第二章晶体管开关与逻辑门电路

二极管“ 2. 二极管“或”门电路
0 ( -0.7V) 1 (2.3V) 1 (2.3V) 1 (2.3V)
D1 On D2 On D1 Off D2 On D1 On D2 Off D1 On D2 On
Y = A+ B
BJT反相器 反相器－ 3. BJT反相器－非门 电路 +12V +3V 嵌位二极管 R1 D
2. 二极管截止时的特点及截止条件
二极管截止 时的等效电路
A. 截止条件：vD <VON ，实际：vD≤0，保证二极管可靠截止 截止条件： 实际： ≤0， B.截止状态：虽然有很小的Is反相漏电流，一般二极管可以相 截止状态：虽然有很小的 反相漏电流 一般二极管可以相 反相漏电流， 截止状态 当于一个断开的开关 C. VZ ：二极管的反向击穿电压
二、三极管的饱和状态和可靠饱和的条件
当输入电压vI增加 ：
A. iB增加，工作点上移，当工作点上移至Q3点时，三极管进入临界饱和状态。 增加，工作点上移， 点时，三极管进入临界饱和状态。 B. iB再增加，输出iC将不再明显变化 iB=IBS 临界饱和电流， 再增加， 临界饱和电流， VCE=VCES≈0.7V 当输入电压vI增加 ： 点以上，饱和深度增加， C.工作点向上移至Q3点以上，饱和深度增加，进入可靠饱和状态VCE=VCES≈0.3V
ts：存储时间，下降到 存储时间，下降到0.9Icmax tf：下降时间，下降到 下降时间，下降到0.1Icmax
toff = ts +tf
toff关断时间， 关断时间，
存储电荷消散时间
开关时间为纳秒级，它限制了三极管开关的工作速度 开关时间为纳秒级，它限制了三极管开关的工作速度
2．3 基本逻辑门电路
uA
uF 0.3 3.7
T 饱和 D 截止 T 截止 D 导通
A
R2
F
3V 0V
三极管非门
F = A
DTL门电路 门电路
+12V +3V R1 R2 D
+12V
A B
D1 D2
F
二极管与门 与非门
三极管非门
TTL门电路 2．4 TTL门电路
晶体管门电路(分立元件) 晶体管门电路(分立元件) 集成电路 (TTL和MOS) (TTL和 可编程逻辑器件(CPLD、FPGA) 可编程逻辑器件 、 集成电路优点:体积小、耗电少、重量轻、可靠性高等。 集成电路优点:体积小、耗电少、重量轻、可靠性高等。 数字 电路
2．2
双极型晶体三极管(BJT)的开关特性 双极型晶体三极管(BJT)的开关特性 (BJT)
三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态， 三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态， 在数字电路中， 在数字电路中，静态主要工作于饱和和截止状态 。
NPN型硅三极管开关电路及其特性 型硅三极管开关电路及其特性
单 极 型
TTL与非门 一、 TTL与非门
1. TTL与非门的电路结构与工作原理 TTL与非门的电路结构与工作原理
输入级
多发射极三 极管, 极管,实现 与逻辑
分相级
输出级
（1）输入级 组成: V1和R1 组成: （2）中间级 组成: V2和R2、R3 组成:
D1D2 保护
（3）输出级 组成 ：V3、V4和 R4 、 、 将信号放大、 将信号放大D3 缓 推拉式电路。 V3和V4：推拉式电路。总是一个导 冲并且以正确的 通而另一个截止， 通而另一个截止，有效地降低了 相位送至输出极
“1”
uY=0.3V
饱和
Y = AB
TTL与非门的电气特性及参数 2. TTL与非门的电气特性及参数
TTL与非门的电气特性主要包括电压传输特性、输入输出特性和动态特性。 TTL与非门的电气特性主要包括电压传输特性、输入输出特性和动态特性。 与非门的电气特性主要包括电压传输特性
1）电压传输特性 （3.6V)
一、三极管的截止状态和可靠截止的条件
很小， <0.5V时 当vI很小，如vI<0.5V时
A.vBE小于开启电压，B－E 间，C－E间都截止 小于开启电压， B.
点以下位置， C.三极管工作在Q1点或Q1点以下位置，三极管的
这种工作状态叫截止状态 NPN硅三极管截止的条件为 ≤0.5V， NPN硅三极管截止的条件为vBE≤0.5V，可靠截止的条件为vBE≤0V。 ≤0V。
导通， 静态开关特性 ：导通，截止状态特点及条件 动态开关特性 ：导通与截止两种状 态之间转换过程的特性
一、晶体二极管静态开关特性
1. 二极管正向导通时的特点及导通条件
二极管正向导通时的等效电路
二极管伏－ 二极管伏－安特性曲线
门槛电压或称阈值电压、 A.VON ：门槛电压或称阈值电压、开启电压 B.VD ：导通压降 C：导通条件：V>VD (0.7V)被视为硅二极管导通的条件 ：导通条件： 被视为硅二极管导通的条件 D：导通状态：二极管正向导通时，相当于一个具有 ：导通状态：二极管正向导通时， 0.7V压降的闭合开关。 压降的闭合开关。 压降的闭合开关
一、二极管与门及或门电路
晶体管门电路(分立元件) 晶体管门电路(分立元件) 数字 电路 集成电路 (TTL和MOS) (TTL和 可编程逻辑器件(CPLD、FPGA) 可编程逻辑器件 、 1. 二极管“与”门电路 二极管“
0 (0.7V) 0 (0.7V) 0 (0.7V) 1 (3.7V)
D1 On，D2 On ， D1 On，D2 Off ， D1 Off，D2 On ， D1 On，D2 On ，
VIL VOL
VNL越大，输入 越大，
低电平的抗正向 干扰能力越强 VNH越大，输入 越大， 高电平的抗负向 干扰能力越强
4）扇入、扇出系数 扇入、 扇入数是门的输入 端数： 端数：Ni 前级输出为高电平时
&
？
&
R1
+5 V
v1
前级： 前级：驱动级 流出前级 电流I 电流IOH（拉 电流） 电流） 后级： 后级：负载级
V4
c1
T1 前级
V2
IiL3
IOL（max）越大,带灌电流负 OL（max）越大,
R3
I OL = I iL1 + I iL 2 + L
载能力越强
标准TTL系列器件，规范值为NO≥8 。 系列器件，规范值为 标准 系列器件
5）传输延迟时间 输出波形相对输入波形的滞后时间称为传输延迟时间 tpd
二、晶体二极管动态开关特性
动态过程（过渡过程）：二极管导通和截止之间转换过程。 动态过程（过渡过程）：二极管导通和截止之间转换过程。 ）：二极管导通和截止之间转换过程
t re反向恢复时间：二极管 反向恢复时间： 从导通到截止所需时间。 从导通到截止所需时间。 二极管两端输入电压的频 率过高， 率过高，以至输入负电压 的持续时间小于它的反向 恢复时间时， 恢复时间时，二极管将失 去其单向导电性。 去其单向导电性。
常见的数字集成电路分为双极型和单极型两大工艺类 RTL（Resister-Transistor Logic）电阻晶体管逻辑； （ ）电阻晶体管逻辑； DTL（Diode-Transistor Logic）二极管晶体管逻辑； （ ）二极管晶体管逻辑； 双 HTL（High-Threshold Logic）高阈值逻辑； （ ）高阈值逻辑； 极 （ ）晶体管晶体管逻辑； 型 TTL（Transistor -Transistor Logic）晶体管晶体管逻辑； ECL（Emitter Coupled Logic）发射极耦合逻辑； （ ）发射极耦合逻辑； I2L（Integrated Injection Logic）集成注入逻辑 （ ）集成注入逻辑(IIL)。 。 PMOS型; 型 NMOS型; 型 CMOS型 型
可靠饱和条件： 可靠饱和条件：iB>=IBS 或者 iC>= ICS （ICS= βIBS） ）
三、三极管开关的过渡开关特性
td：延迟时间，上升到 延迟时间，上升到0.1Icmax tr：上升时间， 0.1Icmax到0.9Icmax 上升时间，
ton = td +tr
ton开通时间 开通时间,
建立基区电荷时间
第二章 晶体管开关与逻辑门电路
2． 1
二极管的开关特性
数字集成电路绝大多数都是由双极型二极管、 数字集成电路绝大多数都是由双极型二极管、三 极管或单极型场效应管组成。 极管或单极型场效应管组成。这些晶体管大部分工作在 导通和截止状态，相当于开关的“接通” 断开” 导通和截止状态，相当于开关的“接通”和“断开” 。
输出级的静态功耗， 输出级的静态功耗，提高了与非 门的负载能力。 门的负载能力。
1) 任一输入为低电平（0.3V）时：输入有低，输出必高 任一输入为低电平（0.3V） 输入有低，
不足以让 V2、V4导通 、 1V
“0” 截止
任一输入为低电平（0.3V） 输入有低， 1) 任一输入为低电平（0.3V）时:输入有低，输出必高
VOH VIH
3）噪声容限 外界噪声电压叠加到输入电平上，只要不超 外界噪声电压叠加到输入电平上， 过容许的限度，不会影响正常的逻辑功能。 过容许的限度，不会影响正常的逻辑功能。 噪声容限反映了门电路的抗干扰能力。 噪声容限反映了门电路的抗干扰能力。 在保证输出为高电平的条件下，输入低 在保证输出为高电平的条件下， 电平上允许的最大正向干扰电压为低电 平噪声容限： 平噪声容限： VNL =VIL-VOL 在保证输出为低电平的条件下， 在保证输出为低电平的条件下，输入高 电平上允许的最大负向干扰电压为高电 平噪声容限： 平噪声容限：VNH =VOH-VIH
VO(V)
VOH
VOL (0.3V)
1 传输特性曲线
2 3 Vi(V)
阈值V 阈值 th=1.4V
理想的传输特性
2）输出电压参数 输出高电平V 输出高电平 OH 空载V 空载 OH≥ 3.6V，带载稍低 ， TTL产品规定标准 OSH ＝3V，VOH（min)=2.4V 产品规定标准V 产品规定标准 ， （ 输出低电平V 输出低电平 OL 空载VOL＝0V，带载稍高 空载 ， TTL产品规定标准 OSL ＝0.3V，VOL（max)=0.5V 产品规定标准V 产品规定标准 ， （ 阈值电压V 阈值电压 th: 转折区cd段中点对应的输入电压， 转折区 段中点对应的输入电压，截止与导通的分界线 段中点对应的输入电压 vi>Vth时，认为 i是高电平 输出为低电平 认为v 是高电平, vi<Vth时，认为 i是低电平 输出为高电平 认为v 是低电平,输出为高电平 Vth =1.4V
ui 50% o uo t 50% o tpd1 tpd2 t
传输延迟时间
t pd
1 = (t pd1 + t pd 2 ) 2
集成电路一般平均 传输延迟时间的单 位是纳秒（ns） 位是纳秒（ns）, 它反映了集成电路 的工作速度. 的工作速度.ຫໍສະໝຸດ Baidu
6）功耗 静态功耗: 静态功耗:电路没有状态转换时的功耗 P＝PON＋POFF＝VCC×ICC 7）延时-功耗积 延时DP=tpdPD 8）TTL集成门电路的封装 TTL集成门电路的封装 双列直插 表面贴装
1V
“0”
uo=5-uR2-ube3-uD3≈3.6V 高电平！ 高电平！
uo
2) 输入全为高电平（3.6V）时:输入全高，输出才低 输入全为高电平（3.6V） 输入全高，
电位被嵌 在2.1V
射结反偏，集结 射结反偏， 正偏， 正偏，倒置放大
≈1V
截止
“1”
全导通
2) 输入全为高电平（3.6V）时输入全高，输出才低 输入全为高电平（3.6V） 输入全高，
前级输出为低电平时
高拉低灌
+5V
R1
T1 后级 前级： 前级：驱动级
流入前级的电流 IOL 约 1.4mA 灌电流) (灌电流)
负载级
扇出系数与门电路输出驱动同类门的个数
前级输出为 高电平时
后级 +5V
R2
R4
IiH1
V3
V1
IiH2 IOH IiH3 V1 V1
前级
I OH = I iH 1 + I iH 2 + L
IOH（max）越大,带拉电流负载能力越强 OH（max）越大,
NOH=IOH（驱动门）/IIH（负载门） 负载门） 驱动门）
扇出系数与门电路输出驱动同类门的个数
前级输出为 低电平时
+5V
R1 4k b1 R2
NOL=IOL（驱动门）/IIL（负载门） 负载门） 驱动门）
IiL1 IOL IiL2
注：悬空的输入端? 悬空的输入端
？
“1”,“0”？ ？
R
ui
R较小时 vi<Vth 截止,输出高电平 输出高电平。 V2,V4，截止 输出高电平。