门电路

第 五图3.1.2高低电平实现原理电路 版
图3.2.1 二极管的开关电路
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半导体二极管的开关特性
数
字
高电平：VIH=VCC
电
低电平：VIL=0
子
技
术
基
础
• VI=VIH
D截止，VO=VOH=VCC
第
• VI=VIL
五
D导通，VO=VOL=0.7V
版
五邑大学
3.2半导体二极管门电路
数 3.2.2 二极管与门
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双极型三极管的开关特性
数 三极管的输出特性:
字• 固定一个IB值，即得一条曲线，
电 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线 子 技 术 基 础
第 五 版
五邑大学
数•
字 1.
电
子 2.
技 术 3.
基 础
双极型三极管的开关特性
特性曲线分三个部分 放大区：条件VCE > 0.7V, iB >0, iC随iB成正比变化， ΔiC=βΔiB。 饱和区：条件VCE < 0.7V, iB >0, VCE 很低，ΔiC 随 ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。 截止区：条件VBE < Von, iB ≈ 0, iC ≈ 0, c—e间“断 开” 。
Y
版
Y ( AB)
图3.5.37 OC门的工作电路
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集电极开路与非门（OC门）
数 线与的实现 字
电
若利用
子 OCwenku.baidu.com实现线
技 与功能，则将
术 几个OC门的 基 输出并联起来 础 用一个上拉电
阻即可，如图
第
3.3.38所示， 即
五
图3.5.38
字
电
子设VCC = 5V 技加到A,B的 VIH=3V
VIL=0V
术二极管导通时 VDF=0.7V
基
础A B Y
AB
0V
第 0V 五 3V 版 3V
0V 0.7V 3V 0.7V 0V 0.7V 3V 3.7V
规定2V以上为1 1V以下为0
00 01 10 11
Y 0 0 0 1
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3.2半导体二极管门电路
技 或非门等。
术
基
础
门电路中以高/低电平表
第
示逻辑状态的1/0
五
版
五邑大学
概述
数
字 获得高、低电平的基本原理
电 子 技 术 基 础
高/低电平都允 许有一定的变 化范围
第 五 版
五邑大学
概述
数 字 正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 电 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1 子 技 术 基 础
第
五 版
电 强的带负载能力，可提供5mA的输出电流
子
技 当输出为低电平时。其输出阻抗小于100Ω,可灌入
术电流14mA，也有较强的驱动能力。
基 础
③二极管D1是输入级的钳位二极管，作用：a.抑制负
第 脉冲干扰；b.保护T1发射极，防止输入为负电压时， 五 电流过大，它可允许最大电流为20mA。 版
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TTL门电路
T2截止
术 基 础
T4导通 T5截止
D2导通
vo＝VOH
第
≈VCC －IC2R2－2VON
≈3.4V
五 版 输出为高电平
0.9V
0.2V
0.2V
3.4V
图3.5.9 TTL反相器的电路
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TTL反相器的电路结构和工作原理
数 ②当vI＝VIH＝3.4V时
字 电
T1截止
T2导通
子 技
T4截止 T5饱和
第 五 版
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双极型三极管的基本开关电路
数
字
电
只要参数合理：
VI=VIL时，T截止，VO=VOH
子
VI=VIH时，T导通，VO=VOL
技
术
基
础
第 五 版
五邑大学
TTL门电路
数
字
TTL—Transistor-Transistor Logic(三极管－三极
电 管逻辑），TTL逻辑门就是由双极型晶体三极管
基
础
第 五 版
五邑大学
双极型三极管的开关特性
数
字 电 发射区 子 高掺杂
技
术
基区薄 低掺杂
集电区 低掺杂
基
础
第 五 版
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双极型三极管的开关特性
数 字
以NPN为例说明工作原理：
• 电 当VCC >>VBB
子• be 结正偏, bc结反
技偏
术 基 础 ••
e区发射大量的电子
b区薄，只有少量的 空穴
数 字
3.2.3
二极管或门
电
子设VCC = 5V 技加到A,B的 VIH=3V
VIL=0V
术二极管导通时 VDF=0.7V
基
础A B Y
AB
0V
第 0V 五 3V 版 3V
0V 0V 3V 2.3V 0V 2.3V 3V 2.3V
规定2V以上为1 1V以下为0
00 01 10 11
Y 0 1 1 1
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二极管构成的门电路的缺点
• 数
字
电平有偏移：输出的高低电平数值与输入的高低
电平数值相差一个二极管的压降，后级的二极管门电
电
路电平偏移，甚至使得高电平下降到门限值以下
• 子
带负载能力差：由于这种二极管门电路的输出电
技
阻比较低，故带负载能力差，输出电平会随负载的变
术 化而变化。
基
础
第
五 •只用于IC内部电路
第三章 门电路
数
字
电
1
概述
子
技
术
2
半导体二极管门电路
基
础
3
TTL和COMS门电路
第
五
版
五邑大学
思考题
数
字
电
子
1
2
3
技 二极管为 三极管为 门电路如
术 什么可以 什么可以 何能实现
基 础
实现开关 实现开关 基本的逻
功能
功能
辑运算
第 五 版
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3.1 概述
数
字
电 子•
门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如 与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、与
电
正向导通区
子
技 反向截止区 术 基 础
V
i I S(e VT 1) VT nkT q
第
K:波耳兹曼常数
五 版
反向击穿区
T:热力学温度 q: 电子电荷
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二极管的开关等效电路
数 字 电 子 技 术 基 础
第 五 版
五邑大学
半导体二极管的开关特性
数 将图3.1.2中的开关用二极管代替，则可得到图3.2.1所示的 字 半导体二极管开关电路 电 子 技 术 基 础
子
技
术
基
础
第 五 版
五邑大学
半导体基础知识（2）
数
字
电 子 技
• •
杂质半导体 N型半导体
术 多子：自由电子
基 础
少子：空穴
第 五 版
五邑大学
半导体基础知识（2）
数
字
电 子 技
• •
杂质半导体 P型半导体
术 多子：空穴
基 础
少子：自由电子
第 五 版
五邑大学
半导体基础知识（3）
数 字
电•PN结的形成
子 （BJT, Bipolar Junction Transistor）构成的逻辑门电 技 路。
术 TTL逻辑器件分成54系列和74系列两大类，其电 基 路结构、逻辑功能和电气参数完全相同。不同的是54 础 系列工作环境温度、电源工作范围比74系列的宽。
74系列工作环境温度为00C～ 700C,电源电压工作范围为
数 TTL与非门的电路结构 字 电 子 技 术 基 础
第 五 版
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TTL门电路
数 TTL与非门的电路结构 字
电
A B由多发射极三极管实现
子
当A和B有一个为0.2V时，VB1 0.9V ,
技
T5截止，T4导通，VO VOH 1
术
当A和B同为高电平时，VB1 2.1V ,
础 VI V IL 0.2V ( A 0)
VO VOH (Y 1)
第 五 VI V IH 3.4V ( A 1)
版
VO VOL(Y 0)
TTL反相器的电五路邑大学
TTL反相器的电路结构和工作原理
数 二、工作原理： 字 电 ①当vI＝VIL＝0.2V时
子 T1饱和 技 导通
子 40mA / 30V
技 工作时也需外 术 接负载和电源，如
图3.3.36
基 图3.5.37所示
础 只要RL ,VCC 2取值合适，可使A, B同为
VCC2
高电平时，T5饱和，VOL 0；当A和B
RL
第 只要有一个为0时，T5截止，VO VCC 2 A
五（VCC 2可以不等于VCC），则
B
• bc反偏，大量电子
第 形成IC 五
版
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双极型三极管的开关特性
数 字• VON ：开启电压
电硅管，0.5 ~ 0.7V 子锗管，0.2 ~ 0.3V 技
术
基• 近似认为:
础VBE < VON iB = 0
第VBE ≥ VON 五 版
iB 的大小由外电路电压，电阻决定
iB

VBB VBE Rb
术
如图3.3.35所示将推拉式TTL与非门的
基 输出端并联，则当某一门的输出端为低电
础 平，如Y2=0,则当Y1=1时，会有G1门的电流
通过G2门的T5管，这个电流远远超过正常
第 工作电路，有可能使T5管损坏
五
版
图3.3.35
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集电极开路与非门（OC门）
数
为了使TTL与非门能实
字 现线与功能，把输出级的去
分析。
第
五
版 P135~138
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TTL门电路
数 TTL反相器的电路结构 字 电 子 技 术 基 础
第 五 版
TTL反相器的电路
五邑大学
TTL门电路
数 TTL反相器的电路结构 字
电 VCC 5V
子 VIH 3.4V 技 VIL 0.2V 术 PN结导通压降VON 0.7V 基
术 (b)高速系列：
基 础
国产型号为CT54H/74H系列，与国际上SN54H/74H系列 相当，部标型号为T2000系列
第 (c)肖特基系列： 五 国产型号为CT54S/74S系列，与国际上SN54S/74S系列相 版 当，部标型号为T3000系列
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TTL门电路
数 (d) 低功耗肖特基系列：
技 ②推拉式输出结构 术 由T4和T5构成TTL反相器推拉式输出，在 基 输出为高电平时， T4导通，T5截止；在输出 础 为低电平时， T4截止，T5导通。
第 由于T4和T5总有一个导通，一个截止，这样就降低输出级 五 的功耗，提高带负载能力。 版
五邑大学
TTL反相器的电路结构和工作原理
数
字
当输出为高电平时，其输出阻抗低，具有很
本书采用正逻辑系统
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3.2半导体二极管门电路
数 半导体二极管的结构和外特性
字 电
（Diode）
子 二极管的结构：
技
PN结 + 引线 + 封装构成
P
N
术
基
础
第 五 版
五邑大学
数
字
电
子
技
补：半导体基础知识
术
基
础
第 五 版
五邑大学
半导体基础知识（1）
数
两种载流子
字 • 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 电 • 常用：硅Si，锗Ge
第 5V±5%； 五 54系列工作环境温度为－550C～ +1250C,电源电压工作范围为 版 5V±10%.
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TTL门电路
数 字
54系列和74系列按工作速度和功耗可分成4个系列：
电 (a)标准通用系列：
子
国产型号为CT54/74系列，与国际上SN54/74系列相当，
技 部标型号为T1000系列；
基
T4截止，T2和T5导通，VO VOL 0
础
输入电流计算：
I
：并联后与仅一个接地时相同
IL
第
I IH：每个值相同，并联后加倍
五 版
五邑大学
TTL门电路
数
字 或非门
电
与或非门
子
技
术
基
础
第 五 版
五邑大学
集电极开路与非门（OC门）
数 字 1.推拉式输出电路结构的局限性：
电 ① 输出电平不可调 子 ② 负载能力不强，尤其是高电平输出 技 ③ 输出端不能并联使用
电 掉D3 、T4管，使T5管的集
子 电极开路，就构成集电极开
技 路门，即OC门。
术 OC门的结构特点
基
础 如图3.3.36所
示为OC门的电路
第和结构和符号， 五 版输开出路管的集电极
图3.3.36
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集电极开路与非门（OC门）
数 输出端为OC三极管
字 T5，T5可承受较大电压 电 、电流，如SN7407 :
字 电
国产型号为CT54LS/74LS系列，与国际上SN54LS/74LS系列 相当，部标型号为T4000系列
子
技
不同系列的同一种逻辑门，结构上略有差异，
术 基 础
目的是为了提高逻辑门的工作速度，降低功耗，如 为了改进74系列的工作速度，则采用达林顿管 （74H系列）、肖特基管（74S系列）；为了降低 功耗，采用小电阻。但这些差异不影响电路功能的
子
技 术•空间电荷区（
基 耗尽层）
础
•扩散和漂移
第 五 版
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半导体基础知识（4）
数
字
电 子 技
•
PN结的单向导 电性
术 基
•
外加正向电压
础
第 五 版
五邑大学
半导体基础知识（4）
数
字
电 子 技
•
PN结的单向导 电性
术 基
•
外加反向电压
础
第 五 版
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半导体基础知识（5）
数
字 • PN结的伏安特性
D2截止
术
导通
基
础
vo＝VOL≈VCE（sat） ≈0.2V
2.1V
3.4V
1.4V
0.3V
0.7V
第
输出为低电平
五 则输出和输入的逻辑关
版 系为 Y A
图3.5.9 TTL反相器的电路
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TTL反相器的电路结构和工作原理
数 字
特点：
电 ①T1处于“倒置”状态，其电流放大系数远远小于1 子
版
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3.3 TTL门电路
数
TTL—Transistor-Transistor Logic(三极管－三极
字 管逻辑），TTL逻辑门就是由双极型晶体三极管
电 （BJT, Bipolar Junction Transistor）构成的逻辑门电
子 路。
技 一、双极型三极管的结构
术
管芯 + 三个引出电极 + 外壳