数字电子技术第3章门电路

四. 双极性三极管的基本开关电路
① 当VI=0时, T截止： ② IB = 0 ③ IC = ICEO 0
vo = voH = vcc ② 当VI >Von时,T导通：
(3.5.1)
vo = vCE = vcc -icRc
= vcc -βiBRc
(3.5.2)
电压放大倍数：
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[例3.3.3] 为保证门G1输出的高、低电平能正确地传 送到门G2的输入端，要求vo1=VOH时vI2≥VIH(min), vO1=VOL时vI2≤ VIL(max)，试计算Rp的最大允许值是多 少。已知G1 、 G2均为74系列反相器。
Rp 例3.3.3的电路
解：vo1=VOH ，vI2≥VIH(min)时
VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V
• A、B中有一个 30V
或一个以上为
低电平0V时， 3V
03.7V
则输出Y就为低 电平0.7V
• 只有A、B全 为高电平3V，
则输出Y才为 高电平3.7V
AB Y
0V 0V 0.7V 0V 3V 0.7V 3V 0V 0.7V 3V 3V 3.7V
图3.2.5 二极管与门
五、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。
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六 、三极管反相器
n 三极管的基本开关电路就是非门 实际应用中，为保证 VI=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压。
参数合理？ VI=VIL时，T截止，
• 高低电平的允许范围
图3.1.2 正逻辑与负逻辑
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3.2 半导体二极管和三机关的开关特性 3.2.1 半导体二极管的开关特性
半导体二极管几种外形
• 外加正向电压时导通。 符号： P
阳极
N
阴极
• 外加反向电压时截止。
构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode)
工作状态分析：
③
饱和基极电流：
(3.5.4)
饱和时应保证：iB ≧IBS
结论iC ≦：β只iB要合适的选择电路参数，保证:
•当vi为低电平VIL时VBE<Von，三极管工作在截止状态；
•当vi为高电平VIH时IB>IBS ，三极管工作在饱和状态。 三极管就相当于一个受vi控制的开关。 数字电子技术第3章门电路
= 0.9V T2、T5截止, T4、D2导通, 输出为高电平。
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vI = VIH = 3.4V时
vB1 = VIH + VON = 4.1V
输入级 倒相级
输出级
TTL反相器的典型电路
T2、T5导通， vB1被钳位在2.1V，
T4、D2截止， T5饱和，输出为低电平。 输入输出之间是反相关系，即
PR=V2CC/R。
用vI控制三 极管工作
在截止和
导同两个 状态
S开关用晶 体管组成
S1 、S1开 关状态相反
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正逻辑与负逻辑
高低电电平平用用逻逻辑辑0高低表1 电表电示平示平用，用逻逻辑辑1表0 表示示 ，
• 非特别说明用正逻辑。
•本书中一律采用正逻辑。 高←→1；低←→0。
§3-1 概述
门电路 用于实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的
单元电路。 常用：与门、或门、非门、或非门、与非门的
电路等。
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单开关电路
(1) 开关S断开时，开关两端呈现
的电阻为无穷大。vo=VCC
(2) 开关S闭合时，开关两端呈现
双开关电路
的电阻为零,开关两端的电压vO=0 (3) 单开关电路功率损耗大
2.0
灌电流 负载 1.0
TTL反相器低电平输出 等效电路
0
5 10 15
TTL反相器低电平输出特性
带灌电流负载能力IOL可达16mA。
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[例3.3.2]
计算门G1最多可驱动多少个同样的门电路负载。 解：
G1最多可驱动10个同样的门电路负载， 这个数值叫做门电路的扇出系数。
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尖峰电流带来的影响：
1. 增加了电源的平均电流。 计算系统电源容量时需注意。
2. 系统中有许多门电路同时转换工作状态时， 形成一个系统内部的噪声源。 系统设计时应将噪声抑制在允许的限度内。
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五、其他类型的TTL门电路
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n 需要说明的几个问题：
① ② ③
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2、电压传输特性
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2、电压传输特性
输出高电平 V0
5
截止区
4A
3.43
B 线性区 输出低电平
2.12
C
转折区
1
D 饱和区 E
.
输入低电平
0.50.6
1
1.4
2
阈值电压：1.4V
Vi 3
输入高电平
返回
2.交流噪声容限
将输出高电平降至2.0V时输入正脉冲的幅度， 定义为正脉冲噪声容限。 将输出低电平上升至0.8V时输入负脉冲的幅度， 定义为负脉冲噪声容限。 当输入脉冲的宽度达到微秒的数量级时， 应将输入信号按直流信号处理。
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3. 电源的动态尖峰电流
输出由低电平突然转变为高电平的过渡过程中， 出现短时间内T4和T5同时导通的状态， 有很大的瞬时电流流经T4和T5 ， 使电源电流出现尖峰脉冲。
iB=80μA
60
放大区
40 20
iB
+
vBE
-
0
uCE/V 截止区：iC几乎为零 ICEO通常在1μA以下
ic + vce
-
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三、双极型三极管的基本开关电路
只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL
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根据制造工艺的不同，集成电路又分成双极型和单极型两类。
TTL电路是目前双极型数字集成电路中用得最多的一种。
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1.电路结构
反相器是TTL电路中电路结构最简单的一种。
因电路输入端和输出端均为三极管结构，所以称做三极管 -三极管逻辑电路，简称TTL电路。
设：
输入级 倒相级
VOH/V
R2
1.6kΩ
1R340Ω VCC
T4
D2
iL
vO
RL
拉电流 负载
3.0 2.0 1.0
-15 -10 -5 0 iL/mA
TTL反相器高电平输出特性
TTL反相器高电平输出等效电路
受功耗的限制，74系列规定iL不能超过0.4mA。
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（2）低电平输出特性
当
时
T1处于倒置状态
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TTL反相器的输入特性曲线
TTL反相器的输入 端等效电路
iI/mA
-1.0 -0.5 0
-0.5 -1.0 -1.5 -2.0
0.5 1.0 1.5 2.0
vI/V
TTL反相器的输入特性
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2. 输出特性 (1)高电平输出特性
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第三节 TTL门电路
❖ 半导体三极管的开关特性 ❖ TTL反相器的电路结构和工作原理 ❖ TTL反相器的静态输入、输出特性 ❖ TTL反相器的动态特性 ❖ 其他类型的TTL门电路 ❖ TTL门电路的改进系列
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一、半导体三极管的开关特性
1. 三极管的输入特性
iB/μA
实际特性
O
VON
理想特性
UBE/V
iB
+
vBE
-
vBE > VON 时三极管导通 vBE < VON 时三极管截止
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2. 三极管的输出特性
iC/mA 饱和区：UCE很小 深度饱和时在0.3V
以下
O
放大区： iC随iB成正比地变化 几乎不受vCE变化的影响
特性： 单向导电。
二极管的伏安特性
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3.2.1二极管的开关特性：
高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0
VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC
VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V
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3.2.2 二极管与门电路 工作原理:
设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V
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3. 输入端负载特性
VCC R1
4kΩ
vI
T1 be2
2.0
RP
be5
1.0
TTL反相器输入端经电 阻接地时的等效电路
0 1.0 2.0 3.0
TTL反相器输入端负载特性
若RP较小，相当于输入一个低电平信号。 若RP较大，相当于输入一个高电平信号。
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且有二极管、三极管以及电阻、连接线等的寄生电容存在，
所以把理想的矩形电压信号加到TTL反相器的输入端时， 输出电压的波形不仅要比输入信号滞后，
而且波形的上升沿和下降沿也将变坏。
把输出电压波形滞后于输入电压波形的时间，
做传输延迟时间。
通过实验方法测定传输延迟时间的数值。
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数字电子技术第3章门电 路
2020/11/21
数字电子技术第3章门电路
2.门电路
3.1 概述
3.3 CMOS门电路 * 3.4 其他类型MOS集成电路
* 3.6其他类型的双极性数字集成电路
* 3.7 Bi-MOS电路 * 3.8 TTL电路与MOS电路的接口
青岛科技大学电工电子教研室
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输出级
TTL反相器的典型电路
电源电压 VCC = 5V 输入高电平VIH = 3.4V 输入低电平VIL = 0.2V 开启电压 VON = 0.7V
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工作原理
输入级 倒相级
输出级
TTL反相器的典型电路
vI = VIL = 0.2V时
T1工作在深度饱和状态， vB1 = VIL + VON
0输出
VIL（max） VNL
VOL（max）
0输入
vo
vi
输入为高电平时的噪声容限为：
输入为低电平时的噪声容限为：
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74系列门电路的标准参数为
可得
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三、TTL反相器的静态输入、输出特性
1.输入特性
当
时
输入低电平电流为：
TTL反相器的输入 端等效电路
ABY 000 010 100 111
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3.2.3 二极管或门
加到A,B的 VIH=3V VIL=0V
二极管导通时 VDF=0.7
A BY 0V 0V 0V 0V 3V 2.3V 3V 0V 2.3V 3V 3V 2.3V
规定2.3V以上为1 0V以下为0
A BY 0 00 0 11 1 01 1 11
图3.5.10 TTL反相器的电压传输特性曲线
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3.输入躁声容限
定义：在保证输出高、低电平基本不变 （或者说变化的大小不超过允许限度）的条件下， 输入电平的允许波动范围， 称为输入噪声容限。
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vo 1输出
VOH（min）
VNH VIH（min）
1输入 vi
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二极管构成的门电路的缺点
n 电平有偏移 n 带负载能力差
n 只用于IC内部电路
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分立元件门电路的缺点:
1. 体积大、工作不可靠。
2. 2. 需要不同电源。 3. 3. 各种门的输入、输出电平不匹配。
本节小结
1、二极管开关特性（恒压降） 2、与、或、非门电路
VO=VOH VI=VIH时，T截止，
VO=VOL
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5. 三极管反相器
R1 A
（vI）
Vcc RC
T R2
Y （vo）
-VEE
三极管非门（反相器）
A
Y
逻辑符号
仿真
为保证在输入低电平时, 三极管可靠截止， 接入了电阻R2和负电源VEE。
T深度饱和
T截止
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3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理
1961年美国德克萨斯仪器公司率先制成了集成电路。集成电路 体积小、重量轻、可靠性好，因而在大多数领域里迅速取代了 分立器件电路。
按照集成度（即每一片硅片中所含元器件数）的高低，
集 小规模集成电路（Small Scale Integration,简称SSI） 成 电 中规模集成电路（Medium Scale Integration,简称MSI） 路 大规模集成电路（Large Scale Integration,简称LSI） 分 成 超大规模集成电路（Very Large Scale Integration,简称VLSI）
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VCC R1
4kΩ
T1 be2
RP
be5
VOL
vO1=VOL ，Vi2 ≤ VIL(max)时
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应取
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四、TTL反相器的动态特性
1. 传输延迟时间
在TTL 电路中，由于二极管和三极管从导通变为截止或从截 止变为导通都需要一定的时间，