课题五-分立元件门电路及TTL集成门电路.

1、 n了解门电路的电路结构及性能特点n熟练掌握各种门的功能。熟练掌握各种门的功能。一一 半导体二极管、三极管的开关特性半导体二极管、三极管的开关特性开关特性开关特性体现开关作用体现开关作用静态特性静态特性转换过程转换过程动态特性动态特性理想开关特性理想开关特性Z0 短路、相当开关闭合短路、相当开关闭合Z 断路、相当开关断开断路、相当开关断开D正偏正偏D导通导通UD很小很小电路导通电路导通 UD 0.7V,硅管硅管 UD 0.3V,锗管锗管D反偏反偏D截止截止UD很大很大电路断开电路断开注注:讲课如不特殊说明讲课如不特殊说明,均以硅管为例均以硅管为例.D正偏时，正偏时，PN结电阻较小。加上反压结电

2、阻较小。加上反压后，形成较大的后，形成较大的I2；尔后，随着结电；尔后，随着结电阻的增加，反向电流逐渐减小，直至阻的增加，反向电流逐渐减小，直至漏电流漏电流Is。DRDUiV+iVt1V2VDIt1I2Iret21 . 0 IIs反向恢复过程反向恢复过程:反向恢复时间反向恢复时间 tre说明说明: 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。所需的时间。电流由,I 1 . 0RVI222R导通导通截止截止S3V0VSRRD3V0V二极管的开关特性二极管的开关特性10KVcc=5V1k Vo =30iVT截止截止饱和饱和Vbe Vb

3、c反偏（或Ibs ，开关闭合。VVRRVIicesCccCcesccbsb3 . 0 , VVT从：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 开关时间开关时间:说明说明: 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。max9 . 0cImax1 . 0cIdtrtstftcit0iVt0fsoffrdontttttt开启 延时 上升关闭 存储 下降饱和饱和3V0VuO 0uO UCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V对应三种基本逻辑运算，有三种基本门电路电路电路 5V A

4、0V BFRD1D2Vcc（5V）原理原理VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 0V 5V 0.7V 5V 0V 0.7V 5V 5V 5 V 电路分析要求出输入的电路分析要求出输入的各种组合与输出的关系各种组合与输出的关系电位表：电位表：VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 0V 5V 0.7V 5V 0V 0.7V 5V 5V 5 V 0低电位低电位1高电位高电位真值表真值表: A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1实现实现了与了与逻辑逻辑功能功能实现实现了与了与逻辑逻辑功能功能符号符号ABF&国标国标 惯用惯用 国外国外ABFABF电路

5、电路 5V A0V BFRD1D2原理原理VA VB VF D1 D20V 0V 0V 0V 5V 4.3V 5V 0V 4.3V 5V 5V 4.3V 电位表：电位表：0低电位低电位1高电位高电位真值表真值表: A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1实现实现了或了或逻辑逻辑功能功能实现实现了或了或逻辑逻辑功能功能符号符号国标国标 惯用惯用 国外国外FAB1ABFABF符号符号电路电路原理原理VA VF T0V 5V 5V 0.3V 电位表：电位表：真值表真值表: A F 0 1 1 0实现实现了非了非逻辑逻辑功能功能实现实现了非了非逻辑逻辑功能功能ARbRcVcc( 5V

6、)FT国标国标 惯用惯用 国外国外FA1AFFA把单级门电路把单级门电路级联级联起来起来,构成复合门构成复合门,如如:与非门、或非门等等与非门、或非门等等。异或门YY与非门YABY或非门同或门YYYY国标国标 惯用惯用 国外国外ABABABABABABABY&Y1Y=1Y=ABABABABVA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 0V 5V 0.7V 5V 0V 0.7V 5V 5V 5 V 高电平（高电平（1）低电平（低电平（0） 5V A0V BFRD1D2Vcc（5V）电位表：电位表： A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1高电平（高电平（0）低电平（

7、低电平（1） A B F 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0真值表真值表真值表真值表正与逻辑正与逻辑负或逻辑负或逻辑FABFAB等价等价 正逻辑正逻辑 门电路的输入、输出电压定义为：门电路的输入、输出电压定义为： 负逻辑负逻辑说明：说明： 前面所述基本门电路均以正逻辑定义。前面所述基本门电路均以正逻辑定义。 同一个逻辑门电路，在不同逻辑定义下，同一个逻辑门电路，在不同逻辑定义下， 实现的逻辑功能不同。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数字系统中，不是采用正逻辑就是采用 负逻辑，而负逻辑，而不能混合使用不能混合使用。 本书中采用本书中采用正正逻辑系统。逻辑系统。

8、低电位低电位 0高电位高电位 1 门电路的输入、输出电压定义为：门电路的输入、输出电压定义为：低电位低电位 1高电位高电位 0 正负逻辑转换正负逻辑转换（只需了解）（只需了解）依据依据:BAFBAFBAFABF 一个门的输入和输出同一个门的输入和输出同时取反，则：时取反，则： 正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑目的：目的：方法：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。Y&AB&CDEH正负逻辑转换举例正负逻辑转换举例Y&AB&CDEH正负逻辑转换举例正负逻辑转换举例HECDABY Y&AB&CDEH1

9、.奇数级，前后取反2.相互抵消3.与门或门11Y&AB&CDEH11HCDEABEHECDABY )(三三 TTLTTL集成门电路集成门电路( (与非门与非门) ) 二极管-晶体三极管逻辑门（DTL）集集 晶体三极管-晶体三极管逻辑门 （TTL）成成 双极型 射极耦合逻辑门 （ECL）逻逻 集成注入逻辑门电路 （ ）辑辑 N沟道MOS门 (NMOS)门门 单极型(MOS型) P 沟道MOS门 (PMOS) 互补MOS门 (CMOS)LI2CBAF+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 多发射极多发射极输入级输入级中间中间倒相级倒相级推挽推挽输出级输出

10、级输入级由多发射极晶体管输入级由多发射极晶体管T1和基极电组和基极电组R1组成，它组成，它实现了输入变量实现了输入变量A、B、C的与运算。的与运算。BFRD1D3Vcc（5V）D2ACD4中间级是放大中间级是放大级，由级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极的集电极C2和和发射极发射极E2可以可以分提供两个相分提供两个相位相反的电压位相反的电压信号信号C2E2输出级：由输出级：由T3、T4、T5和和R4、R5组成，其中组成，其中T3、T4构成复合构成复合管，与管，与T5组成推拉式输出结构组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。，具有较强的负载能力。“0”1VVb1=0.3+0.7=1V

11、Vb1=0.3+0.7=1V三个三个PN结结导通需导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1VVV 3.63.60.3T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T5T5截止截止1. 输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时不足以让不足以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube4 3.6V高电平！高电平！ 1. 1. 输入有低电平（输入有低电平（0.3V0.3V）时）时( (续续) )T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T5T5截止截止T3T3微饱和微饱和T4T4放大放大结论结论1:输

12、入有低时输入有低时,输出为高输出为高T1:T1:倒置倒置全饱和导通全饱和导通Vb1=2.1VVc1=1.4V全反偏全反偏 1V截止截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时2.1V1.4VT1管管:Ve1=3.6V Vb1=2.1V Vc1=1.4VT1管在倒置工作状态管在倒置工作状态3.6VT2,T5管饱和导通,Vce2=0.3V所以:Vc2=1VT3:放大 Vb4=0.3V T4:截止0.3VT2:T2:饱和饱和T5:T5:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止放大放大+5VFR2R13kT2R3

13、T1T5b1c1ABC饱和饱和uF=0.3V 2. 2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V3.6V）时）时( (续续) )饱和饱和3.6VT1:T1:倒置倒置T2:T2:饱和饱和T5:T5:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止结论结论2:输入全高时输入全高时,输出为低输出为低T5饱和,Vce5=0.3V工作原理小结工作原理小结:1. 输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时 V VF F=3.6V=3.6V2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时 V VF F=0.3V=0.3VT1:T1:倒置倒置T2:T2:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截

14、止T5:T5:饱和饱和T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T3T3微饱和微饱和T4T4放大放大T5T5截止截止CBAF3. 逻辑功能逻辑功能3.3 3.3 输入多发射极的作用输入多发射极的作用 TTLTTL集成门在输入级采用集成门在输入级采用晶体管晶体管多发射极多发射极，其作用是其作用是: :1.1.参数一致性好参数一致性好; ;2.2.缩小体积缩小体积; ;3.3.缩短缩短T2T2从饱和向截止的转换时间从饱和向截止的转换时间加速转换过程加速转换过程。 ( (即加速输入由全即加速输入由全“1 1”输入有输入有“0 0”的转换过程的转换过程) )输出级采用输出级采用推挽电路推挽电路提供比较大的带

15、负载能力提供比较大的带负载能力.n电压传输特性电压传输特性 V VO O = = f(Vf(Vi i) )n输入输入/ /输出特性输出特性VOH输出高电平，输出高电平，VOL输出低电平，输出低电平，VOFF关门电平，关门电平，VON开门电平：开门电平：VT门坎电平，门坎电平，噪声容限：噪声容限：VNH ，VNL。 输入伏安特性输入伏安特性 ii = f（Vi）输入负载特性输入负载特性 Vi = f（Ri）开门电阻开门电阻 RON，关门电阻，关门电阻 ROFF输出特性输出特性 Vo = f（ io ）输出低电平，输出低电平， 输出高电平输出高电平输入短路电流输入短路电流IIS输入漏电流输入漏电流

16、IIH灌电流灌电流 拉电流拉电流扇出系数扇出系数ViVo&VVVCC输出电压输出电压V VO O随输入电压随输入电压V Vi i变化的关系曲线，即变化的关系曲线，即 V VO O = = f f(V(Vi i) )。测试电路测试电路传输特性曲线传输特性曲线V0(V)Vi(V)1233.6VBCDE0.6V 1.4V0A1. 电压传输特性曲线电压传输特性曲线电压传输特性分析电压传输特性分析V0(V)Vi(V)1233.6VBCDE0.6V 1.4V0ABCBC段：段：线性区，当线性区，当0.6VV0.6VVi i1.3V1.3V，0.7VV0.7VV b2 b21.4V1.4V时，时，T

17、 T2 2开始导通，开始导通，T T5 5仍截止，仍截止，V VC2C2随随V Vb2b2升高而下降，经升高而下降，经T T3 3、T T4 4两级射随器使两级射随器使V VO O下降。下降。ABAB段：段：截止区截止区, ,当当V VI I0.6V0.6V，V Vb1b11.3V1.3V时，时，T T2 2、T T5 5截止，输出高电平截止，输出高电平V VOH OH = 3.6V= 3.6VCDCD段：段：转折转折,V Vi i=1.4V,T2=1.4V,T2、T5T5饱和。饱和。DEDE段：段：饱和区饱和区,V Vi i1.4V1.4VV VO O0.3V0.3VVOL输出低电平：输出低

18、电平：与非门输入有低时，与非门输入有低时，Vo VOH 产品规范值产品规范值:VOH2.4V典典 型型 值值: VOH3.5V标准高电平标准高电平: VOH=VSH=2.4V与非门输入全高时，与非门输入全高时，Vo VOL 产品规范值产品规范值:VOL0.4V典典 型型 值值: VOL0.3V标准高低平标准高低平: VOL=VSL=0.4V1. VOH 和和 VOL都是对具体门输出高、低电平都是对具体门输出高、低电平电压值电压值的的 要求。要求。2.高电平表示一种状态，低电平表示另一种状态，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，而不是一个固定值。一种状态对应一

19、定的电压范围，而不是一个固定值。说明：说明：0V5V2.4VVSLVSH0.4VVOFF关门电平：关门电平：VON开门电平：开门电平：VT门坎电平：门坎电平：与非门在保证输出为标准高电平时，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。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，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。允许的最小输入高电平值。 VON2 VVVVVOFFONT4 . 12此时输入有低此时输入有低此时输入全高此时输入全高VSHVONVOFFVSLVNHVNL1100定义：定义：高电平噪声容限高电平噪声容限VNH VSH VO

20、N 2.420.4V低电平噪声容限低电平噪声容限VNL VOFF VSL 0.80.4V0.4V在保证在保证输出输出高、低电平高、低电平性质性质不变不变的条件下，输入电平的允许波动的条件下，输入电平的允许波动范围称为范围称为输入端噪声容限输入端噪声容限。 输入伏安特性输入伏安特性：输入电压与输入电流之间的关系曲线，：输入电压与输入电流之间的关系曲线，即即ii = f（Vi）+5VR2R13kT2T1ViIR1Ii-1.4mA1.4Vii3.6ViVIISIIH=50A测试电路测试电路特性曲线特性曲线 输入短路电流输入短路电流IISVi = 0V时由输入端流出的电流。时由输入端流出的电流。 mA

21、. K.IIS413705- +5VR2R13kT2T1ViIR1IiIIS-1.4mAVi = 01.4V时时, IC1变化很小变化很小, Ii的的绝对值也只略有绝对值也只略有减少。减少。ii3.6ViV1.4V设定设定正方正方向向输入有低输入有低,T2截止。截止。+5VR2R13kT2T1ViIR1Ii-1.4mAIC1假定假定正方正方向向Vi = 3.6V时时,由输入端流入的电流。由输入端流入的电流。IIH=50Aii3.6ViVIIS1.4VIIHVi 1.4V时时, T5始始导通，导通，IC1迅速增迅速增大大 Ii迅速减小。迅速减小。= 3.6V输入全高，输入全高，T1倒置，倒置，I

22、i流入流入T1条件：前级输出为条件：前级输出为 低电平。低电平。R1T1+5V前级前级后级后级对前级而言，电流对前级而言，电流灌入，称灌入，称灌电流，灌电流，约约1.4mA（IIS）+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1 R1T1+5V前级前级后级后级反偏反偏+5VR4R2R5T3T4 条件：前级输出为条件：前级输出为 高电平。高电平。对前级而言，电流对前级而言，电流流出，称流出，称拉电流，拉电流，约约50A （IIH）3.6V即输入端通过电阻即输入端通过电阻R接地时的特性接地时的特性输入端输入端“1”,“0”？+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 输入负载特

23、性输入负载特性ViRIViVT=1.4V 时时,相当输入低电平相当输入低电平，所以输出为高电平。所以输出为高电平。)U5(RRRV1be1iRR33 . 4R较小时较小时R增大时增大时RVi=VT 时，输入变高，时，输入变高，输出变低电平。此时输出变低电平。此时Vi1.4V。1.4ViVR0+5VR13kT1ABCRiViVi=VT 时，时，T2、T5导通，导通，Vb12.1V,使使Vi钳在钳在1.4V。R单位单位: K1. 悬空的输入端悬空的输入端（Ri）相当于接高相当于接高电平。电平。2. 为了防止干扰，可将悬空的输入为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平（如端接高电平（如Vcc）。）。开

24、门电阻开门电阻 RON关门电阻关门电阻 ROFF在保证与非门输出为在保证与非门输出为低低时，时，允许输入电阻允许输入电阻R R的最的最小小值。值。在保证与非门输出为在保证与非门输出为高高时，时，允许输入电阻允许输入电阻R R的最的最大大值。值。RON2 KROFF0.8 K当当RI RON时时，相当输入高电平。相当输入高电平。当当RI ROFF时时，相当输入低电平。相当输入低电平。&ABYR的表达式时和写出例YRKR100101&ABYV1V23.6VA&BYV1V2500读数和求例212VV说明说明:输出为低输出为低,灌电流负载。灌电流负载。ILFT4T5RLVCCI

25、L0VOL20mA0.4V T5饱和饱和,Rce5很小很小,故故IL上升时上升时,VOL上升很慢上升很慢,基本呈线性关系。基本呈线性关系。当当VOL VSL0.4V后，后，低低电平输电平输出逻辑关系被破坏出逻辑关系被破坏,故故IL灌灌受限制。受限制。+5VFR4R5T3T4T5RLIL说明说明:输出为高输出为高, ,拉电流负载。拉电流负载。I IL L较小时较小时,T3,T3处在浅饱和区处在浅饱和区( (V VCE3CE3 较大较大) )，I IL LI IR4R4 V VR4R4 V VCE3CE3 VVO O基本不变。基本不变。当当I IL L5mA5mA后后,T3,T3进入饱和区，进入饱和区， V VCE3CE3V VCES3CES3保持不变，保持不变，V VO O随随I IL L上升而下降。上升而下降。IL0VO3.6V2.4V20mA5mAIR4当当V VOHOHV VSHSH2.4V2.4V后后, ,高高电平输出电平输出逻辑关系被破坏逻辑关系被破坏, ,故故I IL L拉拉 受限制。受限制。门电路输出驱动同类门的个数门电路输出驱动同类门的个数+5VR4R2R5