第3章教学过程与方法 (1)

1)第3章门电路(72张,4学时,张/学时)

概述

晶体二极管和三极管的开关特性

分立元件门

TTL集成门

其他类型的双极型集成电路

MOS集成门

2)3.1 概述

门电路指能实现基本和常用逻辑关系的电路，简称“门”。最基本的逻辑门是与门、或门和非门。

按集成度分类

集成电路按单位芯片面积集成门电路的个数(即集成度)分为

按制造工艺分类

数字集成电路

3)3.2 晶体二极管和三极管的开关特性

半导体器件如晶体二极管、三极管和MOS管都有导通和截止两种状态，在导通状态下，允许电信号通过，在截止状态下，禁止电信号通过，这就是它们的开关特性。半导体器件的开关特性又分为:

静态特性，器件稳定在导通和截止两种状态下的特性

动态特性，器件在状态发生变化过程中的特性。

6)3.2.1 晶体二极管的开关特性

PN结具有单向导电性

7)PN结的电容效应

PN结位垒的宽度及位垒中的电荷量随外加电压而变化。其等效电容，称为位垒电容。当PN结外加正向电压时，PN结两边的扩散区中的少数载流子电荷量，也会随着外加电压的大小而变化。其等效电容，称为扩散电容。

PN结电容由位垒电容和扩散电容构成，它是影响开关速度的重要因素。在二极管制作时，应尽量减少PN结电容，PN结电容小的二极管称为开关管。

8)2.晶体二极管的稳态开关特性

晶体二极管是一个PN结，它具有单向导电性，外加正偏置电压时导通，外加反偏置电压时截止，相当于一个受外加电压极性控制的开关。晶体二极管的稳态开关特性是其稳定在正向导通与反向截止两种状态下的特性。

9)(1)二极管的理想特性

当开关K闭合时，开关电阻R K=0，开关上的电压U K=0，流过开关的电流I K=V I／R；当开关K断开时，开关电阻R K=∞，开关上的电压U K=V I，流过开关的电流

I K=0。

10)(2)实际二极管的开关特性

实际二极管的特性可由伏安特性曲线和它的特性方程描述

11)3.晶体二极管的瞬态开关特性

理想二极管瞬态开关特性

12)3.2.2 晶体三极管的开关特性

在各种电子电路中，晶体三极管得到广泛的应用。在模拟电子电路中，晶体三极管主要作为线性放大元件和非线性元件；在数字电路中，晶体三极管主要作为开关元件。

13)1.晶体三极管的稳态开关特性

在开关电路中，广泛使用晶体管共发射极电路。

14)[例3.1] 已知RC=1kΩ，V cc=12V，β=60。在下列条件下计算I B，I c及V o，并确定三极管T的工作状态。

①当VI=-3V时；

②当VI=+3V，RB=20kΩ时；

③当VI=+3V，RB=10kΩ时。

15)2.晶体三极管的瞬态开关特性

理想三极管瞬态开关特性实际三极管瞬态开关特性

16)平均传输延迟时间

输出信号Vo与输入Vi信号之间，存在时间上的延迟和波形上的畸变，影响了开关的速度。在数字电路中，一般用平均传输延迟时间tpd来衡量开关电路的速度。17)3.3 分立元件门

由电阻、电容、二极管、三极管等分立元件构成的逻辑门称为分立元件门。分立元件门的体积大、耗电高、故障多，现在几乎很少使用。这一节介绍的分立元件门，仅作为逻辑门电路学习的入门基础。

18)3.3.1 二极管与门

输出与输入之间能满足“与”逻辑关系的电路，称为与门。

19)3.3.2 二极管或门

半导体二极管组成的两个输入端或门电路

20)3.3.3 三极管非门

三极管非门电路

21)3.3.4 复合逻辑门

实际使用的逻辑门除了与、或、非3种基本逻辑门外，还有复合逻辑门，它们都是与、或、非门的组合结构。常用的复合逻辑门有与非门、或非门、与或非门和异或门等。下面以与非门和或非门为例，介绍复合门的电路结构和功能。

22)1.与非门

与非门电路结构

23)2.或非门

或非门电路结构

24)3.3.5 正逻辑和负逻辑

高电平赋值为1是正逻辑状态赋值，高电平赋值0就是负逻辑状态赋值。

输入输出采用正逻辑状态赋值，所得逻辑关系是正逻辑关系；输入输出采用负逻辑状态赋值，所得逻辑关系是负逻辑关系。输入输出采用不同的状态赋值称混合逻辑。正逻辑与负逻辑是一种相对关系。

25)正逻辑和负逻辑举例

某逻辑电路采用正逻辑时输入输出是与非关系，采用负逻辑时输入输出间是什么逻辑关系？输入采用负逻辑，输出采用正逻辑时输入输出间又是什么逻辑关系？26)3.4 TTL集成门

TTL集成电路是一种单片集成电路，其输入端和输出端都是由晶体三极管构成的电路，称为晶体管—晶体管逻辑，简称TTL(Transistor-Transistor Logic)。TTL门是构成数字逻辑系统的基本器件。下面以与非门为典型电路，介绍TTL集成电路的结构、工作原理、外部特性和使用方法。

27)3.4.1 TTL集成与非门

典型TTL与非门的电路

28)3.4.2 TTL与非门的外部特性

从使用角度出发，了解集成电路的外部特性是重要的。所谓外部特性，是指通过集成电路芯片引脚反映出来的特性。TTL与非门的外部特性主要有电压传输特性、输入特性、输出特性、电源特性和传输延迟特性。

291.电压传输特性

TTL与非门的电压传输特性是指输出电压Vo随输入电压VI变化的曲线。

30)2.输入特性

输入特性是指输入电流II随输入电压VI变化的曲线。

31)2.输入特性

32)3.输入负载特性

TTL与非门的输入负载特性是指在输入端加上负载电阻RI后，电路表现出的特性。

33)4.电源特性

TTL集成电路的工作电源是+5V，并允许在±10％范围内波动，即Vcc=4.5—5.5V。空载截止功耗：电路处于稳定关态的空载功耗

空载导通功耗：电路处于稳定开态的空载功耗

平均功耗：空载截止功耗和空载导通功耗的平均值约为10mW

34)5.输出特性

输出特性是指输出电压Vo随输出电流Io变化的曲线。

输出状态和开态的输出特性不同,分别讨论

35)开态输出特性

开态(输出低电平)

当VO=VOL时T3,T4截止,T2,T5导通,可作如下等效

36)6.传输延迟特性

平均传输延迟时间tpd是衡量TTL集成门电路开关速度快慢的动态参数

tpd=10—20ns(纳秒)。

根据tpd的不同，把TTL集成电路又分为中速TTL和高速TTL。

37)3.4.3 TTL与非门的主要参数

扇入系数和扇出系数两个参数。

38)3.4.4 TTL与非门的改进电路