逻辑门电路tang学习.pptx
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1、2.1.1 二极管的开关特性1二极管的开关作用当 ,二极管截止,等效为开关断开当 ,二极管导通,等效为开关闭合第2页/共58页第1页/共58页2 二极管的开关时间 由于二极管的PN结具有等效电容,二极管的通断就伴随着电容的充放电,所以,二极管的通断转换需要一定时间。二极管通断转换的时间既是二极管的开关时间。1 1)开通时间t tonon:二极管从截止转为导通所需的时间。2 2)反向恢复时间t trere:二极管从导通转为截止所需的时间,它由2 2段时间组成,即存储时间t ts s和渡越时间t tt t,t trere=t=ts s+t+tt t。第3页/共58页第2页/共58页3PN结的存储电
2、荷 P PN N结的正向导通过程:正向电压削弱P PN N结的势垒电场,N N区的电子向P P区扩散并建立电子浓度分布,P P区的空穴向N N区扩散并建立空穴浓度分布。由于浓度不同,穿越PN结的电荷继续扩散,形成连续的正向电流。从截止形成稳定的正向电流的过程就是二极管的导通时间ton。存储电荷:距PN结越远,电荷浓度越低;正向电流越大,电荷的浓度梯度越大,存储电荷越多。PN 结的存储电荷 +-IF P区 N区 n-存储电荷浓度 nN电子浓度 nP空穴浓度 x距离 o LN LP 第4页/共58页第3页/共58页+-iR P 区 N区 PN结存储电荷的驱散 PN结截止过程:在反向电压的作用下,N
3、区的空穴存储电荷被电场赶回到P区,P区的电子存储电荷被电场赶回到N区,形成反向电流,驱散存储电荷。驱散存储电荷的时间就是存储时间ts。在存储电荷驱散后,PN结的空间电荷区变宽,逐渐恢复到PN结通过反向饱和电流IS,这段时间就是渡越时间tt。通常,开通时间ton和反向恢复时间tre为纳秒级,tre=ts+ttton,tstt。二极管的开关时间主要取决于PN存储电荷的驱散时间ts。end第5页/共58页第4页/共58页2.1.2 三极管的开关作用特性 1.三极管的开关作用电路输入特性输出特性(a)(b)(c)Vth BEv Bi O VCES CEv Ci O VCC cCCRV 0=Bi IB4
4、 IB3=IBS IB2 IB1 A B Iv CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 当输入电压为低电平,使 三极管处于截止状态,ce之间等效为开关断开。当输入电压为高电平,使 ,使三极管工作在输出特性的B点,处于临界饱和状态。ce之间等效为开关闭合。第6页/共58页第5页/共58页 在数字电路中,逻辑输入信号通常使三极管工作在截止或饱和状态,称为开关状态。Iv CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 第7页/共58页第6页/共58页第8页/共58页第7页/共58页2 三极管的开关时间 三极管的开关过程与二极管相似,也要经历一个电荷的建立与驱散过程,表现为三极管的饱和与截
5、止两种状态相互转换需要一定的时间。三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是三极管的开关时间。Iv CEvCi Bi CCV BEv Rb RcO Iv VIH VIL ICS 0.9ICS t t ts tf td O tr 0.1ICS Ci 设输入电压的高电平VIH和低电平VIL满足下述条件:第9页/共58页第8页/共58页O Iv VIH VIL ICS 0.9ICS t t ts tf td O r 0.1ICS Ci 根据集电极电流波形,三极管的开关时间用下述参数描述:1)1)延迟时间t td d:从正跳变开始到从 0 0上升至0.1I0.1ICSCS所需的时间;2)2)上升时间t t
6、r r:从0.1I0.1ICSCS上升至 0.9I0.9ICSCS所需的时间;3)3)存储时间t ts s:从负跳变开始到从 I ICSCS下降至0.9I0.9ICSCS所需的时间;三极管的开关时间一般为ns数量级,并且toffton、tstf。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。4)下降时间t tf f:从0.9I0.9ICSCS下降至0.1I0.1ICSCS所需的时间;5)开通时间t tonon:从截止转换到饱和所需的时间,t tonon=t=td d+t+tr r;6)关闭时间toff:从饱和转换为截止所需的时间,toff=ts+tf。t第10页/共58页第9页/共58页 三极管
7、的开关时间一般为ns数量级,并且toffton、tstf。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。提高开关速度的方法是:开通时加大基极驱动电流,关断时快速泄放存储电荷。end第11页/共58页第10页/共58页2.2 TTL门电路2.2.1 TTL非门的工作原理2.2.2 TTL非门的特性2.2.3 TTL与非门/或非门/与或非门2.2.4 TTL 集电极开路门和三态门TTL-Transistor Transistor LogicTTLTTL有与、或、非、与非、或非、异或、同或、与或非等逻辑门,它们的工作原理相似。第12页/共58页第11页/共58页2.2.1 TTL非门的工作原理 TTL
8、非门 A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 1.电路组成 TTL门一般由3级组成:输入级输入级:信号缓冲输入中间级:输出两个相位相反的倒相信号 中间级输出级输出级:推拉式输出电路,无论输出高电平或低电平,输出级的输出电阻都很低,带负载能力强。第13页/共58页第12页/共58页2.2.1 TTL非门的工作原理 A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 1 1)输入低电平(V
9、VILIL=0.3 V=0.3 V)输入低电平时,输出为高电平。2.工作原理VIL=0.3 V1 V0.4V5 V4.3 3.6VT T1 1深饱和,T T2 2、T T5 5截止T T3 3 临界饱和,T T4 4放大,形成射极输出器,输出电阻小。第14页/共58页第13页/共58页A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 输入高电平(VIH=3.6 V)输入高电平,输出为低电平。VIH=3.6 V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.3T T2 2、T T5 5饱和,T T1 1
10、处于倒置状态T T3 3放大状态,T T4 4截止 综上所述,输入低电平时,输出为高电平;输入高电平时,输出为低电平。实现了逻辑非 无论输出低电平或是高电平,TTL非门的推拉输出级输出电阻均很小,带负载能力强。而且T4和T5总是一个导通、另一个就截止。第15页/共58页第14页/共58页 A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 3工作速度的提高输入输入T1T2、T5T3T4输出低电平低电平深饱和深饱和截止截止临界饱和临界饱和放大(射极)高电平高电平倒置放大饱和放大截止低电平VIH=3
11、.6 V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.31)vI:VIHVIL,T1放大 T1吸取T2管饱和时的超量存储电荷,使T2管快速脱离饱和,转换到截止状态。2)TTL门具有推拉输出级,其输出电阻很小,与分布电容形成的时间常数小,故输出状态转换快。end第16页/共58页第15页/共58页2.2.2 TTL非门的特性1.电压传输特性截止区ab段:vI0.5 V。T1饱和,VC1=+VCES10.6V,T2、T5截止,T3和T4组成复合管射极输出器,vo=3.6V。A VVCC5=R1 3k R4 100 YR2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv
12、Ii OiOv第17页/共58页第16页/共58页线性区bc段:0.5 V vI 1.1 V。T1饱和,0.6VVC1=+VCES11.2V,T2处于放大状态,T5仍然截止,T3和T4仍然是射极输出器,vo随vI线性减少,斜率为T2级的放大倍数:A VVCC5=R1 3k R4 100 YR2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii OiOv第18页/共58页第17页/共58页转折区cdcd段:1.2 V1.2 VvI1.3 V1.3 V。T T1 1饱和,1.3VV1.3VVC1C1=vI+V+VCES1CES11.4V,T1.4V,T5 5由
13、截止进入放大状态,T,T2 2、T T3 3和T T4 4的状态同前。由于T T5 5集电极的等效电阻减小快,vo急剧减少。转折区中点输入电压定义为门坎电压V Vthth,约为1.3V1.3V。饱和区dede段:vI 1.4 V1.4 V。T T1 1处于倒置状态,T T2 2、T T5 5饱和,T T3 3放大状态,T T4 4截止。vo=0.3V=0.3V。A VVCC5=R1 3k R4 100 YR2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii OiOv第19页/共58页第18页/共58页设 输出高电平值域:VVOHminOHmin,3.6V
14、3.6V,V VOHminOHmin2V2V 输出低电平值域:0.1V0.1V,V VOLmaxOLmax,V VOLmaxOLmax 0.4V 0.4V 则由传输特性确定输入高、低电平的值域为:输入低电平值域:0,V0,VILmaxILmax 输入高电平值域:【V VIHminIHmin,5V,5V】VILmax是对应于输出电平为VOHmin的输入电平,亦称为关门电平(T5截止)。VIHmin是对应于输出电平为VOLmax的输入电平,亦称为开门电平(T5饱和)。第20页/共58页第19页/共58页2.输入噪声容限定义:对于TTLTTL反相器,在保证输出高电平在其值域内的条件下,输入低电平允许
15、的干扰脉冲最大幅度称为低电平噪声容限VNL。同样,在保证输出低电平在其值域内的条件下,输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限,记为VNH。G G2 2门输入低电平允许的干扰脉冲幅度为:VNL =VILmax-VOLmax G G2 2门输入高电平允许的干扰脉冲幅度为:VNH =VOHmin-VIHmin 第21页/共58页第20页/共58页 根据传输特性,选择适当的VOLmax、VILmax、VIHmin、VOHmin,获得最佳的噪声容限。以74H系列的TTL门为例,标准参数为:VOLmax=0.4VVILmax=0.8VVIHmin=2.0VVOHmin=2.4V 则VNL =V
16、ILmax-VOLmax=0.8-0.4=0.4VVNH =VOHmin-VIHmin=2.4-2.0=0.4V 虽然噪声容限是以非门为例说明的,但相同系列的TTL门的噪声容限是一致的。第22页/共58页第21页/共58页3.输入特性 输入特性有输入伏安特性和输入负载特性。1)输入伏安特性:输入电流与输入电压之间的关系曲线。当 (即vI=VIL)时,T1发射结导通,T2、T5截止,输入短路电流Ii1 Ii 2 Iv(V)4 IIH=40 A-IIS 0 VIL max Iv -1.0mA-2.0mA VIH min A VVCC5=R1 3k R4 100 YR2 750 R3 360 R5
17、3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii OiOv第23页/共58页第22页/共58页当 (即vI=VIH)时,T T1 1发射结截止,T T2 2、T T5 5饱和,其反向电流即为高电平输入电流I IIH IH,约为40A40A。当 随v vI I增加,即从-1.6mA-1.6mA增加至40A40A。Ii1 Ii 2 Iv(V)4 IIH=40 A-IIS 0 VIL max Iv -1.0mA-2.0mA VIH min A VVCC5=R1 3k R4 100 YR2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii OiOv第24
18、页/共58页第23页/共58页2)输入负载特性 TTL门的输入端与参考电位之间接电阻R,输入电压与电阻之间的关系曲线称为输入负载特性。当电阻R很小,使 时,A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov RT1发射结导通,T2、T5截止。1 R R()Iv(V)0 Roff Ron 1.4 VILmax 对应于vI=VIL=0.8V的电阻称为关门(T5截止)电阻Roff。当 RRon=2.0k时T5饱和导通(0),故称Ron为开门电阻。综上所述,当RRon时(包括R,即输入端悬空),等效输入
19、为高电平1。A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov RI1 R R()Iv(V)0 Roff Ron 1.4 VILmax 当RRon=2.0k时,T1集电结导通,T2、T5饱和,限制第26页/共58页第25页/共58页4.输出特性:带上负载后,负载电流与输出电压的关系曲线。有低电平输出特性和高电平输出特性。1)低电平输出特性A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 当输入为
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