课题五-分立元件门电路及TTL集成门电路.ppt

1、参阅教材章节：3.1 基本逻辑门电路 3.2 典型TTL与非门,课题5:分立元件门电路及TTL与非门,中国矿业大学信电学院,本 节 课 内 容,一、二极管和三极管的开关特性 1.1 器件的开关作用 1.2 二极管的开关特性 1.3 三极管的开关特性 二、分立元件门电路 （与门、或门、非门、复合门） 三、TTL集成门电路 （与非门结构、工作原理、外特性,对你的期望,了解门电路的电路结构及性能特点 熟练掌握各种门的功能,一 半导体二极管、三极管的开关特性,1.1 器件的开关作用,1.2 半导体二极管的开关特性,EWB仿真实验,静态特性(开关作用,D正偏D导通UD很小电路导通 UD 0.7V,硅管

2、UD 0.3V,锗管,D反偏D截止UD很大电路断开,注:讲课如不特殊说明,均以硅管为例,实验现象分析,动态特性(转换过程,D正偏时，PN结电阻较小。加上反压后，形成较大的I2；尔后，随着结电阻的增加，反向电流逐渐减小，直至漏电流Is,反向恢复过程,反向恢复时间 tre,说明: 转换时间：截止导通 较小 导通截止较大 故D的开关时间以tre来衡量。 Vi的最高频率以10 tre来取值,相当于 开关断开,相当于 开关闭合,3V,0V,3V,0V,二极管的开关特性,1.3 半导体三极管的开关特性,EWB仿真实验,1.3 半导体三极管的开关特性,实验现象分析,截止,饱和,Vbe Vbc,反偏（或Vth

3、) 反偏， ibic 0，开关断开,正偏 正偏(或零偏）， ib Ibs ，开关闭合,静态特性(开关作用,动态特性,T从： 截止导通 ，建立电荷需要时间 ton 导通截止存储电荷消散需要时间 toff,开关时间,说明: 转换时间：截止导通 时间ton较小 导通截止时间toff较大 toff中 ts占主要部分,三极管的开关特性,3V,0V,uO 0,相当于 开关断开,相当于 开关闭合,uO UCC,3V,0V,二 分立元件门电路,对应三种基本逻辑运算，有三种基本门电路,2.1 二极管与门（D与门,电路,原理,电路分析要求出输入的 各种组合与输出的关系,电位表,2.1 二极管与门(续,0低电位,1

4、高电位,实现了与逻辑功能,实现了与逻辑功能,符号,2 二极管或门（D或门,电路,原理,电位表,0低电位,1高电位,实现了或逻辑功能,实现了或逻辑功能,符号,国标 惯用 国外,2.3 晶体管非门 (反相器,符号,电路,原理,电位表,实现了非逻辑功能,实现了非逻辑功能,2.4 复合门,把单级门电路级联起来,构成复合门,如:与非门、或非门等等,高电平（1） 低电平（0,电位表,高电平（0） 低电平（1,真值表,真值表,正与逻辑,负或逻辑,FAB,FAB,2.5 正负逻辑约定,正逻辑,负逻辑,正逻辑,门电路的输入、输出电压定义为,负逻辑,说明： 前面所述基本门电路均以正逻辑定义。 同一个逻辑门电路，在

5、不同逻辑定义下， 实现的逻辑功能不同。 数字系统中，不是采用正逻辑就是采用 负逻辑，而不能混合使用。 本书中采用正逻辑系统,低电位 0,高电位 1,门电路的输入、输出电压定义为,低电位 1,高电位 0,2.5 正负逻辑约定,正负逻辑转换（只需了解,依据,一个门的输入和输出同时取反，则： 正逻辑负逻辑,目的,方法,从后往前的奇数级上，输入、输出都取反，且 与门或门，或门与门，即可化简电路,化简和转换电路,正负逻辑转换举例,正负逻辑转换举例,1.奇数级，前后取反,2.相互抵消,3.与门或门,三 TTL集成门电路(与非门,集成门电路按开关元件分类,集成：把晶体管、电阻、和导线等封装在一个芯片上,3.

6、1 电路,多发射极 输入级,中间 倒相级,推挽 输出级,输出级：由T3、T4、T5和R4、R5组成，其中T3、T4构成复合管，与T5组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力,1V,Vb1=0.3+0.7=1V,3.6,3.6,0.3,3.2 工作原理,T1深饱和 T2截止 T5截止,1. 输入有低电平（0.3V）时,不足以让 T2、T5导通,1V,uo=5-uR2-ube3-ube43.6V高电平,1. 输入有低电平（0.3V）时(续,T1深饱和 T2截止 T5截止,T3微饱和 T4放大,结论1:输入有低时,输出为高,T1:倒置,Vb1=2.1V Vc1=1.4V,全反偏,1V,2. 输入全为高

7、电平（3.6V）时,2.1V,1.4V,T1管:Ve1=3.6V Vb1=2.1V Vc1=1.4V T1管在倒置工作状态,3.6V,T2,T5管饱和导通, Vce2=0.3V 所以:Vc2=1VT3:放大 Vb4=0.3V T4:截止,0.3V,T2:饱和 T5:饱和,T3:放大 T4:截止,uF=0.3V,2. 输入全为高电平（3.6V）时(续,3.6V,T1:倒置,T2:饱和 T5:饱和,T3:放大 T4:截止,结论2:输入全高时,输出为低,T5饱和, Vce5=0.3V,工作原理小结,输入有低电平（0.3V）时 VF=3.6V,2. 输入全为高电平（3.6V）时 VF=0.3V,T1:

8、倒置 T2:饱和 T3:放大 T4:截止 T5:饱和,T1深饱和 T2截止 T3微饱和 T4放大 T5截止,3. 逻辑功能,3.3 输入多发射极的作用,TTL集成门在输入级采用晶体管多发射极， 其作用是: 1.参数一致性好; 2.缩小体积; 3.缩短T2从饱和向截止的转换时间加速转换过程。 (即加速输入由全“1”输入有“0”的转换过程,3.4 推挽输出电路的作用,输出级采用推挽电路提供比较大的带负载能力,3.5 TTL集成电路的外特性,电压传输特性 VO = f(Vi) 输入/输出特性,VOH输出高电平,VOL输出低电平,VOFF关门电平,VON开门电平,VT门坎电平,噪声容限：VNH ，VN

9、L,输入伏安特性 ii = f（Vi,输入负载特性 Vi = f（Ri,开门电阻 RON,关门电阻 ROFF,输出特性 Vo = f（ io,输出低电平,输出高电平,输入短路电流IIS,输入漏电流IIH,灌电流,拉电流,扇出系数,3.5.1 电压传输特性,输出电压VO随输入电压Vi变化的关系曲线，即 VO = f(Vi,测试电路,传输特性曲线,1. 电压传输特性曲线,电压传输特性分析,BC段：线性区，当0.6VVi1.3V， 0.7VV b21.4V时，T2开始导通，T5仍截止，VC2随Vb2升高而下降，经T3、T4两级射随器使VO下降,AB段：截止区,当VI0.6V，Vb11.3V时，T2、

10、T5截止，输出高电平VOH = 3.6V,CD段：转折,Vi=1.4V,T2、T5饱和,DE段：饱和区,Vi1.4V VO0.3V,2. 几个参数,VOH输出高电平,VOL输出低电平,与非门输入有低时，Vo VOH,产品规范值:VOH2.4V 典 型 值: VOH3.5V 标准高电平: VOH=VSH=2.4V,与非门输入全高时，Vo VOL,产品规范值:VOL0.4V 典 型 值: VOL0.3V 标准高低平: VOL=VSL=0.4V,1. VOH 和 VOL都是对具体门输出高、低电平电压值的 要求。 2.高电平表示一种状态，低电平表示另一种状态， 一种状态对应一定的电压范围，而不是一个固

11、定值,说明,几个参数（续,VOFF关门电平,VON开门电平,VT门坎电平,与非门在保证输出为标准高电平时， 允许的最大输入低电平值。 VOFF0.8V,与非门在保证输出为标准低电平时， 允许的最小输入高电平值。 VON2 V,此时输入有低,此时输入全高,3. 噪声容限,定义： 高电平噪声容限 VNH VSH VON 2.420.4V 低电平噪声容限 VNL VOFF VSL 0.80.4V0.4V,在保证输出高、低电平性质不变的条件下，输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限,3.5.2 输入/输出特性,输入伏安特性：输入电压与输入电流之间的关系曲线，即ii = f（Vi,IR1,Ii,1.4

12、mA,1.4V,IIH=50A,测试电路,特性曲线,输入短路电流IIS,Vi = 0V时由输入端流出的电流,IR1,Ii,1.4mA,Vi = 01.4V时, IC1变化很小, Ii的绝对值也只略有减少,设定正方向,输入有低, T2截止,输入漏电流IIH（输入高电平电流,IR1,Ii,1.4mA,IC1,假定正方向,Vi = 3.6V时,由输入端流入的电流,IIH=50A,Vi 1.4V时, T5始导通，IC1迅速增大 Ii迅速减小,3.6V,输入全高，T1倒置，Ii流入T1,条件：前级输出为 低电平,前级,后级,对前级而言，电流灌入，称灌电流，约1.4mA（IIS,灌电流,前级,后级,拉电流

13、,条件：前级输出为 高电平,对前级而言，电流流出，称拉电流，约50A （IIH,3.6V,即输入端通过电阻R接地时的特性,输入端 “1”,“0”,输入负载特性,Vi,ViVT=1.4V 时,相当输入低电平， 所以输出为高电平,R较小时,R增大时,RVi=VT 时，输入变高， 输出变低电平。此时Vi1.4V,1.4V,Vi=VT 时，T2、T5导通，Vb12.1V,使Vi钳在1.4V,R单位: K,悬空的输入端（Ri）相当于接高电平,2. 为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平（如Vcc,说明,开门电阻 RON,关门电阻 ROFF,在保证与非门输出为低时， 允许输入电阻R的最小值,在保证与非门输

14、出为高时，允许输入电阻R的最大值,RON2 K,ROFF0.8 K,当RI RON时， 相当输入高电平,当RI ROFF时， 相当输入低电平,A,输出特性,输出低电平,说明: 输出为低,灌电流负载,IL,20mA,0.4V,T5饱和,Rce5很小,故IL上升时,VOL上升很慢,基本呈线性关系,当VOL VSL0.4V后，低电平输出逻辑关系被破坏,故IL灌受限制,输出高电平,RL,IL,说明: 输出为高,拉电流负载,IL较小时,T3处在浅饱和区(VCE3 较大)，ILIR4 VR4 VCE3 VO基本不变,当IL5mA后,T3进入饱和区， VCE3VCES3保持不变，VO随IL上升而下降,3.6V,2.4V,20mA,5mA,IR4,当VOHVSH2.4V后,高电平输出逻辑关系被破坏,故IL拉 受限制,门电路输出驱动同类门的个数,前级输出为 高电平时拉电流负载,扇出系数,因IL拉受限制，故负载数量有限,前级,前级输出为 低电平时灌电流负载,因IL灌受限制，故负载数量有限,一般与非门的扇出系数为8,由于IOL、IOH的限制，每个门电路输出端所带门电路的个数有限,工作速度,tpd1,tpd2,平均传输时间,3.6 主要性能,改进措施 (自学,主要取决于存储时间ts， 5管门电路 tpd40ns,负载能力,空载功耗,抗干扰能力,扇出系数 N8