電子技術(shù)課件：門電路

門電路8.1二極管和三極管的開關(guān)特性8.2基本邏輯門電路8.3

TTL邏輯門電路8.4能力訓(xùn)練習(xí)題

集成邏輯門電路是數(shù)字電路中最基本的邏輯單元，因此了解各類邏輯門電路的基本特性對于合理選擇和使用器件是十分必要的。本章簡要介紹門電路中的二極管和三極管的工

作特性，以及TTL集成邏輯門電路的基本工作原理和主要外部特性。

用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的電路稱為門電路。常用的門電路有與門、非門、或門、與非門、或非門、與或非門、異或門、同或門等。門電路中以高低電平來表示邏輯狀態(tài)的“1”和“0”。

8.1二極管和三極管的開關(guān)特性

在客觀世界中，沒有理想開關(guān)，電子技術(shù)中常用開關(guān)二極管和開關(guān)三極管作為開關(guān)使用。8.1.1二極管的開關(guān)特性

1.靜態(tài)開關(guān)特性二極管的伏安特性曲線如圖8－1所示。其等效電路見圖8－2、圖8－3。圖8－1二極管的伏安特性曲線圖8－2二極管導(dǎo)通等效電路圖8－3二極管截止等效電路

正向?qū)〞r(shí)，

UVD(ON)≈0.7V(硅)或0.3V(鍺)，

RVD約為幾歐姆到幾十歐姆，相當(dāng)于開關(guān)閉合；反向截止時(shí)，反向飽和電流極小，反向電阻很大，相當(dāng)于開關(guān)斷開。

2.動態(tài)開關(guān)特性

二極管從截止變?yōu)閷?dǎo)通和從導(dǎo)通變?yōu)榻刂苟夹枰欢ǖ臅r(shí)間。通常，后者所需的時(shí)間要長得多。

3.二極管的開關(guān)參數(shù)

(1)最大正向電流:二極管正向?qū)娏鞯淖畲笤试S值，使用時(shí)不得超過這一數(shù)值。

(2)最高反向工作電壓:二極管反向工作時(shí)所加反向電壓的最大值。

(3)反向擊穿電壓:二極管在一定反向電流下的反向電壓。在此電壓下，認(rèn)為二極管已被擊穿。

(4)反向恢復(fù)時(shí)間:二極管從正向電流變化到反向電流一定值所需的時(shí)間。

8.1.2三極管的開關(guān)特性

1.靜態(tài)開關(guān)特性

在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在飽和與截止兩種開關(guān)狀態(tài)，如圖8－4所示，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。

截止?fàn)顟B(tài):發(fā)射結(jié)反偏，電流約為0。

飽和狀態(tài):發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。圖8－4三極管的開關(guān)等效電路

2.動態(tài)開關(guān)特性

在動態(tài)情況下，即三極管在截止與飽和導(dǎo)通兩種狀態(tài)間迅速轉(zhuǎn)換時(shí)，三極管內(nèi)部電荷的建立和消散都需要一定的時(shí)間，因而集電極電流ic

的變化將滯后于輸入電壓ui

的變化。

在接成三極管開關(guān)電路以后，開關(guān)電路的輸出電壓uo

的變化也必然滯后于輸入電壓ui的變化，如圖8－5所示。圖8－5三極管的動態(tài)開關(guān)特性

3.晶體三極管的開關(guān)參數(shù)

(1)最大集電極電流ICM:iC

在相當(dāng)大的范圍內(nèi)β值不變，但當(dāng)ic

的數(shù)值大到一定程度時(shí)β值將迅速減小。使β值明顯減小的iC

即為ICM

。

(2)極間反向擊穿電壓U(BR)CBO:發(fā)射極開路時(shí)集電極—基極間的反向擊穿電壓，這是集電結(jié)所允許加的最高反向電壓。

8.2基本邏輯門電路

8.2.1三種基本門電路

1.與門最簡單的與門可以用二極管和電阻構(gòu)成，如圖8－6所示圖8－6與門電路及邏輯符號

設(shè)UCC=5V，

A、B輸入端的高、低電平分別為UiH=3V，

UiL=0V，二極管VD1，VD2的正向?qū)▔航礥DF=0.7V。由圖可見，

A、B中只要有一個是低電平0V

，則必有一個二極管導(dǎo)通，使Y=0.7V。只有A、B同時(shí)為高電平3V時(shí)，

Y才為3.7V。

若規(guī)定3V以上為高電平，用邏輯1表示，0.7V以下為低電平，用邏輯0表示，則可得如表8－1所示的與邏輯運(yùn)算的真值表。

2.或門

最簡單的或門也可以用二極管和電阻構(gòu)成，如圖8－7所示。圖8－7或門電路及邏輯符號

設(shè)A、B輸入端的高、低電平分別為UiH=3V，

UiL=0V，二極管VD1

，

VD2

的正向?qū)▔航礥DF

=0.7V。由圖可見，

A、B中只要有一個是高電平，輸出Y就是2.3V。只有A、B同時(shí)為低電平時(shí)，輸出Y才是0V。

若規(guī)定2.3V以上為高電平，用邏輯1表示，

0V以下為低電平，用邏輯0表示，則可得如表8－2所示的或邏輯運(yùn)算的真值表。

3.非門

最簡單的非門可以用三極管和電阻構(gòu)成，如圖8－8所示。圖8－8非門電路及邏輯符號

當(dāng)A端輸入電壓Ui=0V時(shí)，三極管截止，輸出電壓Y=5V;當(dāng)A端輸入電壓Ui=5V時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸出電壓Y為低電平。因此，非邏輯運(yùn)算的真值表如表8－3所示。

8.2.2DTL與非門

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。早期的簡單集成與非門電路稱為二極管—三

極管邏輯門電路，簡稱DTL電路。DTL與非門的電路結(jié)構(gòu)如圖8－9所示。圖8－9DTL與非門電路

DTL與非門電路的邏輯關(guān)系為:當(dāng)三輸入端都接高電平(即UA=UB=UC=5V時(shí))，二極管VD1~VD3

都截止，而VD4

、VD5

和V導(dǎo)通?？梢则?yàn)證，此時(shí)三極管飽和，

Y=UCES=0.3V，即輸出低電平;在三個輸入端中只要有一個為低電平0.3V時(shí)，則陰極接低電平的二極管導(dǎo)通，由于二極管正向?qū)〞r(shí)的鉗位作用，

UP=1V，從而使VD4

、VD5和V都截止，Y=UCC=5V，即輸出高電平。

與非門的邏輯符號如圖8－10所示。圖8－10與非門邏輯符號

8.3TTL邏輯門電路

8.3.1TTL與非門的工作原理圖8－11所示為TTL與非門的典型電路。其輸入端和輸出端均為三極管結(jié)構(gòu)，所以稱為三極管—三極管邏輯電路(TransistorTransistorLogic)，簡稱TTL電路。該電路中輸入端為多發(fā)射極的三極管，我們可以將其看做兩個發(fā)射極獨(dú)立而基極和集電極分別并聯(lián)在一起的三極管，如圖－12所示。圖8－11TTL與非門電路圖8－12多發(fā)射極三極管

8.3.2TTL與非門的外特性及有關(guān)參數(shù)

1.輸入特性

在圖8－11給出的TTL與非門電路中，如果僅僅考慮輸入信號是高電平和低電平而不是某一個中間值的情況，可忽略V2

和V4

的b－c結(jié)反向電流以及R3

對V4

基極回路的影響，將輸入端的等效電路畫成如圖8－13所示的形式。圖8－13TTL與非門的輸入端等效電路

當(dāng)U

CC=5V，

ui

=UiL=0.2V時(shí)，輸入低電平電流為:

當(dāng)ui=UiH=3.4V時(shí)，

V1

管處于uBC>0，

uBE<0的狀態(tài)。在這種工作狀態(tài)下，相當(dāng)于把原來的集電極c1

當(dāng)作發(fā)射極使用，而把原來的發(fā)射極e1當(dāng)作集電極使用了。我們把晶體管的這種狀態(tài)稱為倒置工作狀態(tài)。倒置工作狀態(tài)下三極管的電流放大系數(shù)βi極小(在0.01以下)，如果近似地認(rèn)為βi

=0，則這時(shí)的輸入電流只是be結(jié)的方向電流，所以高電平輸入電流IiH

很小。

根據(jù)圖8－13所示的等效電路可以畫出輸入電流隨輸入電壓變化的曲線—輸入特性曲線，如圖8－14所示圖8－14TTL與非門的輸入特性

2.輸出特性

1)高電平輸出特性

根據(jù)前述工作原理，當(dāng)uo=UoH時(shí)，圖8－11電路中的V3

和VD3

導(dǎo)通，

V4

截止，輸出端的等效電路可以畫成圖8－15所示的形式。由圖可見，這時(shí)V3工作在射極輸出狀態(tài)，電路的輸出電阻很小。在負(fù)載電流較小的范圍內(nèi)，負(fù)載電流的變化對UoH

的影響很小。圖8－15高電平輸出等效電路

隨著負(fù)載電流iL

絕對值的增加，

R4

上的壓降也隨之加大，最終將使V4的b－c結(jié)變?yōu)檎蚱茫?/p>

V4進(jìn)入飽和狀態(tài)。這時(shí)V4將失去射極跟隨功能，因而UoH

隨iL絕對值的增加幾乎線性地下降。圖8－16給出了74系列門電路在輸出為高電平時(shí)的輸出特性曲線。圖8－16高電平輸出特性

2)低電平輸出特性

當(dāng)輸出為低電平時(shí)，門電路輸出級的V5

飽和導(dǎo)通而V4

截止，輸出端的等效電路如圖8－17所示。

由于V5

飽和導(dǎo)通時(shí)c－e間的飽和導(dǎo)通內(nèi)阻很小(通常在10Ω以內(nèi))，飽和導(dǎo)通壓降很低(通常約0.1V)，所以負(fù)載電流iL

增加時(shí)輸出的低電平UoL

僅稍有升高。圖818是低電平輸出特性曲線。圖8－17低電平輸出等效電路圖8－18低電平輸出特性曲線

以上以TTL與非門為例介紹了TTL門電路的外特性及有關(guān)參數(shù)，除此之外還有CMOS門電路，在此不再贅述，有興趣的讀者可參閱相關(guān)書籍和資料。

8.4能力訓(xùn)練

8.4.1集成與門集成與門芯片7408為雙列直插式芯片，共14個引腳，其功能圖如圖8－19所示。圖8－197408功能圖

7408為4個2輸入的與門芯片，其中14號引腳接電源，

7號引腳接地，其余引腳如圖8－19所示，分別構(gòu)成4個2輸入的與門。

另外，還有3個3輸入與門7411、雙4輸入與門7421等，引腳圖及功能等可查閱相關(guān)資料，這里不再一一贅述。

8.4.2集成或門

集成或門芯片7432為雙列直插式芯片，共14個引腳，其功能圖如圖8－20所示。

7432為4個2輸入的或門芯片，其中14號引腳接電源，

7號引腳接地，其余引腳如圖8－20所示，分別構(gòu)成4個2輸入的或門。圖8－207432功能圖

8.4.3集成反相器

集成反相器芯片7404為雙列直插式芯片，共14個引腳，其功能圖如圖8－21所示。

7404為六反相器芯片，其中14號引腳接電源，

7號引腳接地，其余引腳如圖8－21所示，分別構(gòu)成6個非門。圖8－217404功能圖

8.4.4集成與非門

1.7400

集成與非門芯片7400為雙列直插式芯片，共14個引腳，其功能圖如圖8－22所示。

7400為4個2輸入的與非門芯片，其中14號引腳接電源，

7號引腳接地，其余引腳如圖8－22所示，分別構(gòu)成4個2輸入的與非門。圖8－227400功能圖

2.7420

集成與非門芯片7420為雙列直插式芯片，共14個引腳，其功能圖如圖8－23所示。

7420為雙4輸入與非門芯片，其中14號引腳接電源，

7號引腳接地，其余引腳如圖8－23所示，分別構(gòu)成2個4輸入的與非門。

另外，還有3個3輸入與非門7410、8輸入與非門7430等，引腳圖及功能等可查閱相關(guān)資料，這里不再一一贅述。圖8－237420功能圖

習(xí)題圖8－24[題8.1]圖

[題8.1]試畫出圖8－24中各個門電路輸出端的電壓波形。輸入端A、B的電壓波形如圖中所示。

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