《邏輯門(mén)電路》PPT課件.ppt

1、脈沖數(shù)字電路電子技術(shù)基礎(chǔ)（3）,第四講 邏輯門(mén)電路（1） 2011年9月22日,第三章 邏輯門(mén)電路,3.1 MOS邏輯門(mén)電路 3.2 TTL邏輯門(mén)電路 3.3 射極耦合門(mén)電路 3.5 邏輯描述中的幾個(gè)問(wèn)題 3.6 邏輯門(mén)電路使用中的幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,2,獲得高、低電平的基本原理,20110922,3,用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路通稱(chēng)為門(mén)電路,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,第三章 邏輯門(mén)電路,3.1 MOS邏輯門(mén)電路 3.2 TTL邏輯門(mén)電路 3.3 射極耦合門(mén)電路 3.5 邏輯描述中的幾個(gè)問(wèn)題 3.6 邏輯門(mén)電路使用中的幾個(gè)實(shí)

2、際問(wèn)題,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,4,TTL邏輯門(mén)電路,二極管的開(kāi)關(guān)特性 BJT的開(kāi)關(guān)特性 基本邏輯門(mén)電路 TTL邏輯門(mén)電路,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,5,本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴,6,制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱(chēng)為“九個(gè)9”,本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體,很低溫度時(shí)，晶體接近于理想結(jié)構(gòu)，當(dāng)于絕緣體,共價(jià)鍵,室溫下，熱能破壞共價(jià)鍵，產(chǎn)生自由電子和空穴,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,20110922,7,在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等,空穴,硼原子,硅原子,多數(shù)載

3、流子 空穴,少數(shù)載流子自由電子,受主離子,空穴,電子空穴對(duì),P型半導(dǎo)體,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,20110922,8,N型半導(dǎo)體,多余電子,磷原子,硅原子,多數(shù)載流子自由電子,少數(shù)載流子 空穴,施主離子,自由電子,電子空穴對(duì),在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、砷等,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,PN結(jié),20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,9,內(nèi)電場(chǎng),PN結(jié)的導(dǎo)電特性,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,10,PN結(jié)的伏安特性,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,11,根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖,正偏,IF（多數(shù)載流子

4、擴(kuò)散）,IR（少數(shù)載流子漂移）,反偏,反向飽和電流,反向擊穿電壓,反向擊穿,熱擊穿燒壞PN結(jié),電擊穿可逆,TTL邏輯門(mén)電路,二極管的開(kāi)關(guān)特性 BJT的開(kāi)關(guān)特性 基本邏輯門(mén)電路 TTL邏輯門(mén)電路,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,12,二極管的開(kāi)關(guān)特性,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,13,開(kāi)通時(shí)間：極短 反向恢復(fù)時(shí)間 tre=ts(存儲(chǔ)時(shí)間)+tt(渡越時(shí)間),產(chǎn)生反向恢復(fù)過(guò)程的原因電荷存儲(chǔ)效應(yīng),20110922,14,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,TTL邏輯門(mén)電路,二極管的開(kāi)關(guān)特性 BJT的開(kāi)關(guān)特性 基本邏輯門(mén)電路 TTL邏輯門(mén)電路,20110922

5、,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,15,BJT的結(jié)構(gòu),20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,16,NPN型,PNP型,符號(hào):,三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn): （1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度基區(qū)摻雜濃度 （2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低,Bipolar Junction Transistor,BJT放大的工作原理,20110922,17,發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的電子向基區(qū)移動(dòng)形成電流，其中小部分與空穴復(fù)合，形成電流IB 因?yàn)榧娊Y(jié)反偏，收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN 另外，集電結(jié)區(qū)的少數(shù)載流子形成漂移電流ICBO,兩種載流子參與導(dǎo)電雙極性晶體管Bipolar Junction Transis

6、tor,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,BJT的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài),20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,18,截止時(shí)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏,NPN飽和時(shí)各極電壓,iB=VCC/RC , iC=(VCC-vCE)/RC vCE=VCC-ICSRC =VCES0.20.3V vBE=0.7V vBC=vBE-vCE =0.4V 集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均正向偏置,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,19,NPN型BJT工作狀態(tài)的特點(diǎn),20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,20,BJT的開(kāi)關(guān)時(shí)間,延遲時(shí)間td 勢(shì)壘區(qū)變窄，發(fā)射區(qū)電子注入基區(qū)并大部分被集電極收集 上升時(shí)

7、間tr ic增大到0.9ICS 存儲(chǔ)時(shí)間ts 存儲(chǔ)電荷從基區(qū)和集電區(qū)抽出 下降時(shí)間tf 對(duì)應(yīng)于0.9ICS的存儲(chǔ)電荷消散需要的時(shí)間 可通過(guò)改進(jìn)BJT內(nèi)部構(gòu)造和外電路方法來(lái)提高BJT的開(kāi)關(guān)速度,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,21,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,22,基本BJT反相器的動(dòng)態(tài)特性（帶負(fù)載電容）,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,23,容性負(fù)載的充放電,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,24,ro, 容性負(fù)載的充放電 截止：時(shí)間常數(shù) = RCCL 飽和：時(shí)間常數(shù) = rceCL,rbe,rce,Rc, 時(shí)間

8、常數(shù)RCCL較大，使得 充電、放電時(shí)間過(guò)大，增加 了波形的上升時(shí)間,TTL邏輯門(mén)電路,二極管的開(kāi)關(guān)特性 BJT的開(kāi)關(guān)特性 基本邏輯門(mén)電路 TTL邏輯門(mén)電路,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,25,二極管與門(mén)電路,26,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,二極管或門(mén)電路,27,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,三極管非門(mén)電路,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,28,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,29,（1）在多個(gè)與門(mén)串接使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)低電平偏離標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的情況；或門(mén)情況類(lèi)似 （2）負(fù)載能力差 （3）速度慢,

9、二極管與門(mén)和或門(mén)電路的缺點(diǎn),20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,30,將二極管與門(mén)（或門(mén)）電路和三極管非門(mén)電路組合起來(lái),Diode Transistor LogicDTL,解決辦法,DTL與非門(mén)電路,20110922,31,工作原理： （1）當(dāng)A、B、C全接為高電平5V時(shí)，二極管D1D3都截止，而D4、D5和T導(dǎo)通，且T為飽和導(dǎo)通， VL=0.3V，即輸出低電平 （2）A、B、C中只要有一個(gè)為低電平0.3V時(shí)，則VP1V，從而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即輸出高電平 所以該電路滿(mǎn)足與非邏輯關(guān)系，即：,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,TTL邏輯門(mén)電路,二極管的開(kāi)

10、關(guān)特性 BJT的開(kāi)關(guān)特性 基本邏輯門(mén)電路 TTL邏輯門(mén)電路,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,32,DTL門(mén)到TTL門(mén)的演進(jìn),20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,33,Transistor-Transistor Logic,TTL與非門(mén)電路,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,34,帶負(fù)載電容的BJT反相器,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,35,TTL反相器的基本電路,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,36,TTL反相器的工作原理,vi0.2V，低電平 T1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，VB1=0.9V T2、T3截止 T1

11、集電極回路電阻是RC2和T2的集電結(jié)反向電阻之和T1深度飽和 忽略流過(guò)RC2的電流，VB4VCC=5V T4和D導(dǎo)通 VOVCC-VBE4-VD =5V-0.7V-0.7V=3.6V 輸入為低時(shí)，輸出為高電平,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,37,飽和,0.2V,截止,截止,導(dǎo)通,導(dǎo)通,0.9V,TTL反相器的工作原理,vi3.6V，高電平 VB1=2.1V，T1為倒置使用的放大狀態(tài) T1發(fā)射結(jié)反偏 T2、T3飽和，輸出0.2V VC2=0.7V+0.2V=0.9V，T4和D截止 輸入為高時(shí)，輸出為低電平,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,38,0.9V,

12、倒置狀態(tài),3.6V,飽和,飽和,截止,截止,0.2V,4.3V？,采用輸入級(jí)以提高工作速度,輸入由3.6V0.2V VB1=0.2V+0.7V=0.9V T2、T3的儲(chǔ)存電荷來(lái)不及消散，仍是飽和狀態(tài) VC1=0.7V+0.7V=1.4V T1集電結(jié)反向偏置，T1工作在放大區(qū) T2的基極電流為T(mén)1的倍，即iB1,使T2迅速脫離飽和進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài) T4迅速導(dǎo)通，T3負(fù)載小，集電極電流加大，存儲(chǔ)電荷迅速消散，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài),20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,39,采用推拉式輸出級(jí)以提高開(kāi)關(guān)速度和帶負(fù)載能力,驅(qū)動(dòng)能力： 輸出低電平 T3飽和，T4、D截止 低輸出阻抗：飽和電阻 大電流輸出：IC3 輸出高電平 T3截止，D導(dǎo)通 T4射級(jí)跟隨器,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,40,推拉式(push-pull)或圖騰柱(totem-pole)輸出電路,采用推拉式輸出級(jí)以提高開(kāi)關(guān)速度和帶負(fù)載能力,開(kāi)關(guān)速度 輸出低高 iB2迅速增大，T2先脫離飽和并截止 VC2VC3，T4和D導(dǎo)通，iC4迅速增大，T4飽和，加速對(duì)負(fù)載電容充電 輸出高低 T3深度飽和，呈現(xiàn)低阻，CL快速放電,20110922,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子 劉樹(shù)彬,41,輸出波形具有