第2章-邏輯門電路-唐治德主編

2.1二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性2.1.1二極管的開(kāi)關(guān)特性2.1.2三極管的開(kāi)關(guān)特性邏輯輸入信號(hào)（高電平或低電平）通常使門電路中的二極管、雙極型三極管和場(chǎng)效應(yīng)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)（導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)），導(dǎo)致輸出亦為邏輯信號(hào)（高電平或低電平），從而電路實(shí)現(xiàn)一定的輸入輸出邏輯關(guān)系。因此，電子元件的開(kāi)關(guān)特性是實(shí)現(xiàn)邏輯門電路的基礎(chǔ)。目前一頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.1.1二極管的開(kāi)關(guān)特性1．二極管的開(kāi)關(guān)作用當(dāng)，二極管截止，等效為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)當(dāng)，二極管導(dǎo)通，等效為開(kāi)關(guān)閉合目前二頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2．二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間由于二極管的PN結(jié)具有等效電容，二極管的通斷就伴隨著電容的充放電，所以，二極管的通斷轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間。二極管通斷轉(zhuǎn)換的時(shí)間既是二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間。1）開(kāi)通時(shí)間ton：二極管從截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通所需的時(shí)間。2）反向恢復(fù)時(shí)間tre：二極管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止所需的時(shí)間，它由2段時(shí)間組成，即存儲(chǔ)時(shí)間ts和渡越時(shí)間tt，tre=ts+tt。

+v

-

i

RL

+

Iv-

圖2.1.2

二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間

（a）

二極管開(kāi)關(guān)電路

(b)二極管的電流波形

O

O

Iv

VF

-VR

IF

-IR

t

t

i

IS

ts

tt

ton

目前三頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)3．PN結(jié)的存儲(chǔ)電荷

PN結(jié)的正向?qū)ㄟ^(guò)程：正向電壓削弱PN結(jié)的勢(shì)壘電場(chǎng)，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并建立電子濃度分布，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散并建立空穴濃度分布。由于濃度不同，穿越PN結(jié)的電荷繼續(xù)擴(kuò)散，形成連續(xù)的正向電流。從截止形成穩(wěn)定的正向電流的過(guò)程就是二極管的導(dǎo)通時(shí)間ton

。存儲(chǔ)電荷：距PN結(jié)越遠(yuǎn)，電荷濃度越低；正向電流越大，電荷的濃度梯度越大，存儲(chǔ)電荷越多。

圖2.1.3PN結(jié)的存儲(chǔ)電荷

+

-

IF

P區(qū)N區(qū)

n--存儲(chǔ)電荷濃度

nN—電子濃度

nP—空穴濃度

x—距離

o

LN

LP

目前四頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

+

-

iR

P區(qū)N區(qū)

圖2.1.4PN存儲(chǔ)電荷的驅(qū)散

PN結(jié)截止過(guò)程：在反向電壓的作用下，N區(qū)的空穴存儲(chǔ)電荷被電場(chǎng)趕回到P區(qū)，P區(qū)的電子存儲(chǔ)電荷被電場(chǎng)趕回到N區(qū)，形成反向電流，驅(qū)散存儲(chǔ)電荷。驅(qū)散存儲(chǔ)電荷的時(shí)間就是存儲(chǔ)時(shí)間ts。在存儲(chǔ)電荷驅(qū)散后，PN結(jié)的空間電荷區(qū)變寬，逐漸恢復(fù)到PN結(jié)通過(guò)反向飽和電流IS，這段時(shí)間就是渡越時(shí)間tt。通常，開(kāi)通時(shí)間ton和反向恢復(fù)時(shí)間tre為納秒級(jí)，tre=ts+tt>>ton,ts>tt。所以，二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間主要取決于PN存儲(chǔ)電荷的驅(qū)散時(shí)間ts。目前五頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.1.2三極管的開(kāi)關(guān)作用特性

1.三極管的開(kāi)關(guān)作用電路輸入特性輸出特性

(a)

(b)

(c)Vth

BEv

Bi

O

VCES

CEv

Ci

O

VCC

cCCRV

0=Bi

IB4

IB3=IBS

IB2

IB1

A

B

Iv

CEv

Ci

Bi

CCV

BEv

Rb

RcC

當(dāng)輸入電壓為低電平，使三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，ce之間等效為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。當(dāng)輸入電壓為高電平，使，使三極管工作在輸出特性的B點(diǎn)，處于臨界飽和狀態(tài)。ce之間等效為開(kāi)關(guān)閉合。目前六頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)在數(shù)字電路中，邏輯輸入信號(hào)通常使三極管工作在截止或飽和狀態(tài)，稱為開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

Iv

CEv

Ci

Bi

CCV

BEv

Rb

RcC

目前七頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)表2.2.1NPN三極管的工作狀態(tài)及特點(diǎn)工作狀態(tài)

截

止

放

大

飽

和

條

件

0￡Bi

bCSBSBIIi=<<0

bCSBSBIIi=3

PN結(jié)偏置

發(fā)射結(jié)反偏

集電結(jié)反偏

發(fā)射結(jié)正偏

集電結(jié)反偏

發(fā)射結(jié)正偏

集電結(jié)正偏

集電極電流

0?Ci

BCii×?b

bCSBSBIIi=3

集射電壓

{圖2.1.5(a)}

CCCEVv?

cCCCCERiVv-=

VVvCESCE3.0~2.0?=

特

點(diǎn)

集射等效電阻

約為數(shù)百千歐

等效為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)

可變

約為數(shù)百歐姆

等效為開(kāi)關(guān)閉合

目前八頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2．三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間三極管的開(kāi)關(guān)過(guò)程與二極管相似，也要經(jīng)歷一個(gè)電荷的建立與驅(qū)散過(guò)程，表現(xiàn)為三極管的飽和與截止兩種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間。三極管飽和與截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間既是三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間。設(shè)輸入電壓的高電平VIH和低電平VIL滿足下述條件：Iv

CEvCi

Bi

CCV

BEv

Rb

RcO

Iv

VIH

VIL

ICS

0.9ICS

t

t

ts

tf

td

O

tr

0.1ICS

Ci

設(shè)輸入電壓的高電平VIH和低電平VIL滿足下述條件：目前九頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

O

Iv

VIH

VIL

ICS

0.9ICS

t

t

ts

tf

td

O

r

0.1ICS

Ci

根據(jù)集電極電流波形，三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間用下述參數(shù)描述：1)延遲時(shí)間td：從正跳變開(kāi)始到從0上升至0.1ICS所需的時(shí)間；2)上升時(shí)間tr：從0.1ICS上升至0.9ICS所需的時(shí)間；3)存儲(chǔ)時(shí)間ts：從負(fù)跳變開(kāi)始到從ICS下降至0.9ICS所需的時(shí)間；三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間一般為ns數(shù)量級(jí)，并且toff＞ton、ts＞tf?；鶇^(qū)存儲(chǔ)電荷是影響三極管開(kāi)關(guān)速度的主要因素。）下降時(shí)間tf：從0.9ICS下降至0.1ICS所需的時(shí)間；）開(kāi)通時(shí)間ton：從截止轉(zhuǎn)換到飽和所需的時(shí)間，ton=td+tr；6）關(guān)閉時(shí)間toff：從飽和轉(zhuǎn)換為截止所需的時(shí)間，toff=ts+tf。t目前十頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間一般為ns數(shù)量級(jí)，并且toff＞ton、ts＞tf?；鶇^(qū)存儲(chǔ)電荷是影響三極管開(kāi)關(guān)速度的主要因素。

提高開(kāi)關(guān)速度的方法是：開(kāi)通時(shí)加大基極驅(qū)動(dòng)電流，關(guān)斷時(shí)快速泄放存儲(chǔ)電荷。目前十一頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.2TTL門電路2.2.1TTL非門的工作原理2.2.2TTL非門的特性2.2.3TTL與非門/或非門/與或非門2.2.4TTL集電極開(kāi)路門和三態(tài)門*2.2.5TTL門電路的產(chǎn)品系列TTL----TransistorTransistorLogicTTL有與、或、非、與非、或非、異或、同或、與或非等邏輯門，它們的工作原理相似。目前十二頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.2.1TTL非門的工作原理

圖2.2.1TTL非門

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

1.電路組成TTL門一般由3級(jí)組成：輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)輸入級(jí)輸入級(jí)：信號(hào)緩沖輸入中間級(jí)：輸出兩個(gè)相位相反的倒相信號(hào)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)：推拉式輸出電路，無(wú)論輸出高電平或低電平，輸出級(jí)的輸出電阻都很低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。目前十三頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.2.1TTL非門的工作原理

圖2.2.1TTL非門

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

1）輸入低電平（VIL=0.3V）輸入低電平時(shí)，輸出為高電平。2.工作原理VIL=0.3V1V0.4V5V4.3

3.6VT1深飽和T2、T5截止T3臨界飽和，T4放大，形成射極輸出器，輸出電阻小。T1深飽和T2、T5截止T3臨界飽和，T4放大，形成射極輸出器，輸出電阻小。目前十四頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

圖2.2.1TTL非門

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

②輸入高電平（VIH=3.6V）輸入高電平，輸出為低電平。VIH=3.6V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.3T2、T5飽和T1處于倒置狀態(tài)T3放大狀態(tài)，T4截止綜上所述，輸入低電平時(shí)，輸出為高電平；輸入高電平時(shí)，輸出為低電平。實(shí)現(xiàn)了邏輯非

無(wú)論輸出低電平或是高電平，TTL非門的推拉輸出級(jí)輸出電阻均很小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。而且T4和T5總是一個(gè)導(dǎo)通、另一個(gè)就截止。目前十五頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

圖2.2.1TTL非門

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

3．工作速度的提高輸入T1T2、T5T3T4輸出低電平深飽和截止臨界飽和放大(射極)高電平高電平倒置放大飽和放大截止低電平VIH=3.6V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.31）

vI:VIH→VIL，T1放大T1吸取T2管飽和時(shí)的超量存儲(chǔ)電荷，使T2管快速脫離飽和，轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。

2）TTL門具有推拉輸出級(jí)，其輸出電阻很小，與分布電容形成的時(shí)間常數(shù)小，故輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換快。

目前十六頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.2.2TTL非門的特性1.電壓傳輸特性截止區(qū)ab段：vI＜0.5V。T1飽和，VC1=+VCES1<0.6V,T2、T5截止，T3和T4組成復(fù)合管射極輸出器，vo=3.6V。線性區(qū)bc段:0.5V＜vI

＜1.1V。T1飽和，0.6V<VC1=+VCES1<1.2V,T2處于放大狀態(tài)，T5仍然截止，T3和T4仍然是射極輸出器，vo隨vI線性減少，斜率為T2級(jí)的放大倍數(shù)：

圖2.2.1TTL非門

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

目前十七頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)轉(zhuǎn)折區(qū)cd段：1.2V＜vI＜1.3V。T1飽和，1.3V<VC1=vI

+VCES1<1.4V,T5由截止進(jìn)入放大狀態(tài),T2、T3和T4的狀態(tài)同前。由于T5集電極的等效電阻減小快，vo急劇減少。轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)輸入電壓定義為門坎電壓Vth，約為1.3V。

圖2.2.1TTL非門

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

飽和區(qū)de段：vI

＞1.4V。T1處于倒置狀態(tài)，T2、T5飽和，T3放大狀態(tài)，T4截止。vo=0.3V。目前十八頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)設(shè)輸出高電平值域：[VOHmin，3.6V]，VOHmin〉2V輸出低電平值域：[0.1V，VOLmax]，VOLmax<0.5V則由傳輸特性確定輸入高、低電平的值域?yàn)檩斎氲碗娖街涤颍篬0.0V,VILmax]輸入高電平值域：[VIHmin,5.0V]VILmax是對(duì)應(yīng)于輸出電平為VOHmin的輸入電平，亦稱為關(guān)門電平（T5截止）VIHmin是對(duì)應(yīng)于輸出電平為VOLmax的輸入電平，亦稱為開(kāi)門電平（T5飽和）目前十九頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.輸入噪聲容限定義:對(duì)于TTL反相器，在保證輸出高電平在其值域內(nèi)的條件下，輸入低電平允許的干擾脈沖最大幅度稱為低電平噪聲容限VNL。

同樣，在保證輸出低電平在其值域內(nèi)的條件下，輸入高電平允許的干擾脈沖最大幅度稱為高電平噪聲容限，記為VNH。目前二十頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)G2門輸入低電平允許的干擾脈沖幅度為：VNL=VILmax-VOLmax

G2門輸入高電平允許的干擾脈沖幅度為：VNH=VOHmin-VIHmin

適當(dāng)選擇VOLmax、VILmax、VIHmin和VOHmin，獲得最佳的噪聲容限一個(gè)門的輸出常常是另一個(gè)門的輸入，如圖2.2.3所示。

目前二十一頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)3.輸入特性輸入特性有輸入伏安特性和輸入負(fù)載特性。1)輸入伏安特性:輸入電流與輸入電壓之間的關(guān)系曲線

圖2.2.1TTL非門

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

當(dāng)（即vI=VIL）時(shí)，T1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，T2、T5截止，IIS稱為輸入短路電流。當(dāng)（即vI=VIH）時(shí)，

T1發(fā)射結(jié)截止，T2、T5飽和，其反向電流即為高電平輸入電流IIH,約為40μA。當(dāng)隨vI增加，即從-1.6mA增加至40μA。

1

Ii

2

Iv(V)

4

IIH=40μA

-IIS

0

VILmax

Iv

Ii

-10mA

-20mA

圖2.2.4非門的輸入伏安特性

VIHmin

目前二十二頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2)輸入負(fù)載特性TTL門的輸入端與參考電位之間接電阻R，輸入電壓與電阻之間的關(guān)系曲線稱為輸入負(fù)載特性。當(dāng)電阻R很小，使時(shí)，A

VVCC5=R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

RT1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，T2、T5截止。對(duì)應(yīng)于vI=VIL=0.8V的電阻稱為關(guān)門（T5截止）電阻Roff。即當(dāng)時(shí)，R<Roff<<

R1。由上式，vI隨R線性增加。I1

R

R(Ω)

Iv(V)

0

Roff

Ron

1.4

VILmax

目前二十三頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)由于R>Ron=2.0k時(shí)T5飽和導(dǎo)通，故稱Ron為開(kāi)門電阻。綜上所述，當(dāng)R<Roff時(shí)，非門輸出高電平，即等效輸入為低電平（邏輯0）；當(dāng)R>Ron時(shí)（包括R→∞，即輸入端懸空），非門輸出低電平，即等效輸入為高電平（邏輯1）A

VVCC5=R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

RI1

R

R(Ω)

Iv(V)

0

Roff

Ron

1.4

VILmax

當(dāng)R>Ron=2.0k時(shí)，由上式，，T1集電結(jié)導(dǎo)通，T2、T5飽和，限制目前二十四頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)4.輸出特性：帶上負(fù)載后，負(fù)載電流與輸出電壓的關(guān)系曲線。

有低電平輸出特性和高電平輸出特性

1）低電平輸出特性

圖2.2.1TTL非門

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

當(dāng)輸入為高電平（即vI=VIH）時(shí)，輸出為低電平。此時(shí)，T4截止，T2、T5飽和導(dǎo)通，等效電路如圖2.2.6。T5可以吸入負(fù)載電流，稱為灌電流。

CCV

R3

T5

RL

Li

VOL

非門

圖2.2.6TTL門低電平輸出等效電路

目前二十五頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)T5飽和時(shí)，其集射極之間的等效電阻?。ù蠹s20Ω），且基本不變，故輸出電壓隨負(fù)載電流線性增加,低電平輸出特性如圖2.2.7所示。

CCV

R3

T5

RL

Li

VOL

非門

圖2.2.6TTL門低電平輸出電路

圖2.2.7TTL門低電平輸出特性

VOL(V)

Li(mA)

0

20

10

0.2

0.6

ILLmax

VOLmax

目前二十六頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2）高電平輸出特性

圖2.2.1TTL非門

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

輸入低電平（即vI=VIL）時(shí)，輸出高電平。此時(shí)，T2、T5截止，T3、T4組成射極輸出器,等效電路如圖2.2.8。T4向負(fù)載輸出電流，稱為拉電流。

圖2.2.8TTL門高電平輸出等效電路

CCV

RL

Li

VOH

非門

T3

T4

R4

100Ω

目前二十七頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)當(dāng)負(fù)載電流較?。ㄘ?fù)載電阻大）時(shí)，由于射極輸出器輸出電阻小，輸出電壓基本不變。當(dāng)負(fù)載電流較大（負(fù)載電阻?。r(shí)，R4上的電壓較大，使T3、T4飽和，故輸出電壓基本上隨負(fù)載電流線性下降。所以，R4的作用是限制輸出電流。

圖2.2.9TTL門高電平輸出特性

VOH(V)

Li(mA)

0

-1

-2

2

4

圖2.2.8TTL門高電平輸出等效電路

CCV

RL

Li

VOH

非門

T3

T4

R4

100Ω

目前二十八頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)5.扇出系數(shù)

驅(qū)動(dòng)相同系列的TTL門的個(gè)數(shù)稱為扇出系數(shù),記為N。

圖2.2.10非門的扇出系數(shù)

1

1

1

.

.

.

G1

Ii

當(dāng)驅(qū)動(dòng)門G1輸出低電平時(shí)，負(fù)載門的輸入電流近似等于輸入短路電流IIS。如果G1吸入的最大低電平電流為ILLmax，則驅(qū)動(dòng)負(fù)載門的最大個(gè)數(shù)為：

1

Ii

2

Iv(V)

4

IIH=40μA

-IIS

0

VILmax

Iv

Ii

-10mA

-20mA

圖2.2.4非門的輸入伏安特性

VIHmin

圖2.2.7TTL門低電平輸出特性

VOL(V)

Li(mA)

0

20

10

0.2

0.6

ILLmax

VOLmax

目前二十九頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)5.扇出系數(shù):驅(qū)動(dòng)相同系列的TTL門的個(gè)數(shù)稱為扇出系數(shù),記為N。

圖2.2.10非門的扇出系數(shù)

1

1

1

.

.

.

G1

Ii

1

Ii

2

Iv(V)

4

IIH=40μA

-IIS

0

VILmax

Iv

Ii

-10mA

-20mA

圖2.2.4非門的輸入伏安特性

VIHmin

圖2.2.7TTL門低電平輸出特性

VOL(V)

Li(mA)

0

20

10

0.2

0.6

ILLmax

VOLmax

當(dāng)驅(qū)動(dòng)門G1輸出高電平時(shí)，負(fù)載門的輸入電流近似等于高電平輸入電流IIH。如果G1輸出的最大高電平電流為ILHmax，則驅(qū)動(dòng)負(fù)載門的最大個(gè)數(shù)為：目前三十頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)扇出系數(shù)為：例如，74H系列門電路的參數(shù)：IIS=1.6mA,IIH=0.04mA,ILLmax=16mA,ILHmax=0.4mA,則目前三十一頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)6.傳輸延遲時(shí)間1

A

Y

A

Y

tPHL

tPLH

50%

50%

(1)輸出高電平轉(zhuǎn)換為低電平的傳輸延遲時(shí)間tPHL：從輸入上升沿幅值的50%對(duì)應(yīng)的時(shí)刻起，到輸出下降沿幅值的50%對(duì)應(yīng)的時(shí)刻止所需的時(shí)間。在tPHL期間，T5管由截止轉(zhuǎn)換到飽和，主要對(duì)應(yīng)于T5管的開(kāi)通時(shí)間。(2)輸出低電平轉(zhuǎn)換為高電平的傳輸延遲時(shí)間tPLH：從輸入下降沿幅值的50%對(duì)應(yīng)的時(shí)刻起，到輸出上升沿幅值的50%對(duì)應(yīng)的時(shí)刻止所需的時(shí)間。在tPLH期間，T5管由飽和轉(zhuǎn)換到截止，主要對(duì)應(yīng)于T5管的關(guān)斷時(shí)間。所以，tPLH大于tPHL。(3)平均傳輸延遲時(shí)間tpd：目前三十二頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.2.3TTL與非門/或非門/與或非門1．TTL與非門

圖2.2.12TTL與非門(a)電路(b)多發(fā)射極三極管等效電路

（c）輸入級(jí)等效電路

A

B

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1b1

T2

T3

T4

T5

c1

AB

T1b1

c1

c1

b1

(a)(b)（c）

A

B

c1

VVCC5=

R13k

X

X

當(dāng)A、B都是高電平時(shí)，T1的２個(gè)發(fā)射結(jié)都截止，T2、T5飽和，輸出低電平；當(dāng)A、B中任何一個(gè)為低電平時(shí)，T1中與低電平相連的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，T2、T5截止，輸出高電平；電路實(shí)現(xiàn)與非邏輯。X=AB目前三十三頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2．TTL或非門

圖2.2.13TTL或非門

A

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

T’1

B

T’2

R’13k

VVCC5=

(3)當(dāng)A為高電平時(shí)，T1的發(fā)射結(jié)截止，T2、T5飽和，輸出低電平；(1)當(dāng)A、B都是低電平時(shí)，T1和T1’的發(fā)射結(jié)都導(dǎo)通，T2、T2’和T5截止，輸出高電平；(2)當(dāng)B為高電平時(shí)，T1’的發(fā)射結(jié)截止，T2’、T5飽和，輸出低電平；(4)當(dāng)A和B都為高電平時(shí)，T1和T1’的發(fā)射結(jié)都截止，T2、T2’、T5飽和，輸出低電平。電路實(shí)現(xiàn)或非邏輯目前三十四頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)3．TTL與或非門

圖2.2.13TTL或非門

A

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

T’1

B

T’2

R’13k

VVCC5=

圖2.2.14TTL與或非門

A

B

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

T’1

C

D

T’2

R’13k

VVCC5=

X

Z

或非門電路比較可知，T1’和T1改為多發(fā)射極三極管，分別實(shí)現(xiàn)X=AB、Z=CD。所以:目前三十五頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.2.4TTL集電極開(kāi)路門和三態(tài)門

圖2.2.15TTL與非門并聯(lián)

----

電路燒壞！

A

B

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

C

D

VVCC5=

R1

3k

R4

100Ω

X

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

G1

G2

AB=0CD=1普通TTL門輸出端不能并聯(lián)！

實(shí)際中希望并聯(lián)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)并聯(lián)可以擴(kuò)展或增強(qiáng)的路的功能。TTL集電極開(kāi)路門和三態(tài)門的輸出端可以并聯(lián)。目前三十六頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)符號(hào)“

”表示集電極開(kāi)路,OC門正常使用時(shí)，必須外接電阻R，與T5形成反相器。整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)與非邏輯功能OC與非門輸出端可以并聯(lián)，如圖（b）。只有Y1和Y2同時(shí)為高電平時(shí)，Y才為高電平，即Y=Y1Y2，OC門的并聯(lián)線實(shí)現(xiàn)邏輯與，簡(jiǎn)稱為線與。所以1.集電極開(kāi)路門（OC門目前三十七頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)&

&

CCV

A

B

C

D

1Oi

R

圖2.2.18OC與非門外接電阻的計(jì)算

G1

.

.

.

1

1

.

.

.

Gn

G1

Gm

Oni

1Ii

Imi

Ri

Ov

(1)當(dāng)OC門輸出高電平時(shí)，OC門的輸出電流為IOH（等于T5管的穿透電流）,負(fù)載門輸入電流為IIH,

(2)當(dāng)OC門輸出低電平時(shí)，以及灌入一個(gè)OC門的電流不超過(guò)其最大允許值IOLmax。此時(shí)負(fù)載門的輸入電流近似為輸入短路電流-IIS,上拉電阻R的計(jì)算目前三十八頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.三態(tài)TTL門

圖2.2.19TTLTSL與非門

A

B

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

EN

R63k

R7

T6

T7

T8

TSL鉗位電路

&

▽

EN

&

▽

EN

(a)

(b)

(c)

三態(tài)門,簡(jiǎn)稱為TSL門（TristateLogic）。它的輸出除了常規(guī)的高電平、低電平外，還有高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)使能輸入端

EN=1(高電平)時(shí)，T7飽和，T8截止：當(dāng)EN=0(低電平)時(shí)，T7截止，T8飽和，導(dǎo)致T3、T4、T2和T5截止，輸出電阻大，即為高阻態(tài)，記為X?！皑尅北硎?態(tài)輸出目前三十九頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)TSL門的應(yīng)用X1XnEN=0，G1工作，輸入EN=1，G2工作，輸出目前四十頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)*2.2.5TTL門電路的產(chǎn)品系列1。TTL門的產(chǎn)品系列號(hào)為： 74/54、74H/54H、74S/54S、74LS/54LS、74AS/54AS和74ALS/54ALS。2。在系列號(hào)后的數(shù)字則是品種代號(hào)，品種代號(hào)相同的門功能相同。例如，7400和74H00都是2輸入與非門，僅是系列不同。3。而74和54系列的區(qū)別僅是工作溫度和電源電壓的變化范圍不同，其他相同。74系列的工作環(huán)境溫度規(guī)定為0–70oC電源電壓的工作范圍是5V±5%54系列的工作環(huán)境溫度規(guī)定為-55-+125oC電源電壓的工作范圍是5V±10%說(shuō)明54系列比74系列性能好。目前四十一頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)表2.2.2不同系列TTL門的特性比較74/5474H/54H74S/54S74LS/54LS74AS/54AS74ALS/54ALS平均傳輸時(shí)間tpd(nS)1064101.54每門功耗P(mW)1022.5202201延時(shí)功耗積(nS·mW)1001358020304不同系列TTL門的特性和電路見(jiàn)教材和手冊(cè)目前四十二頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.3CMOS門電路2.3.1MOS管的開(kāi)關(guān)特性2.3.2CMOS反相器的工作原理2.3.3CMOS反相器的特性2.3.4CMOS與非門/或非門2.3.5CMOS傳輸門/三態(tài)門/異或門*2.3.6BiCMOS門電路由于CMOS和BiCMOS門電路性能優(yōu)秀，成為門電路的主流產(chǎn)品。本節(jié)主要介紹CMOS門電路，然后簡(jiǎn)要介紹BiCMOS門電路。同時(shí)包含NMOS管和PMOS管的門電路稱為互補(bǔ)對(duì)稱MOS門電路，即CMOS門電路。CMOS工藝與雙極型工藝相結(jié)合形成的門電路稱為BiCMOS門。目前四十三頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.3.1MOS管的開(kāi)關(guān)特1．NMOS管的開(kāi)關(guān)特性為了使P型襯底和源區(qū)及漏區(qū)間的PN結(jié)截止，P型襯底必須接電位最低的節(jié)點(diǎn)（通常是NMOS管的源極）。在很多情況下，P型襯底直接接電位最低的節(jié)點(diǎn)，而不與源極相連，這時(shí)漏極與源極可以互換使用。

圖2.3.1NMOS管的結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)、轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

N+

P型襯底

S

G

D

-GSv+

N+

-

DSv+

VTN

GSv

Di(mA)

O

DSv

Di(mA)

O

TNV3

TNV5.2

TNV2

TNV

Di

D

G

S

B

Di

B

SiO2

1

4

IDN

截止區(qū)

可變電阻區(qū)

D

G

S

Di

標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)

簡(jiǎn)化符號(hào)

目前四十四頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.3.1MOS管的開(kāi)關(guān)特1．NMOS管的開(kāi)關(guān)特性

圖2.3.1NMOS管的結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)、轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

N+

P型襯底

S

G

D

-GSv+

N+

-

DSv+

VTN

GSv

Di(mA)

O

DSv

Di(mA)

O

TNV3

TNV5.2

TNV2

TNV

Di

D

G

S

B

Di

B

SiO2

1

4

IDN

截止區(qū)

可變電阻區(qū)

D

G

S

Di

標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)

簡(jiǎn)化符號(hào)

當(dāng)時(shí),無(wú)導(dǎo)電溝道，源漏之間2個(gè)背靠背的PN結(jié)總有一個(gè)截止(nA級(jí))，DS之間的截止電阻可達(dá)108Ω量級(jí)，等效為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

當(dāng)時(shí),P型襯底中的電子受柵極上正電荷的吸引在柵極下形成導(dǎo)電層，連接個(gè)2個(gè)N+島形成N型導(dǎo)電溝道，在的作用下形成電流，(mA),工作在可變電阻區(qū)，等效為開(kāi)關(guān)閉合。K是常數(shù)，與溝道的寬長(zhǎng)比和半導(dǎo)體材料有關(guān)。Ron約為1kΩ?？勺冸娮鑵^(qū)導(dǎo)通電阻與成反比目前四十五頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)

圖2.3.2

NMOS管的開(kāi)關(guān)特性

D

G

S

R

Iv

VDD=5V

Ov

CL

電容放電

電容充電

Iv

Ov

因?yàn)镽on約為1kΩ。為確保輸出電壓小于0.3V（低電平），電阻R必須大于20kΩ。當(dāng)時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，電容放電，時(shí)間常數(shù)達(dá)nS級(jí)。當(dāng)時(shí)，NMOS管截止，電容充電，充電時(shí)間常數(shù)大于放電時(shí)間常數(shù)，達(dá)100nS左右,故輸出的上升沿比下降沿慢。目前四十六頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2．PMOS管的開(kāi)關(guān)特性

PMOS管的特性亦與NMOS管相似。區(qū)別是，開(kāi)啟電壓VTP為負(fù)值，即柵極電位低于源極電位|VTP|,PMOS管導(dǎo)通,否則截止。源極電位高于漏極電位，形成流出漏極的導(dǎo)通電流。N型襯底必須接電位最高的節(jié)點(diǎn)（通常是PMOS管的源極）。目前四十七頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2.3.2CMOS反相器的工作原理

當(dāng)

時(shí)，，NMOS管截止，PMOS導(dǎo)通（可變電阻區(qū)）。即，，輸出高電平當(dāng)時(shí)，，NMOS管導(dǎo)通（可變電阻區(qū)），PMOS截止。即，，輸出低電平綜上所述，電路實(shí)現(xiàn)邏輯非電源電壓：由電路，得目前四十八頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)1．電壓傳輸特性

ab段：

,TN截止,TP導(dǎo)通,de段：

,TN導(dǎo)通,TP截止,bcd段：

,TN和TP都導(dǎo)通,導(dǎo)通電阻與柵源電壓的絕對(duì)值成反比。

vI增加，使增加，的絕對(duì)值減小，導(dǎo)致RN減小，RP增大。因此，vI增加使vo減小。2.3.3CMOS反相器的特性目前四十九頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)當(dāng)時(shí)，傳輸特性的中點(diǎn)c，閾值電壓為VDD/2。CMOS門的輸入噪聲容限大，近似為：在中點(diǎn)，電源到地的等效電阻最小，電源電流最大，這正是產(chǎn)生動(dòng)態(tài)尖峰電流的原因。轉(zhuǎn)折區(qū)電壓變化率大，可以作為放大器。目前五十頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)2．輸入伏安特性增加輸入保護(hù)等電路，即構(gòu)成實(shí)際的CMOS門電路。當(dāng)時(shí)，D1導(dǎo)通，輸入電流等于其導(dǎo)通電流，MOS管柵極電位近似等于VF+VDD；

設(shè)VF是二極管的正向?qū)妷?，則當(dāng)時(shí)，二極管截止，輸入電流近似等于零，MOS管柵極電位等于輸入電壓

當(dāng)時(shí)，D2導(dǎo)通，輸入電流等于其導(dǎo)通電流，MOS管柵極電位近似等于-VF。

因此，MOS管柵極電位被限制在[-VF，VDD+VF]目前五十一頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)3．輸出特性（1）低電平輸出特性當(dāng)電源電壓改變時(shí)，TN的柵源電壓變化，所以，繪出了多只曲線。輸入高電平（vI=VDD）時(shí)，輸出為低電平。此時(shí)，TP截止，TN導(dǎo)通。低電平輸出特性是TN的輸出特性目前五十二頁(yè)\總數(shù)六十三頁(yè)\編于二十一點(diǎn)（2）高電平輸出特性輸入低電平（即vI=0V）時(shí)，輸出為高電平。此時(shí)，TP導(dǎo)通，TN截止。高電平輸出特性是TP的輸出特性