第二章 门电路
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第二章 门电路. 本章重点 半导体二极管和三极管(包括双极型和 MOS 型)开关状态下的等效电路和外特性 TTL 电路的外特性及其应用(难点) CMOS 电路的外特性及应用. §2.1 概述. 在工程中每一个逻辑符号都对应着一种电路,并通过集成工艺作成一种集成器件,称为集成逻辑门电路,逻辑符号仅是这些集成逻辑门电路的“黑匣子”。 什么是门电路? 实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。. 有一定范围. §2.2 半导体二极管和三极管的开关特性. 一、二极管的开关特性 二极管开关电路. 一、二极管的开关特性. 二极管伏安特性曲线的近似.

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第二章 门电路

  • 本章重点

  • 半导体二极管和三极管(包括双极型和MOS型)开关状态下的等效电路和外特性

  • TTL电路的外特性及其应用(难点)

  • CMOS电路的外特性及应用


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§2.1 概述

  • 在工程中每一个逻辑符号都对应着一种电路,并通过集成工艺作成一种集成器件,称为集成逻辑门电路,逻辑符号仅是这些集成逻辑门电路的“黑匣子”。

  • 什么是门电路?

    实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。

有一定范围


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§2.2 半导体二极管和三极管的开关特性

  • 一、二极管的开关特性

    二极管开关电路


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一、二极管的开关特性

  • 二极管伏安特性曲线的近似


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一、二极管的开关特性

  • 二极管的动态开关特性

反向恢复过程——二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程。

原因是电荷存储效应。

tre


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二、双极型三极管的开关特性

输入特性 输出特性


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二、双极型三极管的开关特性

  • 三极管的基本开关电路

    三极管的开和关状态转换即在截止区和饱和区间来回切换,且

    受vI控制。

vI<VON时,三极管截止,

vO=VOH≈VCC。

vI>VON后,三极管进入

放大区,直至进入饱和区,

vO=VOL ≈0。此时iB≥IBS。


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二、双极型三极管的开关特性

  • 开关等效电路和动态开关特性


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三、MOS管的开关特性

  • 结构和符号(N沟道增强型)

    vGS>VGS(th)且vDS>0时,才会有导电沟道形成,故称为N沟道增强型。

(漏)

(栅)

(源)

开启(阈值)电压


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三、MOS管的开关特性

  • 共源接法输出特性曲线

恒流区

可变电阻区

截止区


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三、MOS管的开关特性

  • MOS管基本开关电路

    vI<VGS(th)时,MOS管截止,vO=VOH≈VDD。

    vI>VGS(th)后,MOS管进入恒流区,直至进入可变电阻区,vO=VOL ≈0。

    MOS管的开和关状态转换即在截止区和可变电阻区间来回切换,且受vGS控制。


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三、MOS管的开关特性

  • MOS管开关等效电路


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§2.3 最简单的与、或、非门电路

  • 一、二极管与门

    存在问题:①电平偏移;

    ②高电平受负载影响

    不直接使用。


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二、二极管或门

存在问题:电平偏移

不直接使用。


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三、二极管非门


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二极管与门和或门电路的缺点

(1) 在多个门串接使用时,会出现低电平偏离标准数值的情况。

(2) 负载能力差


2 4 ttl

§2.4 TTL门电路

  • IC分类:

    SSI(小)

    MSI(中)

    LSI(大)

    VLSI(超大)

    ULSI(特大)

    GLSI(巨大)

    一、TTL反相器的结构和工作原理

  • 最基本的TTL门电路,其它TTL门电路以其为基础。

  • TTL:Transistor-Transistor Logic

    常用:74系列

单极型

双极型

按规模

按制造工艺


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一、TTL反相器的结构和工作原理

设vbe=0.7V,VCE(sat)=0.1V。

若A为低电平,vB1=0.9V,T1深饱和。vC1=0.3V,T2、T5截止,vC2高电平,使T4、D2通,vO=3.6V,为高电平。

若A为高电平, vB1=2.1V,T1倒置放大,T2、T5饱和,vC2≈0.8V,不足以使T4、D2同时通,故vO=0.1V,为低电平。

  • 电路结构:

电平

移位

5V

0.8V

0.9V

2.1V

0.2V

3.4V

vC1

3.6V

0.1V

输入级

保护


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一、TTL反相器的结构和工作原理

  • 电压传输特性 vO=f(vI)

BC段:T2通、T5止

CD段: T2通、T5止

rbe5很小,VI微量增加将使VO急剧下降

截止区

线性区

转折区

饱和区

VTH:阈值电压(门槛电压),为1.4V。


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一、TTL反相器的结构和工作原理

  • 输入端噪声容限

    在保证输出高、低电平不变的情况下,输入电平允许的波动范围。

VNH=VOH(min)-VIH(min)

VNL=VIL(max)-VOL(max)

噪声容限表示门电路的抗干扰能力。显然,噪声容限越大,电路的抗干扰能力越强。

二值数字逻辑中的“0”和“1”都是允许有一定的容差的,这也是数字电路的一个突出的特点。


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二、TTL反相器的静态输入特性和输出特性

在数字系统中,门电路的输出端一般都要与其他门电路的输入端相连,称为带负载。我们主要讨论一个门电路最多允许带几个同类的负载门?


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二、TTL反相器的静态输入特性和输出特性

  • 1.输入特性

IIH

IIL

D1作用结果

输入等效电路 输入特性


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二、TTL反相器的静态输入特性和输出特性

  • 2. 输出特性(带负载能力)

  • (1) 高电平输出特性

    电流从驱动门的T4、D2拉出而流至负载门的输入端,“拉电流”由

    此得名。 iL<0。把输出高电平时允许拉出输出端的电流定义为输

    出高电平电流IOH。74系列输出高电平时,iL不能超过0.4mA。


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二、TTL反相器的静态输入特性和输出特性

  • (2) 低电平输出特性

    电流从负载门的输入端灌入驱动门的T5管,“灌电流”由此得

    名。灌电流的来源是负载门的输入低电平电流IIL。输出低电平时允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL。

    74系列输出低电平时,iL不能超过16mA。


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二、TTL反相器的静态输入特性和输出特性

  • 典型习题:求扇出系数N

    书例2.4.1

    对门1输出高电平和低电平的情况都进行讨论,

    取两个数较小的一个作为扇出系数N。

    【例2.1】

    TTL非门接成如图所示。已知门电路参数

    IOH/IOL=1.0mA/-20mA

    IIH/IIL=50μA/-1.43mA

    试求门P的扇数系数N。


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二、TTL反相器的静态输入特性和输出特性

  • 输入端负载特性

1.4V


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三、TTL反相器的动态特性

  • 传输延迟时间

    输出波形滞后于输入波形的时间。

T4导通时工作在放大状态,T5导通时工作在深度饱和状态。由放大状态恢复到截止状态要比深度饱和恢复到截止快。

故tPLH>tPHL。


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三、TTL反相器的动态特性

  • 交流噪声容限


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三、TTL反相器的动态特性

  • 电源的动态尖峰电流

    ICCM=iC4+iB4+iB1

    影响:①使电源平均电流增加

    ②形成系统内部噪声

T4、T5同时导通所造成


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三、TTL反相器的动态特性

  • 电源尖峰电流近似波形


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四、其它类型的TTL门电路

  • 其它逻辑功能的门电路

    输入端、输出端电路结构与反相器基本相同。

    与非门、或非门、与或非门、异或门等

  • 集电极开路的门电路(OC门)

  • 三态输出门电路(TS门)


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四、其它类型的TTL门电路

  • 多发射极三极管


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四、其它类型的TTL门电路

  • TTL与非门

返回


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四、其它类型的TTL门电路

  • 与非门IIL的大小和门输入端并联的数目无关。如vI=VIL=0.3V,vBE=0.7V,则vB1=1V,IR1=(VCC-vBE)/R1=1.43(mA)。若VIL和一个输入端并联,则IIL=IR1;若和两个或两个以上输入端并联,则流过T1各发射极的电流总和也只有IR=IIL。

  • IIH为一个发射极反偏时的漏电流。与非门的入端有多个输入端并联在一起,则入端加高电平时流入门的总的漏电流应为这多个输入端漏电流的总和,有几个入端并联,IIH就应扩大几倍。

    【例2.2】

    TTL与非门接成如图所示。已知门电路参数

    IOH/IOL=1.0mA/-20mA

    IIH/IIL=50μA/-1.43mA

    试求门P的扇数系数N。


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四、其它类型的TTL门电路

  • TTL或非门

    T2、并联

    或非门有几个入端并联, IIL和IIH都应扩大几倍。

返回


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四、其它类型的TTL门电路

  • TTL与或非门

返回


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四、其它类型的TTL门电路

  • TTL异或门

返回


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快速准确判断电路输入输出间逻辑关系的方法

  • 常见四种典型结构

    (a)图 P=A

    (b)图 P=A·B

    (c)图 P1= P2=A

    (d)图 P1=A+BP2=


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四、其它类型的TTL门电路

  • 推拉式输出的局限:

    ①输出不能并联;(如右图)

    ②VCC一旦确定,高电平也固定,无法满足对电平的多种需要。

  • 采用OC门可解决上述问题。


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四、其它类型的TTL门电路

  • OC门


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四、其它类型的TTL门电路

  • OC门并联(线与)

RL的选择非常重要


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四、其它类型的TTL门电路

全部OC门截至

只有一个OC门导通

  • RL的选取方法

    注意电流方向

负载门数

输入端数

返回


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四、其它类型的TTL门电路

  • OC门的其它应用

    实现电平转换 用做驱动器


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四、其它类型的TTL门电路

输出3种状态。

EN=1时,

(高电平有效)

EN=0时,T4、T5止,

Y呈高阻态。

EN=0时,

(低电平有效)

EN=1时,T4、T5止,

Y呈高阻态。

Y为高阻态时随外接电平的变化而变化。

  • TS门:在普通门电路基础上附加控制电路


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四、其它类型的TTL门电路

  • TS门的应用

    信号的分时单向传送 信号的分时双向传送


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五、TTL电路的改进系列


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五、TTL电路的改进系列

  • 74H系列

    ①输出级采用达林顿结构 (两级射极输出)

    ②大幅度地降低了电路中的电阻的阻值

达林顿

结构

返回


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五、TTL电路的改进系列

肖特基三极管

  • 74S系列

    ①输出级采用达林顿结构 ②采用了抗饱和三极管

    ③有源泄放电路

有源泄放电路

T2、T5只可能同时导通

返回


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五、TTL电路的改进系列

  • 74LS系列

返回


Ttl ic 7400 ttl

典型TTL门IC7400-TTL与非门

7400引脚排列图


Ttl p123

TTL门电路输入特性习题(P123 (三))

  • 对于TTL电路,若门的输入端接的电阻小于ROFF(关门电阻),则可认为是逻辑低电平;所接电阻若大于 RON(开门电阻),则可认为输入端接的是逻辑高电平。若电阻趋于无穷大(悬空),也为逻辑高电平。

    ROFF可根据

    求得

    RON通常由实验测得,一般 以上。


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9月15日作业

P127

9

P128

10,11,13


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