低，隨著負載電流隨著負載電流 iL的增加，的增加，R4上的壓降也隨之加大，上的壓降也隨之加大，T4進進入飽和狀態(tài)，入飽和狀態(tài)，輸出電壓輸出電壓vo隨負載電流變化幾乎線性下降。隨負載電流變化幾乎線性下降。 當輸出為當輸出為vOVOL時，時，T4、D2截止，截止， T5導通，等效導通，等效電路如圖電路如圖3.5.16所示所示圖圖3.5.16輸出高電平等效電路輸出高電平等效電路關系。略有增加，基本呈線性隨輸出電流故很小，輸出電壓為飽

19、和導通，其導通電阻由于LcesLoiRivOL5V,T圖圖3.5.16輸出高電平等效電路輸出高電平等效電路圖圖3.5.17 輸出低電平特性曲線輸出低電平特性曲線扇出系數就是一個門電路驅動同類型門電路的個數。扇出系數就是一個門電路驅動同類型門電路的個數。也就是表示門電路的帶負載能力。也就是表示門電路的帶負載能力。G1門為驅動門，門為驅動門， G2、 G3為負載門，為負載門，N為扇出系數。為扇出系數。圖圖3.5.18 扇出系數的計算扇出系數的計算IOLIIL實際方向實際方向當輸出當輸出vo為低電平時為低電平時G1門的負載電流是所有負載門門的負載電流是所有負載門的輸入電流之和的輸入電流之和每個負載門

20、的輸入電流為每個負載門的輸入電流為IIL=-1mA圖圖3.5.18 扇出系數的計算扇出系數的計算IOHIIH則取則取N兩者最小值兩者最小值負載門高電平負載門高電平 輸入電流輸入電流IIHiL除以除以IIH圖圖3.5.18 扇出系數的計算扇出系數的計算解：解：當當G1輸出為低電平時，有輸出為低電平時，有16116(max)1ILOLIIN圖圖3.5.18 扇出系數的計算扇出系數的計算1010404.03(max)2IHOHIIN故取故取N10，即門，即門G1可帶同類門可帶同類門的個數為的個數為10個個 在實際使用時，有時需要在輸入端和地之間或輸入在實際使用時，有時需要在輸入端和地之間或輸入端和信

21、號源低電平之間接入電阻端和信號源低電平之間接入電阻RP。)(11BECCPPIvVRRRv 在在RPR1，vI與與RP成正比。但成正比。但當當vI上升到上升到1.4V以后，以后，T2和和T5的的發(fā)射結同時導通，將發(fā)射結同時導通，將vB1鉗位在鉗位在2.1V左右，此時左右，此時vI不再隨不再隨RP的增的增加而上升。加而上升。輸入電流流過輸入電流流過RP必然會產生必然會產生壓降，形成輸入端點位壓降，形成輸入端點位vI 故一般對于故一般對于TTL門電路，門電路，若輸入端通過電阻接地，若輸入端通過電阻接地，一般當一般當RP0.7K時，構時，構成低電平輸入方式成低電平輸入方式當當RP1.5K時，構成高時

22、，構成高電平輸入方式。電平輸入方式。TTL門電路：門電路：輸入端接地相當于輸入低電平輸入端接地相當于輸入低電平輸入端懸空相當于輸入高電平輸入端懸空相當于輸入高電平1)0(1 ABY解：解：)() 1(2ABABYBBAY) 10(3例例 在圖在圖3.5.23所示電路中，為保證門所示電路中，為保證門G1輸出的高低電輸出的高低電平能正確地傳送到門平能正確地傳送到門G2地輸入端，要求當地輸入端，要求當vo1= VOH時，時， vI2 VIH（min）；當；當vo1= VOL時，時， vI2 VIL（max）。試計算。試計算RP最大允許值。已知最大允許值。已知G1、 G2均為均為74系的系的TTL反相

23、器，反相器，VCC5V， VOH3.4V, VOL0.2V, VIH（min）2.0V，VIL（max）0.8V， IIH40A， IIL40A(min)IHPIHOHVRIVKIVVRIHIHOHP3510400 . 24 . 36(min)(max)11ILPOLBECCOLVRRVvVVKRVvVVVRILBECCOLILP69. 048 . 07 . 052 . 08 . 01(max)1(max)故取故取RP0.69k一、傳輸延遲時間一、傳輸延遲時間 信號通過一級門電路的延遲時間稱為平均傳輸延信號通過一級門電路的延遲時間稱為平均傳輸延遲時間，它是表示門電路工作速度的重要指標。如圖遲時

24、間，它是表示門電路工作速度的重要指標。如圖3.5.26所示所示圖圖3.5.26 TTL反相器的動態(tài)波形反相器的動態(tài)波形tPHL輸出信號下降到輸出信號下降到Vm / 2 相對于輸入信號相對于輸入信號上升到上升到 Vm / 2 之間的延之間的延遲時間遲時間原因：結電容和寄生電容原因：結電容和寄生電容的存在。的存在。 TTL門的平均傳輸延時為門的平均傳輸延時為3 40ns 當輸入信號為窄脈沖，且接近于當輸入信號為窄脈沖，且接近于tpdtpd時，輸出變化時，輸出變化跟不上，變化很小，因此交流噪聲容限遠大于直流噪跟不上，變化很小，因此交流噪聲容限遠大于直流噪聲容限。聲容限。（a）正脈沖噪聲容限）正脈沖噪聲容限圖圖3.5.27 正脈沖噪聲容限正脈沖噪聲容限 將輸出為高電平將輸出為高電平由額定值降到由額定值降到2.0V時輸時輸入正脈沖的幅度稱為入正脈沖的幅度稱為正脈沖噪聲容限，如正脈沖噪聲容限，如圖圖3.5.27所示所示圖圖3.5.28 負脈沖噪聲容限負脈沖噪聲容