逻辑门电路知识

第3章逻辑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MOS门电路

3.1分立元件门电路3.1.1二极管开关特性○理想开关特性开关断开时，通过开关的电流为零，其间的电阻为无穷大开关闭合时，其间的电阻为无穷大开关的开闭动作瞬时完成○二极管开关特性导通时，硅管正向压降为0.7V,锗管正向压降为0.2V载止时，其饱和电流极小，相当于一个大电阻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·理想开关特性·二极管的一个重要参数－反向恢复时间(a)(b)(c)(d)2

iEVORCECVIRB000VIiCiCVOttttontoffVCEICStd1trtftd290%10%晶体三极管开关特性·晶体三极管的三种工作状态截止状态放大状态饱和状态·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真值表逻辑符号二极管与门电路4VA(V)(a)VbABRFVB(V)VF(V)0.72.32.32.303030033ABF011101010011ABFVa>电位关系真值表逻辑符号二极管或门电路5iEVORC1KEC+12VVIR1

1.5KEB

-12VEQ+2.5VR2

18Kβ=303.2V0.3VIEVORC1KEC+12VVIR1

1.5KEB

-12VEQ+2.5VR2

18KRL1RL2ECECIRCILIEVORC1KEC+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&ABF3.1.3复合门电路与非门电路的实现7iEFRCEC+12VR1EB

-12VEQ+2.5VR2VbABVaPCC1ABP011101010011F1000>ABFR或非门电路的实现83.2TTL集成与非门电路----3.2.1TTL电路结构(Transistor–Transistor-Logic)IE2R2750ECVIAIR2VOBCR13kIB1IB2R5100IE3R3360R43kQ1Q2Q3Q5Q4图3.2.1TTL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

·多发射极输入

(Q1与R1为输入级，完成与功能)·Q2,R2,R3为中间级，完成对输出级的驱动

(Q2截止时；Q3,Q4导通，Q5截止

Q2导通时；Q3,Q4截止，Q5

导通)·

Q3,Q4,Q5,R4,R5为输出级

(Q3,Q4为Q5的有源负载)·

EC增大有助于可靠性的提高，但功耗也增大，通常TTL电路的工作电压为5V

(EC增大，“1”电平的电压范围与“0”电平的电压范围的距离增大，抗干扰能力强，可靠性提高)93.2TTL集成与非门电路----3.2.2TTL电路的工作原理__高电平输入时的分析IE2R2750ECAIR2VOBCR13kIB1IB2R5100IE3R3360R43kQ1Q2βQ1>5Q3Q5Q4图3.2.1TTL与非门电路VI

工作原理分析1.A,B,C输入全为高电平(3.6V)时·Q1的各工作参数VA,VB,VC为3.6V(高电平)Q1工作于倒置状态,发射极做集电极用,集电极做发射极用。βQ1≈0.2B12.1VC1C21V·Q2的各工作参数所需最小βQ1为·Q5的各工作参数E2,B50.7V因此,Q5深度饱和,允许的灌电流可以很大·Q3,Q4的各工作参数B4E30.3V0.3V因VBE3+VBE4=1.0,Q3,Q4不可能同时导通,这里,因R4的存在,Q3导通,Q4截止·功率消耗1.4V104.3VC2,B33.2TTL集成与非门电路----3.2.2TTL电路的工作原理__低电平输入时的分析IE2R2750ECAIR2VOBCR13kIB1IB2R5100IE3R3360R43kQ1Q2βQ1>5Q3Q5Q4图3.2.1TTL与非门电路VI

工作原理分析1.A,B,C输入有一个为低电平(0.3V)时·Q1的各工作参数VA为0.3V(低电平)VB,VC为3.6V(高电平)Q1深度饱和VCE1=0.1VVC1=0.4VQ2,Q5截止B11.0VC1·Q2,Q5的各工作参数·Q4的各工作参数·Q3的各工作参数B4E33.6V假定βQ3=20,IB3=1.4/20=70uA,则·功率消耗0.4VQ2,Q5截止但由于IE3*R3>>IB3*R24.95VQ3处于微饱和状态(Q3集电结正偏)C3,C44.86V综合上述情况,可知Q4处于微导通状态(不带负载和Q5截止)113.2TTL集成与非门电路----3.2.2TTL电路的工作原理__总结·TTL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饱和·输出级的情况·主要特点

1.输出无论是0或1,输出电阻都较小,带负载能力较强,输出脉冲的动态特性好

2.静态消耗相对较小,在动态时可能存在Q1,Q2,Q3,Q4,Q5同时导通瞬间,出现尖峰电流01020304050600.51.01.52.0IL(mA)VOL(V)01020304050601.02.03.04.0IL(mA)VOH(V)图3.2.2输出低电平时的输出特性图3.2.3输出高电平时的输出特性输出为低电平时的输出电阻为Q5饱和下的集电极与发射机间的导通电阻.输出为高电平时的输出电阻为Q3,Q4组成的射极输出器的输出电阻.

特点·输出电阻小,允许较大的灌电流·随灌电流的增大,饱和深度减弱,输出电压上升

特点·射极输出器的输出电阻很小,允许较大的拉电流·随拉电流的增大,Q3饱和加,IE4增大,复合管β下降,输出电阻上升,输出电压下降123.2TTL集成与非门电路----3.2.3TTL与非门的传输特性·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化关系，它是反映门电路的抗干扰能力以及动态特性的一个重要指标。·各输入电压段的输出电压分析

1.AB段___VI<0.6V,输出为高电平

输入低电平,Q1深度饱和,Q2,Q5截止,Q3微饱和,Q4

微导通.VOH=3.6V维持不变,处于关门状态.2.BC段___VI=0.6~1.4V,输出电压缓慢下降

输入超过标准的低电平,VC1≈0.7-1.4V.因VB2>0.7V,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)所对应的输入电压VI=0.8V,成为关门电平VIoff.3.CD段___VI

≈

1.4V,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___VI>>

1.4V,输出为低电平

VI>1.4V,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.00.511.522.531.02.03.04.0VI(V)VO(V)ABCDE图3.2.2TTL与非门的电压传输特性·由上述可见,所谓输入低电平,输出就为高电平,此低电平有一定的范围;同样所谓输入高电平,输出就为低电平,此高电平也有一定的范围.·有了一定的范围,就意味着具有抗干扰的能力.·低电平噪声容限制___在额定低电平(0.35V)的输入山能叠加正向最大干扰电压,而输出高电平仍不低于额定值(3.6V)的90%.即VNL=VIoff-VIL=0.8-0.35=0.45V.·高电平噪声容限制___额定高电平(3.6V)的输入山能叠加负向最大干扰电压,而输出电平仍维持额定值.即

VNH=VIH-VIon=3.6-1.8=1.8V.133.2TTL集成与非门电路----3.2.4TTL与非门的性能指标·主要特点1.输出高,低电平(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0.35V.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RL=(EC-VOL)/IL=(5-0.35)/12=380Ω

2.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<=1.8V

5.关门电平VOFF输出电平为额定高电平VOH的90%时所对应的输入电平,他表示与非门关断时的最大允许输入电平,通常其值VIoff>=0.8V

6.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.