逻辑门电路知识

1、第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路本章讲述分立元件门电路，本章讲述分立元件门电路，TTL集成与非门电路，其它双极型门电路和集成与非门电路，其它双极型门电路和MOS门电路门电路 3.1 分立元件门电路分立元件门电路3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性 理想开关特性理想开关特性(1) 开关断开时，通过开关的电流为零，其间的电阻为无穷大开关断开时，通过开关的电流为零，其间的电阻为无穷大(2) 开关闭合时，其间的电阻为无穷大开关闭合时，其间的电阻为无穷大(3) 开关的开闭动作瞬时完成开关的开闭动作瞬时完成 二极管开关特性二极管开关特性(1) 导通时，硅管正向压降为导通时，硅管正向压降为0.7V,锗管

2、正向压降为锗管正向压降为0.2V(2) 载止时，其饱和电流极小，相当于一个大电阻载止时，其饱和电流极小，相当于一个大电阻(3) 导通和载止并非瞬间完成导通和载止并非瞬间完成1ES+ V -RiES+ V -Ri(a)(b)D+ VD -R(a)i0.7VVDi0(b)二极管的伏安特性tV0D+ VD -RiV1V2ti0IfIrVti0IfIrRD=0二极管开关特性二极管开关特性理想开关特性理想开关特性二极管的一个重要参数反向恢复时间二极管的一个重要参数反向恢复时间(a)(b)(c)(d)2 iEVORCECVIRB000VIiCiCVOttttontoffVCEICStd1trtftd290

3、%10%晶体三极管开关特性晶体三极管开关特性晶体三极管的三种工作状态晶体三极管的三种工作状态1. 截止状态2. 放大状态3. 饱和状态晶体三极管的开关参数晶体三极管的开关参数3VA(V)VbABREC(+12V)FVB(V)VF(V)0.70.70.73.703030033ABF000101010011&ABFVa3.1.3 简单门电路电位关系电位关系真值表真值表逻辑符号逻辑符号二极管与门电路二极管与门电路4VA(V)(a)VbABRFVB(V)VF(V)0.72.32.32.303030033ABF011101010011ABFVa电位关系电位关系真值表真值表逻辑符号逻辑符号二极管或

4、门电路二极管或门电路5iEVORC 1KEC +12VVIR1 1.5KEB -12VEQ +2.5VR2 18K=303.2V0.3VIEVORC 1KEC +12VVIR1 1.5KEB -12VEQ +2.5VR2 18KRL1RL2ECECIRCILIEVORC 1KEC +12VVIR1 1.5KEB -12VEQ +2.5VR2 18KIRCILEB -12VRL3.1.3 简单门电路反相器电路灌电流负载方式拉电流负载方式6iEFRCEC +12VR1EB -12VEQ +2.5VR2VbABVaEC +12VPCRC1ABP000101010011F1110&ABF3.1

5、.3 复合门电路与非门电路的实现7iEFRCEC +12VR1EB -12VEQ +2.5VR2VbABVaPCC1ABP011101010011F1000ABFR或非门电路的实现83.2 TTL集成与非门电路-3.2.1 TTL电路结构 (Transistor Transistor -Logic)IE2R2750ECVIAIR2VOBCR13kIB1IB2R5100IE3R3360R43kQ1Q2Q3Q5Q4图3.2.1 TTL与非门电路Q1: 多发射极三极管 A BC相当于多个二极管 电路构成分析电路构成分析 多发射极输入多发射极输入 (Q1与与R1为输入级，完成与功能为输入级，完成与功能

6、)Q2,R2,R3为中间级，完成对输出级的为中间级，完成对输出级的驱动驱动 (Q2截止时；截止时；Q3,Q4导通，导通，Q5截止截止 Q2导通时；导通时；Q3,Q4截止，截止，Q5 导通导通) Q3,Q4,Q5,R4,R5为输出级为输出级 (Q3,Q4为为Q5的有源负载的有源负载) EC增大有助于可靠性的提高，但功增大有助于可靠性的提高，但功耗也增大，通常耗也增大，通常TTL电路的工作电电路的工作电压为压为5V (EC增大，增大，“1”电平的电压范围与电平的电压范围与“0”电平的电压范围的距离增大，电平的电压范围的距离增大，抗干扰能力强，可靠性提高抗干扰能力强，可靠性提高)93.2 TTL集成

7、与非门电路-3.2.2 TTL电路的工作原理_高电平输入时的分析IE2R2750ECAIR2VOBCR13kIB1IB2R5100IE3R3360R43kQ1Q2 Q15Q3Q5Q4图3.2.1 TTL与非门电路VI 工作原理分析工作原理分析1. A,B,C输入全为高电平输入全为高电平(3.6V)时时Q1的各工作参数的各工作参数VA,VB,VC为3.6V(高电平)Q1工作于倒置状态倒置状态,发射极做集电极用,集电极做发射极用。Q1 0.2B1 2.1VC1C2 1VmA97.031.25=RUE=I=I11BC1R1B-mA16.1=2.1*97.0=)+1(I=I1Q1B1CmA2.0I=I

8、1Q1B1EQ2的各工作参数的各工作参数mA3.575.015=RVE=II22CC2R2C-6.4=16.13.5=II=2B2C2Q所需最小所需最小Q1为为mA46.6=3.5+16.1=I+I=I2C2B2EQ5的各工作参数的各工作参数E2, B50.7VmA52.4=RVI=II=I35B2E3R2E5B-因此因此,Q5深度饱和深度饱和,允许的灌电流可以很大允许的灌电流可以很大V3.0=V=V5CEOLQ3,Q4的各工作参数的各工作参数B4E30.3V0.3V因因VBE3+VBE4=1.0, Q3,Q4不可能同时导通不可能同时导通,这里这里,因因R4的存在的存在,Q3导通导通,Q4截止

9、截止mAIR103304.mA1.0=II4R5RmA37.6=1.0+3.5+97.0=I+I+I=I5R2R1REL功率消耗功率消耗mW32=5*37.6=E*I=PCEL1.4V104.3VC2,B33.2 TTL集成与非门电路-3.2.2 TTL电路的工作原理_低电平输入时的分析IE2R2750ECAIR2VOBCR13kIB1IB2R5100IE3R3360R43kQ1Q2 Q15Q3Q5Q4图3.2.1 TTL与非门电路VI 工作原理分析工作原理分析1. A,B,C输入有一个为低电平输入有一个为低电平(0.3V)时时Q1的各工作参数的各工作参数VA为0.3V(低电平)VB,VC为3

10、.6V(高电平) Q1深度饱和 VCE1=0.1VVC1=0.4VQ2,Q5截止B1 1.0VC1mA3.1=315=RUE=I=I11BC1R1B-Q2,Q5的各工作参数的各工作参数3B2RIIQ4的各工作参数的各工作参数Q3的各工作参数的各工作参数B4E33.6V假定假定Q3=20, IB3=1.4/20=70uA, 则则mA4.1=33.4=I4RmA7.2=4.1+3.1=I+I=I3E1REH功率消耗功率消耗mW5.13=5*7.2=E*I=PCEL0.4VQ2,Q5截止截止0I4EC43E3BE23BE=R*I+V+RI但由于但由于IE3*R3IB3*R2V3.47.05=VE=R

11、*I=V3BEC43E3E-V95.4=750*10*705=R*IE=V623BC3B-4.95VV86.4=100*10*4.15=R*IE=V323EC3C-Q3处于微饱和状态处于微饱和状态(Q3集电结正偏集电结正偏)C3,C44.86V综合上述情况综合上述情况,可知可知Q4处于微导通状态处于微导通状态(不带负载和不带负载和Q5截止截止)V6.3=7.03.4=V=V4EOH-113.2 TTL集成与非门电路-3.2.2 TTL电路的工作原理_总结TTL与非门电路各晶体管工作情况与非门电路各晶体管工作情况输入全高有低输出低高Q1Q2Q3Q4Q5倒置饱和微导通截止饱和截止微导通微饱和截止深

12、饱和输出级的情况输出级的情况主要特点主要特点 1. 输出无论是输出无论是0或或1,输出电阻都较小输出电阻都较小,带负载能力较强带负载能力较强,输出脉冲的动态特性好输出脉冲的动态特性好 2. 静态消耗相对较小静态消耗相对较小,在动态时可能存在在动态时可能存在Q1,Q2,Q3,Q4,Q5同时导通瞬间同时导通瞬间,出现尖峰电流出现尖峰电流01020304050600.51.01.52.0IL(mA)VOL(V)01020304050601.02.03.04.0IL(mA)VOH(V)图图3.2.2 输出低电平时的输出特性输出低电平时的输出特性图图3.2.3 输出高电平时的输出特性输出高电平时的输出特

13、性输出为输出为低电平时低电平时的输出电阻为的输出电阻为Q5饱和饱和下下的集电极与发射机间的的集电极与发射机间的导通电阻导通电阻.输出为输出为高电平时高电平时的输出电阻为的输出电阻为Q3,Q4组成组成的的射极输出器射极输出器的的输出电阻输出电阻. 特点特点输出电阻小输出电阻小,允许允许较大的灌电流较大的灌电流随灌电流的增大随灌电流的增大,饱和深度减弱饱和深度减弱,输输出电压上升出电压上升 特点特点射极输出器的射极输出器的输出电阻很输出电阻很小小,允许较大的拉电流允许较大的拉电流随拉电流的增大随拉电流的增大,Q3饱和饱和加加,IE4增大增大,复合管复合管下降下降,输出电阻上升输出电阻上升,输出电压

14、下输出电压下降降123.2 TTL集成与非门电路-3.2.3 TTL与非门的传输特性电压传输特性的定义：电压传输特性的定义： 输入电压由低逐渐变高时，输出电压随之变化的曲线变输入电压由低逐渐变高时，输出电压随之变化的曲线变化关系，它是反映门电路的化关系，它是反映门电路的抗干扰能力抗干扰能力以及以及动态特性动态特性的的一个重要指标。一个重要指标。各输入电压段的输出电压分析各输入电压段的输出电压分析 1. AB段段_VI0.7V,Q2开始导通,VC2随VC1的上升而下降,导致Q3,Q4的导通状态发生变化,因而VO下降.但在这个输入电压范围,Q5仍然截止.把VO下降到90%(3.2V)所对应的输入电

15、压VI=0.8V,成为关门电平VIoff. 3. CD段段_VI 1.4V,输出电压明显下降输出电压明显下降 在VI=1.4V附近,Q2的导通状态让VB5达到0.7V左右,Q5即从导通进入饱和,VO明显下降,出现电压传输特性的转折点. 4. DE段段_VI 1.4V,输出为低电平输出为低电平 VI1.4V,Q5完全饱和导通,Q4截止.VO 0.35V.与非门处于关门状态.对应于VO=0.35V的输入电平称为开门电平,其值VIon约为1.8V.00.5 1 1.5 2 2.5 31.02.03.04.0VI (V)VO (V)A BCDE图图3.2.2 TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输

16、特性由上述可见由上述可见,所谓输入低电平所谓输入低电平,输出就为高电输出就为高电平平,此低电平此低电平有一定的范围有一定的范围;同样所谓输入高同样所谓输入高电平电平,输出就为低电平输出就为低电平,此高电平也此高电平也有一定的有一定的范围范围.有了一定的范围有了一定的范围,就意味着就意味着具有抗干扰的能具有抗干扰的能力力.低电平噪声容限制低电平噪声容限制_在在额定额定低电平低电平(0.35V)的输入山能叠加正向最大干扰电压的输入山能叠加正向最大干扰电压,而输出而输出高电平仍不低于高电平仍不低于额定值额定值(3.6V)的的90%.即即VNL=VIoff-VIL=0.8-0.35=0.45V.高电平

17、噪声容限制高电平噪声容限制_额定高电平额定高电平(3.6V)的的输入山能叠加负向最大干扰电压输入山能叠加负向最大干扰电压,而输出电而输出电平仍维持平仍维持额定值额定值. 即即 VNH=VIH-VIon=3.6-1.8=1.8V.133.2 TTL集成与非门电路-3.2.4 TTL与非门的性能指标主要特点主要特点1. 输出高输出高,低电平低电平(静态值静态值) 输出高电平为3.6V. 某输入输入端接地,其余输入端开路,输出不接负载为条件. 输出低电平为0.35 V.某输入输入端接开门电平(1.8V),其余输入端开路,输出端接额定负载为条件. 假定电源电压EC为5V,灌电流为12mA, 则额定负载

18、RL=(EC-VOL)/IL=(5-0.35)/12=380 2. 输入短路电流输入短路电流IIS 某一输入端接地,其余输入端开路,流入接地输入端的电流即为输入短路电流IIS,通常其值小于2.2mA3. 输入漏电流输入漏电流 某一输入端接高电平,其余输入端接地,流入接高电平输入端的电流即为输入漏电流IIH,通常其值小于 70uA 4. 开门电平开门电平VON 在额定负载条件下,使输出达到规定低电平VOL(0.35V)时输入高电平的最低值,通常其值VIon= 0.8V 6. 扇入扇出系数扇入扇出系数N 扇入系数指一个门电路所能允许的输入端个数.扇出系数指与非门输出端最多能接几个同类与非门的个数.7. 平均传输时间平均传输时间tpd8. 功耗功耗 P=EC*IC143.2 TTL集成与非门电路-3.2.6.4 集电极开路与非门IE3Q4ECIE3Q5ECZECVIAL