1、同學(xué)們好,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,2,數(shù)字邏輯電路,使用教材,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ),清華大學(xué)出版社出版 伍時(shí)和、吳友宇等編寫(xiě),主講：伍時(shí)和,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,3,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ),第3章 邏輯門(mén)電路,3.1 分立元件門(mén)電路 3.2 TTL集成邏輯門(mén) 3.3 發(fā)射極耦合邏輯門(mén)（ECL） 3.4 MOS邏輯門(mén) 3.5 74系列和4000系列邏輯門(mén)電路的使用,主要內(nèi)容 邏輯門(mén)電路是實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)運(yùn)算的硬件電路結(jié)構(gòu)，并利用電路的輸入和輸出電平關(guān)系確定電路可以實(shí)現(xiàn)何種邏輯運(yùn)算，通常采用正邏輯賦值，將電路的高電平賦值1，低電平賦值0，并用輸入信號(hào)表示邏輯運(yùn)算的自變量，用電路的輸出信號(hào)表示邏

2、輯函數(shù)運(yùn)算的因變量。 門(mén)電路的基本的電路元件是二極管、三極管（單極或雙極型）及電阻等。 二極管與門(mén)、或門(mén)電路，三極管非門(mén)電路的工作原理。TTL門(mén)電路、CMOS門(mén)電路的電路結(jié)構(gòu)和原理，以及使用中的注意事項(xiàng)等。 集電極開(kāi)路門(mén)、傳輸門(mén)、三態(tài)輸出門(mén)等。了解電路的輸入特性和輸出特性。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,5,3.1 分立元件門(mén)電路,3.1.1 二極管開(kāi)關(guān)特性,二極管的V安特性可以用下述指數(shù)表達(dá)式近似的表示。 ID=IDS(eVd/VT-1) 其中Vd 為二極管（PN結(jié)）的外加電壓； VT=KT/q=1.3810-23/1.60210-19 ，在T=300 時(shí)，VT=25.8mV=26mV,K

3、波爾茲曼常數(shù)=1.3810-23 庫(kù)V， q電子電荷量=1.60210-19 庫(kù)， T絕對(duì)溫度=2730C+ t0C。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,6,由二極管的V安特性可以看出，若二極管外加正向電壓，且超過(guò)二極管的正向開(kāi)啟電壓Vth，二極管正向?qū)?，流?jīng)二極管的電流較大，其正向電壓降維持在0.50.7V之間，若將二極管作為一個(gè)開(kāi)關(guān)元件，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。若二極管外加反向電壓，且不超過(guò)VBR，或小于Vth的正向電壓，流過(guò)二極管的電流很小，外加電壓基本上等于二極管兩端的電壓值，此時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。,如果將E改為電路的輸入信號(hào)電壓Vi，而且為高電平VH（比Vth大幾倍以上）和低電平VL（小于Vt

4、h）的脈沖電壓信號(hào)，二極管可以當(dāng)成理想的開(kāi)關(guān)元件，Vi為高電平VH時(shí)，二極管導(dǎo)通，Vi為低電平VL時(shí)，二極管處于完全截止?fàn)顟B(tài)。 二極管從反向截止到正向?qū)?，或者從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂梗鋾r(shí)間是很短的，若工作電壓的頻率不高，這種轉(zhuǎn)換過(guò)程所需要的時(shí)間完全可以忽略不計(jì)。如果輸入信號(hào)的頻率很高時(shí)，脈沖周期到達(dá)s，ns級(jí)，就得考慮其影響了。,3.1.1 二極管開(kāi)關(guān)特性,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,7,2二極管的開(kāi)關(guān)特性 1)二極管的正向?qū)?二極管從反向截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄟ^(guò)程所需要的時(shí)間稱為正向開(kāi)通時(shí)間。這個(gè)時(shí)間與反向的恢復(fù)時(shí)間相比較是很小的。在反向電壓的作用下，勢(shì)壘區(qū)變厚，存在一定的電荷積累，這部分積

5、累的電荷為PN結(jié)兩邊的摻雜離子的復(fù)合電荷，與正向?qū)ǖ碾姾煞e累相比要小得多。外加反向電壓轉(zhuǎn)為正向電壓時(shí)，這部分電荷很快被外加的正向電源拉走，使PN結(jié)變窄（薄）。正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)的正向電壓很小，正向電阻很小，且為多數(shù)載流子形成電流，故此電流上升很快，所以正向開(kāi)通時(shí)間很短，與反向恢復(fù)時(shí)間相比可以忽略不計(jì)。,3.1.1 二極管開(kāi)關(guān)特性,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,8,2)二極管從正向?qū)ǖ浇刂褂幸粋€(gè)反向恢復(fù)過(guò)程。,當(dāng)輸入信號(hào)電壓為高電平VH時(shí)，二極管正向?qū)?，P區(qū)接輸入信號(hào)的高電位端，N區(qū)接輸入信號(hào)的低電位端，形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散電流。由于VHVDON(二極管正向?qū)妷航?，所以流過(guò)二極管的

6、正向電流IP為：,。,3.1.1 二極管開(kāi)關(guān)特性,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,9,2)二極管從正向?qū)ǖ浇刂褂幸粋€(gè)反向恢復(fù)過(guò)程。,當(dāng)輸入信號(hào)電壓為高電平VH突變?yōu)榈碗娖絍L（其值為負(fù)VH）時(shí)，二極管由正向?qū)ㄍ蝗患由戏聪螂妷?，理想的情況下ID0，但實(shí)際上存在一個(gè)恢復(fù)過(guò)程，開(kāi)始，反向電流IR為：,式中VD為外加電壓突變瞬間二極管PN結(jié)的電壓降，約為 0.7V。,3.1.1 二極管開(kāi)關(guān)特性,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,10,維持IR=VL/R這一過(guò)程所用的時(shí)間ts稱為存儲(chǔ)時(shí)間，然后才逐步下降到0.1IR 。規(guī)定此時(shí)才進(jìn)入反向截止?fàn)顟B(tài)。反向電流從IR=VL/R下降到0.1IR 所用的時(shí)間稱為

7、反向度越時(shí)間tr 。tf=ts+tr稱為反向恢復(fù)時(shí)間。反向恢復(fù)時(shí)間一般在幾個(gè)納秒以下，長(zhǎng)短與二極管的擴(kuò)散電容及電阻R的大小有關(guān)。,3產(chǎn)生反向恢復(fù)過(guò)程的 原因-電荷存儲(chǔ)效應(yīng),3.1.1 二極管開(kāi)關(guān)特性,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,11,3.1 分立元件門(mén)電路,當(dāng)輸入信號(hào)電壓為高電平VH，P區(qū)接輸入信號(hào)的高電位端，N區(qū)接輸入信號(hào)的低電位端，形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散電流二極管正向?qū)?。擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子和擴(kuò)散到N區(qū)的空穴這些多數(shù)載流子在這兩個(gè)區(qū)域并不是均勻分布的，而是形成靠近PN結(jié)附近濃度大，靠外接電極處濃度小的梯度分布。而且勢(shì)壘區(qū)變窄，PN結(jié)存在一定的載流子存儲(chǔ)。這是因?yàn)檩d流子跨越PN結(jié)到達(dá)相應(yīng)

8、電極時(shí)需要一定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。二極管正向?qū)〞r(shí)，P區(qū)和N區(qū)的非平衡載流子的積累現(xiàn)象稱為電荷存儲(chǔ)效應(yīng) 。,當(dāng)輸入信號(hào)電壓由高電平VH突變?yōu)榈碗娖絍L，P區(qū)接輸入信號(hào)的低電位端，N區(qū)接輸入信號(hào)的高電位端，在突變的瞬間，正向時(shí)擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子和擴(kuò)散到N區(qū)的空穴這些多數(shù)載流子形成，多數(shù)載流子由于電荷存儲(chǔ)效應(yīng)尚有一部分未達(dá)到外部連接電極。電荷存儲(chǔ)效應(yīng)積累非平衡載流子將形成反向漂移電流，即N區(qū)積累的空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)積累的自由電子向N區(qū)漂移，在這部分積累的電荷消失之前，PN結(jié)也來(lái)不及變厚；這樣PN結(jié)基本保留正向?qū)〞r(shí)基本相同數(shù)量級(jí)的反向電壓降，所以二極管維持反向電流IR=VL/R，直到PN結(jié)兩邊積累非平

9、衡載流子基本消失，這一過(guò)程才開(kāi)始結(jié)束；此后信號(hào)源向PN結(jié)補(bǔ)充空穴（N區(qū)一側(cè)）和電子（P區(qū)一側(cè)），電流也逐步下降，直到最終二極管截止，整個(gè)過(guò)程結(jié)束。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,12,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,1. 雙極型三極管（Bipolar junction Transistor，BJT）的結(jié)構(gòu),雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)以平面擴(kuò)散型為主，即在一塊單晶半導(dǎo)體上通過(guò)擴(kuò)散摻雜外延擴(kuò)散摻雜外延再擴(kuò)散摻雜等工藝先后生產(chǎn)3層NPN型半導(dǎo)體或PNP型半導(dǎo)體，每層引出相應(yīng)的連接電極，然后封裝，就構(gòu)成一個(gè)三極管。三層半導(dǎo)體按N、P、N型先后排布的，稱為NPN型三極管； 三層半導(dǎo)體按P、N、P型先后

10、排布的，稱為PNP型三極管。摻雜的濃度和每層的厚薄、層間的交界面都不相同，這些均由生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格控制 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,13,2. 雙極型三極管的伏安特性,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,輸入特性：是指基極電流和基極、發(fā)射極之間電壓的大小關(guān)系；輸出特性：是指集電極電流和集電極、發(fā)射極之間的電壓大小關(guān)系。,輸入特性：形狀與二極管的正向特性基本相同。當(dāng)基極與發(fā)射極之間外加電壓VBE低于其正向開(kāi)啟電壓Vth時(shí)，基極電流很小，可以認(rèn)為接近于0，這種情況下，三極管處于截止工作狀態(tài)；而當(dāng)基極與發(fā)射極之間外加電壓高于其正向開(kāi)啟電壓Vth時(shí)，三極管的基極電流隨VBE的上升而快速上升。

11、而且基極與發(fā)射極之間的電壓一般不超過(guò)0.7V（硅材料管），處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的三極管，這一電壓稱為導(dǎo)通電壓，并用VON表示。若VBE在VthVON之間變化，基極電流的變化量與VBE的變化量具有接近于線性變化的關(guān)系，這一范圍內(nèi)，三極管可以工作于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,14,2. 雙極型三極管的伏安特性輸出特性,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,圖中直流負(fù)載線是指在直流電源電壓的作用下，IC與VCE之間的變化關(guān)系。從圖中可以看出，輸出特性可以分成3個(gè)工作區(qū)。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,15,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,2. 雙極型三極管的伏安特性輸出特性

12、,（1）截止工作區(qū)：IB為0以下的工作區(qū)，這一區(qū)域，IC很小，且等于ICEO，大小在1A以下，VCE接近于電源電壓VCC。根據(jù)三極管的輸入特性，此時(shí)VBE應(yīng)低于其正向開(kāi)啟電壓Vth，即就是雙極型三極管的發(fā)射結(jié)外加反向電壓（稱為反偏）或外加正向電壓但小于Vth的狀態(tài)。而此時(shí)由于VCE接近于電源電壓VCC，集電極電位高于基極電位（NPN型管），所以“集電結(jié)”外加反向電壓（稱為反偏）狀態(tài)。 （2）放大工作區(qū)：IC隨IB正比增加的工作區(qū)域。在這一工作區(qū)，VBE在大于Vth和接近VON之間變化，ICIB，VCE對(duì)IC影響很小。三極管的發(fā)射結(jié)外加電壓處于正向（正偏）狀態(tài)。而此時(shí)由于VCE小于電源電壓VCC

13、，但集電極電位還是高于基極電位（NPN型管），所以“集電結(jié)”外加反向電壓（反偏）狀態(tài)。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,16,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,2. 雙極型三極管的伏安特性輸出特性,（3）飽和工作區(qū)：IC不隨IB正比增加的工作區(qū)域。在這一工作區(qū)，VBE在大于或等于VON之間的范圍變化，ICIB，而是等于集電極的飽和電流ICS，ICS(VCCVCES)/RC，VCE較小，并稱其為飽和電壓降VCES，且對(duì)IC影響較大。此時(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)外加電壓處于正向（正偏）狀態(tài)VBE=0.7V。而此時(shí)由于VCE很小，在0.3V以下（硅管），使集電極電位還是低于基極電位（NPN型管），所以“集

14、電結(jié)”外加正向電壓（正偏）狀態(tài)。 處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的雙極型三極管，穩(wěn)定時(shí)，將工作于截止?fàn)顟B(tài)，或者飽和狀態(tài)；只是在從飽和狀態(tài)突變到截止?fàn)顟B(tài)的過(guò)程中，或從截止?fàn)顟B(tài)突變到飽和狀態(tài)的過(guò)程中，中間一定會(huì)經(jīng)歷一段放大工作狀態(tài)變化過(guò)程 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,17,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,2. 雙極型三極管的伏安特性輸出特性,雙極型三極管的三種工作狀態(tài)及其特點(diǎn)。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,18,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,必定使VBE Vth，根據(jù)三極管的輸入特性曲線，可以確定IB0，此時(shí)集電極電流IC很小，IC0，所以集電極外接電阻RC兩端的電壓也接近于0，雙極型三極

15、管集電極與發(fā)射極之間連接的開(kāi)關(guān)作用相當(dāng)于有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的“斷開(kāi)”。 輸出電壓：Vo=VCE=VCC,3. 雙極型三極管的伏安特性脈沖工作特點(diǎn),輸入電壓的低電平低于雙極型三極管的開(kāi)啟電壓時(shí),2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,19,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,3. 雙極型三極管的伏安特性脈沖工作特點(diǎn),輸入信號(hào)電壓Vi為高電平時(shí)，VBEVON=0.7V（硅管）,VCES為三極管集電極與發(fā)射極之間的飽和電壓。,三極管集電極飽和電流,若不成立 ，晶體管工作于放大狀態(tài),而集電極電流為,晶體管處于飽和工作狀態(tài)Vo=VCES=0.3V,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,20,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性

16、,4. 雙極型三極管的脈沖工作波形和開(kāi)關(guān)時(shí)間,1）脈沖工作波形,在理想的情況下電路的輸出電壓波形也是理想的脈沖電壓信號(hào)。但是由于三極管內(nèi)部電流和電壓的建立不可能即時(shí)完成，故此輸出電壓的波形與輸入電壓波形不是同步地發(fā)生變化，而是落后于輸入電壓的波形。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,21,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,4. 雙極型三極管的脈沖工作波形和開(kāi)關(guān)時(shí)間,2）開(kāi)關(guān)時(shí)間,輸入電壓Vi從低電平ViL跳變?yōu)楦唠娖絍iH時(shí)，三極管從截止工作狀態(tài)變?yōu)轱柡凸ぷ鳡顟B(tài)，集電極電流的增加要靠從發(fā)射極發(fā)出的電子流進(jìn)行傳載，電子流經(jīng)歷的路程是發(fā)射結(jié)、基區(qū)、集電結(jié)等，電流上升需要經(jīng)歷一段建立、增加、到飽和所

17、需的時(shí)間，這段時(shí)間稱為三極管的開(kāi)通時(shí)間ton,ton=td+tr的時(shí)間 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,22,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,4. 雙極型三極管的脈沖工作波形和開(kāi)關(guān)時(shí)間,當(dāng)輸入電壓Vi從高電平ViH跳變?yōu)榈碗娖絍iL時(shí)，三極管從飽和工作狀態(tài)變?yōu)榻刂构ぷ鳡顟B(tài)，集電極電流從飽和電流下降到接近于0，需要等待將積累在基區(qū)、發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的電荷全部消散這一段過(guò)程所需的時(shí)間，ts和tf的時(shí)間；這段時(shí)間稱為關(guān)閉時(shí)間toff,2）開(kāi)關(guān)時(shí)間,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,23,3.1.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,4. 雙極型三極管的脈沖工作波形和開(kāi)關(guān)時(shí)間,延遲時(shí)間td 從+ViH加入開(kāi)

18、始到集電極電流上升到0.1ICS所需的時(shí)間。 上升時(shí)間tr 集電極電流從0.1ICS上升到0.9ICS所需的時(shí)間。 存儲(chǔ)時(shí)間ts 從輸入電壓下降ViL開(kāi)始，到集電極電流下降到0.9ICS所需的時(shí)間。 下降時(shí)間tf 集電極電流從0.9ICS下降到0.1ICS到所需的時(shí)間。 開(kāi)通時(shí)間ton=td+tr 從ViH加入開(kāi)，始到集電極電流上升到0.9ICS所需的時(shí)間。 關(guān)閉時(shí)間toff=ts+tf 從輸入電壓下降到ViL開(kāi)始,到集電極電流下降到0.1ICS所需的時(shí)間。這一時(shí)間反映晶體管從導(dǎo)通到截止所用的時(shí)間。 這些時(shí)間：一般在幾十到幾百納秒之間。,2）開(kāi)關(guān)時(shí)間,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,24,3.

19、1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,MOS管的全稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管：MOSFET管（MetalOxideSemicconductor Type Field Effect Transistor.）是場(chǎng)效應(yīng)管的一種形式，由于其柵極與漏極、源極之間處于完全絕緣狀態(tài)，所以其輸入電阻將大大提高，可達(dá)10111015。所以是一種低功耗的開(kāi)關(guān)器件。目前大規(guī)模的數(shù)字集成電路，都是采用這種器件構(gòu)成。,耗盡型：當(dāng)VGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道已經(jīng)存在相應(yīng)的足夠多的導(dǎo)電粒子，此時(shí)，若VDS不為零，Ids也不為零。 增強(qiáng)型：當(dāng)VGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道不存在相應(yīng)的足夠多的導(dǎo)電粒子，只要VGS=0，不論VDS為零與否，Ids都接

20、近于零。,MOS管的種類(lèi),2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,25,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,在一塊低參雜的P型半導(dǎo)體材料為襯底的基礎(chǔ)上，利用參雜方法，擴(kuò)散兩個(gè)高參雜區(qū)（N+型），然后再在其表面生成一層二氧化硅的表面絕緣層，并在這一表面絕緣層及兩個(gè)區(qū)（N+型）的表面安置3個(gè)鋁引出電極即g(柵極)、d(漏極)、s(源極)；同時(shí)，在P型襯底引出另外一個(gè)電極，作為接公共端“地”之用。,N溝道MOS管的結(jié)構(gòu),2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,26,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,在一塊低參雜的N型半導(dǎo)體材料為襯底的基礎(chǔ)上，利用參雜方法，擴(kuò)散兩個(gè)高參雜區(qū)（P+型），然后再在其表面生成一層二氧化硅的表面絕

21、緣層，并在這一表面絕緣層及兩個(gè)區(qū)（P+型）的表面安置3個(gè)鋁引出電極即g(柵極)、d(漏極)、s(源極)；同時(shí)，在N型襯底引出另外一個(gè)電極，作為接公共端“地”之用。,P溝道MOS管的結(jié)構(gòu),2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,27,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,VDS,s,g,d,柵極,漏極,源極,P型襯底,PN耗盡層,N+,N+,（a）N溝道MOSFET管基本工作原理示以圖 vGS=0時(shí)，未形成感應(yīng)導(dǎo)電溝道iD=0,P型襯底引線,當(dāng)柵極與源極之間短接（注意襯底與源極也短接在一起）VGS=0時(shí)，漏極、源極之間的通道未形成感應(yīng)導(dǎo)電自由電子層，即連接漏極、源極之間的P型襯底區(qū)仍然為低濃度參雜的P型半導(dǎo)體

22、區(qū)，這樣，漏極、源極與P型襯底區(qū)之間形成的兩個(gè)PN結(jié)成為兩個(gè)二極管的背靠背的連接，不管VDS如何變化，總有一個(gè)PN結(jié)反向偏置，使IDS基本上為零 。,1. MOS管的結(jié)構(gòu)及工作原理,(1)VGS=0的工作狀態(tài),2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,28,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,漏極、源極之間加一正向電壓VGS（注意襯底與源極也短接在一起）且VGS0時(shí)，漏極、源極之間的通道將形成感應(yīng)導(dǎo)電溝道，即連接漏極、源極之間的P型襯底區(qū)產(chǎn)生感應(yīng)導(dǎo)電粒子自由電子，這樣，漏極、源極與P型襯底區(qū)之間的連接形成由自由電子構(gòu)成的導(dǎo)電通道連接，VDS為正，且不斷增加變化時(shí)，源極與P型襯底區(qū)之間的形成的PN結(jié)，處于正向

23、偏置狀態(tài)；,(2)VGSVT 的工作狀態(tài),1. MOS管的結(jié)構(gòu)及工作原理,漏極與P型襯底區(qū)之間的形成的PN結(jié)，處于反向偏置狀態(tài)，這樣將把導(dǎo)電溝道的自由電子拉入漏極區(qū)而形成漏極電流，源極區(qū)將不斷地向溝道補(bǔ)充被拉走的自由電子而形成源極電流，從而形成Ids。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,29,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,若VGS保持一定不變，導(dǎo)電溝道的寬度或載流子濃度也將保持一定，這樣VDS從較小向較大變化時(shí)，IDS將隨VDS的上升而接近于線性的增加，導(dǎo)電溝道的形狀也將從方形向鍥形變化。,(4)VDS足夠大 的工作狀態(tài),1. MOS管的結(jié)構(gòu)及工作原理,若VDS足夠大，最后形成頂部夾斷狀態(tài)，I

24、ds也達(dá)到飽和狀態(tài)。,(3)VDS較小 的工作狀態(tài),2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,30,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,若VGS增大，導(dǎo)電溝道的寬度或載流子濃度也將隨之增寬和加大，IDS達(dá)到飽和狀態(tài)的值也將隨之而增大，這體現(xiàn)VGS對(duì)Ids的控制作用。 規(guī)定漏極、源極之間施加不大的VDS，若VGS從零開(kāi)始增加，剛剛產(chǎn)生較小的IDS時(shí)，漏極、源極之間加的電壓稱為開(kāi)啟電壓，用VT表示。MOS管出現(xiàn)頂部夾斷的時(shí)候： VGD=VGSVDS=VT。 對(duì)于P型溝道增強(qiáng)型MOS管，除了柵極、源極之間外加電壓VGS ，漏極、源極之間外加VDS應(yīng)為負(fù)值外，其他與N溝道增強(qiáng)型相似。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路

25、,31,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,2. 特性曲線,I區(qū)為截止工作區(qū)，在這一工作區(qū)，VGS小于開(kāi)啟電壓VT，IGS很小接近于0,II區(qū)為恒流區(qū)，類(lèi)似于雙極型三極管的放大區(qū)，VGS大于開(kāi)啟電壓VT ，IGS的動(dòng)態(tài)變化量與VGS的動(dòng)態(tài)變化量接近于正比關(guān)系，而且受VDS影響很小。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,32,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,III區(qū)為可變電阻工作區(qū)，類(lèi)似于雙極型三極管的飽和工作區(qū)，VGS大于開(kāi)啟電壓VT，且較高，IGS的動(dòng)態(tài)變化量與VGS的動(dòng)態(tài)變化量不成正比關(guān)系，而且隨VDS的增加而快速增加。在這一工作區(qū)，漏極、源極之間的導(dǎo)通電阻RON受VGS大小的影響，隨VGS的增加

26、而降低 。,增強(qiáng)型P溝道MOS管的特性曲線如下。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,33,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,3. MOS管的脈沖開(kāi)關(guān)工作電路,用增強(qiáng)型MOS管組成的兩種脈沖信號(hào)工作電路形式如圖所示。當(dāng)輸入信號(hào)ViViH時(shí)，MOS管導(dǎo)通，電路的輸出電壓為MOS管導(dǎo)通電阻RON和漏極端外接電阻RD的分壓比。導(dǎo)通電阻RON一般小于1K，漏極端外接電阻RD一般在10 K以上，所以輸出電壓在0.1VDD以下，定義為輸出低電平電壓VOL。此時(shí)MOS管的漏極、源極之間連接，相當(dāng)于具有較小接觸電阻開(kāi)關(guān)的“閉合” 。,單管反相電路的工作原理,當(dāng)輸入信號(hào)ViViL時(shí)，這一電壓一般都要求低于MOS管的開(kāi)

27、啟電壓Vth，MOS管截止， MOS管漏極電流Ids0，外接電阻RD的電壓降接近于0。所以輸出電壓接小于且近似于VDD，定義為輸出高電平電壓VOH。此時(shí)MOS管的漏極、源極之間連接，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,34,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,當(dāng)輸入信號(hào)ViViH時(shí)，T1管導(dǎo)通，T2管截止，電路的輸出電壓為T(mén)1管導(dǎo)通電阻RON1，與T2管截止電阻ROF2的分壓比。由于導(dǎo)通電阻比截止電阻小得多，故輸出為低電平VOL。但此時(shí)由于T2管處于截止?fàn)顟B(tài)Ids20，而T1管和T2管的漏極、源極之間為串聯(lián)連接，故Ids10。,當(dāng)輸入信號(hào)ViViL時(shí)，這一電壓一般都要求低于T1管的

28、開(kāi)啟電壓Vth，T1管截止，T2管的VGS= (VDDViL)低于其開(kāi)啟電壓，T2管導(dǎo)通，電路的輸出電壓為T(mén)2管導(dǎo)通電阻RON2，與T1管截止電阻ROF1的分壓比。由于導(dǎo)通電阻比截止電阻小得多，故輸出為高電平VOH。但此時(shí)由于T1管處于截止?fàn)顟B(tài)Ids10，而T1管和T2管的漏極、源極之間為串聯(lián)連接，故Ids20。,互補(bǔ)對(duì)稱電路的工作原理,空載損耗是很小的，是這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,35,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,4. MOS管的脈沖開(kāi)關(guān)工作的等效電路,圖中輸入電容Ci代表柵極的輸入電容，其值為幾個(gè)微微法，其大小會(huì)影響MOS管的脈沖工作速度。RON代表增

29、強(qiáng)型MOS管的導(dǎo)電溝的導(dǎo)通電阻（工作在可變電阻區(qū)），一般較小，在1K以下，VGS絕對(duì)值越大，RON越小。當(dāng)輸入低電平時(shí)，MOS管截止，d（漏極）與s（源極）之間具有較大的截止電阻ROF，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)。 當(dāng)輸入高電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通，d（漏極）與s（源極）之間具有較小的導(dǎo)通電阻RON。,單管反相電路的等效工作電路,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,36,3.1.3 MOS管的開(kāi)關(guān)特性,互補(bǔ)對(duì)稱反相電路的等效工作電路,圖中Ci為增強(qiáng)型N溝道MOS管的柵極輸入電容，C2為增強(qiáng)型P溝道MOS管的柵極輸入電容，在對(duì)稱的情況下，兩者大小基本相同。RON1為增強(qiáng)型N溝道MOS管的柵極輸入電容，RON2為增

30、強(qiáng)型P溝道MOS管的柵極輸入電容，在對(duì)稱的情況下，兩者大小基本相同。 當(dāng)輸入低電平時(shí)，N溝道MOS管截止，P溝道MOS管導(dǎo)通。 當(dāng)輸入高電平時(shí)，N溝道MOS管導(dǎo)通，P溝道MOS管截止。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,37,3.1.4 分離元件邏輯門(mén)電路,1. 二極管與門(mén)電路（Diode logic AND gate） 用二極管、雙極型三極管、MOS管組成邏輯運(yùn)算電路時(shí)，電路的輸入和輸出信號(hào)均以脈沖電壓信號(hào)形式表示。根據(jù)脈沖電壓信號(hào)的高低變化，電壓上升達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，如+VH，定義為脈沖信號(hào)的高電平（high level）；電壓下降達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，如+VL，定義為信號(hào)的低電平(low leve

31、l)，,電平（electrical level）表示電壓數(shù)值大于（高于）或小于（低于）某一數(shù)值之分，是指一定的數(shù)值范圍，不是一個(gè)具體的數(shù)值。這一數(shù)值的大小取決于電源電壓及器件的電壓等級(jí)而定，不同的器件具有不同的電平等級(jí)值。當(dāng)電路的邏輯關(guān)系采用正邏輯賦值時(shí)，高電平用1表示，低電平用0表示。,與門(mén)電路及其符號(hào)如圖所示。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,38,3.1.4 分離元件邏輯門(mén)電路,當(dāng)A、B、C的輸入中有一個(gè)以上為低電平（0V）輸入時(shí)，與低電平輸入端連接的二極管將導(dǎo)通；輸出端L被嵌位在0.7V；而與高電平（3V）輸入端連接的二極管負(fù)極端外加3V電壓，正極端接0.7V而截止；3k電阻上的電壓降

32、為VCC0.7=2.3V。輸出電壓為0.7V。,與門(mén)電路的工作原理,當(dāng)A、B、C的輸入都為高電平（3V）的輸入時(shí)，所有二極管將截止；3k電阻上流過(guò)的電流為0，兩端的電壓也為0V；輸出端L輸出為：VCC0=3V 。 如電源電壓大于3V，所有二極管全部導(dǎo)通，輸出電壓等于：Vi+VD=3.7V 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,39,3.1.4 分離元件邏輯門(mén)電路,與門(mén)電路輸入電壓組合與輸出電壓關(guān)系及其邏輯賦值表,從羅列的狀態(tài)表及其邏輯賦值的關(guān)系可以看出，門(mén)電路的邏輯關(guān)系為與運(yùn)算關(guān)系，即L=ABC。輸入全高，輸出為1，其他為0。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,40,3.1.4 分離元件邏輯門(mén)電路

33、,2. 二極管或門(mén)電路（Diode logic OR gate） 或門(mén)二極管電路如圖所示。 如果A、B、C的輸入信號(hào)電壓的高電平ViH等于3V，低電平ViL等于0V。二極管的正向?qū)妷航敌∮?.7V，反向截止電流等于0，則L 輸出電壓高電平VoH等于2.3V，低電平VoL小于或等于0V。,當(dāng)A、B、C的輸入中有一個(gè)以上為高電平（3V）時(shí)，與高電平信號(hào)輸入端聯(lián)接的二極管將導(dǎo)通；輸出端L被嵌位在 30.72.3V；與低電平信號(hào)輸入端連接的二極管將截止，因?yàn)樵摱O管的正極端接0V輸入信號(hào)，負(fù)極端連接到 2.3V電位輸出信號(hào)端；3k電阻上的電壓降為30.72.3V。 當(dāng)A、B、C的輸入都為低電平（0

34、V）時(shí)，所有二極管將截止；3k電阻上的電壓降為0V；輸出端L輸出為0V 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,41,3.1.4 分離元件邏輯門(mén)電路,或門(mén)電路輸入電壓組合與輸出電壓關(guān)系及其邏輯賦值表,從羅列狀態(tài)表及其邏輯賦值關(guān)系可以看出，門(mén)電路的邏輯關(guān)系為或運(yùn)算關(guān)系，即L=A+B+C。輸入見(jiàn)高，輸出為1，全低為0。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,42,3.1.4 分離元件邏輯門(mén)電路,3.非門(mén)電路-雙極型三極管組成的反相器(Transistor inverter),(a) 非門(mén)電路圖,A,Rb,L,Vcc,Rc,電路參數(shù)規(guī)定 若電源電壓VCC=5V，規(guī)定輸入端A的輸入高電平ViH等于3V，低電平V

35、iL在以下0.4V。三極管的開(kāi)啟電壓降小于0.5V，截止電流等于0，則L 輸出電壓高電平VoH等于3V，低電平VOL小于或等于0.3V 。,電路的工作原理 當(dāng)A輸入為高電平（ViH=3V）時(shí)，三極管將導(dǎo)通，若此時(shí)電路元件的參數(shù)能夠滿足條件：,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,43,3.1.4 分離元件邏輯門(mén)電路,當(dāng)A輸入為低電平（0.4V以下）時(shí)，由于輸入電壓值小于雙極型三極管的開(kāi)啟電壓，三極管將截止； IC0，RCIC0，電路輸出端L的電壓為VCC0=5V。 若 L 輸出電壓高電平等于5V賦值1，低電平等于0.3V賦值0，這一門(mén)電路的邏輯關(guān)系為非運(yùn)算關(guān)系，,所以該電路是一種非門(mén)電路，簡(jiǎn)稱非門(mén)。

36、,若電路的輸入電壓范圍為：,其中,基極臨界飽和電流。,雙極型三極管工作于放大區(qū)工作狀態(tài)，將不能符合開(kāi)關(guān)電路的工作要求。IBsect稱為基極臨界飽和電流（Base critical saturation current）。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,44,3.1.4 分離元件邏輯門(mén)電路,【例3.1.1】如圖3.1.23所示電路，若電路的輸入電壓ViA的高電平為3.6V，低電平為0.2V，雙極型三極管輸入的開(kāi)啟電壓為0.4V，導(dǎo)通電壓VON為0.7V，輸出飽和電壓VCEset為0.2V，電流放大倍數(shù)為10。規(guī)定電路滿足非門(mén)邏輯關(guān)系時(shí)，最低高電平輸出應(yīng)大于2.2V，最高低電平輸出應(yīng)低于0.8V

37、。電源電壓VCC為+5V，若Rb=20K、RC=3K ，計(jì)算當(dāng)負(fù)載電阻RL的值為1K、5K兩種情況下，能否滿足電路的非門(mén)邏輯關(guān)系。計(jì)算能滿足電路的非門(mén)邏輯關(guān)系所允許的RL最小值 。,解：輸入為低電平0.4V時(shí) ，三極管截止。,當(dāng)RL的值為1k時(shí)，VOH=1.25V; 當(dāng)RL的值為5k時(shí)，VOH=3.125V。 所以，當(dāng)RL的值為1k時(shí)，輸出電壓等級(jí)不能夠滿足電路輸出電壓為高電平的要求 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,45,3.1.4 分離元件邏輯門(mén)電路,當(dāng)輸入高電平時(shí)5V，電路輸出應(yīng)為低電平，且小于0.8V。,基極電流：,集電極臨界飽和電流：,等效電壓,當(dāng)RL1K時(shí)：,從上述的計(jì)算可知，要

38、求電路能夠滿足非門(mén)的邏輯關(guān)系，RL的最小值取決于低電平輸入時(shí)，滿足高電平輸出，而最大值則取決于高電平輸入時(shí)，能否滿足集電極電流達(dá)到飽和。,當(dāng)RL5K時(shí)：,能夠滿足,能夠滿足,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,46,3.1.4 分離元件邏輯門(mén)電路,要求滿足非門(mén)邏輯關(guān)系的情況下，RL所允許的最小值為：,當(dāng)輸入低電平時(shí)，晶體管截止,整理后為：,RLmin=,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,47,3.2 TTL集成邏輯門(mén),集成電路(integrated circuit；IC) 將電路元件及其連接集合生產(chǎn)在一塊單晶硅片上，形成具有一定功能的電路模塊（器件）。 根據(jù)一塊硅片集成的元件數(shù)的多少，集成電路可以分

39、成小規(guī)模集成電路（Small Scale Integration，SSI）、中規(guī)模集成電路(Medium Scale Integration，MSI)、大規(guī)模集成電路(Large Scale Integration，LSI)和超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integration，VLSI)，目前已經(jīng)發(fā)展到能夠在一塊硅片上生產(chǎn)上億個(gè)元件的特大規(guī)模集成電路，如CPU模塊。,TTL集成邏輯門(mén) 是Transistor Transistor Logic gate的縮寫(xiě)，即雙極型三極管構(gòu)成的邏輯門(mén)電路。TTL集成邏輯門(mén)電路已經(jīng)形成各種形式的系列產(chǎn)品。具體形式有TTL非門(mén)，與非門(mén)，或非

40、門(mén)，集電極開(kāi)路門(mén)，發(fā)射極耦合與非門(mén)，三態(tài)輸出邏輯門(mén)等。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,48,3.2 TTL集成邏輯門(mén),3.2.1 雙極型三極管非邏輯門(mén)電路,雙極型三極管非邏輯門(mén)電路（Bipolar junction Transistor Transistor inverter logic gate）的電路結(jié)構(gòu)如圖所示，它也是TTL74xx00（54xx00）系列產(chǎn)品之一 。xxLS、HC、H、S等,1.電路的結(jié)構(gòu),電路由三部分組成 1)輸入級(jí) 2）中間反相級(jí) 3）輸出級(jí),2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,49,3.2.1 雙極型三極管非邏輯門(mén)電路,1)輸入級(jí) 由T1，Rb1，D1構(gòu)成。同相輸入

41、輸出關(guān)系。 輸入信號(hào)由T1的發(fā)射極輸入，由集電極輸出。從信號(hào)放大來(lái)講，輸入級(jí)為共基極組態(tài)，所以輸入輸出具有同向的變化關(guān)系，即當(dāng)輸入為高電平時(shí)，輸出也為高電平，當(dāng)輸入為低電平時(shí)，輸出也為低電平。 D1的作用有兩個(gè)方面：一是抑制可能出現(xiàn)的負(fù)干擾脈沖電壓，使加到輸入端的負(fù)脈沖輸入干擾脈沖電壓值“鉗位”在0.7V以下；二是若輸入電壓為負(fù)值，只要超過(guò)D1開(kāi)啟電壓，D1導(dǎo)通，同樣也使加到T1發(fā)射極輸入端的電壓值（絕對(duì)值），限制在0.7V以下，從而限制發(fā)射極電流，起到保護(hù)作用 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,50,3.2.1 雙極型三極管非邏輯門(mén)電路,2)中間反相級(jí) 由T2，RC2，Re2構(gòu)成。 輸入信

42、號(hào)從T2基極輸入，T2輸出兩路信號(hào)，一路從發(fā)射極輸出，該路輸出具有與輸入信號(hào)同相的變化關(guān)系，一路從集電極輸出，該路輸出具有與輸入信號(hào)反相的關(guān)系，故中間級(jí)也稱反相級(jí)。,3)輸出級(jí) 由T3，T4，RC4，D2構(gòu)成。 經(jīng)過(guò)中間級(jí)的反相作用，使輸出級(jí)的兩個(gè)三極管輸入信號(hào)總是具有反向的變化關(guān)系。只要電路參數(shù)安排合理，T3、T4的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)也將是相反的。故稱輸出級(jí)為互補(bǔ)電路。 電路中的電源電壓在4.755.25V之間，負(fù)載電阻為與之連接的負(fù)載門(mén)電路的輸入電阻（也可以是電容）。 D2保證輸出低電平時(shí)，T4處于可靠截止工作狀態(tài)。T2導(dǎo)通時(shí)，輸出低電平，T2的集電極電位為1V左右，若無(wú)D2，仍然可使T4導(dǎo)通。

43、,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,51,3.2.1 雙極型三極管非邏輯門(mén)電路,2. TTL 反相器的工作原理 1)當(dāng)輸入為高電平時(shí),假定A端的輸入高電平ViH為3.4V，電源電壓為5V，經(jīng)Rb1和晶體管T1的基極、發(fā)射極到輸入端，晶體管T1的基極電位最高可以達(dá)到ViH+VBE1=3.4+0.74.1V，但T2、T3發(fā)射結(jié)的正向電壓降之和為20.7=1.4V，即T1的集電極電位最高只為1.4V，使T1的“集電結(jié)”也只能處于正向偏置狀態(tài)，T1的基極電位將被“鉗位”在30.7=2.1V。這樣，使T1管工作于倒置工作狀態(tài)（VCE1=1.43.42V0），即集電極與發(fā)射極互換。其電流放大系數(shù)很小，小于0

44、.01V，使高電平輸入時(shí)的輸入電流(Ie1)很小，但電源經(jīng)過(guò)T1的基極，集電極向T2提供足夠的基極電流。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,52,3.2.1 雙極型三極管非邏輯門(mén)電路,而VB4和VC2的電位=VCEset2+VBE3=0.2+0.7=0.9V。則不能達(dá)到使T4導(dǎo)通的電壓為（2Vth+VCEset3）1.2V，故T4處于截止。輸出電壓為VCEset3=0.2V。,2)當(dāng)輸入為低電平時(shí) A端的輸入低電平ViL為0.2V，T1的基極電位為0.2+0.7=0.9V，此電壓作用于T1的集電結(jié)、T2、T3的發(fā)射結(jié)上，不能使T2、T3導(dǎo)通，只能處于截止?fàn)顟B(tài)。,由于T2、T3處于截止?fàn)顟B(tài)，VB4

45、和VC2的電位近似等于5V，這是由于RC2不大，而T4的基極電流也不是很大，RC2壓降可以忽略不計(jì)；故T4導(dǎo)通，輸出電壓的大小為： VO=VCC-VBE4-VD-VRC2=50.70.7VRC2=2.43.6V （忽略IB4在RC2上的電壓降，實(shí)際的輸出電壓只有在輸出空載時(shí)等于3.6V，一般比3.6V小，有載時(shí)規(guī)定最低不小于2.4V）。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,53,3.2.1 雙極型三極管非邏輯門(mén)電路,2)當(dāng)輸入為低電平時(shí) 電路的輸入電流等于T1的基極電流為：(VCC-0.9)/Rb1=4.1/41mA。由于此時(shí)T1集電極電流等于ICBO2，其值很小，所以T1處于深度飽和狀態(tài)。VB2

46、低于0.4V（等于ViL+VCEset1=0.2+0.2=0.4V）。,結(jié)論： 電路的邏輯功能為：輸入高電平，輸出低電平（0.2V）；輸入低電平，輸出高電平（2.43.6V）。實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算關(guān)系，稱之為非門(mén)電路。,3.電路的工作特點(diǎn) 1)增加輸入級(jí)提高電路的開(kāi)關(guān)速度。 2)采用互補(bǔ)輸出級(jí)提高開(kāi)關(guān)速度和帶負(fù)載的能力。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,54,3.2.2 TTL反相器的特性,1電壓傳輸特性 電壓傳輸特性是指輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系特性，若用函數(shù)表示可寫(xiě)為V0=f(Vi)。 圖3.2.2用線段近似地描述TTL 反相器的傳輸特性，可以將其分為AB、BC、CD、DE 4段,1）AB段 Vi的輸

47、入電壓0.6V以下，T2管、T3管截止，輸出高電平 ，約為3.6V。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,55,3.2.2 TTL反相器的特性,2）BC段 T2管對(duì)Vi輸入電壓作線性放大，按深度負(fù)反饋放大電路計(jì)算,其放大倍數(shù)為：,=-1.6/1=-1.6,對(duì)于B點(diǎn)，Vi=0.6V，VO=3.6V，T2管維持臨界導(dǎo)通狀態(tài)，T3管維持截止。直到C點(diǎn)，管T3正好達(dá)到導(dǎo)通狀態(tài)，VBE3=iC2Re2=VON=0.7V。Ie2=VON/Re2=0.7/1=0.7mA。如果T3管導(dǎo)通狀態(tài)的基極-發(fā)射極間的正向電壓為0.7V。 此時(shí)的輸出電壓：V0=VCC-iC2RC-2VON （管T4飽和導(dǎo)通，二極管導(dǎo)通）。

48、 所以，V0=VCC-iC2RC-2VON=5-0.7x1.6-2x0.7=5-1.12-1.4=2.48V。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,56,3.2.2 TTL反相器的特性,C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電壓為 ：,3）CD段 T1、T2、T3管處于導(dǎo)通狀態(tài)， T4管轉(zhuǎn)入截止。輸出電壓約為0.20.3V。D點(diǎn)的輸入電壓應(yīng)為（T1管由飽和導(dǎo)通轉(zhuǎn)入倒置狀態(tài)VB12.1V）=2.1-0.71.4V 。,4）DE段 T1管倒置工作，T2、T3管導(dǎo)通狀態(tài)，T4管截止。輸出電壓約為0.20.3V 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,57,3.2.2 TTL反相器的特性,2輸入端外接電阻特性 實(shí)際使用中，TTL邏輯

49、門(mén)電路的輸入端，會(huì)與其他邏輯電路的輸出端連接，或者與電阻連接。如果與電阻連接，其電路如圖所示。圖中RW為T(mén)TL邏輯門(mén)電路的輸入端、輸入信號(hào)之間的連接電阻，D2、D3為T(mén)2、T3三極管發(fā)射結(jié)的等效二極管。,忽略IB2（若250，約為0.7mA/50=15A）的影響，VA的大小可以用式3.2.1表示：,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,58,3.2.2 TTL反相器的特性,關(guān)于RW的大小范圍，由式3.2.1可得到，要使VA小于1.4V，RW可用式3.2.2確定。,增加RW使VA的電壓達(dá)到最高門(mén)限值1.4V。計(jì)算結(jié)果： 若VCC為5V，VBE1為0.7V，ViL為0.2V，對(duì)應(yīng)的RW值為1.66k。

50、其他條件相同，若ViL為0V，對(duì)應(yīng)的RW值為1.93k。,若VCC為5V，VBE1為0.7V，ViL為0.2V，為保證低電平輸入時(shí)，輸出為高電平，一般TTL門(mén)電路的輸入低電平最高限制在0.8V，增加RW使VA的電壓達(dá)到0.8V時(shí)，對(duì)應(yīng)的RW值為0.686k。,結(jié)論：TTL非門(mén)電路輸入端的外接電阻應(yīng)小于0.686k 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,59,3.2.2 TTL反相器的特性,3. TTL非門(mén)電路的輸入特性,所以輸入低電平時(shí)的輸入電流可用式3.2.3計(jì)算：,若VCC為5V，VBE1為0.7V，ViL為0.2V,低電平輸入的輸入電流為1.025毫安。若ViL=0，即輸入端直接接公共端，

51、此時(shí)輸入電流1.075毫安。兩者數(shù)值相差不大，所以，TTL非門(mén)電路的輸入端，也可以直接接公共端，并認(rèn)為是低電平輸入 。,當(dāng)輸入為高電平3.43.6V時(shí)，T1管工作于倒置工作狀態(tài)（VCE1=1.43.42V0），即集電極與發(fā)射極互換。即使電源經(jīng)過(guò)T1的基極電流約為,輸入電流實(shí)際測(cè)量其值在正50A以下 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,60,TTL非門(mén)電路的輸入特性如圖所示。當(dāng)輸入電壓為負(fù)值時(shí)，特性曲線類(lèi)似于二極管的正向V安特性的形狀，但必須作270o的旋轉(zhuǎn)和平移，因?yàn)镈1導(dǎo)通，輸入最大反向電壓值為0.7V。如果輸入電壓在0V1.4V之間變化時(shí)，都能夠保證T1管的“發(fā)射結(jié)”處于正向偏置，輸入特性

52、也類(lèi)似于三極管的輸入特性的形狀。也必須作270O的旋轉(zhuǎn)和平移。 如果輸入電壓大于1.4V，都可以認(rèn)為是高電平輸入狀態(tài)，輸入特性是一根水平的直線。,3.2.2 TTL反相器的特性,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,61,4. TTL非門(mén)電路的輸出特性,3.2.2 TTL反相器的特性,灌電流工作狀態(tài)。當(dāng)輸出低電平時(shí)，電流從負(fù)載連接的電源到輸出門(mén)電路流經(jīng)T3集電極、發(fā)射極，再到公共端，這種情況稱為,1)輸出低電平的輸出特性 T3管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，T4管處于截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載門(mén)電路的輸入級(jí)輸入電流為負(fù)值，向輸出門(mén)電路（驅(qū)動(dòng)門(mén)）的T3管灌入電流，輸出門(mén)電路處于灌電流工作狀態(tài)。由于T2管注入基極電流足夠大，在

53、額定低電平輸出電流的范圍內(nèi)，T3管飽和導(dǎo)通的VCEset變化不大，所以輸出特性類(lèi)似于三極管的輸出飽和特性。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,62,4. TTL非門(mén)電路的輸出特性,3.2.2 TTL反相器的特性,2) 輸出高電平的輸出特性 T3管處于截止?fàn)顟B(tài)，T4管處于導(dǎo)通狀態(tài)。負(fù)載門(mén)電路的輸入級(jí)輸入電流為正值，從輸出門(mén)電路（驅(qū)動(dòng)門(mén)）的T4管拉走輸入電流，為拉電流工作狀態(tài)。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,63,4. TTL非門(mén)電路的輸出特性,3.2.2 TTL反相器的特性,負(fù)載電流較小階段： 由于流經(jīng)T4管集電極電阻RC4，在負(fù)載電流小于4.6mA的階段，T4管集電極電位在4.4V以上(5-0

54、.134.6=4.402V)，T4管集電極與發(fā)射極之間的電壓將大于0.3V，T4管工作于放大狀態(tài)，T4管與負(fù)載門(mén)之間的連接為電壓跟隨器，輸出電壓隨電流的增加變化不大，基本維持在3.4V以上。 負(fù)載電流較大階段： 隨著負(fù)載電流的增加，T4管集電結(jié)的正偏電壓升高，進(jìn)入飽和狀態(tài)，VCE4保持飽和壓降，T4管發(fā)射極電位隨負(fù)載電流的增加線性下降，使基極電位也隨著下降，基極電流增大，T4管飽和程度加深。輸出電壓隨電流的增加線性下降。若考慮TTL集成電路功耗的限制，高電平輸出電流的額定值一般不大，在0.4V以下。故輸出電壓通常高于2.4V,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,64,1. 多射極晶體管的結(jié)構(gòu)及其等

55、效電路,3.2.3 TTL與非門(mén)電路,多發(fā)射極輸入的晶體管，射極數(shù)一般有2，3，4個(gè)發(fā)射極等結(jié)構(gòu)形式，可以構(gòu)成二輸入與門(mén)，三輸入與門(mén)，四輸入與門(mén)等。也有更多的，如74LS30集成與非門(mén)，可以有8個(gè)輸入端；74LS133集成與非門(mén)，輸入端個(gè)數(shù)有13個(gè)之多 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,65,2. TTL集成與非門(mén),3.2.3 TTL與非門(mén)電路,電路圖可以看出，電路的組成除了輸入T1管之外，T2、T3、T4的電路結(jié)構(gòu)與TTL非門(mén)電路完全相同，所以當(dāng)T2管的基極為高電平輸入時(shí)，L端輸出低電平，反之為高電平。而T2管與3個(gè)輸入端A、B、C的輸入信號(hào)邏輯關(guān)系為“與”的邏輯關(guān)系，所以電路的邏輯功能為

56、“與非邏輯”功能。,若3個(gè)輸入端A、B、C均通過(guò)電阻分別與3個(gè)信號(hào)源連接，RW也應(yīng)小于0.68K（三端中只有一端輸入為低電平）；如果每個(gè)輸入端外接相同阻值的電阻后，再與信號(hào)源連接，3個(gè)輸入端的輸入信號(hào)都為低電平情況時(shí)，則外接電阻應(yīng)大于6K才能看作為高電平輸入，因?yàn)槿份斎腚娏髦徒咏贗B1，且均分IB1，故此，如果只有一端輸入低電平時(shí)，則外接電阻大于2K就可以看作高電平輸入。,輸入外界電阻特性,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,66,1. TTL或非門(mén)電路,3.2.4 TTL或非門(mén)電路,將非門(mén)電路中的T11、T12增加另一路輸入T12、 T22，并將增加的T22管的集電極、發(fā)射極與原來(lái)的T2管

57、對(duì)應(yīng)的管腳并聯(lián)就構(gòu)成TTL或非門(mén)電路 。,輸出信號(hào)與輸入信號(hào)A、B之間的邏輯關(guān)系為或非關(guān)系。,與前述的TTL與非門(mén)相似，TTL或非門(mén)的電壓轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、輸入特性、輸入外接電阻特性與TTL非門(mén)電路情況一樣。每個(gè)輸入端的高，低電平輸入電流與TTL非門(mén)電路情況一樣 。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,67,2. TTL與或非門(mén)電路,3.2.4 TTL或非門(mén)電路,只要A、B輸入同時(shí)為高電平時(shí)T21的基極輸入才為高電平，T3導(dǎo)通、T4截止，電路輸出低電平。同樣只要C、D兩端同時(shí)輸入高電平時(shí)，T22的基極輸入才為高電平，T3導(dǎo)通、T4截止電路輸出低電平。只要A、B輸入中有一個(gè)或者只要C、D兩端中有一

58、個(gè)輸入低電平，就可以使T3截止、T4導(dǎo)通 ，電路實(shí)現(xiàn)與或非運(yùn)算功能。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,68,TTL多輸入端的與或非門(mén)電路,3.2.4 TTL或非門(mén)電路,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,69,TTL互補(bǔ)對(duì)稱輸出的輸出并聯(lián),3.2.5 TTL集電極開(kāi)路門(mén)和三態(tài)門(mén),若并聯(lián)的兩個(gè)門(mén)電路輸出狀態(tài)不一樣，將會(huì)造成拉電流輸出和灌電流輸出串聯(lián)連接的情況，如圖，若G1門(mén)輸出高電平，G2門(mén)輸出低電平，將會(huì)形成圖中所示的連接電流流通。圖中G1門(mén)省略T3管。G2門(mén)省略由T4管。由于串聯(lián)電路的連接電阻僅有幾十到一百多歐姆，所以電路的電流將會(huì)高達(dá)幾十毫安 。,在這種情況下，就會(huì)造成集成電路由于過(guò)度發(fā)熱而損

59、壞，也就是一般互補(bǔ)式輸出的邏輯門(mén)電路，是不能將其輸出端并聯(lián)連接使用的 。能夠?qū)崿F(xiàn)連接的只有集電極開(kāi)路門(mén)和三態(tài)門(mén)電路。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,70,1. 集電極開(kāi)路邏輯門(mén)電路,3.2.5 TTL集電極開(kāi)路門(mén)和三態(tài)門(mén),將TTL互補(bǔ)輸出電路中與電源連接的晶體管去掉，僅保留與公共端連接的三極管，如圖3.2.17(a)所示，就構(gòu)成TTL集電極開(kāi)路門(mén)電路。圖3.2.17(b)是集電極開(kāi)路門(mén)常用邏輯符號(hào)。集電極開(kāi)路門(mén)（Open Collector Gate），常簡(jiǎn)稱為OC門(mén)。,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,71,3.2.5 TTL集電極開(kāi)路門(mén)和三態(tài)門(mén),集電極開(kāi)路門(mén)的線與連接,并聯(lián)后電路的邏輯功能為所有并聯(lián)門(mén)電路輸出的結(jié)果 為“相與”關(guān)系，并稱之為“線與”，即L=L1L2.，,2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,72,集電極開(kāi)路門(mén)上拉RP電阻的計(jì)算,3.2.5 TTL集電極開(kāi)路門(mén)和三態(tài)門(mén),2020/8/6,數(shù)字邏輯電路,73,2. 三態(tài)輸出邏輯門(mén)電路,3.2.5 TTL集電極開(kāi)路門(mén)和三態(tài)門(mén),所謂的三態(tài)輸出門(mén)，指的是3種輸出狀態(tài)門(mén)電路（T