與門電路和與非門電路原理0001

什么是與門電路從小巧的電子手表，到復(fù)雜的電子計(jì)算機(jī)，它們的許多元件被制成集成電路的形式，即把幾十、幾百，甚至成干上萬個電子元件制作在一塊半導(dǎo)體片或絕緣片上。每種集成電路都有它獨(dú)特的作用。有一種用得最多的集成電路叫門電路。常用的門電路有與門、非門、與非門。什么是門電路“門”顧名思義起開關(guān)作用。任何“門”的開放都是有條件的。例如.一名學(xué)生去買書包，只買既好看又給買的，那么他的家門只對“好看”與“結(jié)實(shí)”這兩個條件同時具備的書包才開放。門電路是起開關(guān)作用的集成電路。由于開放的條件不同，而分為與門、非門、與非門等等。與門我們先學(xué)習(xí)與門，在這之前請大家先看圖15-16，懂得什么是高電位，什么是低電位。圖15-17甲是我們實(shí)驗(yàn)用的與用的與門，它有兩個輸入端A、B和一個輸出端。圖15-17乙是它連人電路中的情形，發(fā)光二極管是用來顯示輸出端的電位高低：輸出端是高電位，二極管發(fā)光；輸出端是低電位，二極管不發(fā)光。實(shí)驗(yàn)照圖15-18甲、乙、丙、丁的順序做實(shí)驗(yàn)。圖中由A、B引出的帶箭頭的弧線，表示把輸入端接到高電位或低電位的導(dǎo)線。每次實(shí)驗(yàn)根據(jù)二極管是否發(fā)光，判定輸出端電位的高低。輸入端著時，它的電位是高電位，照圖15-18戊那樣，讓兩輸人端都空著，則輸出瑞的電位是高電位，二極管發(fā)光?？梢姡c門只在輸入端A與輸入端8都是高電位時，輸出端才是高電位；輸入端A、B只要有一個是低電位，或者兩個都是低電位時，輸出端也是低電位。輸人端空著時，輸出端是高電位。與門的應(yīng)用圖15-19是應(yīng)用與門的基本電路，只有兩個輸入端A、B同低電位間的開關(guān)同時斷開，A與B才同時是高電位，輸出端也因而是高電位，用電器開始工作。實(shí)驗(yàn)I照圖15-20連接電路。圖中輸入端與低電位間連接的是常閉按鈕開關(guān)，按壓時斷開，不壓時接通。觀察電動機(jī)在什么情況下轉(zhuǎn)動。如果圖15-20的兩個常閉按鈕開關(guān)分別裝在汽車的前后門，圖中的電動機(jī)是啟動汽車內(nèi)燃機(jī)的電動機(jī)，

當(dāng)車間關(guān)緊時常閉按鈕開關(guān)才能被壓開，那么這個電路可以保證只有兩個車門都關(guān)緊時汽車才能開動。與非門，與非門是什么意思DTL與非門電路：常將二極管與門和或門與三極管非門組合起來組成與非門和或非門電路，以消除在串接時產(chǎn)生的電平偏離，并提高帶負(fù)載能力。圖2.1.5所示就是由三輸入端的二極管與門和三極管非門組合而成的與非門電路。其中，作了兩處必要的修正：一將電阻Rb換成兩個二極管D4、D5,作用是提高輸入低電平的抗干擾能力，即當(dāng)輸入低電平有波動時，保證三極管可靠截止，以輸出高電平。二是增加了R1，目的是當(dāng)三極管從飽和向截止轉(zhuǎn)換時，給基區(qū)存儲電荷提供一個瀉放回路。該電路的邏輯關(guān)系為：(1)當(dāng)三輸入端都接高電平時(即VA=VB=VC=5V)，二極管D1?D3都截止，而D4、D5和T導(dǎo)通。可以驗(yàn)證，此時三極管飽和，VL=VCES^，即輸出低電平。(2)在三輸入端中只要有一個為低電平時，則陰極接低電平的二極管導(dǎo)通，由于二極管正向?qū)〞r的鉗位作用，VP^1V，從而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即輸出高電平?？梢娫撾娐窛M足與非邏輯關(guān)系，即：把一個電路中的所有元件，包括二極管、三極管、電阻及導(dǎo)線等都制作在一片半導(dǎo)體芯片上，封裝在一個管殼內(nèi)，就是集成電路。圖2.1.5就是早期的簡單集成與非門電路，稱為二極管一三極管邏輯門電路，簡稱DTL電路。TTL邏輯門電路:DTL電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但因工作速度低而很少應(yīng)用。由此改進(jìn)而成的TTL電路，問世幾十年來，經(jīng)過電路結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)和集成工藝的逐步完善，至今仍廣泛應(yīng)用，幾乎占據(jù)著數(shù)字集成電路領(lǐng)域的半壁江山。TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)及工作原理TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)我們以DTL與非門電路為基礎(chǔ)，根據(jù)提高電路功能的需要，從以下幾個方面加以改進(jìn)，從而引出TTL與非門的電路結(jié)構(gòu)。首先考慮輸入級，DTL是用二極管與門做輸入級，速度較低。仔細(xì)分析我們發(fā)現(xiàn)電路中的Dl、D2、D3、D4的P區(qū)是相連的。我們可用集成工藝將它們做成一個多發(fā)射極三極管。這樣它既是四個PN結(jié)，不改變原來的邏輯關(guān)系，又具有三極管的特性。一旦滿足了放大的外部條件，它就具有放大作用，為迅速消散T2飽和時的超量存儲電荷提供足夠大的反向基極電流，從而大大提高了關(guān)閉速度。詳細(xì)情況后面再講。第二，為提高輸出管的開通速度，可將二極管D5改換成三極管T2，邏輯關(guān)系不變。同時在電路的開通過程中利用T2的放大作用，為輸出管T3提供較大的基極電流，加速了輸出管的導(dǎo)通。另外T2和電阻RC2、RE2組成的放大器有兩個反相的輸出端VC2和VE2，以產(chǎn)生兩個互補(bǔ)的信號去驅(qū)動T3、T4組成的推拉式輸出級。第三，再分析輸出級。輸出級應(yīng)有較強(qiáng)的負(fù)載能力，為此將三極管的集電極負(fù)載電阻RC換成由三極管T4、二極管D和RC4組成的有源負(fù)載。由于T3和T4受兩個互補(bǔ)信號Ve2和Vc2的驅(qū)動，所以在穩(wěn)態(tài)時，它們總是一個導(dǎo)通，另一個截止。這種結(jié)構(gòu)，稱為推拉式輸出級。TTL與非門的邏輯關(guān)系因?yàn)樵撾娐返妮敵龈叩碗娖椒謩e為和，所以在下面的分析中假設(shè)輸入高低電平也分別為和。(1)輸入全為高電平時。T2、T3導(dǎo)通，VB1=X3=(V)，從而使T1的發(fā)射結(jié)因反偏而截止。此時T1的發(fā)射結(jié)反偏，而集電結(jié)正偏，稱為倒置放大工作狀態(tài)。由于T3飽和導(dǎo)通，輸出電壓為：VO=VCES3^這時VE2=VB3=，而VCE2=，故有VC2=VE2+VCE2=1V。1V的電壓作用于T4的基極，使T4和二極管D都截止?？梢妼?shí)現(xiàn)了與非門的邏輯功能之一：輸入全為高電平時，輸出為低電平。(2)輸入有低電平時。該發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，T1的基極電位被鉗位到VB1=1V。T2、T3都截止。由于T2截止，流過RC2的電流僅為T4的基極電流，這個電流較小，在RC2上產(chǎn)生的壓降也較小，可以忽略，所以VB4^VCC=5V，使T4和D導(dǎo)通，則有：VORVCC-VBE4-VD=(V)可見實(shí)現(xiàn)了與非門的邏輯功能的另一方面：輸入有低電平時，輸出為高電平。綜合上述兩種情況，該電路滿足與非的邏輯功能，是一個與非門。TTL與非門的開關(guān)速度：1.TTL與非門提高工作速度的原理(1)采用多發(fā)射極三極管加快了存儲電荷的消散過程。設(shè)電路原來輸出低電平，當(dāng)電路的某一輸入端突然由高電平變?yōu)榈碗娖?，T1的一個發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，VB1變?yōu)?V。由于T2、T3原來是飽和的，基區(qū)中的超量存貯電荷還來不及消散，VB2仍維持。在這個瞬間，T1為發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，工作于放大狀態(tài)，其基極電流iB1=(VCC-VB1)/Rb1圖2.2.5多發(fā)射極三極管消散T2存儲電荷的過程集電極電流iC1=81iB1。這個iC1正好是T2的反向基極電流iB2,可將T2的存貯電荷迅速地拉走，促使T2管迅速截止。T2管迅速截止又使T4管迅速導(dǎo)通，而使T3管的集電極電流加大，使T3的超量存貯電荷從集電極消散而達(dá)到截止。(2)采用了推拉式輸出級，輸出阻抗比較小，可迅速給負(fù)載電容充放電。2.TTL與非門傳輸延遲時間tpd當(dāng)與非門輸入一個脈沖波形時，其輸出波形有一定的延遲，如圖所示。定義了以下兩個延遲時間：導(dǎo)通延遲時間tPHL——從輸入波形上升沿的中點(diǎn)到輸出波形下降沿的中點(diǎn)

所經(jīng)歷的時間。截止延遲時間tPLH——從輸入波形下降沿的中點(diǎn)到輸出波形上升沿的中點(diǎn)

所經(jīng)歷的時間。與非門的傳輸延遲時間tpd是tPHL和tPLH的平均值。即一般TTL與非門傳輸延遲時間tpd的值為幾納秒?十幾個納秒。TTL與非門的電壓傳輸特性及抗干擾能力電壓傳輸特性曲線與非門的電壓傳輸特性曲線是指與非門的輸出電壓與輸入電壓之間的對應(yīng)關(guān)系曲線，即V=f(Vi)，它反映了電路的靜態(tài)特性。AB段(截止區(qū))。BC段(線性區(qū))。CD段(過渡區(qū))。DE段(飽和區(qū))。幾個重要參數(shù)從TTL與非門的電壓傳輸特性曲線上，我們可以定義幾個重要的電路指標(biāo)。輸出高電平電壓VOH——VOH的理論值為，產(chǎn)品規(guī)定輸出高電壓的最小值VOH(min)=，即大于的輸出電壓就可稱為輸出高電壓VOH。輸出低電平電壓VOL——VOL的理論值為，產(chǎn)品規(guī)定輸出低電壓的最大值VOL(max)=，即小于的輸出電壓就可稱為輸出低電壓VOL。由上述規(guī)定可以看出，TTL門電路的輸出高低電壓都不是一個值，而是一個范圍。關(guān)門電平電壓VOFF——是指輸出電壓下降到VOH(min)時對應(yīng)的輸入電壓。顯然只要ViVVOff，Vo就是高電壓，所以VOFF就是輸入低電壓的最大值，在產(chǎn)品手冊中常稱為輸入低電平電壓，用VIL(max)表示。從電壓傳輸特性曲線上看VIL(max)(VOFF)R，產(chǎn)品規(guī)定VIL(max)=。開門電平電壓VON——是指輸出電壓下降到VOL(max)時對應(yīng)的輸入電壓。顯然只要Vi〉VON，Vo就是低電壓，所以VON就是輸入高電壓的最小值，在產(chǎn)品手冊中常稱為輸入高電平電壓，用VIH(min)表示。從電壓傳輸特性曲線上看VIH(min)(VON)略大于，產(chǎn)品規(guī)定VIH(min)=2V。閾值電壓Vth——決定電路截止和導(dǎo)通的分界線，也是決定輸出高、低電壓的分界線。從電壓傳輸特性曲線上看，Vth的值界于VOFF與VON之間，而VOFF與VON的實(shí)際值又差別不大，所以，近似為Vth^VOFF^VON。Vth是一個很重要的參數(shù)，在近似分析和估算時，常把它作為決定與非門工作狀態(tài)的關(guān)鍵值，即ViVVth，與非門開門，輸出低電平；Vi〉Vth，與非門關(guān)門，輸出高電平。Vth又常被形象化地稱為門檻電壓。Vth的值為?1.4V。抗干擾能力TTL門電路的輸出高低電平不是一個值，而是一個范圍。同樣，它的輸入高低電平也有一個范圍，即它的輸入信號允許一定的容差，稱為噪聲容限。在圖2.2.11中若前一個門G1輸出為低電壓，則后一個門62輸入也為低電壓。如果由于某種干擾，使G2的輸入低電壓高于了輸出低電壓的最大值VOL(max)，從電壓傳輸特性曲線上看，只要這個值不大于VOFF，G2的輸出電壓仍大于VOH(min)，即邏輯關(guān)系仍是正確的。因此在輸入低電壓時，把關(guān)門電壓VOFF與VOL(max)之差稱為低電平噪聲容限，用VNL來表示，即低電平噪聲容限VNL=VOFF-VOL(max)=若前一個門G1輸出為高電壓，則后一個門62輸入也為高電壓。如果由于某種干擾，使G2的輸入低電壓低于了輸出高電壓的最小值VOH(min)，從電壓傳輸特性曲線上看，只要這個值不小于VON，G2的輸出電壓仍小于VOL(max)，邏輯關(guān)系仍是正確的。因此在輸入高電壓時，把VOH(min)與開門電壓VON與之差稱為高電平噪聲容限，用VNH來表示，即高電平噪聲容限VNH=VOH(min)-VON=噪聲容限表示門電路的抗干擾能力。顯然，噪聲容限越大，電路的抗干擾能力越強(qiáng)。通過這一段的討論，也可看出二值數(shù)字邏輯中的“0”和“1”都是允許有一定的容差的，這也是數(shù)字電路的一個突出的特點(diǎn)。TTL與非門的帶負(fù)載能力：在數(shù)字系統(tǒng)中，門電路的輸出端一般都要與其他門電路的輸入端相連，稱為帶負(fù)載。一個門電路最多允許帶幾個同類的負(fù)載門就是這一部分要討論的問題。輸入低電平電流IIL與輸入高電平電流IIH這是兩個與帶負(fù)載能力有關(guān)的電路參數(shù)。(1)輸入低電平電流IIL是指當(dāng)門電路的輸入端接低電平時，從門電路輸入端流出的電流。(2)輸入高電平電流IIH是指當(dāng)門電路的輸入端接高電平時，流入輸入端的電流。有兩種情況。寄生三極管效應(yīng)。當(dāng)與非門一個輸入端(如A端)接高電平，其它輸入端接低電平，這時IIH=8PIB1，8P為寄生三極管的電流放大系數(shù)。倒置工作狀態(tài)。當(dāng)與非門的輸入端全接高電平，這時，T1的發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏，工作于倒置的放大狀態(tài)。這時IIH=8iIB1，8i為倒置放大的電流放大系數(shù)。由于Bp和Bi的值都遠(yuǎn)小于1，所以IIH的數(shù)值比較小，產(chǎn)品規(guī)定IIH<40uAo帶負(fù)載能力(1)灌電流負(fù)載。當(dāng)驅(qū)動門輸出低電平時，驅(qū)動門的T4、D截止，T3導(dǎo)通。這時有電流從負(fù)載門的輸入端灌入驅(qū)動門的T3管，“灌電流”由此得名。灌電流的來源是負(fù)載門的輸入低電平電流IIL，如圖2.2.15所示。很顯然，負(fù)載門的個數(shù)增加，灌電流增大，即驅(qū)動門的T3管集電極電流IC3增加。當(dāng)IC3〉8IB3時，丁3脫離飽和，輸出低電平升高。前面提到過輸出低電平不得高于VOL(max)=。因此，把輸出低電平時允許灌入輸出端的電流定義為輸出低電平電流IOL，這是門電路的一個參數(shù)，產(chǎn)品規(guī)定IOL=16mA。由此可得出，輸出低電平時所能驅(qū)動同類門的個數(shù)為：(2)拉電流負(fù)載。當(dāng)驅(qū)動門輸出高電平時，驅(qū)動門的T4、D導(dǎo)通，T3截止。這時有電流從驅(qū)動門的T4、D拉出而流至負(fù)載門的輸入端，“拉電流”