數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)6

第二章門電路邏輯門電路：用以實(shí)現(xiàn)基本和常用邏輯運(yùn)算的電子電路。簡稱門電路。基本和常用門電路有與門、或門、非門（反相器）、與非門、或非門、與或非門和異或門等。邏輯變量取值0和1：電子電路中用高、低電平來表示。高、低電平：利用半導(dǎo)體開關(guān)元件的導(dǎo)通、截止（即開、關(guān)）表示兩種工作狀態(tài)。2.1二極管和三極管的開關(guān)特性2.1.2二極管的開關(guān)特性二極管符號(hào)：正極負(fù)極＋uD－

二極管伏安特性曲線2.1.1理想開關(guān)的開關(guān)特性1.靜態(tài)特性由上圖可以看出：①二極管加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，伏安特性很陡、壓降很?。ü韫転?.7V，鍺管為0.3V），可以近似看作是一個(gè)閉合的開關(guān)。②二極管加反向電壓時(shí)截止，反向電流很?。╪A級(jí)），可以近似看作是一個(gè)斷開的開關(guān)。把uD<UT=0.5V看成是硅二極管的截止條件。Ui=-2V時(shí)，二極管截止，如同開關(guān)斷開，uo＝0V。ui＝3V時(shí)，二極管導(dǎo)通，如同0.7V的電壓源，uo＝2.3V。靜態(tài)開關(guān)特性2.動(dòng)態(tài)特性

在低速脈沖電路中，二極管開關(guān)由接通到斷開，或由斷開到接通所需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間通常是可以忽略的。然而在數(shù)字電路中，二極管開關(guān)經(jīng)常工作在高速通斷狀態(tài)。由于PN結(jié)中存儲(chǔ)電荷的作用，及結(jié)電容CJ和擴(kuò)散電容CD的存在，二極管開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不能瞬間完成，需經(jīng)歷一個(gè)過程。二極管開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程如圖所示。二極管開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程開通時(shí)間ton當(dāng)輸入電壓uI，由UIL跳變到UIH時(shí)，二極管D要經(jīng)過導(dǎo)通延遲時(shí)間td、上升時(shí)間tr之后，才能由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。其原因在于，當(dāng)uI正跳變時(shí)，只有當(dāng)PN結(jié)中電荷量減少，PN結(jié)才由反偏轉(zhuǎn)換到正偏，也即Cj放電，CD充電關(guān)斷時(shí)間toff當(dāng)輸人電壓uI。由UIH跳變到UIL時(shí)，二極管D經(jīng)過存儲(chǔ)時(shí)間ts、下降時(shí)間(也稱為渡越時(shí)問)tf之后，才會(huì)由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。ts是存儲(chǔ)電荷消散時(shí)間，tf是PN結(jié)由正偏到反偏，PN結(jié)中電荷量逐漸增加到截止?fàn)顟B(tài)下穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間，也即CD放電、Cj充電的時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間toff也稱為反向恢復(fù)時(shí)間，常用trr表示。2.1.3三極管的開關(guān)特性

由三極管的工作原理可知，三極管的輸出特性可劃分為3個(gè)區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。三極管在輸入信號(hào)的作用下穩(wěn)定地處于飽和區(qū)時(shí)就相當(dāng)于開關(guān)接通；處于截止區(qū)時(shí)相當(dāng)于開關(guān)斷開。①ui=UIL=-2V時(shí)，三極管截止，基極電流：ib≈0，ic≈0，uo≈Vcc=12V②ui＝UIH=3V時(shí)，三極管導(dǎo)通，基極電流：三極管臨界飽和時(shí)的基極電流：因?yàn)閕B>IBS，三極管工作在深度飽和狀態(tài)。輸出電壓：uo＝UCES＝0.3V靜態(tài)開關(guān)特性＋－RbRc+VCCbce＋－截止?fàn)顟B(tài)ui=UIL<0.5Vuo=+VCC＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V飽和狀態(tài)ui=UIHuo=0.3V3.動(dòng)態(tài)特性

晶體三極管在截止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)的過渡特性稱為三極管的動(dòng)態(tài)特性。

如果在三極管基極輸入一個(gè)理想的矩形波，而集電極電流iC的波形卻不是理想的矩形波，如下圖所示，其上升沿和下降沿變化緩慢，而且上升部分和下降部分與輸入波形相比都有時(shí)間延遲。這說明三極管飽和與截止?fàn)顟B(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程需要一定的時(shí)間才能完成，即三極管開關(guān)在動(dòng)態(tài)情況下也存在一定的開關(guān)時(shí)間。開關(guān)時(shí)間的大小將直接影響三極管的開關(guān)速度。三極管的動(dòng)態(tài)態(tài)開關(guān)特性2.1.4MOS管的的開關(guān)特性MOS晶體管MOS:（Metal-Oxide-Semiconductor）金屬─氧化物─半半導(dǎo)體MOS晶體管管是MOS邏邏輯門的基本本構(gòu)成部分；；MOS：①源極S、漏極D、柵極G；；②是電壓控制制器件；③柵極電壓控控制漏源電流流。以N溝道增強(qiáng)強(qiáng)型為例分析析其特性。1．輸出特性曲曲線和閾值電電壓①當(dāng)VGS<VTN時(shí)，→T截截止，iD=0②當(dāng)VGS≥VTN時(shí)，→T導(dǎo)通通，iD>0三個(gè)工作區(qū)：：Ⅰ區(qū)：VDS很小，即VDS<VGS-VTN，iD隨VDS線性上升。且VGS不同，上升的的斜率就不同同為可變電阻區(qū)；Ⅱ區(qū)：VDS較大，有：VDS≥（VGS-VTN），iD基本不變?yōu)楹懔鲄^(qū)；Ⅲ區(qū)：VGS<VTN時(shí)，iD=0，截止區(qū)。注意：開關(guān)應(yīng)應(yīng)用時(shí)MOS管交替工作于于截止區(qū)和可可變電阻區(qū)。。2．轉(zhuǎn)移特性和和跨導(dǎo)轉(zhuǎn)移特性：VDS一定時(shí)，iD與VGS之間的關(guān)系gm表示VGS對(duì)iD的控制能力。。3．輸入電阻阻和輸入電容容rin>1012Ω(靜態(tài)負(fù)載載能力很強(qiáng))Cin<幾皮法(為為動(dòng)態(tài)MOS電容和大規(guī)規(guī)模存儲(chǔ)電路路的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造造了條件)4．直流導(dǎo)通通電阻ronMOS管的開開關(guān)作用當(dāng)ui較小時(shí)MOS管截止uo=VDD當(dāng)ui較大時(shí)MOS管導(dǎo)通動(dòng)態(tài)特性2.2分分立元件門電電路1、二極管與門Y=AB2、二極管或門Y=A+B3、三極管非門①uA＝0V時(shí)，三三極管截止，，iB＝0，iC＝0，輸出電電壓uY＝VCC＝5V②uA＝5V時(shí)，三三極管導(dǎo)通。?；鶚O電流為為：iB＞IBS，三極管工作作在飽和狀態(tài)態(tài)。輸出電壓壓uY＝UCES＝0.3V。。三極管臨界飽飽和時(shí)的基極極電流為：2.3CMOS集成門門電路CMOS反相相器CMOS集成成電路是用N溝道MOS管和P溝道道MOS管按按互補(bǔ)對(duì)稱的的方式連接起起來構(gòu)成的一一種電路形式式。常用（CD4000）系系列2.4TTL集成成門電電路TTL門電路路是晶體管-晶體管邏輯輯（Transistor-TransistorLogic）門門電路的簡稱稱，這種電路路由于其輸入入級(jí)和輸出級(jí)級(jí)均采用晶體體三極管而得得名。按照國際通用用標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)據(jù)工作溫度不不同，TTL電路分為54系列（-55℃～125℃）和和74系列（（0℃～70℃）；根據(jù)據(jù)工作速度和和功耗不同，，TTL電路路又分為標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)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非非門(反相器器）一.TTL非門的電路路結(jié)構(gòu)TTL非門的的基本電路如如下圖所示，，它由輸入級(jí)級(jí)、中間級(jí)和和輸出級(jí)三部部分組成。①輸入信號(hào)uA=0V0V則uB1=0+0.7=0.7V，T2、T4截止，T3、D導(dǎo)通忽略iB3，輸出端的電電位為：輸出Y為高電電平uY≈5―0.7―0.7＝＝3.6V3.6V②輸入信號(hào)uA=3.6V2.1V則uB1=2.1V，，T2、T4導(dǎo)通，T3、D截止輸出端的電位位為：uY=UCES＝0.3V輸出Y為低電平。2.TTL非門的工作作原理（1）當(dāng)A端端輸入為低低電平0V時(shí)時(shí)，T1的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通通，其基極電電壓等于輸入入低電壓加上上發(fā)射結(jié)正向向壓降。此此時(shí)ib2=0，T2、T4都截止,ub3≈5V，T3和D導(dǎo)通,輸輸出電壓為：：uo=3.6V實(shí)實(shí)現(xiàn)了“輸輸入為低，輸輸出為高”的的邏輯關(guān)系。。（2）當(dāng)A輸入高電電平3.6V時(shí)，T1處于發(fā)射結(jié)和和集電結(jié)處于于倒置使用的的放大狀態(tài)。。當(dāng)ub1達(dá)到2.1V時(shí)T1的BC結(jié)和T2、T4飽飽和導(dǎo)通，輸輸出為低電平平，即uo≈UCES≈0.3V此時(shí)uC2=UCES2+uB4=0.3+0.7=1.0V使T3和D處于截止止?fàn)顟B(tài)。實(shí)現(xiàn)了“輸入入為高，輸出出為低”的邏邏輯關(guān)系。輸入特性及有有關(guān)參數(shù)輸入特性是門門電路輸入電電流和輸入電電壓之間的關(guān)關(guān)系。它反映映電路對(duì)前級(jí)級(jí)信號(hào)源的影影響并關(guān)系到到如何正確地地進(jìn)行門電路路之間以及門門電路與其他他電路之間的的連接問題。。（1）輸入特性性1.輸入伏安安特性反映輸入電流流iI和uI關(guān)系的曲線為為輸入伏安特特性曲線①輸入短路路電流IISui=0時(shí)的輸入入電流稱為輸輸入短路電流流IIS。測試時(shí)，被被測的輸入端端接地，相當(dāng)當(dāng)于反相器輸輸入端流出的的的電流。IIS典型值為1.5mA左右右，不得大于于2.2mA。②輸入漏電電流IIH非門輸入端為為高電平ui=3.6V時(shí)時(shí)，此時(shí)T1為倒置工作狀狀態(tài)。IIH為流入高電平平輸入端的電電流，稱為輸輸入漏電流。。IIH典型值為10μA,不得得超過70μμA。（2）輸入入負(fù)載特性輸入負(fù)載特性性指當(dāng)輸入端端接上電阻Ri時(shí)，ui隨Ri變化的關(guān)系。。在具體使用門門電路時(shí)，往往往需要在輸輸入端與地之之間或者輸入入端與信號(hào)之之間接入電阻阻，TTL門門電路輸入端端接電阻時(shí)的的等效電路如如圖所示。TTL門電路路輸入端接電電阻時(shí)的等效效電路（1）開門電阻阻Ron要使反相器輸輸出uo≤0.3V，Ri只需大于2.5KΩ。因此把2.5KΩ作為開門電阻阻，用RON表示。（2）關(guān)門電阻Roff當(dāng)Ri＜0.7KΩ時(shí)，反相器就就會(huì)輸出高電電平。因此把把0.7KΩ定位關(guān)門電阻阻，用Roff表示。因此當(dāng)Ri＞Ron時(shí)，反相器輸輸出低電平當(dāng)Ri＜Roff時(shí)，反相器輸輸出高電平當(dāng)Roff＜Ri＜Ron時(shí)，反相器輸輸出為不穩(wěn)定定狀態(tài)。二、輸出特性性反相器輸出電電壓uo與輸出電流io之間的關(guān)系當(dāng)uo輸出為低電平平時(shí)為灌電流流負(fù)載當(dāng)uo輸出為為高電平時(shí)為為拉電流負(fù)載載1.輸出低低電平時(shí)的輸輸出特性u(píng)i=UIHuo=UOL2.輸出高電電平時(shí)的輸出出特性u(píng)i=UILuo=UOH（三）電壓壓傳輸特性電壓傳輸特性性是指門電路路輸出電壓uo隨輸入電壓ui變化的特性，，通常用電壓壓傳輸特性曲曲線來表示，，如圖所示。。由圖可見，隨隨著ui從0逐漸增大大，uo的變化過程可可分為4個(gè)階階段。（1）ui＜0.5Vuo=3.6V為為截止區(qū)（（AB段）（2）ui＞0.6V為為線性區(qū)區(qū)（BC段））（3）ui接近1.4V為轉(zhuǎn)折區(qū)區(qū)（CD段））此點(diǎn)電壓為為反相器的翻翻轉(zhuǎn)閥值用Uth表示。（4）ui＞1.4Vuo≤0.3V為為飽和區(qū)（（DE段）2.輸入信信號(hào)噪聲容限限在由若干門電電路組成的數(shù)數(shù)字電路中，，前一級(jí)門電電路的輸出，，就是后一級(jí)級(jí)門電路的輸輸入，因此與與噪聲容限有有直接關(guān)系的的參數(shù)是：輸出高電平UOH：UOH是反相器處于于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)時(shí)的輸出電壓壓，其典型值值是3.6V，產(chǎn)品規(guī)規(guī)定的最小值值UOHmin=2.4V。輸出低電平UOL：UOL是反相器處于于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)時(shí)的輸出電平平，其典型值值是0.3V，產(chǎn)品規(guī)規(guī)定的最大值值是UOLmax=0.4V。輸入高電平UIH：UIH是對(duì)應(yīng)于邏輯輯1狀態(tài)的輸輸入電壓，其其典型值是3.6V，，產(chǎn)品規(guī)定的的最小值UIHmin=2.0V。人們常把把它稱為開門門電平，并記記作Uon它是保證反相相器處于導(dǎo)通通狀態(tài)所允許許的uI的最小值。輸入低電平UIL：UIL是對(duì)應(yīng)于邏輯輯0狀態(tài)的輸輸入電壓，其其典型值是0.3V，，產(chǎn)品規(guī)定的的最大值UILmax=0.8V，并稱之為為關(guān)門電平，，用Uoff表示。它是保保證反相器處處于截止?fàn)顟B(tài)態(tài)所允許的uI的最大值。噪聲容限示意意圖2.4V2.0V0.8V0.4V允許疊加在輸輸入高電平的的最大噪聲電電壓稱為高電電平噪聲容限限UNH。由圖可知UNH=UOHmin-UIHmin當(dāng)UOHmin=2.4V、、UIHmin=2.0V時(shí)時(shí)，UNH=0.4V。。允許疊加在輸輸入低電平的的最大噪聲電電壓稱為低電電平噪聲容限限UNL。由圖可知UNL=UILmax-UOLmax當(dāng)UILmax=0.8V、、UOLmax=0。4V時(shí)，，UNL=0.4V。三.動(dòng)動(dòng)態(tài)特性性1.傳傳輸延遲遲時(shí)間是指如果果在門電電路的輸輸入端加加一個(gè)理理想的矩矩形波，，實(shí)驗(yàn)和和理論分分析都證證明，在在輸出端端得到的的脈沖不不但要比比輸入脈脈沖滯后后，而且且波形的的邊沿也也要變壞壞。TTL非門門的傳輸輸時(shí)間波波形如圖圖所示。。定義平均均傳輸時(shí)時(shí)間tpd2.動(dòng)態(tài)態(tài)尖峰電電流當(dāng)ui=UIL=0VuB1=0.7VT2、T4截止，輸輸出無負(fù)負(fù)載時(shí)iB1iccui=0V（1）靜靜態(tài)電源源電流ui=3.6V當(dāng)ui=UIH=3.6VuB1=2.1VT2、T4導(dǎo)通，T3、D截止止iB1icciC2（2）動(dòng)動(dòng)態(tài)電源源尖峰電電流在uI由UIL跳變到uIH過程中，，icc會(huì)略有過過沖。但但是，當(dāng)當(dāng)uI由UIH跳變?yōu)閁IL時(shí)，電路路在狀態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)換期期間會(huì)出出現(xiàn)很大大的動(dòng)態(tài)態(tài)電源尖尖峰電流流。因?yàn)闉樵趗I=UIH時(shí)，T2、T4飽和，尤尤其是T4，其飽和和程度很很深，當(dāng)當(dāng)uI由UIH跳變到UIL時(shí)，T2很快截止使使T3、D導(dǎo)通，，而T4還來不及退退出飽和狀狀態(tài)，于是是從Vcc，經(jīng)R4、T3、D、T4形成了低阻阻通路，顯顯然在這種種情況下，，電源電流流icc要出現(xiàn)很大大的尖峰，，如下圖2.4.2幾幾種常用門門電路一、TTL與非門電路特點(diǎn)：輸入級(jí)采采用多發(fā)射射極晶體管管，其他部部分與TTL反相器器相同。通通過多發(fā)射射極晶體管管實(shí)現(xiàn)與邏邏輯。TTL與非非門的真值值表ABCY00010011010101111001101111011110與非門典型型產(chǎn)品：74LS00內(nèi)含4個(gè)2輸入入與非門，，74LS20內(nèi)含2個(gè)個(gè)4輸入與與非門。反相器典型型產(chǎn)品：74LS04內(nèi)含6個(gè)反相器器或非門典型型產(chǎn)品：74LS02內(nèi)含4個(gè)2輸入入或非門TTL與或或非門電路路與或非門典典型產(chǎn)品：：74LS51內(nèi)含含2個(gè)2×2輸入與與或非門四、TTL異或門有時(shí)需將兩兩個(gè)以上的的門輸出端端并聯(lián)以實(shí)實(shí)現(xiàn)與邏輯輯的功能，，把這種連連接方式稱稱為“線與與”。如果果將兩個(gè)普普通門電路路的輸出端端連接在一一起，如圖圖所示。當(dāng)當(dāng)一個(gè)門的的輸出處于于高電平，，而另一個(gè)個(gè)門的輸出出為低電平平時(shí)，將會(huì)會(huì)產(chǎn)生很大大的電流，，有可能導(dǎo)導(dǎo)致器件損損壞，無法法形成有用用的線與邏邏輯關(guān)系。。2.4.3集電電極開路與與非門（OC門）集電極開路路與非門是是將推拉式式輸出級(jí)改改為集電極極開路的三三極管結(jié)構(gòu)構(gòu)，做成集集電極開路路輸出的門門電路（OpenCollectorGate），，簡稱為OC門，其其電路如圖圖所示。將OC門輸輸出連在一一起時(shí)，再再通過一個(gè)個(gè)電阻接外外電源，這這樣可以實(shí)實(shí)現(xiàn)“線與與”邏輯關(guān)關(guān)系。只要要電阻的阻阻值和外電電源電壓的的數(shù)值選擇擇得當(dāng)，就就能做到既既保證輸出