门电路分析

二、逻辑变量与两状态开关
在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是0就是1，是一 种二值量。在数字电路中，与之对应的是电子开关的 两种状态。半导体二极管、三极管和MOS管是构成这 种电子开关的基本开关元件。
（2-4）
三、高、低电平与正、负逻辑
1、高电平和低电平：高电平 和低电平是两种状态，是两个不 同的可以截然区别开来的电压范 围。 右图2.4～5V范围内的电压， 都称为高电平，用UH表示。 0～0.8V范围内的电压，都称 为低电平，用UL表示。 2、正逻辑和负逻辑：用1表示 高电平，用0表示低电平，称为 正逻辑赋值，简称正逻辑。用1 表示低电平，用0表示高电平， 称为负逻辑赋值，简称负逻辑。
数字电子技术基础 简明教程
（2-1）
第2 章 门电路
（2-2）
第2章 门电路
概述 2.1 2.2 2.3 半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性 分立元器件门电路 CMOS集成门电路
2.4
TTL集成门电路
（2-3）
概述
一、门电路的概念
1、什么是门电路：实现基本和常用逻辑运算的电子 电路，称为逻辑门电路。它是数字电路中最基本的单 元。 2、门电路的主要类型：门电路的主要类型有与门、 或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。
2、半导体三极管的静态开关特性 ⑴ 饱和导通条件及饱和时的特点 饱和导通条件：三极管基极电流iB大于其临界饱和 时的数值IBS时，饱和导通。 饱和导通时的特点：对于硅三极管，饱和导通后 uBE≈0.7V，uCE＝UCES≤0.3V 如同闭合的开关。
（2-17）
⑵ 截止条件及截止时的特点 截止条件： uBE＜Uo＝0.5V 式中，Uo是硅三极管发射结的死区电压。 截止时的特点：iB≈0，iC≈0 如同断开的开关。
（2-13）
2.1.3
半导体三极管的开关特性
+UCC
+UCC 3V 0V
RC
3V
RC uO
T
截止 饱和
ui
RB
C E
uO uO 0
相当于 开关闭合
+UCC 0V
RC
C E
uO
相当于 开关断开
uO UCC
（2-14）
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一、静态特性 1、结构示意图、符号和输入、输出特性 半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。
（2-10）
⑵、静态开关特性 硅半导体二极管具有下列静态开关特性： ① 导通条件及导通时的特点： 当外加正向电压UD＞0.7V时，二极管导通，硅半导 体二极管如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关。 ② 截止条件及截止时的特点： 当外加正向电压UD＜0.5V时，二极管截止，硅半导 体二极管如同一个断开了的开关。
（2-7）
2.1.2
半导体二极管的开关特性
半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。
相当于 开关闭合
S 导通 截止 3V 0V
R
D
3 V
R
S
0V
相当于 开关断开
R
（2-8）
一、静态特性 1、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性 半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图 所示。
（2-9）
（2-18）
二、动态特性 半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电 容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都 需要一定时间。
右图所示是三极管开关电路中uI为矩形脉冲时，相 应iC和uO的波形。
（2-19）
⑴ 开通时间 当输入电压uI由UIL＝－2V跳变到UIH＝3V时，三极 管需要经过延迟时间td和上升时间tr之后，才能由截止 状态转换到饱和导通状态。开通时间为 ton=td＋tr
（2-11）
二、动态特性 1、二极管的电容效应 二极管存在结电容Cj和扩散电容CD， Cj和CD的存在 极大地影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断， 伴随着Cj、CD的充、放电过程，都要经过一段延迟时 间才能完成。 2、二极管的开关时间 下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的uI和 iD的波形。
2、半导体二极管的开关作用 ⑴开关应用举例
下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为uI,其低 电平UIL＝－2V,高电平为UIH＝3V。 ① uI ＝UIL时，半导体二极管反偏，D处于反向截止区，如同 一个断开了的开关，直流等效电路如图(b)。 ② uI ＝UIH时，半导体二极管正偏，D工作在正向导通区，如 同一个具有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图(c)。
（2-12）
⑴ 开通时间 当输入电压uI由UIL跳变到UIH时，二极管D要经过延迟时间td、 上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管 的开通时间为：ton=td＋tr ⑵ 关断时间 当输入电压uI由UIH 跳变到UIL时，二极管D要经过存储时间ts、 下降时间（也称为渡越时间）tf之后，才能由导通状态转换到截止 状态。半导体二极管的关断时间为：toff=ts＋tf
（2-15）
半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。
输入特性指的是基极电流iB和基极-发射极间电压 uBE之间的关系曲线。 输出特性指的是基极电流iC和集电极-发射极间电压 uCE之间的关系曲线。在数字电路中，半导体三极管不 是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅 是一种瞬间即逝的工作状态。 （2-16）
（2-5）
四、分立元件门电路和集成门电路
1、用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路， 称为分立元件门电路。 2、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。
五、数字集成电路的集成度
1、集成度：一般把在一块芯片中含有等效逻辑门 的个数或元器件的个数，定义为集成度。 2、数字集成电路按照集成度分类 小规模集成电路(SSI)：＜100个元器件/片 中规模集成电路(MSI)：100～999个元器件/片 大规模集成电路(LSI)：1000～99999个元器件/片 超大规模集成电路(VLSI)：＞100000个元器件/片（2-6）
2.1 半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性
2.1.1 理想开关的开关特性
A S 理想开关 K
一、静态特性 1、断开时，其等效电阻ROFF＝∞，通过其中的电流 IOFF＝0。 2、闭合时，其等效电阻RON＝0，其两端电压UAK＝0。 二、动态特性 1、开通时间ton＝0，即开关由断开状态转换到闭合状 态不需要时间，可以瞬间完成。 2、关断时间toff＝0，即开关由闭合状态转换到断开 状态不需要时间，可以瞬间完成。