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第三章门电路()

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第三章 门电路(3) ——TTL 邓婉玲 3.5 TTL门电路 • TTL——BJT • BJT, Bipolar Junction Transistor,双极型三极管 • 管芯 + 三个引出电极 + 外壳 基区薄 低掺杂 发射区 高掺杂 集电区 低掺杂 以NPN为例说明工作原理: • 当VCC VBB • be 结正偏, bc结 反偏 • e区发射大量的电 子 • b区薄,只有少量 的空穴 • bc反偏,大量电 子形成IC 三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线(NPN) • • V V ONON :开启电压 :开启电压 • • 硅管,硅管,0.5 ~ 0.7V0.5 ~ 0.7V • • 锗管,锗管,0.2 ~ 0.3V0.2 ~ 0.3V • • 近似认为近似认为: : • • V V BE BE 0.7V以后,基本为水平直线 • • 特性曲线分三个部分特性曲线分三个部分 ①① 放大区:条件放大区:条件V VCE CE 0.7V, i 0.7V, i B B 0, i 0, i C C 随随i i B B 成正比变化,成正比变化, Δ Δi iC C = =βΔβΔi i B B 。。 ②② 饱和区:条件饱和区:条件V VCE CE 0, V 0, VCE CE 很低, 很低,Δ Δi i C C 随随Δ Δi i B B 增加增加 变缓变缓 ,,趋趋于于“ “饱饱和和” ”。。 ③③ 截止区:条件截止区:条件V VBE BE = 0V, i = 0V, i B B = 0, i = 0, i C C = 0, c—e = 0, c—e间间“ “断开断开” ” 。。 三、双极型三极管的基本开关电路 只要参数合理:只要参数合理: V V I I =V=VIL IL时, 时,T T截止,截止, V V OO=V =VOH OH V V I I =V=VIH IH时, 时,T T导通,导通, V V OO=V =VOL OL T导通时,T处于深饱和状态, vo≈0。 工作状态分析: 工作状态分析: 图解分析法: 深饱和状态 c-e之间的压降很小,约为饱和导通压降VCE(sat), 导通内阻为RCE(sat) ,基极电流为饱和基极电流IBS ,输出为低电平。 四、三极管的开关等效电路 截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态 五、动态开关特性 从二极管已知,从二极管已知, PNPN结存在电容结存在电容 效应。效应。 在饱和与截止两在饱和与截止两 个状态之间转换个状态之间转换 时,时,i i C C 的变化将的变化将 滞后于滞后于V V I I ,则,则V VO O 的变化也滞后于的变化也滞后于 V V I I 。。 六 、三极管反相器 • 三极管的基本开关电路就是非门 实际应用中,为保证 VI=VIL时T可靠截止,常在 输入接入负压。 参数合理?参数合理? V V I I =V=VIL IL时, 时,T T截止,截止, V V OO=V =VOH OH V V I I =V=VIH IH时, 时,T T深度饱深度饱 和,和,V VO O=V =VOL OL,,保证 保证 I I B B 〉〉I IBS BS 负电源 例3.5.1:计算参数设计是否合理 5V -8V 3.3KΩ 10KΩ 1KΩ β=20 VCE(sat) = 0.1V VIH=5V VIL=0V 例3.5.1:计算参数设计是否合理 ①将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路 ②当 ③当 ②又 ③因此,参数设计合理 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 (Transistor- Transistor-Logic) ,简称TTL电路 。 TTL电路的基本环节是反相器。 简单了解TTL反相器的电路及工作原理,重点 掌握其特性曲线和主要参数(应用所需知识)。 1、输入为低电平(0.2V)时 “0” 不足以让 T2、T5导通 三个PN结 导通需2.1V 0.9V back 1、输入低电平(0.2V) “0” 1V uo uo=5-uR2-ube4-uD23.4V 高电平! 电流很小,T4 基极电流小 2、输入为高电平(3.4V)时 全导通 电位被钳 在2.1V 反偏 1V 截止 back • T1是处于倒置(反向)运 用状态(把实际的集电 极用作发射极,而实 际的发射极用作集电 极),其电流放大系数β 反很小(β反<0.05),因 此Ib2=Ic1=(1+β反)Ib1≈Ib1 ,由于Ib1较大足以使 T2管饱和,且T2管发 射极向T5管提供基流 , 使T5也饱和,这时 T2的集电极压降为 2、输入为高电平(3.4V)时 饱和 UO=0.3V 此电路 TTL非门(反相器) (2) 中间级 反相器VT2 实现非逻辑 反相输出 同相输出 向后级提供反相 与同相输出。 输入高电 压时饱和 输入低电 压时截止 (3) 输出级(推拉式输出) VT3为射极跟随器 低输入 高输入 饱和 截止 低输入 高输入 截止 导通 推拉式输出电路 • 在稳定状态下,总有一个截止而另一个导 通,有效地降低了输出级的静态功耗。 • 提高了驱动负载能力。 – 当输入高电平时,T5饱和, 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。 • 也称为图腾柱输出电路。 • 二极管D2的作用:为确保T5饱和导通时T4 可靠地截止而串的。 二、电压传输特性 电压传输特性:输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。 截止区 线性区 转折区 饱和区 1. 1. 曲线分析曲线分析 曲线分析曲线分析 • AB段(截止区):当UI≤0.6V时,T1工作在深饱和状态,Uces1 <0.1V,Ube2<0.7V,故T2、 T5截止,T4均导通, 输出高 电平UOH=3.6V￿ 。 • BC段(线性区):当0.6V≤UI<1.3V时,0.7V≤Ub2<1.4V, ￿ T2开始导通,T5尚未导通。此时T2处于放大状态,其集 电极电压Uc2随着UI的增加而下降,并通过T4射极跟随器使 输出电压UO也下降 ,下降斜率近似等于-R2/R3。 曲线分析曲线分析 UOFF UNL UILUON UNH UIH 噪声容限噪声容限 噪声容限噪声容限 • 低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前 提下,允许叠加在输入低电平上的最大噪声 电压(正向干扰); • 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前 提下,允许叠加在输入高电平上的最大噪声 电压(负向干扰)。 TTL与非门的改进电路(74H系列 ) +5V F R4R2 R1 3k T2 R5 R3 T3 T4 T1 T5 b1 c1 三极管复 合结构提 高驱动负 载能力 TTL反相器的输入特性和输出特性 • 输入伏安特性 • 输入电压和输入电流之间的关系曲线。 输入伏安特性 • 两个重要参数: (1) 输入短路电流IIS 当uI = 0V时,iI从输入端流出。 iI =-(VCC-UBE1)/R1 =-(5-0.7)/4 ≈-1.1mA 输入伏安特性 (2) 高电平输入电流IIH 当输入为高电平时,T1的发射结反偏,集电结 正偏,处于倒置工作状态,倒置工作的三极管电 流放大系数β反很小(约在0.01以下),所以 iI = IIH =β反 iB2 IIH很小,约为10μA左右。 输出特性 • 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 前级输出为 高电平时 前级 后级 流出前级电流IOH( 拉电流) 反偏 输出高电平时的输出特性 • 当拉电流IL<5mA时,T4处于射随器状态,输出 电阻很小,因而输出高电平UOH变化不大。当IL> 5mA时,T4进入深饱和,由于IR4≈IL,UOH=UCC- Uces4-UD2-ILR4,故UOH将随着IL的增加而降低。因 此,为了保证稳定地输出高电平,要求负载电流 IL≤14mA。 输出低电平时的输出特性 • 输出低电平,此时T5饱和,输出电流IL从负载流 进T5,形成灌电流;当灌电流增加时,T5饱和程 度减轻,因而UOL随IL增加略有增加。T5输出电阻 约10~20Ω。 若灌电流很大,使T5脱离饱和进入放 大状态,UOL将很快增加,这是不允许的。通常为 了保证UOL≤0.35V,应使IL≤25mA。 前级输出为 低电平时 前级后级 流入前级的电流 IOL 约 1.4mA ( 灌电流) 扇出系数 例: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。 图 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。 输入负载特性 输入负载特性 • 当RP较小时,UI随RP增加而升高,此时T5截 止, 忽略T2基极电流的影响,可近似认为 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T2和T4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 TTL反相器的动态特性 一、传输延迟时间 1、现象 表征了门电路的 开关速度 tPHL和tPLH是以输入、 输出波形对应边上等于 最大幅度50%的两点时 间间隔来确定的 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。 三、电源的动态尖峰电流 2、动态尖峰电流 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 多反射结 结构 TTL与非门的内部结构 结论 TTL门电路中的与逻辑关系是 利用T1的多发射极结构实现的 。 或非门 与或非门 异或门 ①A=B=1,T6&T9 ON, T8 OFF,Y=0 ②A=B=0, T4&T5 OFF, T7&T9 ON, T8 OFF,Y=0 ③A=1, B=0, T1 ON, T6 OFF, T5 ON, T7 OFF, T8 ON, T9 OFF, Y=1 集电极开路的门电路(OC门) • 普通TTL与非门不能 线与 产生大电流输出 使导通门的输出低电平 抬高 1、推拉式输出电路结构的局限性 ① 输出电平不可调 ② 负载能力不强,尤其是高电平输 出 ③ 输出端不能并联使用 OC门 2、OC门的结构特点 ! 集电极 开路 OC门实现的线与 3、外接负载电阻RL的计算 3、外接负载电阻RL的计算 如图所示电路,OC门输出高电平漏电流IOZ=100μA, 输出低电平VOL=0.4V时最大灌电流IOL为8mA;门的输 入电流IIL≤-0.2mA; IIH≤20μA。如果要求X点高、低电 平VIH≥3V,VIL≤0.4V,请计算上拉电阻RL的选择范围 。 TTL集电极开路门 TTL集电极开路门 (a)当X输出高电平时,电流的分布如图所示 流过RC总的电流为: I1=3×IOZ+6×IIH=3×0.1+6×0.02=0.42mA VX=5V-I1RC=5V-0.42×RC≥3V TTL集电极开路门 (b)线与后输出低电平 流进OC门的电流为 0.622kΩ≤RC≤4.75kΩ 图 用OC门实现电平转换的电路 用OC门实现电平转换 三态输出门电路(TS门) 三态门电路的输出有三种可能出现的状态: 高电平、低电平、高阻。 何为高阻状态? 悬空、悬浮状态,又称为禁止状态。 测电阻为∞,故称为高阻状态。 测电压为0V,但不是接地。 因为悬空,所以测其电流为0A。 (1)电路结构:增加了控制输入端(Enable)。 1.三态门的电路结构 (2)工作原理: 0 1 截止 Y=AB EN = 0时,电路为正常的与非工作状态, 所以称控制端低电平有效。 1 0 导通 1.0V 1.0V 截止 截止 悬空 当EN = 1时,门电路输出端处于悬空的高阻状态。 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 用“▽”表 示输出为 三态。 高电平有效 低电平有效 2.三态门的主要应用-实现总线传输 要求各门的控制 端EN轮流为高电平 ,且在任何时刻只有 一个门的控制端为高 电平。 图 用三态门实现总线传输 如有8个门,则8 个EN端的波形应依 次为高电平,如下页 所示。 应用 • 双向传输 TTL电路的改进系列 • 改进指标: • 速度提高的同时功耗也增加。 肖特基系列74S/54S(Schottky TTL) 1.电路改进 (1) 采用抗饱和三极管:肖特基抗饱和三极管由普 通的双极型三极管和肖特基势垒二极管 SBD(Schottky Barrier Diode)组合而成。由于SBD 的引入,晶体管不会进入深饱和,其Ubc限制在 0.3V左右,从而缩短存储时间,提高了开关速 度。 0.7V 0.3V 0.4V 74S/54S • 电路改进: • 减小电阻值 • 除T4管以外,所有晶体管都采用了肖特基 晶体管 74S/54S • 电路改进: • 用有源泄放电路代替74H系列中的R3 • 第一,改善电压传输特性,即克服中倾斜 段BC, 使整个传输特性转换段(B、C、D)的 斜率均匀一致,从而接近理想开关,低电 平噪声容限也得到提高;第二,加速T5的 转换过程并且减轻T5的饱和深度,从而提 高了整个电路的开关速度。 三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS (Low-Power Schottky TTL) 四、74AS,74ALS (Advanced Low-Power Schottky TTL ) · · · 2.5 其他类型的双极型数字集成电路* DTL:输入为二极管门电路,速度低,已经不用 HTL:电源电压高,Vth高,抗干扰性好,已被 CMOS替代 ECL:非饱和逻辑,速度快,用于高速系统 I2L:属饱和逻辑,电路简单,用于LSI内部电路 · · · 本章小结 门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单 元,掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性,对于 正确使用数字集成电路是十分必要的。 本章介绍了目前应用最广泛的TTL和CMOS两类集 成逻辑门电路。在学习这些集成电路时,应把重点 放在它们的外部特性上。外部特性包含两个内容, 一个是输出与输入间的逻辑关系,即所谓逻辑功能 ;另一个是外部的电气特性,包括电压传输特性、 输入特性、输出特性等。本章也讲一些集成电路内 部结构和工作原理,但目的是帮助读者加深对器件 外特性的理解,以便更好地利用这些器件。 习题 • P154 题3.13 解题步骤 • 1.首先将电路划分为若干个基本功能结构模 块; • 2.从输入到输出依次写出每个电路模块输出 与输入的逻辑关系式,最后就得到了整个 电路逻辑功能的表达式。 TTL集成门电路基本模块 TTL集成门电路基本模块 与 AB (AB)’ 倒相 电平 偏移 倒相 AB 推拉输出 AB (A+B)’ 或非门 倒相 电平 偏移 A+B A+B 推拉输出 to 同相输入或非门 A B A+B OC输出 (A+B)’ 或非门 (G1+G2)’ TS反相器 习题 • P154 题3.14 • 解题方法:关键问题——悬空、经过电阻 接地或者接电源电压时,输入端的逻辑状 态? • 对CMOS电路,通常不允许输入端工作在悬 空状态,输入端经过电阻接地时,与接逻 辑低电平等效,经过电阻接电源时,与接 逻辑高电平等效。 习题 • 对TTL电路,输入端的悬空状态与接逻辑高 电平等效。输入端经过电阻(通常取几十 KW)接电源时,与接逻辑高电平等效.输入 端经过电阻接地时,输入端的电平与电阻 阻值的大小有关,当电阻很小(几十W)时 ,与接逻辑低电平等效,当电阻大到一定 程度(几KW )后,输入端电压将升高到 逻辑高电平。 习题 • P154 题3.18 • vI2相当于接上 高电平 To
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