数电讲义--2章

1.0
VOL（max）0.5
输入标 准低电
平
0.4V
VNL
D VNH
E
V V 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
SL VOFF VON
SH
Vi (V)
输入标准
高电平
2. 输入特性
+VCC
1) 输入伏安特性
iI
R1 3kΩ
1
-1.6 mA
<50 uA vI A
31
B
T1
1.4 V
和边沿，T4放大。 VO随iOH变化不大。 当由i于Oi以OHH受↑：线时功性,R耗变4上的化压限。降制增，大i0，H过T大3 、会T4烧饱毁和T，4管V，O随所
功耗 1mW IOH 400 A
输出高电平时的扇出系数 3.6V
R2 750Ω 2T3 Vc2 1 3 R4
VO
+VCC
R 4 +5V 100Ω
抗干扰能力越强。 高电平噪声容限
VNH= VSH ¯ VON 。
VNH越大，输入为1态下
抗干扰能力越强。
Vo (V)
4.0 A B
3.5
3.0
VOH（min）2.5 2.4V
C
2.0
1.5
A(0V, 3. 6V) B(0.6V, 3.6V) C(1.3V, 2.48V) D(1.4V, 0.3V) E(3.6V, 0.3V)
• 导通(VD>VTH) • 2、二极管的开关时间
截止5V(VDR<VT+H)
0V
D VD
uo
_
VF Vi
二极管开关状态的转换需要时间：
t1 t2
t
VR
i
IF
t
IR
tfe
ttsretl
开通时间： tfe 关断时间： tre
< tfe tre
因为：正向时，PN结扩散电阻很 小，IF=（VF-VD）/R≈VF/R；反 向时，PN结扩散电阻很大， IR=VR+VD）/R。IR很小。
-EE(-12V) 非门电路
非门真值表
A
F
0
1
1
0
2.4 TTL门电路
TTL集成电路的类型： 1）74系列（相当于国产CT1000系列）； 2）74L系列（低功耗系列）； 3）74H系列（高速系列，相当于国产CT2000
系列）
4）74S系列（肖特基系列，相当于CT3000系 列）
5）74LS系列（相当于CT4000系列，速度较 快、功耗较低。）
TTL产品规定：低电平VL≤0.4V，标准低电平VSL=0.4V， Von≈ 1.8V 。
Vo (V)
4.0 A B
3.5
3.0
VOH（min）2.5 2.4V
C
2.0
1.5
1.0
VOL（max）0.5 0.4V
D
A(0V, 3. 6V) B(0.6V, 3.6V) C(1.3V, 2.48V) D(1.4V, 0.3V) E(3.6V, 0.3V)
（2）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min） （即标准高电平VSH）时对应的输入电压。即输入低电压的 最大值。
在TTL产品规定：高电平VH≥2.4V，标准高电平VSH=2.4V， VOFF≈ 0.8V 。
（3）开门电平电压VON——是指输出电压下降到VOL（max） （即
标准高电平VSL）时对应的输入电压。即输入高电平的最小 值。
小变化vo急剧下降.
1.5
1.0
VO L （ m a x ）0.5
(VSL)
0.4V 0.5
D
1.0 1.5 2.0
VOVFFTHVON
饱和区,vi>1.4V,T1倒
置,T2、T5饱和.
E
2.5 3.0 3.5 4.0
Vi (V)
2）几个重要参数
（1）阈值电压VTH——电压传输特性转折区中间所对应的输入 电压vI值，一般 VTH ≈ VBE2+VBE5=1.4V。VTH又称门槛电压。 即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电 压的分界线。 近似地：VTH≈VOFF≈VON 即Vi＜VTH，与非门关门(即T5截止)，输出高电平； Vi＞VTH，与非门开门(即T5导通)，输出低电平。
(a)等效电路
(b)负载特性
图2.4.4 输入端负载特性
3 输出特性—负载电流与输出电压的关系曲线
1）输入高电平时的输出特性
输入高电平时, 输出低电平，T5管饱和导通。 C、E 1 间内阻很小，IOH上升VO上升很慢，且线性上升。
把允许灌入输出端（管）的电流定义为 输出低电平电流IOL，
产品规定:
2) 输入负载特性—输入端外接RI与VI的关系曲线
主要参数：
关门电阻 ROFF 700 RI ROFF (700),VI VIL; 开门电阻 RON 2k RI RON (2k),VI VIH ;
3) 多余输入端的处理
TTL门的输入端悬空等效为高电平，但实际应用时， 一般不悬空，多余端接电源或并联使用。
第二章 逻辑门电路
门电路是数字电路最基本的单元电路。主 要有与、或、非、与非、与或非、异或门等。
本章重点讨论集成TTL门电路及CMOS门 电路的工作原理、逻辑功能及外部特性。
2.1 二极管的开关特性
1、 二极管的开关作用
i
IR
VTH
+5V
R
R
5V 0V v
+ D VD uo
_
uo S
阈值电压
• 在数字电路中,二极管常工作在开关状 态:
R1 3kΩ
1V
1
实现了与非门的逻 辑功能之一： 输入全为高电平时，
2.1V
1.4V
31
A
B
T1
C
输出为低电平。
3.6V
R2
750Ω
Vc2
1
2T3
3
2T2
3RkΩ4
Ve2
0.7V
1
R3 360Ω
+VCC R4 +5V 100Ω
2T4
Y 0.3V
3
2T5
（2）输入有低电平0.3V 时。
T1发射结导通，VC1≈0.6V。T2、T5都截止。 忽略流过R2的电流，VB3≈VCC=5V 。
VCC
VI
V保I=证VT0fTf时L与的非RI门叫
1
R1
2
关导门通电，阻输。出即为保标
A
31
B
T1
C
+ Vi
iI RI
_
3
T22
V0ff
1.4 1
R3
0
ROf1f
RO2 N
证准T低T电L与平非时门，关所 闭高允值，电许—输平的定出时R义I的为所为最标允开小许门准 3 RI(kΩ的电) R阻I的RO最N。大值。
全1, 出0。
与非门真值表
AB F 00 1 01 1 10 1 11 0
2．TTL与非门的逻辑关系
（1）输入全为高电平3.6V时。由于T5饱和导通，输出电压为：
T1工作在倒置状态。T2导、 T5饱和通。
VO=VCES5≈0.3V
由于T2饱和导通，VCE2=0.3V， VC2=1V。 T3和T4管都截止。
• 2、三极管的开关时间
• VIH cs
i
0.1Ics
td tr
ton
t2 t
t
ts toff
tf
三极管开关状态的 转换需要时间：
开通时间 ton 关断时间 toff 三极管开关时间一般为 ns数量级，
并且toff> ton,ts >tf ,所 以ts是影响三极管速度
的主要因素。
故 tpd = (tr+tf) / 2
0 43 iE/mA
t
6
0
t
18
图2.4.10 输入端负载特性
原采因取：措深施饱：和的T5截止时，基极没有反 向①驱避动免电过流多，的需T要T一L共段用时一间个才电脱源离。饱和 。②所共以用，电此源时时，，T3、电T源4、与T地5同之时间导并通， 从联电适源当到电地容形滤成波低。阻通路，形成尖峰电 流。
2.4.3 TTL门电路的改进形式（自学）
• 了解有那几类改进形式？ • 几种改进形式各有何特点？
2.4.4 TTL门电路的其它类型
E
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
VOFF VON
Vi (V)
(4)噪声容限
TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。
同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容 差，称为噪声容限。
低电平噪声容限 : VNL= VOFF ¯VSL；
VNL越大，输入为0态下
2.2 三极管的开关特性
• 在数字电路中,三极管常工作在开关状 态（截止或饱和），相当于由基极电流 控制的无触点开关。
+5V
Rb 5V 0V
Rc uo
+5V R
uo S
+5V
• 1、截止饱和条件
• •
饱和导通条件：IB>IBS， IBS= 截止条件：VBE<VT，iB=0。
ICS/;
0V
5V
Rb
C + iI
输入漏 电流IIH
Vi_
R2 750Ω 2T3 Vc2 1
3
T22
3kRΩ4
Ve2 1
R3 360Ω
R 4 +5V 100Ω
2T 4
vO 3 IL Y
2T5
输入短路 电流IIS
输入短路电流(一个输入端接地时）: IIS≤ 1.6mA;
输入漏电流（输入端接高电平时） : IIH<50A.
23
反向时的
_ + +
E外
. P.. ... .... .....
_ _ _ _ _ _
+ + + + +
外电场
。。。。。E。。。。内。。。N。。。 _
LN
LP
正向时V，F 扩Vi散到对方区域的 载合LP）流消内子失，变，一成而Vi面少是R 继子在续，一t1扩并定t散不路2 ，能程一立（面即LN复复、t 合子消，失在。N区于存是储在大P区量I存的F 储空大穴量，的并t电建 立荷充一的电定存的的储时浓等间度效，梯为就度扩是tfe ，散导如电通左容时ItRtsr图间充etl 。电tfe。电。
3
1
导通 2
D
导通
1
截止
IOH =IE4
3输出高电平 2T 5
Rb1 3K
m3
I IH
+VCC
Rb1 3K
3
I IH
输入低电平时
4 动态特性
1）平均传输延迟时间：输出滞后输入信号的时间 2）动态尖峰电流： 门从导通到截止过程中出现的 瞬态电流。
VI
输入
输出
Tr
Tf
导通延迟 截止延迟
因Tf内包含了晶体管的存储时间 所以 tf > Tr
拉电
流负
2T 4
载
IOH
RL
NH
IoH (max) m IIH
3）带负载能力
扇出系数 ：
NO=min{NL、NH}
IO
5mA
T4
1
截止
D
T5
1
饱和
+VCC
R c4
R b1
3K
3
2
3
输出低电平 IIL
3 I OL= IC5
2
输入高电平时
1 1 1 1
+VCC Rb1 3K
I IL
3
+VCC Rc4
T4
反向时，外电场加强内电场，这些电荷一方面与多子复
合，另一方面在电场作用下，把P区的电子被拉回N区， N 区 的空穴被拉回P区，形成较大的漂移电流IR。这个作用等效为 扩散电容放电。在这些存储电荷消失之前， PN结仍处于正向
偏置，结电阻很小，反向电流IR= （VR+VD）/R ≈VR/R 。 tS
后，存储电荷显著减少，阻挡层逐渐变宽，结电阻变大， IR 变小，而后截止。
Rc uo
2.3 分立元件门电路
1、 二极管与门
VCC
01 D
A 1 D
B
2
R
F
01
2、 二极管或门
D
A
1
B D
2
01
F R
-VCC
或门电路
与门真值表
AB
F
00
0
01
0
10
0
11
1
或门真值表
AB
F
00
0
01
1
10
1
11
1
3. 非门
EC（3V）
1kΩ Rc uo F
A
R1
1.5kΩ
3V T
0V
18kΩ R2
1
A B
C
31
T1
Vi
3
T22
3kRΩ4
Ve2 1
R3
Y
3 Vo
2T5
Vo (V) 4.0 A B
360Ω
3.5
截止区,vi<0.6 线性区性,0.6V<vi<1.3V,
T2处于放大状态.
3.0
VO H （ m i n ）2.5 2.4V
(VSH) 2.0
C 转折区,vi在1..4V左右,T2射流 全部流如T5而迅速导通vi微
R2
750Ω
5V VB3 1
Vc2 2T3
3
2T2
3RkΩ4
Ve2
1
R3 360Ω
+VCC R4 +5V 100Ω
2T4
Y
3.6V
3
2T5
2.4.2 TTL门的特性
R1 3kΩ
R2 750Ω 2T3 Vc2 1
+VCC R 4 +5V 100Ω 2T 4
1. 电压传输特性 1）特性曲线 Vo= f（Vi）
由于T3和T4导通，所以： VO≈VCC-VBE3-VBE4 =5-0.7-0.7=3.6（V）
实现了与非门的逻辑 功能的另一方面：
输入有低电平时， 输出为高电平。
3.6V
综合上述两种情况，
该电路满足与非的 A
逻辑功能，即：
B C
1
R1 3kΩ
0.6V
31
T1 VC1
Y ABC
0.3V
A B
&Y
C
VCC
RL
T22
C
1
32T5IOL
R3 360Ω
E
IOL(max) 16 mA
由此可得出:
输出低电平时的扇出系数
I oL (max) N L
I IS
I oL (max) I IL
0.4
16 IOL(max)
扇出系数 ：表示一个与非门所能驱动同类门的最大个数。
2当）ioH输较小入时低,R4电上压平降时小的，V输O较出高特；T性3处在饱
2.4.1 TTL与非门的工作原理
1. 电路组成 :T2000系列与非门电路如图示。