第二章--邏輯門電路基礎(chǔ)(簡介)

1、55555 二極管正偏時(shí)導(dǎo)通，管壓降為二極管正偏時(shí)導(dǎo)通，管壓降為0V0V，流過二極管，流過二極管的電流大小決定于外電路，相當(dāng)于開關(guān)閉合。二極的電流大小決定于外電路，相當(dāng)于開關(guān)閉合。二極管反偏時(shí)截止，流過二極管的電流為管反偏時(shí)截止，流過二極管的電流為0 0，相當(dāng)于開，相當(dāng)于開關(guān)打開，二極管兩端電壓的大小決定于外電路。這關(guān)打開，二極管兩端電壓的大小決定于外電路。這就是二極管的靜態(tài)開關(guān)特性。就是二極管的靜態(tài)開關(guān)特性。 二極管的靜態(tài)開關(guān)特性是指二極管穩(wěn)定地處于二極管的靜態(tài)開關(guān)特性是指二極管穩(wěn)定地處于導(dǎo)通和穩(wěn)定處于截止時(shí)的特性。導(dǎo)通和穩(wěn)定處于截止時(shí)的特性。給二極管電路加入一個(gè)方波信號(hào)，電流的波形怎樣呢？

2、給二極管電路加入一個(gè)方波信號(hào)，電流的波形怎樣呢？ 二極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性是指二極管從一個(gè)狀態(tài)到二極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性是指二極管從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的過渡過程中的特性。另一個(gè)狀態(tài)的過渡過程中的特性。55t treret ts s十十t tt t稱為反向恢復(fù)時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間t ts s為存儲(chǔ)時(shí)間為存儲(chǔ)時(shí)間t tt t為渡越時(shí)間為渡越時(shí)間+區(qū)區(qū)PN耗盡層LpnL區(qū)中電子區(qū)中空穴濃度分布濃度分布PN(a)(b)x 同理，二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄒ残枰獣r(shí)間，同理，二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄒ残枰獣r(shí)間，這段時(shí)間稱為開通時(shí)間。開通時(shí)間比反向恢復(fù)時(shí)間這段時(shí)間稱為開通時(shí)間。開通時(shí)間比反向恢復(fù)時(shí)間要小得多，一般可

3、以忽略不計(jì)。要小得多，一般可以忽略不計(jì)。55正向時(shí)正向時(shí)反向時(shí)反向時(shí)5 三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性是指三極管從一個(gè)三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性是指三極管從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的過渡過程中的特性。狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的過渡過程中的特性。 三極管的靜態(tài)開關(guān)特性是指三極管穩(wěn)定地三極管的靜態(tài)開關(guān)特性是指三極管穩(wěn)定地處于飽和或截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的特性。處于飽和或截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的特性。55例例2-1 判斷圖電路中三極管的狀態(tài)，其中判斷圖電路中三極管的狀態(tài)，其中Rb=2k，RC=2k，VCC=12V，=50。 將三極管拿將三極管拿開，發(fā)射結(jié)零偏，開，發(fā)射結(jié)零偏，所以三極管截止。所以三極管截止。5例例2-2 電路及參數(shù)如圖所示，三極管的電

4、路及參數(shù)如圖所示，三極管的VBE=0.7V，60，輸入電壓，輸入電壓vi取值取值3V和和-2V。（1）當(dāng)）當(dāng)vi3V時(shí)判斷三極管的狀態(tài)，并求出時(shí)判斷三極管的狀態(tài)，并求出iC和和vo的的值。值。（2）當(dāng)）當(dāng)vi-2V時(shí)判斷三極管的狀態(tài)，并求出時(shí)判斷三極管的狀態(tài)，并求出iC和和vo的的值。值。55解：（解：（1）vi3V 因?yàn)橐驗(yàn)閕BIBS 所以三所以三極管處于飽和狀態(tài)，如極管處于飽和狀態(tài)，如右圖中的右圖中的E點(diǎn)所示。點(diǎn)所示。)mA(23. 0107 . 03iB 0083(mA). 010605RVICCCBS V.VvCESo30)mA(4 . 0103 . 05iC7（2）vi-2V 因?yàn)橐?/p>

5、為vBE 0，反，反偏，所以三極管處于偏，所以三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，如右圖中截止?fàn)顟B(tài)，如右圖中的的A點(diǎn)所示。點(diǎn)所示。Vvo50iC5NPN型三極管三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)型三極管三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)5（二）雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性（二）雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性5幾個(gè)時(shí)間概念幾個(gè)時(shí)間概念5幾個(gè)時(shí)間概念幾個(gè)時(shí)間概念5正向時(shí)正向時(shí)反向時(shí)反向時(shí)5viVT時(shí)，管子處于線性電時(shí)，管子處于線性電阻區(qū)，阻區(qū)，vo=0。5MOS管相當(dāng)于一個(gè)由管相當(dāng)于一個(gè)由vGS控制控制的無觸點(diǎn)開關(guān)。的無觸點(diǎn)開關(guān)。MOS管工作在可變電阻區(qū)，管工作在可變電阻區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)相當(dāng)于開關(guān)“閉合閉合”，輸出為低電平。輸出為低電平。MOS管截止，

6、管截止，相當(dāng)于開關(guān)相當(dāng)于開關(guān)“斷開斷開”輸出為低電平。輸出為低電平。1.當(dāng)輸入為低電平時(shí)：當(dāng)輸入為低電平時(shí)：2.當(dāng)輸入為高電平時(shí)：當(dāng)輸入為高電平時(shí)：55正邏輯體制和負(fù)邏輯體制正邏輯體制和負(fù)邏輯體制正邏輯體制正邏輯體制: :將高電平用邏輯將高電平用邏輯1 1表示，低電平用邏輯表示，低電平用邏輯0 0表示表示負(fù)邏輯體制負(fù)邏輯體制: :將高電平用邏輯將高電平用邏輯0 0表示，低電平用邏輯表示，低電平用邏輯1 1表示表示5一、正與門電路一、正與門電路5正邏輯體制正邏輯體制邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式5負(fù)邏輯體制負(fù)邏輯體制邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式55正邏輯體制正邏輯體制負(fù)邏輯體制呢負(fù)

7、邏輯體制呢? ?55 二極管邏輯門電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，二極管邏輯門電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，簡單的串聯(lián)連接就可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的簡單的串聯(lián)連接就可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，但是這些電路的輸出電阻邏輯運(yùn)算，但是這些電路的輸出電阻大，帶載能力差，開關(guān)性能不理想，大，帶載能力差，開關(guān)性能不理想，所以引入所以引入TTLTTL邏輯門電路。邏輯門電路。5與非與非或非或非TTL集成電路分為：集成電路分為： 74系列：用于民用電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，系列：用于民用電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，工作溫度為工作溫度為0-70。 54系列：用于軍用電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，系列：用于軍用電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，工作溫度為工作溫度為-55- +

8、125。TTL的含義：的含義：Transistor Transistor Logic 5 TTL邏輯門電路由若干雙極型三極管邏輯門電路由若干雙極型三極管(BJT)和電阻組成。和電阻組成。 TTL：Transistor Transistor Logic 輸出級(jí)輸出級(jí)T3、D、T4和和Rc4構(gòu)成推拉式的構(gòu)成推拉式的輸出級(jí)。用于提高輸出級(jí)。用于提高開關(guān)速度和帶負(fù)載開關(guān)速度和帶負(fù)載能力。能力。中間級(jí)中間級(jí)T2和電阻和電阻Rc2、Re2組成，從組成，從T2的集的集電結(jié)和發(fā)射極同時(shí)電結(jié)和發(fā)射極同時(shí)輸出兩個(gè)相位相反輸出兩個(gè)相位相反的信號(hào)，作為的信號(hào)，作為T3和和T4輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)信輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；號(hào)；輸入級(jí)

9、輸入級(jí)T1和電阻和電阻Rb1組成。用于提組成。用于提高電路的開關(guān)速度高電路的開關(guān)速度55（一）輸入（一）輸入VI為高電平為高電平3.6V時(shí)時(shí)VB1=5VVBE1=1.4VVB1=4.3VVB1=2.1V倒置狀態(tài)倒置狀態(tài)Vo=0.3VVC2=1V飽和飽和飽和飽和截止截止截止截止，輸出為低電平輸出為低電平0.3V開門開門5VB1=5VVBE1=4.7VVB1=1V飽和飽和Vo=3.6VVB4=5V截止截止截止截止飽和飽和導(dǎo)通導(dǎo)通，輸出為高電平輸出為高電平3.6V關(guān)門關(guān)門1 1、輸入級(jí)采用三極管以提高工作速度。、輸入級(jí)采用三極管以提高工作速度。5二、二、TTLTTL非門的電壓傳輸特性曲線和電路參數(shù)非

10、門的電壓傳輸特性曲線和電路參數(shù)（一）電壓傳輸特性曲線（一）電壓傳輸特性曲線截止區(qū)截止區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)5開門開門關(guān)門關(guān)門輸出高電平輸出高電平標(biāo)準(zhǔn)輸出高電平標(biāo)準(zhǔn)輸出高電平V VSHSH輸出低電平輸出低電平標(biāo)準(zhǔn)輸出低電平標(biāo)準(zhǔn)輸出低電平V VSLSL輸入高電平輸入高電平開門電平開門電平輸入低電平輸入低電平關(guān)門電平關(guān)門電平5輸入高電平噪聲容限輸入高電平噪聲容限VNHV OH（min）-VON V OH（min）- V IH（min） 2.4V-2.0V0.4V。輸入低電平噪聲容限輸入低電平噪聲容限VNLV OFF-V OL（max） V IL（max） -V OL（max） 0.8V-0.4V

11、0.4V。 50.4V0.8V2.4V2.0V51輸入低電平電流輸入低電平電流IILVB1=1V)mA(RVVIbBCCIL1415115 當(dāng)門電路的輸入當(dāng)門電路的輸入端接低電平時(shí)，從門端接低電平時(shí)，從門電路輸入端流出的電電路輸入端流出的電流。流。2輸入高電平電流輸入高電平電流IIHVB1=2.1V倒置狀態(tài)倒置狀態(tài) 輸入高電平電流輸入高電平電流IIH是三級(jí)管是三級(jí)管VT1的發(fā)的發(fā)射結(jié)反向飽和電流，射結(jié)反向飽和電流，值很小，幾乎為值很小，幾乎為0。5 當(dāng)門電路的輸入當(dāng)門電路的輸入端接高電平時(shí)，流入端接高電平時(shí)，流入輸入端的電流。輸入端的電流。).V(RRRvCCbiiI701vI的極限值為的極限

12、值為1.4V。51關(guān)門電阻關(guān)門電阻ROFF2開門電阻開門電阻RON三極管三極管VT3處于關(guān)門狀態(tài)處于關(guān)門狀態(tài)).(RRR.bii705801 1094iOFFRRSN7404：三極管三極管VT3處于開門狀態(tài)處于開門狀態(tài)).(RRR.bii705411 1931iONRRSN7404：Ri應(yīng)該大于應(yīng)該大于4805驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)門負(fù)載門負(fù)載門62最大輸出低電平電流最大輸出低電平電流I OL（max)3 3輸出低電平時(shí)的扇出系數(shù)輸出低電平時(shí)的扇出系數(shù)灌電流負(fù)載灌電流負(fù)載1TTL非門的低電平非門的低電平輸出特性曲線輸出特性曲線 把驅(qū)動(dòng)門對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)輸出低電平把驅(qū)動(dòng)門對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)輸出低電平USL時(shí)，灌入其輸時(shí)，灌入

13、其輸出端的電流。出端的電流。IL(max)OLOLIIN6（二）（二）TTL非門的高電平輸出負(fù)載特性非門的高電平輸出負(fù)載特性驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)門負(fù)載門負(fù)載門62最大輸出高電平電流最大輸出高電平電流I OH（max）3輸出高電平時(shí)的扇出系數(shù)輸出高電平時(shí)的扇出系數(shù)1TTL非門的低電平非門的低電平輸出特性曲線輸出特性曲線拉電流負(fù)載拉電流負(fù)載 把驅(qū)動(dòng)門對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)輸出高電平把驅(qū)動(dòng)門對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)輸出高電平USH時(shí)拉出其輸出時(shí)拉出其輸出端的電流。端的電流。IH(max)OHOHIIN6輸出低電平時(shí)的扇出系數(shù)輸出低電平時(shí)的扇出系數(shù)IL(max)OLOLIIN輸出高電平時(shí)的扇出系數(shù)輸出高電平時(shí)的扇出系數(shù)IH(max)OHOH

14、IIN6截止延遲時(shí)間截止延遲時(shí)間tPHL輸出信號(hào)輸出信號(hào)vo由高電平轉(zhuǎn)為低電平的時(shí)間。由高電平轉(zhuǎn)為低電平的時(shí)間。導(dǎo)通延遲時(shí)間導(dǎo)通延遲時(shí)間 tPLH 輸出信號(hào)輸出信號(hào)vo由低電平轉(zhuǎn)為高電平的時(shí)由低電平轉(zhuǎn)為高電平的時(shí)間。一般間。一般tPLH tPHL。非門的傳輸延遲時(shí)間非門的傳輸延遲時(shí)間tpd是是tPHL和和tPLH的平均值。的平均值。 一般一般TTL非門傳輸延遲時(shí)間非門傳輸延遲時(shí)間tpd的值為幾納秒十幾個(gè)納秒。的值為幾納秒十幾個(gè)納秒。2PHLPLHpdttt61. 1. 功率損耗功率損耗靜態(tài)功耗：指的是當(dāng)電路沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗，即靜態(tài)功耗：指的是當(dāng)電路沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗，即門電路空載時(shí)電源總

15、電流門電路空載時(shí)電源總電流I ID D與電源電壓與電源電壓V VDDDD的乘積，靜的乘積，靜態(tài)功耗比較低，因此態(tài)功耗比較低，因此CMOSCMOS電路廣泛用于要求功耗較低電路廣泛用于要求功耗較低或電池供電的設(shè)備，如筆記本、手機(jī)等?；螂姵毓╇姷脑O(shè)備，如筆記本、手機(jī)等。動(dòng)態(tài)功耗：指的是電路在輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗。動(dòng)態(tài)功耗：指的是電路在輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗。靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗動(dòng)態(tài)功耗動(dòng)態(tài)功耗6 對(duì)于對(duì)于TTLTTL門電路來說，靜態(tài)功耗是主要的。門電路來說，靜態(tài)功耗是主要的。CMOSCMOS電路的靜態(tài)功耗非常低，主要是動(dòng)態(tài)功耗。電路的靜態(tài)功耗非常低，主要是動(dòng)態(tài)功耗。2. 延時(shí)延時(shí) 功耗積功耗積 是速度功耗

16、綜合性的指標(biāo)。延時(shí)是速度功耗綜合性的指標(biāo)。延時(shí) 功耗積功耗積，用符，用符號(hào)號(hào)DP表示。表示。PD為門電路的功耗為門電路的功耗 一個(gè)邏輯門電路的一個(gè)邏輯門電路的DP值越小，它的特性越接近值越小，它的特性越接近理想情況。理想情況。2PHLPLHpdttt)J(PtDPDpd6666A+BA+B6AB+CDAB+CD6A+BABAB+A+B引入引入（一）普通的（一）普通的TTL門電路輸出門電路輸出端直接相連的后果端直接相連的后果使得輸出為使得輸出為低電平的邏低電平的邏輯門的輸出輯門的輸出級(jí)損壞級(jí)損壞6（二）集電極開路的（二）集電極開路的TTL門電路門電路6（三）集電極開路的（三）集電極開路的TTL門

17、電路可以實(shí)現(xiàn)線與運(yùn)算門電路可以實(shí)現(xiàn)線與運(yùn)算使用時(shí)的外電路連接上拉電阻使用時(shí)的外電路連接上拉電阻R RP P線與可以實(shí)現(xiàn)與或非運(yùn)算線與可以實(shí)現(xiàn)與或非運(yùn)算6外接上拉電阻值的計(jì)算方法外接上拉電阻值的計(jì)算方法 OC門上拉電阻最大值的計(jì)算門上拉電阻最大值的計(jì)算 為保證為保證OC與非門輸出的高電平不低于高電平的下與非門輸出的高電平不低于高電平的下限限VOH(min)，Rp的值不能選得太大，即要保證的值不能選得太大，即要保證 Rp(max)=6OC門上拉電阻最小值的計(jì)算門上拉電阻最小值的計(jì)算。 應(yīng)當(dāng)確保在最不利的應(yīng)當(dāng)確保在最不利的情況下，即只有一個(gè)情況下，即只有一個(gè)OC與非門的輸出級(jí)三極管與非門的輸出級(jí)三極

18、管T3處于飽和狀態(tài)。這時(shí)所有處于飽和狀態(tài)。這時(shí)所有負(fù)載電流全部流入唯一的負(fù)載電流全部流入唯一的那個(gè)處于飽和狀態(tài)的輸出那個(gè)處于飽和狀態(tài)的輸出級(jí)三極管級(jí)三極管T3的集電極，輸?shù)募姌O，輸出的低電平要低于輸出低出的低電平要低于輸出低電平的上限電平的上限V OL(max)。 R p(min) = OC門上拉電阻門上拉電阻RP的取值應(yīng)在的取值應(yīng)在RP（min）和和RP（max）之間之間666六個(gè)子部件六個(gè)子部件兩兩之間建兩兩之間建立連接立連接六個(gè)子部件六個(gè)子部件通過總線建通過總線建立連接立連接單向總線單向總線三態(tài)門實(shí)三態(tài)門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸向傳輸66工作管工作管負(fù)載管負(fù)載管CMOS邏輯門電路是由邏

19、輯門電路是由N溝道溝道MOSFET和和P溝道溝道MOSFET互補(bǔ)而成。互補(bǔ)而成。VTN = 2 VVTP = 2 V6)v(fvio（1）工作速度快）工作速度快（2）靜態(tài)功耗低）靜態(tài)功耗低（3）扇出系數(shù)大）扇出系數(shù)大6邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)電路電路 傳輸門中傳輸門中TP和和TN的襯底分別接的襯底分別接- -5V5V和和+5V+5V，輸入信，輸入信號(hào)的變化范圍為號(hào)的變化范圍為- -5V5V +5V +5V。C=0C=0的電的電平值為平值為-5V-5V，C=1C=1的的電平值為電平值為+5V+5V，開，開啟電壓啟電壓VVTN = 3V，VVTP=-3V。當(dāng)當(dāng)C=0時(shí)，時(shí)，TP和和TN均截止，均截止，TG

20、關(guān)閉關(guān)閉C=1時(shí)，時(shí)，TG工作。工作。6雙向模擬開關(guān)雙向模擬開關(guān)VTN = 2 VVTP = 2 V6VTN = 2 VVTP = 2 V6BA XBALBABABABABA6 2.驅(qū)動(dòng)器件的輸出電壓必須處在負(fù)載器件所要求的驅(qū)動(dòng)器件的輸出電壓必須處在負(fù)載器件所要求的輸入電壓范圍，包括高、低電壓值（屬于輸入電壓范圍，包括高、低電壓值（屬于電壓兼容性電壓兼容性的的問題）。問題）。 在數(shù)字電路或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，往往將在數(shù)字電路或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，往往將TTL和和CMOS兩兩種器件混合使用，以滿足工作速度或者功耗指標(biāo)的要求。種器件混合使用，以滿足工作速度或者功耗指標(biāo)的要求。由于每種器件的電壓和電流參數(shù)各不相

21、同，因而在這兩種由于每種器件的電壓和電流參數(shù)各不相同，因而在這兩種器件連接時(shí)，驅(qū)動(dòng)器件和負(fù)載器件器件連接時(shí)，驅(qū)動(dòng)器件和負(fù)載器件要滿足要滿足以下兩個(gè)條件：以下兩個(gè)條件： 1.驅(qū)動(dòng)器件必須對(duì)負(fù)載器件提供足夠大的拉電流和驅(qū)動(dòng)器件必須對(duì)負(fù)載器件提供足夠大的拉電流和灌灌電流電流（屬于（屬于門電路的扇出數(shù)門電路的扇出數(shù)問題）；問題）；6 驅(qū)動(dòng)電路必須能為負(fù)載電路提供足夠的驅(qū)動(dòng)電路必須能為負(fù)載電路提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電流 驅(qū)動(dòng)電路必須能為負(fù)載電路提供合乎相驅(qū)動(dòng)電路必須能為負(fù)載電路提供合乎相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的高、低電平應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的高、低電平 一、一、TTL與與CMOS器件之間的接口問題器件之間的接口問題61 1、多余輸入端的處理、多余輸入端的處理（1 1）對(duì)于負(fù)載電流較小，對(duì)于負(fù)載電流較小，用門電路直接驅(qū)動(dòng)，如顯示用門電路直接驅(qū)動(dòng)，如顯示器件或繼電器器件或繼電器 二、二、TTL和和CMOS電路帶負(fù)載時(shí)的接口問題電路帶負(fù)載時(shí)的接口問題61 1、多余輸入端的處理、多余輸入端的處理（1 1）對(duì)于與非門及與門，多）對(duì)于與非門及與門，多余輸入端應(yīng)接余輸入端應(yīng)接高電平高電平，比如，比如直接接電源正端，或通過一直接接電源正端，或通過一個(gè)上拉電阻（個(gè)上拉電阻（1 13kW3kW）接電）接電源正端；在前級(jí)驅(qū)動(dòng)能力允源正端；在前級(jí)驅(qū)動(dòng)能力允許時(shí)，