资源预览内容
第1页 / 共62页
第2页 / 共62页
第3页 / 共62页
第4页 / 共62页
第5页 / 共62页
第6页 / 共62页
第7页 / 共62页
第8页 / 共62页
第9页 / 共62页
第10页 / 共62页
亲,该文档总共62页,到这儿已超出免费预览范围,如果喜欢就下载吧!
资源描述
数字电子技术基础数字电子技术基础 第三章第三章 门电路门电路 数字电子技术基础数字电子技术基础 补:半导体基础知识 数字电子技术基础数字电子技术基础 半导体基础知识(1) 本征半导体:纯净的具有晶体结构的半导体。 常用:硅Si,锗Ge 两种载流子 数字电子技术基础数字电子技术基础 半导体基础知识(2) 杂质半导体 N型半导体 多子:自由电子 少子:空穴 数字电子技术基础数字电子技术基础 半导体基础知识(2) 杂质半导体 P型半导体 多子:空穴 少子:自由电子 数字电子技术基础数字电子技术基础 半导体基础知识(3) PN结的形成 空间电荷区 (耗尽层) 扩散和漂移 数字电子技术基础数字电子技术基础 半导体基础知识(4) PN结的单向导 电性 外加正向电压 数字电子技术基础数字电子技术基础 半导体基础知识(4) PN结的单向导 电性 外加反向电压 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.1 概述 门电路的概念: 实现基本和常用逻辑运算的电子电路,叫逻辑 门电路。实现与运算的叫与门,实现或运算的叫或 门,实现非运算的叫非门,也叫做反相器,等等。 分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路:用分立的元件和导线连接起 来构成的门电路。简单、经济、功耗低,负载差。 集成门电路: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。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门 电路。 数字电子技术基础数字电子技术基础 正逻辑:高电平表示1,低电平表示0 负逻辑:高电平表示0,低电平表示1 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.2半导体二极管门电路 3.2.1二极管的开关特性: 二极管的伏安特性曲线 数字电子技术基础数字电子技术基础 二极管的开关等效电路: 数字电子技术基础数字电子技术基础 二极管的动态电流波形: 数字电子技术基础数字电子技术基础 若输入信号频率过高,二极管会双向导通,失去单向导 电作用。因此高频应用时需考虑此参数。 二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定 的时间。通常后者所需的时间长得多。 反向恢复时间tre :二极管从导通到截止所需的时间。 一般为纳秒数量级(通常tre 5ns )。 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.2.2 二极管与门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V ABY 0V0V0.7V 0V3V0.7V 3V0V0.7V 3V3V3.7V ABY 000 010 100 111 规定3V以上为1 0.7V以下为0 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.2.3 二极管或门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V ABY 0V0V0V 0V3V2.3V 3V0V2.3V 3V3V2.3V ABY 000 011 101 111 规定2.3V以上为1 0V以下为0 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.3.1三极管的输入特性和输出特性 VON :开启电压 硅管,0.5 0.7V 锗管,0.2 0.3V 近似认为: VBE 0.7V以后,基本为水平直线 数字电子技术基础数字电子技术基础 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, iC=iB。 饱和区:条件VCE 0, VCE 很低,iC 随iB增加 变缓变缓 ,趋趋于“饱饱和”。 截止区:条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce间“断开” 。 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.3.2双极型三极管的基本开关电路 数字电子技术基础数字电子技术基础 三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.3.3 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。 数字电子技术基础数字电子技术基础 三极管的开关时间(动态特性) 三极管的开关时间 开启时间ton 上升时间tr 延迟时间td 关闭时间toff 下降时间tf 存储时间ts 数字电子技术基础数字电子技术基础 (1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。 ton = td +tr td :延迟时间 tr :上升时间 (2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。 toff = ts +tf ts :存储时间(几个参数中最长的;饱和越深越长) tf :下降时间 toff ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.3.4 3.3.4 TTLTTL反相器反相器 TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三 极管,所以称晶体管晶体管逻辑门电路,简称TTL电路。 TTL反相器的电路结构 数字电子技术基础数字电子技术基础 TTL反相器工作原理 D1抑制负向干扰 D2保证T5饱和时T4可靠的截止 数字电子技术基础数字电子技术基础 采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力 T5组成射极输出器,优点是既能提高开关速度,又能提高负 载能力。 当输入高电平时,T5饱和,uB4=uC2=0.3V+0.7V=1V,T4和D2截 止,T5的集电极电流可以全部用来驱动负载。 当输入低电平时,T5截止,T4导通(为射极输出器),其输出 电阻很小,带负载能力很强。 可见,无论输入如何, T4和T5总是一管导通而另一管截止. 这种推拉式工作方式,带负载能力很强。 数字电子技术基础数字电子技术基础 二、电压传输特性 数字电子技术基础数字电子技术基础 三、输入噪声容限 数字电子技术基础数字电子技术基础 TTLTTL反相器的输入特性和输出特性反相器的输入特性和输出特性 1. 输入伏安特性 输入电压和输入电流之间的关系曲线。 图2-11 TTL反相器的输入伏安特性 (a)测试电路 (b)输入伏安特性曲线 数字电子技术基础数字电子技术基础 图2-12 输入负载特性曲线 (a)测试电路 (b)输入负载特性曲线 TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时,uI随RI 的变化而变化的关系曲线。 2. 输入负载特性 数字电子技术基础数字电子技术基础 在一定范围内,uI 随RI的增大而升高。但 当输入电压uI达到1.4V 以后,uB1 = 2.1V,RI 增大,由于uB1不变, 故uI = 1.4V也不变。 这时VT2和VT4饱和导通 ,输出为低电平。 虚框内为TTL反相器的部分内部电路 数字电子技术基础数字电子技术基础 3. 输出特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线。 (1) 输出高电平时的输出特性 负载电流iL不可过大,否则输出高电平会降低。 图2-13 输出高电平时的输出特性 (a)电路 (b)特性曲线 RL拉电流负载 数字电子技术基础数字电子技术基础 图2-14 输出低电平时的输出特性 (a)电路 (b)特性曲线 (2) 输出低电平时的输出特性 负载电流iL不可过大,否则输出低电平会升高。 一般灌电流在20 mA以下时,电路可以正常工作。典型 TTL门电路的灌电流负载为12.8 mA。 RL灌电流负载 数字电子技术基础数字电子技术基础 平均传输延迟时间tpd 平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。 tpd = (tpLH +tpHL)/2 TTL反相器的平均延迟时间 数字电子技术基础数字电子技术基础 二、交流噪声容限 (b)负脉冲噪声容限 (a)正脉冲噪声容限 当输入信号为窄脉冲,且接近于tpd时,输出变化跟不上 ,变化很小,因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.5.5其他类型的TTL门电路 一、其他逻辑功能的门电路 1. 与非门 数字电子技术基础数字电子技术基础 2. 或非门3.与或非门 数字电子技术基础数字电子技术基础 集电极开路门(OC门) 推拉式输出电路结构存 在局限性。 输出电平不可调输出电平不可调 负载能力不强,尤负载能力不强,尤 其是高电平输出其是高电平输出 输出端不能并联使输出端不能并联使 用用。 0 1 很大的电流 不高不 低的电 平:1/0? 数字电子技术基础数字电子技术基础 2、OC门的结构特点 数字电子技术基础数字电子技术基础 OC门实现的线与 数字电子技术基础数字电子技术基础 例:试为图2.4.30电路中的外接负载电阻RL选定合适的阻 值。已知G1、G2为OC门,输出管截止时的漏电流为IOH= 200A,输出管导通时允许的最大负载电流为ILM=16mA, G3、G4和G5均为74系列与非门,它们的低电平输入电流为 IIL=-1mA,高电平输入电流为IIH=40 A。给定VCC=5V,要 求OC门输出的高电平VOH 3.0V,低电平VOL 0.4V。 数字电子技术基础数字电子技术基础 三、三态输出门(Three state Output Gate ,TS) 数字电子技术基础数字电子技术基础 控制端高电平有效的三态门 (2)逻辑符号 控制端低电平有效的三态门 数字电子技术基础数字电子技术基础 三态门的用途 数字电子技术基础数字电子技术基础 扇出系数= 数字电子技术基础数字电子技术基础 扇出系数(Fan-out), 试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。 数字电子技术基础数字电子技术基础 数字电子技术基础数字电子技术基础 CMOS 门电路 MOS门电路:以MOS管作为开关元件构成的门电路。 MOS门电路,尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、 集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点,得 到了十分迅速的发展。 数字电子技术基础数字电子技术基础 MOS管的开关特性 V V GSGS=0 =0时,时,D-SD-S间是两个背向间是两个背向PN PN结串联,结串联,i i D D =0=0 加上加上+V+VGS GS,且足够大至 ,且足够大至V VGS GS V VGS GS ( (thth) ) , D-S , D-S间形成导电沟道(间形成导电沟道(N N 型层)型层) 数字电子技术基础数字电子技术基础 三、MOS管的基本开关电路 OFF ,截止状态 ON,导通状态 数字电子技术基础数字电子技术基础 CMOS反相器的工作原理 UIL=0V 截止 导通 UOHVDD 当uI= UIL=0V时,VTN 截止,VTP导通, uO = UOHVDD 数字电子技术基础数字电子技术基础 UIH= VDD 截止 UOL 0V 当uI =UIH = VDD , VTN导通,VTP截止, uO =UOL0V 导通 数字电子技术基础数字电子技术基础 负载管串联 (串联开关) 1 CMOS或非门 驱动管并联 (并联开关)
网站客服QQ:2055934822
金锄头文库版权所有
经营许可证:蜀ICP备13022795号 | 川公网安备 51140202000112号