邏輯門(mén)電路完整教程

1、邏輯門(mén)電路完整教程 邏輯門(mén)電路完整教程 第二章 邏輯門(mén)電路 引 言 通過(guò)上一章的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)對(duì)數(shù)字電路及其分析方法、數(shù)制和碼有了基本的概念。并且學(xué)習(xí)了從與、或、非三種基本邏輯運(yùn)算引出邏輯變量與邏輯函數(shù)的關(guān)系。第一章中邏輯符號(hào)是以黑匣的方式來(lái)表示相應(yīng)的邏輯門(mén)，這種黑匣法幫助我們建立初步的概念。為了正確而有效地使用集成邏輯門(mén)電路，還必須對(duì)組件內(nèi)部電路特別是對(duì)它的外部特性有所了解。本章將揭開(kāi)黑匣的奧秘，講述幾種通用的集成邏輯門(mén)電路，如bjt-bjt邏輯門(mén)電路（ttl）、射極耦合邏輯門(mén)電路（ecl）和金屬-氧化物-半導(dǎo)體互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)邏輯門(mén)電路（cmos）。 在學(xué)習(xí)上述各種電路的邏輯功能和特性前首先必須熟

2、悉開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)特性，這是門(mén)電路的工作基礎(chǔ)。但在分析門(mén)電路時(shí)，將著重它們的邏輯功能和外特性，對(duì)其內(nèi)部電路，只作一般介紹。 第一節(jié) 二極管的開(kāi)關(guān)特性 一般而言，開(kāi)關(guān)器件具有兩種工作狀態(tài)：第一種狀態(tài)被稱(chēng)為接通 ，此時(shí)器件的阻抗很小，相當(dāng)于短路；第二種狀態(tài)是斷開(kāi)，此時(shí)器件的阻抗很大，相當(dāng)于開(kāi)路。 在數(shù)字系統(tǒng)中，晶體管基本上工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。對(duì)開(kāi)關(guān)特性的研究，就是具體分析晶體管在導(dǎo)通和截止之間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。晶體管的開(kāi)關(guān)速度可以很快，可達(dá)每秒百萬(wàn)次數(shù)量級(jí)，即開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換在微秒甚至納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成。 二極管的開(kāi)關(guān)特性表現(xiàn)在正向?qū)ㄅc反向截止這樣兩種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。二極管從反向截止到正向?qū)ㄅc從正向?qū)ǖ?/p>

3、反向截止相比所需的時(shí)間很短，一般可以忽略不計(jì)，因此下面著重討論二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟霓D(zhuǎn)換過(guò)程。 一、二極管從正向?qū)ǖ浇刂褂幸粋€(gè)反向恢復(fù)過(guò)程 在上圖所示的硅二極管電路中加入一個(gè)如下圖所示的輸入電壓。在0t1時(shí)間內(nèi)，輸入為+vf，二極管導(dǎo)通，電路中有電流流通。 設(shè)vd為二極管正向壓降（硅管為0.7v左右），當(dāng)vf遠(yuǎn)大于vd時(shí)，vd可略去不計(jì)，則 在t1時(shí)，v1突然從+vf變?yōu)?vr。在理想情況下 ，二極管將立刻轉(zhuǎn)為截止，電路中應(yīng)只有很小的反向電流。但實(shí)際情況是，二極管并不立刻截止，而是先由正向的if變到一個(gè)很大的反向電流ir=vrrl，這個(gè)電流維持一段時(shí)間ts后才開(kāi)始逐漸下降，再經(jīng)過(guò)tt后

4、 ，下降到一個(gè)很小的數(shù)值0.1ir，這時(shí)二極管才進(jìn)人反向截止?fàn)顟B(tài)，如下圖所示。 通常把二極管從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向截止所經(jīng)過(guò)的轉(zhuǎn)換過(guò)程稱(chēng)為反向恢復(fù)過(guò)程。其中ts稱(chēng)為存儲(chǔ)時(shí)間，tt稱(chēng)為渡越時(shí)間，tre=ts+tt稱(chēng)為反向恢復(fù)時(shí)間。 由于反向恢復(fù)時(shí)間的存在，使二極管的開(kāi)關(guān)速度受到限制。 二、產(chǎn)生反向恢復(fù)過(guò)程的原因電荷存儲(chǔ)效應(yīng) 產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于二極管外加正向電壓vf時(shí)，載流子不斷擴(kuò)散而存儲(chǔ)的結(jié)果。當(dāng)外加正向電壓時(shí)區(qū)空穴向區(qū)擴(kuò)散，區(qū)電子向區(qū)擴(kuò)散，這樣，不僅使勢(shì)壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，而且使載流子有相當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ)，在區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了電子，而在區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了空穴 ，它們都是非平衡少數(shù)載流于，如下圖所示。 空穴由區(qū)擴(kuò)

5、散到區(qū)后，并不是立即與區(qū)中的電子復(fù)合而消失，而是在一定的路程lp（擴(kuò)散長(zhǎng)度）內(nèi)，一方面繼續(xù)擴(kuò)散，一方面與電子復(fù)合消失，這樣就會(huì)在lp范圍內(nèi)存儲(chǔ)一定數(shù)量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結(jié)邊緣的濃度最大，離結(jié)越遠(yuǎn)，濃度越小 。正向電流越大，存儲(chǔ)的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴(kuò)散到區(qū)的情況也類(lèi)似，下圖為二極管中存儲(chǔ)電荷的分布。 我們把正向?qū)〞r(shí)，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。 當(dāng)輸入電壓突然由+vf變?yōu)?vr時(shí)區(qū)存儲(chǔ)的電子和區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬上消失，但它們將通過(guò)下列兩個(gè)途徑逐漸減少： 在反向電場(chǎng)作用下，區(qū)電子被拉回區(qū)，區(qū)空穴被拉回區(qū)，形成反向漂移電流ir，如下圖所示；

6、 與多數(shù)載流子復(fù)合。 在這些存儲(chǔ)電荷消失之前，結(jié)仍處于正向偏置，即勢(shì)壘區(qū)仍然很窄，結(jié)的電阻仍很小，與rl相比可以忽略，所以此時(shí)反向電流ir=（vrvd）/rl。vd表示結(jié)兩端的正向壓降，一般 vrvd，即 irvrrl。在這段期間，ir基本上保持不變，主要由vr和rl所決定。 經(jīng)過(guò)時(shí)間ts后區(qū)和區(qū)所存儲(chǔ)的電荷已顯著減小，勢(shì)壘區(qū)逐漸變寬，反向電流ir逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值，經(jīng)過(guò)時(shí)間tt ，二極管轉(zhuǎn)為截止。 由上可知，二極管在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)的反向恢復(fù)過(guò)程，實(shí)質(zhì)上由于電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的，反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷消失所需要的時(shí)間。 三、二極管的開(kāi)通時(shí)間 二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄋ璧臅r(shí)間

7、稱(chēng)為開(kāi)通時(shí)間。 這個(gè)時(shí)間同反向恢復(fù)時(shí)間相比是很短的。這是由于結(jié)在正向偏壓作用下，勢(shì)壘區(qū)迅速變窄，有利于少數(shù)載流子的擴(kuò)散，正向電阻很小，因而它在導(dǎo)通過(guò)程中及導(dǎo)通以后，其正向壓降都很小，比輸入電壓vf小得多，故電路中的正向電流 if=vrrl ，它由外電路的參數(shù)決定，而幾乎與二極管無(wú)關(guān)。因此，只要電路在t=0時(shí)加入+vf的電壓 ，回路的電流幾乎是立即達(dá)到 vfrl。這就是說(shuō) ，二極管的開(kāi)通時(shí)間是很短的，它對(duì)開(kāi)關(guān)速度的影響很小，可以忽略不計(jì)。 第二節(jié) bjt的開(kāi)關(guān)特性 型bjt的結(jié)構(gòu)如下圖所示。 從圖中可見(jiàn)型bjt由兩個(gè)型區(qū)和一個(gè)型區(qū)構(gòu)成了兩個(gè)結(jié)，并從三個(gè)區(qū)分別引出了集電極、基極和發(fā)射極。在電路圖中的符號(hào)如下圖所示。 型bjt的結(jié)構(gòu)如下圖中的上半部所示，下邊為電路圖中的符號(hào)。 這里的bjt英文原文是：bipolar junction transistor，意為“雙極結(jié)晶體管”。也就是通常所說(shuō)的三極管。 一、bjt的開(kāi)關(guān)作用 bjt的開(kāi)關(guān)作用對(duì)應(yīng)于有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的“斷開(kāi)”和“閉合”。 上圖所示電路用來(lái)說(shuō)明bjt開(kāi)關(guān)作用，圖中bjt為型硅管。 當(dāng)輸入電壓v1=-vb 時(shí)，bjt的發(fā)射結(jié)和集電