電子線路及數(shù)字邏輯補充內容(二)

1、第二章第二章 門電路門電路 本章要求： 了解TTL集成門電路、TTL與非門、TTL集電極開路與非門，了解三態(tài)輸出與非門、其他類型的TTL門電路。一、門電路一、門電路 實現(xiàn)基本邏輯運算和常用復合邏輯運算的電子電路實現(xiàn)基本邏輯運算和常用復合邏輯運算的電子電路與與 或或 非非 與與 非非 或或 非非 異或異或與或非與或非與與 門門或或 門門非非 門門與與 非非 門門或或 非非 門門異或門異或門與或非門與或非門二、邏輯變量與兩狀態(tài)開關二、邏輯變量與兩狀態(tài)開關低電平低電平 高電平高電平 斷開斷開閉合閉合高電平高電平 3V低電平低電平 0V二值邏輯二值邏輯:所有邏輯變量只有兩種取值所有邏輯變量只有兩種取值

2、( (1 或或 0) )。數(shù)字電路數(shù)字電路:通過電子開關通過電子開關 S 的兩種狀態(tài)的兩種狀態(tài)( (開或關開或關) )獲得高、低電平，用來表示獲得高、低電平，用來表示 1 或或 0。3VIuSOu3VIuSOuIuSOu邏輯狀態(tài)邏輯狀態(tài)1001S 可由可由二極管二極管、三極管三極管或或 MOS 管實現(xiàn)管實現(xiàn)三、高、低電平與正、負邏輯三、高、低電平與正、負邏輯負邏輯負邏輯正邏輯正邏輯0V5V2.4V0.8V 高電平和低電平是兩個不同的可以截然高電平和低電平是兩個不同的可以截然區(qū)別開來的電壓范圍。區(qū)別開來的電壓范圍。010V5V2.4V0.8V10四、分立元件門電路和集成門電路四、分立元件門電路和

3、集成門電路1. 分立元件門電路分立元件門電路用分立的元器件和導線連接起來構成的門電路。用分立的元器件和導線連接起來構成的門電路。2. 集成門電路集成門電路把構成門電路的元器件和連線，都制作在一塊半把構成門電路的元器件和連線，都制作在一塊半導體芯片上，再封裝起來。導體芯片上，再封裝起來。常用：常用：CMOS 和和 TTL 集成門電路集成門電路五、數(shù)字集成電路的集成度五、數(shù)字集成電路的集成度一塊芯片中含有等效邏輯門或元器件的個數(shù)一塊芯片中含有等效邏輯門或元器件的個數(shù)小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路 SSI(Small Scale Integration) 10 門門/ /片片或或 10 000 門門/

4、 /片片或或 100 000 元器件元器件/ /片片2. 1. 1 理想開關的開關特性理想開關的開關特性一、一、 靜態(tài)特性靜態(tài)特性1. 斷開斷開 0 OFFOFF IR，2. 閉合閉合 0 0AKON UR，2. 1 半導體二極管半導體二極管 、三極管、三極管和和 MOS 管的開關特性管的開關特性 SAK二、動態(tài)特性二、動態(tài)特性1. 開通時間：開通時間：2. 關斷時間：關斷時間：閉合）閉合）（斷開（斷開斷開）斷開）（閉合（閉合普通開關：普通開關：靜態(tài)特性好，動態(tài)特性差靜態(tài)特性好，動態(tài)特性差半導體開關：半導體開關：靜態(tài)特性較差，動態(tài)特性好靜態(tài)特性較差，動態(tài)特性好幾百萬幾百萬/ /秒秒幾千萬幾千萬

5、/ /秒秒0on t0off tSAK2. 1. 2 半導體二極管的開關特性半導體二極管的開關特性一、靜態(tài)特性一、靜態(tài)特性1. 外加正向電壓外加正向電壓( (正偏正偏) )二極管導通二極管導通( (相當于開關閉合相當于開關閉合) ) V7 . 0D U2. 外加反向電壓外加反向電壓( (反偏反偏) ) V5 . 0 DU二極管截止二極管截止( (相當于開關斷開相當于開關斷開) ) 0D I硅二極管伏安特性硅二極管伏安特性陰極陰極A陽極陽極KPN結結- -AK+ +DUDIP區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)+- - - - -正向正向導通區(qū)導通區(qū)反向反向截止區(qū)截止區(qū)反向反向擊穿區(qū)擊穿區(qū)0.5 0.7/ /mADI/

6、/V0(BR)UDUD+ +- -Iu+ +- -Ou二極管的開關作用：二極管的開關作用： 例例 V2L II UuuO = 0 VV3H II UuuO = 2.3 V電路如圖所示，電路如圖所示，V3 V 2I或或 u試判別二極管的工作試判別二極管的工作狀態(tài)及輸出電壓。狀態(tài)及輸出電壓。二極管截止二極管截止二極管導通二極管導通 解解 D0.7 V+ +- -二、動態(tài)特性二、動態(tài)特性1. 二極管的電容效應二極管的電容效應結電容結電容 C j擴散電容擴散電容 C D2. 二極管的開關時間二極管的開關時間ontofft電容效應使二極管電容效應使二極管的通斷需要的通斷需要一段延一段延遲時間才能完成遲時

7、間才能完成tIuDit00( (反向恢復時間反向恢復時間) )ns 5)(rroffontttton 開通時間開通時間toff 關斷時間關斷時間一、靜態(tài)特性一、靜態(tài)特性NPN2. 1. 3 半導體三極管的開關特性半導體三極管的開關特性發(fā)射結發(fā)射結集電結集電結發(fā)射極發(fā)射極emitter基極基極base集電極集電極collectorbiBiCec( (電流控制型電流控制型) )1. 結構、符號和輸入、輸出特性結構、符號和輸入、輸出特性( (2) ) 符號符號NNP( (Transistor) )( (1) ) 結構結構( (3) ) 輸入特性輸入特性CE)(BEBuufi (4) 輸出特性輸出特性

8、B)(CECiufi iC / mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB = 00 2 4 6 8 4321放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)飽飽和和區(qū)區(qū)0CE uV1CE u0uBE /ViB / A發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏放大放大i C= iB集電結反偏集電結反偏飽和飽和 i C iB兩個結正偏兩個結正偏I CS= IBS臨界臨界截止截止iB 0, iC 0兩個結反偏兩個結反偏電流關系電流關系狀態(tài)狀態(tài) 條條 件件2. 開關應用舉例開關應用舉例 V2 )1(L II Uu V3 )2(H II Uu發(fā)射結反偏發(fā)射結反偏 T 截止截止0 0CB ii V12CCO Vu發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏

9、 T 導通導通+ RcRb+VCC (12V)+uo iBiCTuI3V-2V2 k 100 2.3 k 放大還放大還是飽和？是飽和？bBEIBRuui cCESCCCSBSRUVIIBSB Ii 飽飽和和 T飽和導通條件：飽和導通條件：cCCBSB RVIi + RcRb+VCC +12V+uo iBiCTuI3V-2V2 k 100 2.3 k mA 1mA3 . 27 . 03 mA 06. 0mA210012 cCC RV V)7 . 0(BE uV 3 . 0CESOUu 因為因為所以所以二、動態(tài)特性二、動態(tài)特性ontofft3-2tV/Iu00.9ICS0.1ICSCit0V/Ou

10、 off t三極管飽和程度三極管飽和程度30.3t02. 1. 4 MOS 管的開關特性管的開關特性( (電壓控制型電壓控制型) )MOS（Mental Oxide Semiconductor） 金屬金屬 氧化物氧化物 半導體半導體場效應管場效應管一、一、 靜態(tài)特性靜態(tài)特性1. 結構和特性結構和特性：(1) N 溝道溝道 柵極柵極 G漏極漏極 DB 源極源極 S3V4V5VuGS = 6ViD /mA42643210uGS /ViD /mA43210246810uDS /V可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)UTNiD開啟電壓開啟電壓UTN = 2 V+ +- -uGS+ +- -uDS襯襯底底漏

11、極特性漏極特性轉移特性轉移特性uDS = 6V截止區(qū)截止區(qū)P 溝道增強型溝道增強型 MOS 管管與與 N 溝道有對偶關系。溝道有對偶關系。 (2) P 溝道溝道 柵極柵極 G漏極漏極 DB 源極源極 SiD+ +- -uGS+ +- -uDS襯襯底底iD /mAiD /mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2- 3V- 4V- 5VuGS = - 6V-1-2-3-4-6uGS /VuDS /V可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū) 漏極特性漏極特性 轉移特性轉移特性截止區(qū)截止區(qū)UTPuDS = - 6V開啟電壓開啟電壓UTP = - 2 V參考方向參考方向2. MOS管的開關作用：管

12、的開關作用：TNIUu DDOHOVUu V0OLO Uu(1) N 溝道增強型溝道增強型 MOS 管管+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO+VDD+10VRD20 k GDSuIuOTNIUu 開啟電壓開啟電壓UTN = 2 ViD+VDD+10VRD20 k GDSuIuORONRDTPIUu DDOLO VUu V0OLO Uu(2) P 溝道增強型溝道增強型 MOS 管管-VDD-10VRD20 k BGDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuOTPIUu 開啟電壓開啟電壓UTP = 2 V-VDD-10VRD20 k GDSuIuOiD2. 4 TTL 集成門

13、電路集成門電路（TransistorTransistor Logic）一、電路組成及工作原理一、電路組成及工作原理+VCC(5V)R1uIuo4k AD1T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級D1 保護二極管保護二極管 防止輸入電壓過低。防止輸入電壓過低。當當 uI uB uE現(xiàn)在現(xiàn)在 : uE uB uC ，即，即 發(fā)射結反偏發(fā)射結反偏 集電結正偏集電結正偏 倒置放大倒置放大02. 0 i iii = i ib =(1+ i )ib4.3Vc e 3.6 V1.4V0.7V2.1V V6 . 3 )2(IHI Uu1.4V+VCC(5V)

14、R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y V6 . 3 IHI UuT1 倒置放大狀態(tài)倒置放大狀態(tài)mA 725. 011BCCB1 RuVimA74. 0)1(B1iB2 ii 假設假設 T2 飽和導通飽和導通 V14BECES2C2 uuuT3 、D 均截止均截止mA 2.5 2C2CCCS2 RuVI( (設設1 4 = 20) )mA 125. 02CS2BS2 IIBS2B2B2 , mA 74. 0Iii 則則T2 飽和的假設成立飽和的假設成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思考：思考：D 的作用？的作用？若無若無 D，此時，此時

15、T3 可以可以導通，電路將不能實現(xiàn)導通，電路將不能實現(xiàn)正常的邏輯運算正常的邏輯運算因為因為3.6 ViE1+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y V6 . 3IHI UuT1 倒置放大狀態(tài)倒置放大狀態(tài)T2 飽和，飽和，T3 、D 均截止均截止3.6 2.1 1.4 0.7 1 T4 的工作狀態(tài)：導通的工作狀態(tài)：導通放大還是放大還是飽和？飽和？R3E2B4iii mA 24. 3CS2B2E2 IiimA 0.717 . 03E23 RuiRmA 2.54 iB2ICS2iB1iE1iE2iB4iR3又因為又因為 T3、D 均截止，即均截止，

16、即0 0BS4CS4 II、BS4B4 Ii T4 深度飽和：深度飽和：uO = UCES4 0.3V（無外接負載）（無外接負載）若外接負載若外接負載 RL ： BS4CS4 II O4 Tu的飽和程度的飽和程度RL+VCC0.3 所以所以輸入短路電流輸入短路電流 IIS二、靜態(tài)特性二、靜態(tài)特性1. 輸入特性輸入特性(1)(1) 輸入伏安特性：輸入伏安特性：)(IIufi 1iI+VCC+5 VuI+ +- -uoT1iIuI+ +- -be2be4+VCC+5 VR14k IV/uImA/i012-1V0ILI UumA05. 11BE1CCISI RuVIiV3 . 0ILI UumA 1

17、1ILBE1CCILI RUuVIiISIILIUILUIHIHI低電平輸入電流低電平輸入電流 IIL V6 . 3IHI UumA 0145. 0)V1 . 2(1CCiIHI RVIi 高電平輸入電流高電平輸入電流或輸入端漏電流或輸入端漏電流 IIH即：當即：當 Ri 為為 2.5 k 以上電阻時，輸入由以上電阻時，輸入由低電平低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖礁唠娖? (2) ) 輸入端負載特性：輸入端負載特性：)(iIRfu 1+VCC+5VuI+ +- -uoRiT1iB1uI+ +- -be2be4+VCC+5 VR14k RiRi/ 026412uI / V) ( k 5 . 2i懸空懸空 R

18、V4 . 1I uT2、T4飽和導通飽和導通V3 . 0OLO UuRi = Ron 開門電阻開門電阻（2.5 k）Ron k 7 . 0iRV7 . 0I uT2、T4 截止截止V6 . 3OHO UuRi = Roff 關門電阻關門電阻（ 0.7 k ）即：當即：當 Ri 為為 0 .7 k 以下電阻時以下電阻時 , 輸入端相當于低電平。輸入端相當于低電平。Roff0.7 V1.4 V2. 輸出特性輸出特性)(OOifu uO1+ VCC+ 5 VuI+ +- -+ +- -iOuO / ViO /mA0 10 20 30-10-20-30123: , )1(OLOIHIUuUu 在輸出為

19、低電平條件下，帶灌在輸出為低電平條件下，帶灌電流負載能力電流負載能力 IOL 可達可達 16 mAIHIUu 0.3V:, )2(OHOILIUuUu 受功耗限制，帶拉電流負載能受功耗限制，帶拉電流負載能力力 IOH 可一般為可一般為 400 AILIUu 3.6V 注意：注意： 輸出短路電流輸出短路電流 IOS 可達可達 33 mA，將，將造成器件過熱燒毀造成器件過熱燒毀 ，故門電路，故門電路輸出端不輸出端不能接地能接地！3. 電壓傳輸特性：電壓傳輸特性：)(IOufu 1+VCC+5VuI+ +- -uO+ +- -A B0uO /VuI /V12341234AB 段：段：uI 0.5 V

20、 ， uB1 1.4 V ，T2 、T4 飽和飽和導通，導通， T3 、D 截止。截止。uO = UOL 0.3 V閾值電壓閾值電壓4. 輸入端噪聲容限輸入端噪聲容限uIuO1G1G21min IHUmax ILUNHUNLUOHUOLUmin OHUmax OLUIHUILU輸出高電平輸出高電平 V4 . 2min OH U典型值典型值 = 3.6 V 輸出低電平輸出低電平 V4 . 0max OL U典型值典型值 = 0.3 V 輸入高電平輸入高電平 V0 . 2min IH U典型值典型值 = 3.6 V 輸入低電平輸入低電平 V8 . 0max IL U典型值典型值 = 0.3 V U

21、NH 允許疊加的負向噪聲電壓的最大值允許疊加的負向噪聲電壓的最大值G2 輸入高電平時的輸入高電平時的噪聲容限：噪聲容限：V4 . 0IHminmin OHNH UUUUNL 允許疊加的正向噪聲電壓的最大值允許疊加的正向噪聲電壓的最大值G2 輸入低電平時的輸入低電平時的噪聲容限：噪聲容限：V4 . 0max OLILmaxNL UUU三、動態(tài)特性三、動態(tài)特性傳輸延遲時間傳輸延遲時間1uIuO 50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL 輸出電壓由高到輸出電壓由高到 低時的傳輸延遲低時的傳輸延遲 時間。時間。tpd 平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間2PLHPHLpdttt tPL

22、H 輸出電壓由低到輸出電壓由低到 高時的傳輸延遲高時的傳輸延遲 時間。時間。tPHLtPLH典型值：典型值： tPHL= 8 ns , tPLH= 12 ns最大值：最大值： tPHL= 15 ns , tPLH= 22 ns+VCC+5VR14k AD2T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級D1BT1 多發(fā)射極三極管多發(fā)射極三極管e1e2bc等效電路：等效電路：1. A、B 只要有一個為只要有一個為 0 0.3V1V V1 V)7 . 03 . 0( B1 uT2 、 T4截止截止5VT3 、 D 導通導通 V3.6 V)7 . 07 .

23、 05(O u V3 . 0BA uu V6 . 3 , V3 . 0BA uu V3 . 0 , V6 . 3BA uu2. 4. 2 TTL與非門和其他邏輯門電路與非門和其他邏輯門電路一、一、TTL 與非門與非門0.7VRL3.6V+VCC+5V4k AD2T1T2T3T4D1.6k 1k 130 Y輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級D1BR1R2R3R43.6V3.6V0.7V1V0.3V4.3V2.1V2. A、B 均為均為 1 V6 . 3BA uu理論：理論： V3 . 4 V)7 . 06 . 3( B1 u實際：實際： V1 . 2 V)7 . 03( B1 uT2 、 T4

24、 導通導通T3 、 D 截止截止uO = UCES4 0.3VTTL 與非門與非門RL+VCC+VCC+5V4k AD2T1T2T3T4D1.6k 1k 130 Y輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級D1BR1R2R3R4TTL 與非門與非門整理結果：整理結果：1110ABY00011011ABY ABY&二、二、TTL 或非門或非門+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級1. A、B只要有一個為只要有一個為 1 V6 . 3BA uu V6 . 3 , V3 . 0BA uu V3 . 0 , V6 . 3BA u

25、uT2 、 T4 飽和飽和T2 、T3 、 D 截止截止uO = 0.3V2.1V1V0.3V3.6V0.3VRL+VCC2. A、B 均為均為 0 V3 . 0BA uuiB1、i B1分別流入分別流入T1、T 1 的發(fā)射極的發(fā)射極T2 、 T 2均截止均截止則則 T4 截止截止T3 、 D 導通導通 V3.6 V)7 . 07 . 05(O u+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 0.3 V0.3 ViB1i B1RL輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級TTL 或非門或非門5V1V1V3.6V整理結果：整理結果：1000ABY00011011BA

26、Y ABY1+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級TTL 或非門或非門2. 4. 3 TTL 集電極開路門和三態(tài)門集電極開路門和三態(tài)門一、一、集電極開路門集電極開路門OC 門門(Open Collector Gate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B 1. 電路組成及符號電路組成及符號+V CCRC外外接接YAB&+V CCRCOC 門必須外接負載電阻門必須外接負載電阻和電源才能正常工作。和電源才能正常工作。AB可以線與連接可以線與連接V CC 根據(jù)電路根據(jù)電路需要進行選擇需要進行選擇 2. O

27、C 門的主要特點門的主要特點線與連接舉例：線與連接舉例：21YYY CDAB CDAB +VCCAT1T2T4Y1B+VCCCT 1T 2T 4Y2D+V CCRC+V CCRCABY1AB&G1Y2CD&G2線與線與YCDY外接電阻外接電阻 RC 的估算：的估算：n OC 與非門的個數(shù)與非門的個數(shù)m 負載與非門的個數(shù)負載與非門的個數(shù)k 每個與非門輸入端的個數(shù)每個與非門輸入端的個數(shù)IIH+V CCRC&1&2Y&12&n&m&1kIOHIOH ：OC門截止時的反向漏電流。門截止時的反向漏電流。IIH ：與非門高電平輸入電流與非門高電平輸入電流( (流入流入 接在線上的每個門的輸入端接在線上的每個門的輸入端) )1OHOUu 1. RC 最大值的估算最大值的估算CCCORiVuR IOiiiR IHOHmkInI IHOHmin OHCCmkInIUV IHOHmin OHCCmax CmkInIUVR iOiI UOH minRC 外接電阻外接電阻 RC 的估算：的估算：+V CCRC&1&2Y&12&n&m&1k2. RC 最小值的估算最小值的估算OLOUu 0最不利的情況：最不利的情況：只有一個只有一個 OC 門導通，門導通，iR 和和 iI 都流入該門。都流入該門。IOL： OC 門帶灌電流負載的能