《集成逻辑门》PPT课件.ppt
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1、第三章 集成逻辑门,3.1 晶体管的开关特性,3.3 CMOS电路,3.2 TTL集成逻辑门,下一页,前一页,退出,3.4 VHDL描述逻辑门电路,3.1 晶体管的开关特性,下一页,前一页,退出,1、静态特性,二极管加正向电压时导通,伏安特性很陡,压降很小(硅管:0.7V,锗管0.3V),可以近似看作是一个闭合的开关,二极管加反向电压时截止,截止后的伏安特性具有饱和特性(反向电流几乎不随反向电压的增大而增大)且反向电流很小(nA级),可以近似看作是一个断打开的开关,伏安特性,0,uD,iD,导通时的等效电路,截止时的等效电路,+,-,-,+,一、二极管的开关特性,存储时间,2、动态特性,当uD
2、 为一矩形电压时,电流波形的不够陡峭(不理想),0,0,渡越时间,漏电流,iD,uD,uD,iD,上升时间,二极管VD的电流的变化过程,上升时间:二极管从截止到导通所需的时间。,反相恢复时间:二极管从导通到截止所需要的时间,等于存储时间渡越时间,其值远远大于上升时间,二极管的速度主要取决于反相恢复时间。,在数字电路中工作在饱和区或截止区开关状态。,下面以NPN硅管为例进行分析,二、三极管的开关特性,ui=uiL0,iB=0,ic0,uo ucc,ui=uiH,iB iC/,Uo=ucES 0,三极管开关等效电路,ube 0.7V,S闭合,ube 0.7V,S断开,定义饱和深度:,临界饱和基极电
3、流:,可靠饱和条件为:iBIBS,1、三极管的开关特性,2、三极管的动态开关特性,当基极施加一矩形电压uI时,截止到饱和所需的时间称为开启时间ton,它基本上由三极管自身决定。,iC,uCE,uI,iB,uO,iC、uO波形不够陡峭,iC、uO滞后于uI,即三极管在截止与饱和状态转换需要一定的时间。这是由三极管的结电容引起的,内部载流子的运动过程比较复杂。,uI,iC,uO,UIL,UIL,ICS,0,Ucc,UCES,ton,toff,饱和到截止所需的时间称为关闭时间toff,它与饱和深度S有直接关系,S越大toff越长。,3.2 TTL集成逻辑门,工作原理:(1)当A、B、C全接为高电平5
4、V时,二极管D1D3都截止,而D4、D5和T导通,且T为饱和导通,VL=0.3V,即输出低电平。(2)A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时,则VP1V,从而使D4、D5和T都截止,VL=VCC=5V,即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系,即:,一、DTL与非门,1、TTL与非门的基本结构,输入级,多发射极三极管在功能上相当于三个三极管的并联运用。,5V,二、TTL与非门,中间级,输出级,2TTL与非门的逻辑关系,(1)输入全为高电平3.6V时。,实现了与非门的逻辑功能之一:输入全为高电平时,输出为低电平。,由于T2饱和导通,VC2=1V。,T4和二极管D都截止。,由于T3饱和导通,输出
5、电压为:VO=VCES30.3V,该发射结导通,VB1=1V。T2、T3都截止。,(2)输入有低电平0.3V 时。,实现了与非门的逻辑功能的另一方面:输入有低电平时,输出为高电平。,忽略流过RC2的电流,VB4VCC=5V。,由于T4和D导通,所以:VOVCC VBE4 VD=5 0.7 0.7=3.6(V),综合上述两种情况,该电路满足与非的逻辑功能,即:,1V,0.4V,下一页,前一页,退出,3、TTL与非门提高工作速度的原理,(1)采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。,当输入全接3.6V时:,Vb1=1.4V时:T1管集电结,T2管发射结导通。正向驱动电流很大,T2管快速饱和。,
6、当输入中有一个由,基极电流i b1流向低电平输入端。多射极管工作放大状态。,i c1=i b1=-i b2,-i b2 是T2管的反向驱动电流。使T2管快速截止,缩短了开关时间。,多射极管的优点:对T2管提供很大的反向驱散电流,使T2 管很快由饱和转变为截止。,T1,3.6V,T2,VCC,下一页,前一页,退出,(2)采用了推拉式输出级,当T4、D导通时,射极输出,输出阻抗小;,当T3导通时,T3为深度饱和,输出阻抗也小小;故TTL电路的负载能力强,当遇到容性负载是,其冲放电速度快。,另当T2截止时,T4饱和,这样导致T3上由一个很大的瞬时大集电极电流,促使T3迅速退出饱和状态转向截止。,下一
7、页,前一页,退出,三、TTL与非门的主要外部特性,1、电压传输特性,输出电压随输入电压变化的关系曲线。VI 从0开始增加,测量相应的输出电压。VO=f(VI),VI 0.6V以前:,T1深饱和,,T2、T4截止,VO=3.6 V,电路处于关态,对应a、b段截止区。,=0.1+VI 0.7V,VC1=Vces1+VI,测试电路,截止区,a,b,VO随VI的增加而线性下降,对应曲线b、c段,叫做线性区。,VI i C2R2 VO,0.1+0.6 VC1 0.1+1.3,T1深饱和,T2导通,T4截止,0.6V VI 1.3V,测试电路,电压传输特性,线性区,VO/V,3,2,1,0,a,b,c,V
8、I/V,VI 1.3V,T1 仍深饱和,T4开始导通,VO急剧下降。,随着VI的继续增加:,T3、D4趋向截止,T2、T4趋向饱和,电路由关态转向开态,对应于曲线c、d段叫做转折区。,VI继续增加:,T2、T4 饱和,T3、D4 截止,T1 倒置,VO=Vces4=0.3 V,电路进入稳定开态。,测试电路,电压传输特性,转折区,VI/V,VO/V,3,2,1,0,a,b,c,d,e,输出高电平:VOH=3.6V,1)、输出电平:,输出低电平:VOL=0.3V,由于器件制造的非一致性,输出的高、低电平略有不同,因此,规定输出额定逻辑电平为:,电压传输特性曲线上反映出与非门几个主要参数。,即当输入
9、为低电平时电路的输出电平,即当输入为高电平时电路的输出电平,逻辑高电平为:3V,逻辑低电平为:0.35V,VI/V,VO/V,3,2,1,0,VOFF,Vth,VON,VIH,a,b,c,d,e,2)、开门电平Von、关门电平 V off、阈值电平V t h:,在保证输出为额定低电平(0.35V)条件下的输入高电平值,即输入高电平的下限值。称为开门电平VON。一般 V on 1.8V。,关门电平 V off:,在保证输出为额定高电平(3V)的90%(2.7V)条件下,允许输入低电平的上限值。称为关门电平Voff。一般 V off 0.8V。,开门电平 V on:,V IH V on:,输出低电
10、平时,保证:,V I L V off:,输出高电平时,保证:,阈值电平V t h:,转折区中点所对应的输入电压。V t h 1.4V,是作为T3D4、T2T4导通和截止的分界线。,即当VI1.4V输出为VOL.,3)抗干扰能力,在输入信号中叠加干扰信号,电路能否满足输入、输出关系。用噪声容限来衡量。,输入低电平噪声容限:,如果:VI=V I L+正向干扰 V off,所以:输入低电平时噪声容限:VNL=V off-V I L,不能保证输出为高电平。,即:关门电平与逻辑低电平(0.35V)之差。称为电路的下限抗干扰容限,或低电平噪声容限,记为VNL,输入高电平噪声容限:,VI=V I H+负向干
11、扰 V on,所以:输入高电平时噪声容限:,不能保证输出为低电平。,VNH=V IH-V on,逻辑高电平的最低值(2.7V)与开门电平之差,称为电路的上限抗干扰容限。或高电平噪声容限。记为VNH。,如果:,T1,T2,T3,T4,D4,VCC(5V),F,VI,mA,1)输入特性,输入电流和输入电压之间的关系。i I=f(VI),首先规定电流方向:,流入输入为正,流出输入为负,当:VI为低电平时:,T1深饱和,T2、T4截止,i I,电流流出输入端,输入短路电流 IIS:,测试电路,2、TTL与非门输入特性,输入低电平电流 IIL:,VI0 V时的输入电流称为:,输入为低电平对应的电流,约为
12、1mA。,T1,T2,T3,T4,D4,VCC(5V),F,VI,mA,T2、T4饱和,T1 倒置,输入电流方向发生变化,从流出输入端变为流入输入端。称为输入漏电流。,输入高电平电流:IIH 40A,测试电路,输入特性曲线,i I,输入高电平电流 IIH:,当输入为高电平时,则:V I L 0.8V:,Ri接地,输入电压和输入电阻之间的关系:VI=f(RI),2)输入负载特性,将已知条件代入,求出 Ri0.91K,把RI0.91K叫做关门电阻,用R O ff 表示。,RI R O ff 则不能保证输出为高电平,Vi正比于Ri,当Ri比较小时,若要求输出为高电平,T2、T4截止,继续增大RI值,
13、当:,1.4V,VO=VOL=0 V,可求出 Ri2.5K,叫做开门电阻,用R o n表示,即:RI R o n 时:,相当于输入端接 高电平“1”,,VO=VOL=0 V 一般取R o n 510K,TTL电路输入端悬空、开路,相当于接高电平,全悬空相当于输入接高电平“1”。,防干扰,将空脚通过电阻接电源,将空脚和其它输入脚接在一起,多余输入端的处理,根据已知电路写出逻辑表达式。,RI R O ff,RI R o n,RI R O ff,RI R o n,或非门输入端有一个“1”,或非门封锁。,与非门输入端有一个“0”,与非门封锁。,或非门输入端有一个“0”,或非门开放。,与非门输入端有一个
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