數(shù)字電子2課件

數(shù)字電子22024/5/12數(shù)字電子22.1二極管、三極管開(kāi)關(guān)特性2.1.1二極管開(kāi)關(guān)特性一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)應(yīng)具備以下幾個(gè)基本條件：開(kāi)關(guān)接通時(shí)阻抗為零；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)阻抗為無(wú)窮大；開(kāi)關(guān)在通、斷兩狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換速度極快。二極管的主要特點(diǎn)是具有單向?qū)щ娦裕谡驅(qū)〞r(shí)，內(nèi)阻很小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)接通；而在反向截止時(shí)，內(nèi)阻很大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。因此，二極管可作為開(kāi)關(guān)元件使用。數(shù)字電子21．靜態(tài)特性當(dāng)外加正向電壓超過(guò)一定的數(shù)值UT以后，二極管導(dǎo)通，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。當(dāng)二極管外加反向電壓且小于擊穿電壓時(shí)，二極管截止，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

2.1二極管、三極管開(kāi)關(guān)特性

圖2-1二極管的伏安特性曲線(xiàn)數(shù)字電子2在二極管開(kāi)關(guān)電路中，二極管導(dǎo)通壓降與外加電源電壓相比及導(dǎo)通電阻與外電路電阻相比均可忽略，則可近似地認(rèn)為二極管具有理想開(kāi)關(guān)的靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性。在數(shù)字電路的分析與估算過(guò)程中，常把

uD＜UT=0.7V，看成是硅二極管的截止條件，而且一旦截止之后，就近似認(rèn)為iD≈0，如同斷開(kāi)了的開(kāi)關(guān)。2.1二極管、三極管開(kāi)關(guān)特性數(shù)字電子22．動(dòng)態(tài)特性

在數(shù)字電路中，二極管開(kāi)關(guān)經(jīng)常工作在高速通斷狀態(tài)。由于PN結(jié)中存儲(chǔ)電荷的存在，使二極管開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換不能瞬間完成，因此，必須了解二極管開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換過(guò)程。

當(dāng)外加電壓反向時(shí)，它們就會(huì)形成較大的漂移電流。隨著存儲(chǔ)電荷的消散，PN結(jié)厚度逐漸變寬，電阻增大，IR不斷減小，經(jīng)tf時(shí)間后逐漸趨近于零，二極管才轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)。

2.1二極管、三極管開(kāi)關(guān)特性圖2-2二極管開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換過(guò)程

數(shù)字電子22.1.2雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性雙極型三極管也簡(jiǎn)稱(chēng)為三極管，在數(shù)字電路中，三極管主要工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，并經(jīng)常在截止區(qū)和飽和區(qū)之間通過(guò)放大區(qū)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換。三極管的這種工作狀態(tài)稱(chēng)為開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。三極管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍遍及三極管輸出特性的整個(gè)區(qū)域。

2.1二極管、三極管開(kāi)關(guān)特性（a）電路（b）工作狀態(tài)圖解

圖2-3三極管的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)數(shù)字電子21．三極管三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)以NPN硅三極管共射極電路為例進(jìn)行分析。

2.1二極管、三極管開(kāi)關(guān)特性表2-1三極管截止、放大、飽和的工作條件及特點(diǎn)數(shù)字電子22.1二極管、三極管開(kāi)關(guān)特性2．三極管的動(dòng)態(tài)特性在理想矩形脈沖作用下，其輸出電流iC已不是理想矩形波，與輸入波形相比，在時(shí)間上有推移，而且上升沿和下降沿都變緩慢了。開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)閉時(shí)間toff總稱(chēng)為三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間，即有：ton=td+trtoff=ts+tf通常toff＞ton，而且ts＞tf，要減小存儲(chǔ)時(shí)間ts，只能采用減輕三極管的飽和程度的方法或采用反向過(guò)驅(qū)動(dòng)基極電流以使Qbs加速消失。

圖2-4三極管的開(kāi)關(guān)電路及波形數(shù)字電子22.1.3單極型三極管的開(kāi)關(guān)特性以絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管為例。當(dāng)輸入電壓ui為高電平（大于開(kāi)啟電壓）時(shí)，MOS管導(dǎo)通，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。當(dāng)輸入電壓ui為低電平時(shí)，MOS管截止，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。2.1二極管、三極管開(kāi)關(guān)特性圖2-5MOS管開(kāi)關(guān)電路

數(shù)字電子21．與門(mén)電路A、B、C為信號(hào)的輸入端，Z為信號(hào)的輸出端。功能分析：（1）A、B、C都是低電平，

UA=UB=UC=0V，二極管VD1、VD2、VD3都導(dǎo)通，則Z輸出為低電平。若忽略二極管正向?qū)▔航?，則UZ≈0V。（2）A、B是低電平，C是高電平，UA=UB=0V，UC=5V，二極管VD1、VD2導(dǎo)通，二極管VD3截止，則Z輸出低電平，UZ≈0V。（3）A為低電平，B、C為高電平，UA=0V，UB=UC=5V，二極管VD1導(dǎo)通，二極管VD2、VD3截止，則Z輸出低電平，UZ≈0V。（4）A、B、C都是高電平，UA=UB=UC=5V，二極管VD1、VD2、VD3都截止，則Z輸出高電平，UZ≈5V。從上述分析可知，該電路實(shí)現(xiàn)的是與邏輯關(guān)系：只有所有輸入信號(hào)都是高電平時(shí)，輸出才是高電平，否則輸出就是低電平，所以它是一種與門(mén)。2.2基本的與、或、非門(mén)電路圖2-6二極管與門(mén)數(shù)字電子2與門(mén)的函數(shù)表達(dá)式Z=A·B·CVHDL語(yǔ)言描述：Z<=AandBandC2.2基本的與、或、非門(mén)電路表2-2圖2-6電路的電位關(guān)系表表2-3與門(mén)的真值表數(shù)字電子22．或門(mén)電路A、B、C為信號(hào)的輸入端，Z為信號(hào)的輸出端。功能分析：（1）A、B、C都是高電平，UA=UB=UC=5V，二極管VD1、VD2、VD3都導(dǎo)通，輸出為高電平，UZ≈5V。（2）A、B、C中有一個(gè)或兩個(gè)是高電平，UA=5V，UB=UC=0V或者UA=UB=5V，UC=0V，與輸入高電平相對(duì)應(yīng)的二極管導(dǎo)通，而與輸入低電平相對(duì)應(yīng)的二極管截止，同樣，輸出為高電平，UZ≈5V。（3）A、B、C都是低電平，UA=UB=UC=0V，二極管VD1、VD2、VD3都截止，輸出低電平，UZ≈0V。通過(guò)上述分析可知，該電路實(shí)現(xiàn)的是或邏輯關(guān)系：只要輸入有高電平，輸出就是高電平，否則輸出就是低電平，所以它是一種或門(mén)。

2.2基本的與、或、非門(mén)電路圖2-7二極管或門(mén)數(shù)字電子2或門(mén)函數(shù)表達(dá)式為Z=A+B+CVHDL語(yǔ)言描述：Z<=AorBorC2.2基本的與、或、非門(mén)電路表2-4或門(mén)邏輯真值表數(shù)字電子23．非門(mén)電路

非門(mén)電路只有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，輸入高電平，輸出為低電平；輸入低電平，輸出為高電平，實(shí)現(xiàn)非邏輯功能。因?yàn)樗妮斎肱c輸出之間是反相關(guān)系，故又稱(chēng)為反相器。A、B、C為信號(hào)的輸入端，Z為信號(hào)的輸出端。功能分析：當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，三極管VT在基極偏置電源-VBB的作用下，發(fā)射結(jié)反向偏置，三極管充分截止，輸出高電平；當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，它與基數(shù)電源-VBB共同作用產(chǎn)生足夠的基極電流，三極管飽和導(dǎo)通，輸出低電平。實(shí)現(xiàn)反相器的非邏輯功能。2.2基本的與、或、非門(mén)電路圖2-8三極管反相器

數(shù)字電子22.2基本的與、或、非門(mén)電路非門(mén)的函數(shù)表達(dá)式

VHDL語(yǔ)言描述：Z<=notA表2-5非門(mén)邏輯真值表數(shù)字電子24．復(fù)合門(mén)電路A、B、C為信號(hào)的輸入端，Z為信號(hào)的輸出端。功能分析：當(dāng)輸入端A、B、C都是高電平時(shí)，二極管VD1、VD2、VD3均截止，而VD4、VD5和三極管導(dǎo)通，流入三極管的基極電流iB足夠大，三極管飽和導(dǎo)通，輸出低電平，UZ≈0V；當(dāng)輸入端A、B、C中有一個(gè)為低電平時(shí)，VD4、VD5和三極管均截止，輸出高電平，UZ≈VCC。

2.2基本的與、或、非門(mén)電路圖2-9DTL與非門(mén)

數(shù)字電子2與非門(mén)的函數(shù)表達(dá)式為VHDL語(yǔ)言描述：Z<=not(AandBandC)2.2基本的與、或、非門(mén)電路表2-6與非門(mén)邏輯真值表

數(shù)字電子2與非門(mén)的函數(shù)表達(dá)式為VHDL語(yǔ)言描述：Z<=not(AorBorC)2.2基本的與、或、非門(mén)電路

表2-7或非門(mén)邏輯真值表

數(shù)字電子2

2.3.1TTL與非門(mén)的工作原理TTL電路即三極管-三極管邏輯電路（Transistor-TransistorLogic），在中、小規(guī)模集成電路中應(yīng)用最為普遍。它們的基本單元電路大多由與非門(mén)組成。現(xiàn)通過(guò)典型TTL與非門(mén)電路的分析，了解TTL門(mén)電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及外特性。2.3TTL邏輯門(mén)電路數(shù)字電子21．典型TTL與非門(mén)電路2.3TTL邏輯門(mén)電路圖2-10典型TTL與非門(mén)電路

R1=3kΩR2=750ΩR3=360ΩR4=100ΩR1=3kΩ

數(shù)字電子2電路組成輸入級(jí)：多射極三極管VT1和電阻R1構(gòu)成輸入級(jí)，VT1可用如圖2-9（b）所示電路來(lái)等效。加到各輸入端的信號(hào)通過(guò)多發(fā)射極三極管的各個(gè)發(fā)射極與集電極實(shí)現(xiàn)“與”功能。中間倒相級(jí)：三極管VT2和電阻R2、R3組成電路的中間級(jí)。這一級(jí)的主要作用是從三極管VT2的集電極和發(fā)射極同時(shí)輸出兩個(gè)相位相反的信號(hào)，作為三極管VT3和VT5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。具有這種作用的電路稱(chēng)為倒相電路。輸出級(jí)：三極管VT3、VT4、VT5和電阻R4、R5構(gòu)成輸出級(jí)。中間級(jí)提供兩個(gè)相位相反的信號(hào)，使三極管VT4、VT5總是處于一個(gè)導(dǎo)通另一個(gè)截止的工作狀態(tài)。因此，這種電路結(jié)構(gòu)常稱(chēng)為推拉式輸出電路或圖騰輸出電路。由于TTL電路的輸入、輸出級(jí)都是由三極管組成，故稱(chēng)為三極管-三極管邏輯電路。2.3TTL邏輯門(mén)電路數(shù)字電子22．TTL與非門(mén)的工作原理方法與步驟1）邏輯功能2.3TTL邏輯門(mén)電路圖2-11TTL與非門(mén)的工作情況

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路

輸入全部為高電平3.6V時(shí)，電源電VCC流過(guò)電阻R1的電流IR1，只能通過(guò)多射極三極管的集電結(jié)給三極管VT2提供基流，使其工作于飽和狀態(tài)。三極管VT2發(fā)射極電流的大部分又給三極管VT5提供基流，使輸出管VT5飽和，輸出低電平UOL=0.3V。由于輸入全部為高電平，輸出管VT5飽和導(dǎo)通，輸出低電平，故常稱(chēng)為導(dǎo)通狀態(tài)或開(kāi)態(tài)。數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路輸入有低電平時(shí)，設(shè)輸入端A為低電平0.3V，其他輸入端為高電平3.6V，故與A端相連的發(fā)射結(jié)為正偏，則VT1的基極電流iB1=IR1。多射極三極管基極電位被箝位在uB1=0.3V+0.7V=1V。這時(shí)多射極三極管的集電極電阻為R2和三極管VT2反偏集電結(jié)電阻之和，其阻值很大，因此，電流iC1很小，多射極三極管處于深度飽和狀態(tài)，其飽和壓降UCES1≈0.1V，則uC1=uB2=0.4V，使三極管VT2、VT5截止，輸高出電平。由于uC2≈VCC，故輸出高平UOH≈VCC-uBE3-uBE4≈3.6V。在此狀態(tài)下輸出管VT5截止，故稱(chēng)為截止?fàn)顟B(tài)或關(guān)態(tài)。由以上分析可知，此電路具有與非邏輯功能，其邏輯表達(dá)式為數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路2）電壓傳輸特性（1）電壓傳輸特性分析①AB段——截止區(qū)對(duì)應(yīng)于輸入電壓

ui＜0.6V的區(qū)間。多射極三極管工作于深度飽和狀態(tài)，故三極管VT2、VT5截止，VT3、VT4導(dǎo)通，輸出高電平UOH≈3.6V。由于在此區(qū)間輸出管VT5截止，所以叫截止區(qū)。②BC段——線(xiàn)性區(qū)。對(duì)應(yīng)于輸入電壓

ui在0.6～1.3V之間。在曲線(xiàn)的B

點(diǎn)ui=0.6V，uB2≈0.7V，三極管VT2開(kāi)始導(dǎo)通進(jìn)入放大狀態(tài)，但輸出管VT5仍截止?？梢?jiàn)在BC段，輸出電壓uo隨著輸入電壓ui的變化而線(xiàn)性變化，負(fù)號(hào)表示ui的增加使uo下降，R2/R3為BC段下降的斜率。所以BC段又稱(chēng)線(xiàn)性區(qū)。圖2-12TLL與非門(mén)的電壓傳輸特性曲線(xiàn)

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路③CD段——過(guò)渡區(qū)。在輸入電壓ui＞1.3V以后，輸出管VT5開(kāi)始導(dǎo)通。隨著ui的增加，一方面輸出管VT5的基極電流急劇增加，另一方面三極管VT2的集電極電位uC2(uB3)急劇下降，使三極管VT3、VT4趨于截止。這兩個(gè)因素促使輸出電壓uo急劇下降。當(dāng)ui達(dá)到1.4V左右時(shí)，輸出管VT5進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出低電平UOL=0.3V。CD段是從VT5開(kāi)始導(dǎo)通到飽和為止，電路完成了從關(guān)態(tài)向開(kāi)態(tài)的過(guò)渡，故CD段又稱(chēng)為過(guò)渡區(qū)。④CE段——飽和區(qū)。輸出管VT5進(jìn)入飽和狀態(tài)后，輸入電壓ui再繼續(xù)增加，輸出電壓已不再變化，保持輸出為低電平。但電路內(nèi)部的工作狀態(tài)仍在繼續(xù)變化，隨著輸入電壓ui的升高，多射極三極管的發(fā)射結(jié)逐漸由正偏轉(zhuǎn)入反偏，這時(shí)IR1全部流入三極管VT2的基極，VT2進(jìn)入飽和狀態(tài)，uC2(uB3)下降到1V，三極管VT4截止。由于在DE段三極管VT2、VT5均處于飽和狀態(tài)，因此也稱(chēng)為飽和區(qū)。數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路（2）關(guān)門(mén)電平、開(kāi)門(mén)電平、閾值電壓及噪聲容限①關(guān)門(mén)電平和開(kāi)門(mén)電平。使電路的輸出電平達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)高電平USH時(shí)，所對(duì)應(yīng)的最大輸入低電平，稱(chēng)為關(guān)門(mén)電平，用UOFF表示。顯然只有當(dāng)ui＜UOFF時(shí)，輸出才是高電平UOH。使電路的輸出電平達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)低電平USL時(shí)，所對(duì)應(yīng)的最小輸入高電平稱(chēng)為開(kāi)門(mén)電平，用UON表示。顯然只有當(dāng)ui＞UON時(shí)，輸出才是低電平UOL相當(dāng)于電壓傳輸特性曲線(xiàn)中D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。由于電壓傳輸特性曲線(xiàn)中對(duì)應(yīng)UOFF和UON處是很陡的，因此，技術(shù)規(guī)范確定由“輸入低電平最大值UiLmax”代替UOFF，由“輸入高電平最小值UiHmin”代替UON。當(dāng)ui＜UiLmax時(shí)電路處于關(guān)態(tài)，輸出高電平；當(dāng)ui＞UiHmin時(shí)電路處于開(kāi)態(tài)，輸出低電平。數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路②閾值電壓UT。從電壓傳輸特性看出UOFF和UON是很接近的。有時(shí)為了分析簡(jiǎn)單，常常把它們看做近似相等，并用“門(mén)坎電平”或“閾值電壓”即UT表示。并定義為過(guò)渡區(qū)的中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。③噪聲容限(NoiseMargin)。在集成門(mén)電路中，經(jīng)常以噪聲容限的數(shù)值來(lái)定量地說(shuō)明門(mén)電路抗干擾能力的大小。由于輸入低電平和高電平的抗干擾能力不同，因此，有低電平噪聲容限UNL和高電平噪聲容限UNH之分。當(dāng)輸入為低電平時(shí)，雖有外來(lái)正向干擾，但只要不超過(guò)UOFF，電路的關(guān)態(tài)就不會(huì)受到破壞，故UNL=UOFF-USL當(dāng)輸入為高電平時(shí)，加上外來(lái)干擾，只要不低于UON就不會(huì)破壞電路的開(kāi)態(tài)，則UNH=USH-UON圖2-13輸入端電阻R的大小對(duì)

與非門(mén)工作狀態(tài)的影響

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路（3）開(kāi)門(mén)電阻、關(guān)門(mén)電阻

①關(guān)門(mén)電阻ROFF。與非門(mén)處于關(guān)態(tài)，輸出高電平時(shí)，輸入端所接電阻R的最大值稱(chēng)為關(guān)門(mén)電阻。設(shè)UOFF=1V，并把VCC=5V、uBE1=0.7V、R1=3kΩ代入上式，求得R≤0.9kΩ，顯然，當(dāng)R≤0.9kΩ時(shí)，uR≤UOFF，電路處于關(guān)態(tài)，所以關(guān)門(mén)電阻ROFF=0.9kΩ。②開(kāi)門(mén)電阻RON。與非門(mén)處于開(kāi)態(tài)，輸出低電平時(shí)，輸入端所接電阻R的最小值稱(chēng)為開(kāi)門(mén)電阻。設(shè)UON=1.8V，并將VCC=5V、uBE1=0.7V、R1=3kΩ代入上式，求得R≥2kΩ。顯然，當(dāng)R≥2kΩ時(shí)，uR≥UON，電路處于開(kāi)態(tài)，輸出低電平，所以開(kāi)門(mén)電阻RON=2kΩ。數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路3）與非門(mén)輸出、輸入端等效電路（1）輸出端等效電路：①開(kāi)態(tài)TTL與非門(mén)輸出端等效電路此時(shí)輸出管VT5飽和，三極管VT4截止。輸出電阻為輸出管VT5，飽和電阻約為10～20Ω，一般可忽略不計(jì)。因此，TTL的輸出可近似看做是內(nèi)阻Ro=0、電壓為0.3V的等效電源，其等效電路如圖2-14（a）所示。②關(guān)態(tài)TTL與非門(mén)輸出端等效電路此時(shí)輸出管VT5截止，三極管VT3、VT4導(dǎo)通。輸出可以近似看做是內(nèi)阻Ro=100Ω、電壓為3.6V的等效電源，其等效電路如圖2-14（b）所示。

圖2-14TTL與非門(mén)輸出端等效電路

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路（2）輸入端等效電路：①輸入為低電平時(shí)，TTL射極三極管的發(fā)射結(jié)為正偏，有電流流出發(fā)射極，如圖2-15（a）所示。②輸入為高電平時(shí)，TTL射極三極管的發(fā)射結(jié)為反偏，近似無(wú)電流流出發(fā)射極，相當(dāng)于開(kāi)路，如圖2-15（b）所示。圖2-15TTL與非門(mén)輸入端等效電路

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路

2.3.2TTL與非門(mén)的主要參數(shù)1．輸入特性及有關(guān)參數(shù)所謂輸入特性是指門(mén)電路輸入電流和輸入電壓之間的關(guān)系。它反映電路對(duì)前級(jí)信號(hào)源的影響并關(guān)系到如何正確地進(jìn)行門(mén)電路之間以及門(mén)電路與其他電路之間的連接問(wèn)題。1）輸入伏安特性輸入電流以流入輸入端為正。圖2-16TTL與非門(mén)的輸入伏安特性

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路（1）輸入短路電流IIS。ui=0時(shí)的輸入電流稱(chēng)為輸入短路電流。測(cè)試時(shí)，被測(cè)的輸入端接地，其他輸入端懸空。IIS的典型值為1.5mA左右，不得大于2.2mA。（2）輸入漏電流IIH。與非門(mén)一個(gè)輸入端為高電平，其余輸入端接地時(shí)，流入高電平輸入端的電流稱(chēng)為輸入漏電流。IIH的典型值為10μA，不得超過(guò)70μA。這個(gè)電流可包含兩部分：一是VT1管倒置狀態(tài)下的發(fā)射極電流；二是VT1管各發(fā)射極之間的交叉漏電流。

圖2-17IIS的計(jì)算

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路2）輸入負(fù)載特性當(dāng)輸入端對(duì)地接上電阻Ri時(shí)，ui隨Ri變化的關(guān)系。在具體使用門(mén)電路時(shí)，往往需要在輸入端與地之間或者輸入端與信號(hào)之間接入電阻。

圖2-18TTL門(mén)電路輸入端接電阻時(shí)的等效電路圖2-19TTL與非門(mén)的輸入負(fù)載特性

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路2．輸出特性及有關(guān)參數(shù)1）輸出高電平時(shí)的輸出特性當(dāng)iL＜5mA時(shí)，VT3，VT4管所組成的射極輸出器工作在放大區(qū)，其輸出電阻很小，隨著iL增大，UOH基本上恒定。當(dāng)iL＞5mA以后，VT3管已深度飽和，則有式中，UCES3在VT3深飽和時(shí)，約為0.1V。上式說(shuō)明，當(dāng)iL＞5mA以后UOH將隨iL的增加而呈線(xiàn)性下降。圖2-20與非門(mén)輸出高電平時(shí)的輸出特性曲線(xiàn)

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路2）輸出低電平時(shí)的輸出特性

因?yàn)閂T5管處于深度飽和狀態(tài)，c、e間的內(nèi)阻很小，一般只有十幾歐姆，所以當(dāng)iL增加時(shí)，UOH上升得很慢，而且UOH與iL基本上是線(xiàn)性關(guān)系。3）有關(guān)參數(shù)（1）輸出高電平UOH。當(dāng)輸入端中任何一個(gè)接低電平時(shí)，輸出均應(yīng)得到高電平。因?yàn)檫@個(gè)數(shù)據(jù)是在空載下測(cè)出的，所以若從輸出特性看，它位于輸出特性曲線(xiàn)的起始點(diǎn)。（2）輸出低電平UOL。UOL表示輸入端全部為高電平時(shí)，輸出的低電平值。測(cè)定UOL時(shí)，應(yīng)當(dāng)在額定的負(fù)載下進(jìn)行，而且負(fù)載電流是從外部流入輸出級(jí)VT5管的。圖2-21與非門(mén)輸出低電平時(shí)的輸出特性曲線(xiàn)

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路3．瞬時(shí)特性及有關(guān)參數(shù)1）瞬時(shí)特性波形

所謂瞬時(shí)特性是指若在門(mén)電路的輸入端加一個(gè)理想的矩形波，實(shí)驗(yàn)和理論分析都證明，在輸出端得到的脈沖不但要比輸入脈沖滯后，而且波形的邊沿也要變壞。這是因?yàn)樵赥TL電路中，二極管和三極管的狀態(tài)轉(zhuǎn)換都需要一定的時(shí)間，而且還有二極管、三極管以及電阻等元器件的寄生電容存在。圖2-22TTL與非門(mén)的傳輸時(shí)間

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路2）平均傳輸延遲時(shí)間tpd通常規(guī)定：把從輸入電壓正跳變開(kāi)始到輸出電壓下降為1.5V這一段時(shí)間稱(chēng)為導(dǎo)通傳輸時(shí)間tphl；從輸入電壓負(fù)跳變開(kāi)始到輸出電壓上升到1.5V這一段時(shí)間稱(chēng)為截止傳輸時(shí)間tplh。手冊(cè)上則給出平均傳輸時(shí)間為電路的tpd越小，說(shuō)明它的工作速度越快，TTL與非門(mén)的tpd大約為30ns。

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路4．TTL與非門(mén)的扇出系數(shù)和電源電流1）扇出系數(shù)NN表示同一型號(hào)的與非門(mén)作為負(fù)載時(shí)，一個(gè)與非門(mén)能夠驅(qū)動(dòng)同類(lèi)與非門(mén)的最大數(shù)目。它表示門(mén)電路帶負(fù)載的能力。設(shè)額定灌電流為IL、輸入短路電流為IIS，則一般希望N越大越好。典型的數(shù)值為N≥8。2）電源電流ICC與非門(mén)的邏輯狀態(tài)不同，電源所供給的電流也不同。ICCL是指門(mén)電路輸出為低電平UOL時(shí)電源所提供的電流。ICCH是指門(mén)電路輸出為高電平UOH時(shí)電源所提供的電流。

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路由于TTL與非門(mén)的產(chǎn)品種類(lèi)繁多，所以不同型號(hào)的產(chǎn)品，乃至同一型號(hào)而不同產(chǎn)地的產(chǎn)品，在主要指標(biāo)上都有一定的差異，使用時(shí)應(yīng)以生產(chǎn)單位的產(chǎn)品說(shuō)明為準(zhǔn)。

表2-8TTL與非門(mén)的主要指標(biāo)數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路

2.3.3TTL的其他類(lèi)型門(mén)電路1．集電極開(kāi)路與非門(mén)在門(mén)電路組合成各種邏輯電路時(shí)，如能將輸出端直接并聯(lián)，有時(shí)大大簡(jiǎn)化電路。又因?yàn)檫@些電路無(wú)論輸出為高電平還是低電平時(shí)，輸出電阻都很小，所以不能將輸出端直接并聯(lián)。若一個(gè)門(mén)的輸出是高電平而另一個(gè)門(mén)的輸出是低電平，則輸出端并聯(lián)后必將有很大的電流從截止門(mén)的VT4管流到導(dǎo)通門(mén)的VT5管，這個(gè)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常工作電流，甚至?xí)归T(mén)電路損壞。圖2-23TTL與非門(mén)輸出端直接相連的情況

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路

解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是把輸出級(jí)改為集電極開(kāi)路的三極管結(jié)構(gòu)，做成集電極開(kāi)路輸出的門(mén)電路（OpenCollectorGate），簡(jiǎn)稱(chēng)為OC門(mén)。將OC門(mén)輸出連在一起時(shí)，再通過(guò)一個(gè)電阻接外電源，這樣可以實(shí)現(xiàn)“線(xiàn)與”邏輯關(guān)系。只要電阻的阻值和外電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就能做到既保證輸出的高、低電平符合要求，而且輸出三極管的負(fù)載電流又不至于過(guò)大。圖2-24集電極開(kāi)路與非門(mén)

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路下面討論外接負(fù)載電阻RL的選擇問(wèn)題。假定n個(gè)OC門(mén)連接成“線(xiàn)與”邏輯，帶m個(gè)與非門(mén)負(fù)載。當(dāng)所有OC門(mén)都處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，“線(xiàn)與”后輸出為高電平。為了保證輸出高電平不低于規(guī)定值，RL不能選得太大，其最大值為式中，UOH為OC門(mén)輸出高電平的額定值，IOH為OC門(mén)輸出管截止時(shí)的漏電流；IIH為負(fù)載門(mén)每個(gè)輸入端高電平時(shí)的輸入漏電流；M為負(fù)載門(mén)的輸入端數(shù)。圖2-25“線(xiàn)與”電路中OC門(mén)輸出高電平時(shí)的情況

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路當(dāng)OC門(mén)中有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，“線(xiàn)與”輸出為低電平，所有負(fù)載門(mén)的電流全部流入唯一導(dǎo)通的門(mén)，當(dāng)OC門(mén)輸出低電平時(shí)的情況，這時(shí)輸出低電平應(yīng)低于規(guī)定值。計(jì)算出RL的最小值為式中，ILM為每一個(gè)OC門(mén)所允許的最大負(fù)載電流；IIL即IIS為每一個(gè)負(fù)載門(mén)的輸入短路電流；而m應(yīng)為負(fù)載門(mén)的個(gè)數(shù)。最后選定的RL值，應(yīng)當(dāng)在RLmin和RLmax之間。圖2-26“線(xiàn)與”電路中OC門(mén)輸出低電平時(shí)的情況

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路2．三態(tài)門(mén)利用OC門(mén)雖然可以實(shí)現(xiàn)“線(xiàn)與”的功能，但由于外接負(fù)載電阻RL的選擇要受到一定的限制而不能取得太小，因此限制了工作速度。為了改進(jìn)這一點(diǎn)，產(chǎn)生了一種新的TTL門(mén)電路，即三態(tài)與非門(mén)，簡(jiǎn)稱(chēng)為三態(tài)門(mén)。它的輸出除了具有一般與非門(mén)的兩種狀態(tài)外，還可以呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，或稱(chēng)開(kāi)路狀態(tài)。它是由一個(gè)與非門(mén)和一個(gè)二極管構(gòu)成的，C為控制端，A、B為數(shù)據(jù)輸入端。圖2-27三態(tài)與非門(mén)電路圖

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路工作原理：

當(dāng)C為高電平時(shí)，二極管VD截止，三態(tài)門(mén)的輸出狀態(tài)將完全取決于數(shù)據(jù)輸入端，F(xiàn)=，這種狀態(tài)稱(chēng)為三態(tài)門(mén)的工作狀態(tài)。當(dāng)C為低電平時(shí)，三極管VT2、VT5截止，同時(shí)，由于二極管VD的導(dǎo)通將uB3鉗位在1V左右，使VT4管也截止。這時(shí)從輸出端看進(jìn)去，電路處于高阻狀態(tài)，這就是三態(tài)門(mén)的第三狀態(tài)。

當(dāng)C=1時(shí)電路為工作狀態(tài)，所以稱(chēng)為控制端高電平有效。三態(tài)門(mén)的控制端C也可以是低電平有效，即C為低電平時(shí)，三態(tài)門(mén)為工作狀態(tài)；C為高電平時(shí)，三態(tài)門(mén)為高阻狀態(tài)。數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路

三態(tài)門(mén)應(yīng)用于總線(xiàn)傳輸?shù)囊粋€(gè)例子。

它可以實(shí)現(xiàn)用同一根導(dǎo)線(xiàn)，輪流傳送幾個(gè)不同的數(shù)據(jù)或控制信號(hào)。這里，LM稱(chēng)為總線(xiàn)，我們令C1、C2、C3輪流接低電平，數(shù)據(jù)A1B1、A2B2、A3B3就輪流地按“與非”邏輯關(guān)系送到總線(xiàn)上。為了能正常工作，任何時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)門(mén)工作，其他門(mén)均處于高阻狀態(tài)。圖2-28三態(tài)門(mén)應(yīng)用于總線(xiàn)傳輸

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路3．異或門(mén)異或門(mén)的函數(shù)表達(dá)式VHDL語(yǔ)言描述：L<=AxorB

圖2-29集成異或門(mén)

數(shù)字電子22.3TTL邏輯門(mén)電路4．與或非門(mén)與或非門(mén)的函數(shù)表達(dá)式：

圖2-30TTL與或非門(mén)電路

數(shù)字電子22.4CMOS集成門(mén)電路

2.4.1CMOS反相器

工作原理：當(dāng)輸入信號(hào)ui為高電平時(shí)，對(duì)VT1管而言，柵極和源極之間的電壓uGS1=0V，VT1截止，漏極與源極之間呈高阻狀態(tài)；對(duì)VT2管而言，uGS2=VDD，VT2導(dǎo)通，漏極與源極之間呈低阻狀態(tài)，所以輸出為低電平，即uo≈0V。當(dāng)輸入為低電平，即ui=0V時(shí)，uGS1=-VDD，P溝道MOS管VT1導(dǎo)通；uGS2=0V，VT2截止，所以輸出為高電平，即uo=VDD。上述反相器所實(shí)現(xiàn)的邏輯關(guān)系為邏輯非，邏輯表達(dá)式為可見(jiàn)，在CMOS反相器中，無(wú)論電路處于哪一種工作狀態(tài)，總有一個(gè)MOS管截止，另一個(gè)MOS管導(dǎo)通，因此靜態(tài)電流近似為零，電路的功耗很小。圖2-31CMOS反相器

數(shù)字電子22.4CMOS集成門(mén)電路

2.4.2CMOS與非門(mén)工作原理：當(dāng)輸入端A、B中有一個(gè)為低電平時(shí)，該輸入端所對(duì)應(yīng)的PMOS管導(dǎo)通，NMOS管截止，輸出為高電平；只有當(dāng)輸入端A、B都是高電平時(shí)，兩個(gè)NMOS管都導(dǎo)通，兩個(gè)PMOS管都截止，輸出為低電平。電路具有與非的邏輯功能，其邏輯表達(dá)式為圖2-32CMOS與非門(mén)

數(shù)字電子22.4CMOS集成門(mén)電路

2.4.3CMOS或非門(mén)工作原理：當(dāng)輸入端A、B只要有一個(gè)為高電平時(shí)，該輸入端所對(duì)應(yīng)的NMOS管導(dǎo)通，PMOS管截止，輸出為低電平；只有當(dāng)A、B全為低電平時(shí)，兩個(gè)并聯(lián)的NMOS管都截止，兩個(gè)串聯(lián)的PMOS管都導(dǎo)通，輸出為高電平。因此，該電路具有或非邏輯功能，其邏輯表達(dá)式為顯然，N個(gè)輸入端的或非門(mén)必須有N個(gè)NMOS管并聯(lián)和N個(gè)PMOS管串聯(lián)。CMOS或非門(mén)不存在輸出低電平隨輸入端數(shù)目增加而增加的問(wèn)題，因此，在CMOS電路中或非門(mén)結(jié)構(gòu)用得最多。圖2-33CMOS或非門(mén)

數(shù)字電子22.5CMOS集成門(mén)電路

2.5.1CMOS與TTL電路性能比較兩類(lèi)電路在功耗和速度上有很大差別。CMOS電路所消耗的功率約為相應(yīng)的TTL電路的十萬(wàn)分之一，而TTL電路的速度比CMOS電路快五倍。在高速信號(hào)處理和許多接口應(yīng)用中，TTL電路仍占有重要地位，而CMOS電路則能夠很好地與微處理器相連。CMOS電路需要的輸入電流幾乎可以忽略，因?yàn)檩斎胄盘?hào)所驅(qū)動(dòng)的是絕緣柵極；而一個(gè)典型的TTL門(mén)電路，在輸入信號(hào)為0態(tài)時(shí)，需要1.6mA左右的輸入電流。另一方面，CMOS電路不能提供太大的輸出電流；而一個(gè)TTL電路的輸出端卻可以吸收16mA的電流。CMOS電路所用的電源電壓范圍很大（3～18V均可工作），與經(jīng)常工作在12～15V的模擬電路相接十分方便。如果將電源電壓加倍，例如，由5V變?yōu)?0V，CMOS門(mén)電路的工作速度會(huì)提高，傳輸時(shí)間僅為T(mén)TL電路的兩倍左右。數(shù)字電子22.5CMOS集成門(mén)電路

2.5.2TTL與CMOS接口電路1．