数字电子技术基础6

第二章门电路逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。逻辑变量取值0和1：电子电路中用高、低电平来表示。高、低电平：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）表示两种工作状态。2.1二极管和三极管的开关特性2.1.2二极管的开关特性二极管符号：正极负极＋uD－

二极管伏安特性曲线2.1.1理想开关的开关特性1.静态特性由上图可以看出：①二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡、压降很小（硅管为0.7V，锗管为0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关。②二极管加反向电压时截止，反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断开的开关。把uD<UT=0.5V看成是硅二极管的截止条件。Ui=-2V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。ui＝3V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝2.3V。静态开关特性2.动态特性

在低速脉冲电路中，二极管开关由接通到断开，或由断开到接通所需要的转换时间通常是可以忽略的。然而在数字电路中，二极管开关经常工作在高速通断状态。由于PN结中存储电荷的作用，及结电容CJ和扩散电容CD的存在，二极管开关状态的转换不能瞬间完成，需经历一个过程。二极管开关的转换过程如图所示。二极管开关的转换过程开通时间ton当输入电压uI，由UIL跳变到UIH时，二极管D要经过导通延迟时间td、上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。其原因在于，当uI正跳变时，只有当PN结中电荷量减少，PN结才由反偏转换到正偏，也即Cj放电，CD充电关断时间toff当输人电压uI。由UIH跳变到UIL时，二极管D经过存储时间ts、下降时间(也称为渡越时问)tf之后，才会由导通状态转换到截止状态。ts是存储电荷消散时间，tf是PN结由正偏到反偏，PN结中电荷量逐渐增加到截止状态下稳态值的时间，也即CD放电、Cj充电的时间。关断时间toff也称为反向恢复时间，常用trr表示。2.1.3三极管的开关特性

由三极管的工作原理可知，三极管的输出特性可划分为3个区域：截止区、放大区和饱和区。三极管在输入信号的作用下稳定地处于饱和区时就相当于开关接通；处于截止区时相当于开关断开。①ui=UIL=-2V时，三极管截止，基极电流：ib≈0，ic≈0，uo≈Vcc=12V②ui＝UIH=3V时，三极管导通，基极电流：三极管临界饱和时的基极电流：因为iB>IBS，三极管工作在深度饱和状态。输出电压：uo＝UCES＝0.3V静态开关特性＋－RbRc+VCCbce＋－截止状态ui=UIL<0.5Vuo=+VCC＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V饱和状态ui=UIHuo=0.3V3.动态特性

晶体三极管在截止状态和饱和状态之间转换时的过渡特性称为三极管的动态特性。

如果在三极管基极输入一个理想的矩形波，而集电极电流iC的波形却不是理想的矩形波，如下图所示，其上升沿和下降沿变化缓慢，而且上升部分和下降部分与输入波形相比都有时间延迟。这说明三极管饱和与截止状态之间的转换过程需要一定的时间才能完成，即三极管开关在动态情况下也存在一定的开关时间。开关时间的大小将直接影响三极管的开关速度。三极管的动态态开关特性2.1.4MOS管的的开关特性MOS晶体管MOS:（Metal-Oxide-Semiconductor）金属─氧化物─半半导体MOS晶体管管是MOS逻逻辑门的基本本构成部分；；MOS：①源极S、漏极D、栅极G；；②是电压控制制器件；③栅极电压控控制漏源电流流。以N沟道增强强型为例分析析其特性。1．输出特性曲曲线和阈值电电压①当VGS<VTN时，→T截截止，iD=0②当VGS≥VTN时，→T导通通，iD>0三个工作区：：Ⅰ区：VDS很小，即VDS<VGS-VTN，iD随VDS线性上升。且VGS不同，上升的的斜率就不同同为可变电阻区；Ⅱ区：VDS较大，有：VDS≥（VGS-VTN），iD基本不变为恒流区；Ⅲ区：VGS<VTN时，iD=0，截止区。注意：开关应应用时MOS管交替工作于于截止区和可可变电阻区。。2．转移特性和和跨导转移特性：VDS一定时，iD与VGS之间的关系gm表示VGS对iD的控制能力。。3．输入电阻阻和输入电容容rin>1012Ω(静态负载载能力很强)Cin<几皮法(为为动态MOS电容和大规规模存储电路路的实现创造造了条件)4．直流导通通电阻ronMOS管的开开关作用当ui较小时MOS管截止uo=VDD当ui较大时MOS管导通动态特性2.2分分立元件门电电路1、二极管与门Y=AB2、二极管或门Y=A+B3、三极管非门①uA＝0V时，三三极管截止，，iB＝0，iC＝0，输出电电压uY＝VCC＝5V②uA＝5V时，三三极管导通。。基极电流为为：iB＞IBS，三极管工作作在饱和状态态。输出电压压uY＝UCES＝0.3V。。三极管临界饱饱和时的基极极电流为：2.3CMOS集成门门电路CMOS反相相器CMOS集成成电路是用N沟道MOS管和P沟道道MOS管按按互补对称的的方式连接起起来构成的一一种电路形式式。常用（CD4000）系系列2.4TTL集成成门电电路TTL门电路路是晶体管-晶体管逻辑辑（Transistor-TransistorLogic）门门电路的简称称，这种电路路由于其输入入级和输出级级均采用晶体体三极管而得得名。按照国际通用用标准，根据据工作温度不不同，TTL电路分为54系列（-55℃～125℃）和和74系列（（0℃～70℃）；根据据工作速度和和功耗不同，，TTL电路路又分为标准准系列、高速速（H）系列列、肖特基（（S）系列和和低功耗肖特特基（LS））系列。2.4.1TTL非非门(反相器器）一.TTL非门的电路路结构TTL非门的的基本电路如如下图所示，，它由输入级级、中间级和和输出级三部部分组成。①输入信号uA=0V0V则uB1=0+0.7=0.7V，T2、T4截止，T3、D导通忽略iB3，输出端的电电位为：输出Y为高电电平uY≈5―0.7―0.7＝＝3.6V3.6V②输入信号uA=3.6V2.1V则uB1=2.1V，，T2、T4导通，T3、D截止输出端的电位位为：uY=UCES＝0.3V输出Y为低电平。2.TTL非门的工作作原理（1）当A端端输入为低低电平0V时时，T1的发射结导通通，其基极电电压等于输入入低电压加上上发射结正向向压降。此此时ib2=0，T2、T4都截止,ub3≈5V，T3和D导通,输输出电压为：：uo=3.6V实实现了“输输入为低，输输出为高”的的逻辑关系。。（2）当A输入高电电平3.6V时，T1处于发射结和和集电结处于于倒置使用的的放大状态。。当ub1达到2.1V时T1的BC结和T2、T4饱饱和导通，输输出为低电平平，即uo≈UCES≈0.3V此时uC2=UCES2+uB4=0.3+0.7=1.0V使T3和D处于截止止状态。实现了“输入入为高，输出出为低”的逻逻辑关系。输入特性及有有关参数输入特性是门门电路输入电电流和输入电电压之间的关关系。它反映映电路对前级级信号源的影影响并关系到到如何正确地地进行门电路路之间以及门门电路与其他他电路之间的的连接问题。。（1）输入特性性1.输入伏安安特性反映输入电流流iI和uI关系的曲线为为输入伏安特特性曲线①输入短路路电流IISui=0时的输入入电流称为输输入短路电流流IIS。测试时，被被测的输入端端接地，相当当于反相器输输入端流出的的的电流。IIS典型值为1.5mA左右右，不得大于于2.2mA。②输入漏电电流IIH非门输入端为为高电平ui=3.6V时时，此时T1为倒置工作状状态。IIH为流入高电平平输入端的电电流，称为输输入漏电流。。IIH典型值为10μA,不得得超过70μμA。（2）输入入负载特性输入负载特性性指当输入端端接上电阻Ri时，ui随Ri变化的关系。。在具体使用门门电路时，往往往需要在输输入端与地之之间或者输入入端与信号之之间接入电阻阻，TTL门门电路输入端端接电阻时的的等效电路如如图所示。TTL门电路路输入端接电电阻时的等效效电路（1）开门电阻阻Ron要使反相器输输出uo≤0.3V，Ri只需大于2.5KΩ。因此把2.5KΩ作为开门电阻阻，用RON表示。（2）关门电阻Roff当Ri＜0.7KΩ时，反相器就就会输出高电电平。因此把把0.7KΩ定位关门电阻阻，用Roff表示。因此当Ri＞Ron时，反相器输输出低电平当Ri＜Roff时，反相器输输出高电平当Roff＜Ri＜Ron时，反相器输输出为不稳定定状态。二、输出特性性反相器输出电电压uo与输出电流io之间的关系当uo输出为低电平平时为灌电流流负载当uo输出为为高电平时为为拉电流负载载1.输出低低电平时的输输出特性ui=UIHuo=UOL2.输出高电电平时的输出出特性ui=UILuo=UOH（三）电压压传输特性电压传输特性性是指门电路路输出电压uo随输入电压ui变化的特性，，通常用电压压传输特性曲曲线来表示，，如图所示。。由图可见，随随着ui从0逐渐增大大，uo的变化过程可可分为4个阶阶段。（1）ui＜0.5Vuo=3.6V为为截止区（（AB段）（2）ui＞0.6V为为线性区区（BC段））（3）ui接近1.4V为转折区区（CD段））此点电压为为反相器的翻翻转阀值用Uth表示。（4）ui＞1.4Vuo≤0.3V为为饱和区（（DE段）2.输入信信号噪声容限限在由若干门电电路组成的数数字电路中，，前一级门电电路的输出，，就是后一级级门电路的输输入，因此与与噪声容限有有直接关系的的参数是：输出高电平UOH：UOH是反相器处于于截止状态时时的输出电压压，其典型值值是3.6V，产品规规定的最小值值UOHmin=2.4V。输出低电平UOL：UOL是反相器处于于导通状态时时的输出电平平，其典型值值是0.3V，产品规规定的最大值值是UOLmax=0.4V。输入高电平UIH：UIH是对应于逻辑辑1状态的输输入电压，其其典型值是3.6V，，产品规定的的最小值UIHmin=2.0V。人们常把把它称为开门门电平，并记记作Uon它是保证反相相器处于导通通状态所允许许的uI的最小值。输入低电平UIL：UIL是对应于逻辑辑0状态的输输入电压，其其典型值是0.3V，，产品规定的的最大值UILmax=0.8V，并称之为为关门电平，，用Uoff表示。它是保保证反相器处处于截止状态态所允许的uI的最大值。噪声容限示意意图2.4V2.0V0.8V0.4V允许叠加在输输入高电平的的最大噪声电电压称为高电电平噪声容限限UNH。由图可知UNH=UOHmin-UIHmin当UOHmin=2.4V、、UIHmin=2.0V时时，UNH=0.4V。。允许叠加在输输入低电平的的最大噪声电电压称为低电电平噪声容限限UNL。由图可知UNL=UILmax-UOLmax当UILmax=0.8V、、UOLmax=0。4V时，，UNL=0.4V。三.动动态特性性1.传传输延迟迟时间是指如果果在门电电路的输输入端加加一个理理想的矩矩形波，，实验和和理论分分析都证证明，在在输出端端得到的的脉冲不不但要比比输入脉脉冲滞后后，而且且波形的的边沿也也要变坏坏。TTL非门门的传输输时间波波形如图图所示。。定义平均均传输时时间tpd2.动态态尖峰电电流当ui=UIL=0VuB1=0.7VT2、T4截止，输输出无负负载时iB1iccui=0V（1）静静态电源源电流ui=3.6V当ui=UIH=3.6VuB1=2.1VT2、T4导通，T3、D截止止iB1icciC2（2）动动态电源源尖峰电电流在uI由UIL跳变到uIH过程中，，icc会略有过过冲。但但是，当当uI由UIH跳变为UIL时，电路路在状态态转换期期间会出出现很大大的动态态电源尖尖峰电流流。因为为在uI=UIH时，T2、T4饱和，尤尤其是T4，其饱和和程度很很深，当当uI由UIH跳变到UIL时，T2很快截止使使T3、D导通，，而T4还来不及退退出饱和状状态，于是是从Vcc，经R4、T3、D、T4形成了低阻阻通路，显显然在这种种情况下，，电源电流流icc要出现很大大的尖峰，，如下图2.4.2几几种常用门门电路一、TTL与非门电路特点：输入级采采用多发射射极晶体管管，其他部部分与TTL反相器器相同。通通过多发射射极晶体管管实现与逻逻辑。TTL与非非门的真值值表ABCY00010011010101111001101111011110与非门典型型产品：74LS00内含4个2输入入与非门，，74LS20内含2个个4输入与与非门。反相器典型型产品：74LS04内含6个反相器器或非门典型型产品：74LS02内含4个2输入入或非门TTL与或或非门电路路与或非门典典型产品：：74LS51内含含2个2×2输入与与或非门四、TTL异或门有时需将两两个以上的的门输出端端并联以实实现与逻辑辑的功能，，把这种连连接方式称称为“线与与”。如果果将两个普普通门电路路的输出端端连接在一一起，如图图所示。当当一个门的的输出处于于高电平，，而另一个个门的输出出为低电平平时，将会会产生很大大的电流，，有可能导导致器件损损坏，无法法形成有用用的线与逻逻辑关系。。2.4.3集电电极开路与与非门（OC门）集电极开路路与非门是是将推拉式式输出级改改为集电极极开路的三三极管结构构，做成集集电极开路路输出的门门电路（OpenCollectorGate），，简称为OC门，其其电路如图图所示。将OC门输输出连在一一起时，再再通过一个个电阻接外外电源，这这样可以实实现“线与与”逻辑关关系。只要要电阻的阻阻值和外电电源电压的的数值选择择得当，就就能做到既既保证输出