海南大学 数字电子技术基础课件 第三章 门电路

半导体基础知识（2）
• 杂质半导体 • P型半导体 多子：空穴 少子：自由电子
《数字电子技术基础》
半导体基础知识（3） • PN结的形成 • 空间电荷区 （耗尽层）
• 扩散和漂移
《数字电子技术基础》
半导体基础知识（4）
• PN结的单向导 电性 • 外加正向电压
《数字电子技术基础》
半导体基础知识（4）
《数字电子技术基础》
3.3.4 TTL反相器
TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三 极管，所以称晶体管—晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。
TTL反相器的电路结构
《数字电子技术基础》
TTL反相器工作原理
VCC 5V VIH 3.4V VIL 0.2V PN结导通压降 VON 0.7V
i C f ( VCE )
《数字电子技术基础》
3.3.2双极型三极管的基本开关电路
《数字电子技术基础》
三极管的开关等效电路
截止状态
饱和导通状态
《数字电子技术基础》
3.3.3 动态开关特性
从二极管已知，PN 结存在电容效应。
在饱和与截止两个 状态之间转换时， iC的变化将滞后于 VI，则VO的变化也 滞后于VI。
《数字电子技术基础》
要求保证VI VIH 时， VOH 3.2V（查得 iOH 0.4m A） ; VI VIL时， VOL 0.2V（查得 iOL 16m A）
《数字电子技术基础》
CMOS 门电路
MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。 MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、 集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得 到了十分迅速的发展。
VI V IL 0.2V ( A 0) VO VOH (Y 1)
VI V IH 3.4V ( A 1) VO VOL (Y 0)
D1抑制负向干扰 D2保证T5饱和时T4可靠的截止
《数字电子技术基础》
采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力 T5组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负 载能力。 当输入高电平时，T5饱和，uB4=uC2=0.3V+0.7V=1V，T4和D2截 止，T5的集电极电流可以全部用来驱动负载。 当输入低电平时，T5截止，T4导通(为射极输出器)，其输出 电阻很小，带负载能力很强。 可见，无论输入如何, T4和T5总是一管导通而另一管截止. 这种推拉式工作方式，带负载能力很强。
图2-12 输入负载特性曲线 （a）测试电路 （b）输入负载特性曲线
《数字电子技术基础》
在一定范围内，uI 随RI的增大而升高。但 当输入电压uI达到 1.4V以后，uB1 = 2.1V， RI增大，由于uB1不变， 故uI = 1.4V也不变。 这时VT2和VT4饱和导通， 输出为低电平。
虚框内为TTL反相器的部分内部电路
《数字电子技术基础》
三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）
输出有三个状态： VOL ,VOH，高阻( Z )
(1) EN 0, P 1, D截止，为“工作状态” Y ( AB ) (2) EN 1, P 0, D导通，为“高阻状态” Y Z
《数字电子技术基础》
3. 输出特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线。
(1) 输出高电平时的输出特性
RL拉电流负载
图2-13 输出高电平时的输出特性 （a）电路 （b）特性曲线 负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。
《数字电子技术基础》
(2) 输出低电平时的输出特性 RL灌电流负载
图2-14 输出低电平时的输出特性 一般灌电流在20 mA以下时，电路可以正常工作。典型 （a）电路 （b）特性曲线 TTL门电路的灌电流负载为12.8 mA。 负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。
《数字电子技术基础》
3.2.2 二极管与门
设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V
A 0V 0V 3V 3V
B 0V 3V 0V 3V
Y 0.7V 0.7V 0.7V 3.7V
规定3V以上为1 0.7V以下为0
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
《数字电子技术基础》
正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1
《数字电子技术基础》
3.2半导体二极管门电路
3.2.1二极管的开关特性：
二极管的伏安特性曲线
《数字电子技术基础》
二极管的开关等效电路：
Hale Waihona Puke 《数字电子技术基础》二极管的动态电流波形：
《数字电子技术基础》
二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定 的时间。通常后者所需的时间长得多。 反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的时间。 一般为纳秒数量级（通常tre ≤5ns ）。 若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导 电作用。因此高频应用时需考虑此参数。
《数字电子技术基础》
平均传输延迟时间tpd
平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。
tpd = （tpLH +tpHL）/2
TTL反相器的平均延迟时间
《数字电子技术基础》
二、交流噪声容限 当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出变化跟不上， 变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。
（a）正脉冲噪声容限
《数字电子技术基础》
第三章 门电路
《数字电子技术基础》
补：半导体基础知识
《数字电子技术基础》
半导体基础知识（1）
两种载流子
• 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 • 常用：硅Si，锗Ge
《数字电子技术基础》
半导体基础知识（2）
• 杂质半导体 • N型半导体 多子：自由电子 少子：空穴
《数字电子技术基础》
输入电流计算： I IL：并联后与仅一个接地 时相同 I IH ：每个值相同，并联后 加倍
T4 截止， T2和T5导通， VO VOL 0
《数字电子技术基础》
2. 或非门
3.与或非门
两个完全一样的输入电 路 因为 T2和T2 的输出并联 所以 A、B任何一个为1均使 T5导通， T4 截止 VO VOL 只有 A、B同为0，才有 T5截止， T4 导通 VO VOH 输入电流计算时， I IH 和I IL均加倍
• PN结的单向导 电性 • 外加反向电压
《数字电子技术基础》
3.1 概述 门电路的概念： 实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑 门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或 门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。 分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起 来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。 集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都 制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了 集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门 电路。
《数字电子技术基础》
三极管的开关时间（动态特性）
延迟时间td 上升时间tr 开启时间ton 三极管的开关时间 存储时间ts 下降时间tf 关闭时间toff
《数字电子技术基础》
(1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。 ton = td +tr td ：延迟时间 tr ：上升时间
(2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。 toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长） tf ：下降时间 toff > ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。
《数字电子技术基础》
集电极开路门（OC门）
推拉式输出电路结构
存在局限性。 ① 输出电平不可调 ② 负载能力不强，尤 其是高电平输出 ③ 输出端不能并联使 用。
很大的电流 1
不高不 低的电 平：1/0?
0
《数字电子技术基础》
2、OC门的结构特点
输出端为 OC三极管 T5，T5可承受较大电压、电流 ， 如SN 7407: 40mA / 30V 工作时需要外接 RL ,VCC ; 只要 RL ,VCC 取值合适，定可使
A, B同为高时， T5 饱和 VOL 0 A或B为0时， T5截止 VO VCC（VCC 可以不等于 VCC） 输出端并联可实现“线 与”
《数字电子技术基础》
OC门实现的线与
因为Y1、Y2 有一个低， Y即为低，只有两者同高 ，Y才为高， 所以Y Y1Y2 ( AB ) (CD) ( AB CD)
《数字电子技术基础》
(2)逻辑符号
控制端低电平有效的三态门
控制端高电平有效的三态门
《数字电子技术基础》
三态门的用途
《数字电子技术基础》
扇出系数=
0 .4 mA & 0 .4 mA 1 0 .4 mA 1 1 & 8 mA 最多2 0个输入，否则， 输出会超出正常低电平范围 0 .4 mA 1 0 .4 mA & ≥1
Y 0 1 1 1
《数字电子技术基础》
3.3半导体三极管门电路
3.3.1三极管的输入特性和输出特性 • VON ：开启电压
• 硅管，0.5 ~ 0.7V • 锗管，0.2 ~ 0.3V
近似认为: • VBE < VON iB = 0 • VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定
VBB VBE iB Rb
《数字电子技术基础》
TTL反相器的输入特性和输出特性
1. 输入伏安特性 输入电压和输入电流之间的关系曲线。
图2-11 TTL反相器的输入伏安特性 （a）测试电路 （b）输入伏安特性曲线
《数字电子技术基础》
2. 输入负载特性
TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随 RI 的变化而变化的关系曲线。
《数字电子技术基础》
二、电压传输特性
《数字电子技术基础》
三、输入噪声容限
在VI 偏离VIH 和VIL的一定范围内， VO 基本不变； 在输出变化允许范围内 ，允许输入的变化范围 称为输入噪声容限
V NH VOH (min) VIH (min) V NL VIL (max) VOL (max)
（b）负脉冲噪声容限
《数字电子技术基础》
3.5.5其他类型的TTL门电路
一、其他逻辑功能的门电路 1. 与非门
A B由多发射极三极管实现 当A和B有一个为 0.2V时， VB1 0.9V , T5截止， T4 导通， VO VOH 1 当A和B同为高电平时， VB1 2.1V ,
Y 0 0 0 1
《数字电子技术基础》
3.2.3 二极管或门
设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V
A 0V 0V 3V 3V
B 0V 3V 0V 3V
Y 0V 2.3V 2.3V 2.3V
规定2.3V以上为1 0V以下为0
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
《数字电子技术基础》
三极管的输出特性 • 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线
iC f (VCE )
《数字电子技术基础》
• 特性曲线分三个部分 ① 放大区：条件VCE > 0.7V, iB >0, iC随iB成正比变化， ΔiC=βΔiB。 ② 饱和区：条件VCE < 0.7V, iB >0, VCE 很低，ΔiC 随ΔiB增加变 缓，趋于“饱和”。 ③ 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c—e间“断开” 。
I OH I OL I IH I IL
2 0 A 2 0 A 2 0 A 0 1 & 0 .4 mA 最多2 0个输入，否则， 输出会超出正常高电平范围 2 0 A 2 0 A 1 & & 1 ≥1
(a)
(b)
《数字电子技术基础》
扇出系数（Fan-out）， 试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。
VDD VOL VDD VOH RL IOL(max) m ' I IL nIOH mI IH
《数字电子技术基础》
例:试为图2.4.30电路中的外接负载电阻RL选定合适的阻 值。已知G1、G2为OC门，输出管截止时的漏电流为IOH= 200μA，输出管导通时允许的最大负载电流为ILM=16mA， G3、G4和G5均为74系列与非门，它们的低电平输入电流为 IIL=-1mA，高电平输入电流为IIH=40 μA。给定VCC=5V，要 求OC门输出的高电平VOH≥ 3.0V，低电平VOL≤ 0.4V。