第三章TTL门电路-课件(同名1555)

第三章TTL门电路一、双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的开关特性2、输入、输出特性、输入、输出特性23、三极管的三种工作状态、三极管的三种工作状态 NPN饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区饱和区饱和区：IC受VCE显著控制的区域，该区域内VCE的 数值较小，一般VCE0.7 V(硅管)，深度饱和状态VCE(sat)0.2V以下。截止区截止区：IC接近零的区域，IB=0的曲线的下方。三极管工作在饱和状态的电流条件为：三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB IBS 电压条件为：电压条件为：放大区：IC平行于VCE轴的区域，曲线基本 平行等距。3三极管三极管PNPN结四种偏置方式组合结四种偏置方式组合44、双极型的三极管基本开关电路、双极型的三极管基本开关电路55、双极型三极管的动态开关特性、双极型三极管的动态开关特性 三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间,i,iC C的变化滞的变化滞后于后于v vI I的变化。的变化。66 6、三极管反相器、三极管反相器 接入电阻接入电阻R2和负电源和负电源VEE，即使输入的低电即使输入的低电平信号稍大于零也能平信号稍大于零也能使三极管的基极为负使三极管的基极为负电位，从而使三极管电位，从而使三极管可靠的截止。可靠的截止。7大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流8P115 例例3.5.1 在图在图3.5.7所示的反相器电路中所示的反相器电路中,若若VCC=5V，VEE=-8V，RC=1K，R1=3.3K，R2=10K，三极管的电流放大系数，三极管的电流放大系数=20，饱和压降饱和压降VCE（sat）=0.1V，饱和导通内阻，饱和导通内阻RCE（sat）=20，输入的高、，输入的高、低电平分别为低电平分别为VIH=5V、VIL=0V，试计算输入高、低电平时对应的输试计算输入高、低电平时对应的输出电平，并说明电路参数的设计是否合理。出电平，并说明电路参数的设计是否合理。戴维宁定理戴维宁定理bec双极型三极管工作状态的计算双极型三极管工作状态的计算9P115 例例3.5.1 在图在图3.5.7所示的反相器电路中所示的反相器电路中,若若VCC=5V，VEE=-8V，RC=1K，R1=3.3K，R2=10K，三极管的电流放大系数，三极管的电流放大系数=20，饱和压降饱和压降VCE（sat）=0.1V，饱和导通内阻，饱和导通内阻RCE（sat）=20，输入的高、，输入的高、低电平分别为低电平分别为VIH=5V、VIL=0V，试计算输入高、低电平时对应的试计算输入高、低电平时对应的输出电平，并说明电路参数的设计是否合理。输出电平，并说明电路参数的设计是否合理。当当vI=VIL=0V时，时，b-e结上是反向电压，三极管截止，结上是反向电压，三极管截止，iC=0,vO=VCC=5V。10P115 例例3.5.1 在图在图3.5.7所示的反相器电路中所示的反相器电路中,若若VCC=5V，VEE=-8V，RC=1K，R1=3.3K，R2=10K，三极管的电流放大系数，三极管的电流放大系数=20，饱和压降饱和压降VCE（sat）=0.1V，饱和导通内阻，饱和导通内阻RCE（sat）=20，输入的高、，输入的高、低电平分别为低电平分别为VIH=5V、VIL=0V，试计算输入高、低电平时对应的试计算输入高、低电平时对应的输出电平，并说明电路参数的设计是否合理。输出电平，并说明电路参数的设计是否合理。K当当vI=VIH=5V时，时，b-e结导通，结导通，VBE=0.7V,iBIBS，故三极管处于深度饱和状态，输出故三极管处于深度饱和状态，输出vO=VCE(sat)0V11TTLTTL反相器反相器1、TTL反相器的电路结构、工作原理反相器的电路结构、工作原理 输输入入级级由由双双极极型型三三极极管管T1、基极电阻、基极电阻R1、D1组成。组成。由由T4、T5和和R4、D2 组成输出级组成输出级倒倒相相级级由由双双极极型型三三极极管管T2、R2、R3组成。组成。D1:输入端钳输入端钳位二极管位二极管,可可抑制输入端可抑制输入端可能出现的负极能出现的负极性干扰脉冲性干扰脉冲,也可防止输入也可防止输入电压为负时电压为负时T1的发射极电流的发射极电流过大过大,起到保起到保护作用护作用.D2:确保确保T5饱饱和导通时和导通时T4可可靠地截止靠地截止.12A(vI)T1发射结发射结vB1T2T4T5Y(vO)0.2V导通导通0.9v截止截止导通导通截止截止3.4v3.4V导通导通4.1v导通导通截止截止导通导通0.2v?T1集电结集电结截止截止导通导通2.1V设设Vcc=5V,vIH=3.4V,vIL=0.2V,PN结的导通电压为结的导通电压为0.7V。1300101高低电平分析法高低电平分析法1411010高低电平分析法高低电平分析法152、电压传输特性（输入电压、电压传输特性（输入电压输出电压关系）输出电压关系）电压传输特性 大体上分4段：截止区（AB）线性区（BC）转折区（CD）中点的输入电压称为中点的输入电压称为 阈值电压阈值电压(门槛电压门槛电压)VTH 饱和区(DE)TTLTTL反相器反相器截止区截止区线性区线性区转折区转折区饱和区饱和区v16饱和区饱和区(DE)VI继续升高，继续升高，VO不变不变化化v截止区（截止区（AB）VI=0 T2、T5截止，截止，T4导通导通 VO=1线性区（线性区（BC）VI升高升高 T2导通，导通，T5截止截止 VO降低降低 转折区（转折区（CD）VI=1 T2、T5导通导通 VO=0 中点的输入电压中点的输入电压VTH称为阈值电压（门槛电压）称为阈值电压（门槛电压）173、输入端噪声容限、输入端噪声容限 若输入信号偏离正常的若输入信号偏离正常的 低电平而升高，输出高电低电平而升高，输出高电 平不立刻变化。同样，输平不立刻变化。同样，输 入信号偏离正常高电平而入信号偏离正常高电平而 升高时，输出的高电平不升高时，输出的高电平不 立刻改变。立刻改变。在保证输出高、低电平基在保证输出高、低电平基 本不变（或说变化大小不超、本不变（或说变化大小不超、过允许限度）的条件下，输过允许限度）的条件下，输 入电平允许的波动范围称输入电平允许的波动范围称输 入端噪声容限。入端噪声容限。输入端噪声容限示意图输入端噪声容限示意图TTLTTL反相器反相器18 若许多门电路相互连接组成系统时，前一级门电若许多门电路相互连接组成系统时，前一级门电路的输出是后一级门电路的输入。路的输出是后一级门电路的输入。输入为高电平时的噪声容限为输入为高电平时的噪声容限为 VNH=VOH(min)-VIH(min)输入为低电平时的噪声容限为输入为低电平时的噪声容限为 VNL=VIL(max)-VOL(max)TTLTTL反相器反相器191、输入特性、输入特性TTLTTL反相器静态特性反相器静态特性VI=0v时时,IIS(输入短路电流输入短路电流)IILVI=VIH时时,T1相当于把原来的集电极相当于把原来的集电极c1当作发射极使用当作发射极使用,原原e1当作集电当作集电极使用极使用倒置状态。倒置状态下三极管的电流放大系数极小，所以倒置状态。倒置状态下三极管的电流放大系数极小，所以IIH很小很小202、输出特性、输出特性（a）高电平输出特性高电平输出特性当当vo o=vOHOH时，时，T T4 4、D D2 2导通，导通，T T5 5截止截止 得出等效图得出等效图 TTLTTL门电路（三极管门电路（三极管-三极管逻辑电路）三极管逻辑电路）212、输出特性、输出特性（a）高电平输出特性高电平输出特性 TTLTTL门电路（三极管门电路（三极管-三极管逻辑电路）三极管逻辑电路）T T4 4工作在发射极输出状态，电路的输出电阻很小，在工作在发射极输出状态，电路的输出电阻很小，在i L L（负载电流）较小的范围内，负载电流）较小的范围内，i L L的变化对的变化对V VOHOH的影响很小。的影响很小。随着随着i L L数值的增加，数值的增加，R R4 4上的压降加大，使上的压降加大，使T T4 4的变为正的变为正向偏置，向偏置，T T4 4进入饱和状态。进入饱和状态。V VOHOH随随i L L数值的增加几乎线性下降。数值的增加几乎线性下降。22（b）低电平输出特性（低电平输出特性（T5饱和饱和 T4截止）截止）TTLTTL门电路（三极管门电路（三极管-三极管逻辑电路）三极管逻辑电路）T5饱和导通时饱和导通时c-e间的内阻很小，间的内阻很小，i L增加时输出的低电平增加时输出的低电平仅稍有升高。仅稍有升高。从低电平输出特性曲线可看出从低电平输出特性曲线可看出:V VOLOL与与i L L的关系在较大的范围里基本呈线性的关系在较大的范围里基本呈线性233、输入端负载特性、输入端负载特性如图：输入电流流过如图：输入电流流过RP，RP上产生压降形成上产生压降形成vI I，RP越大，越大，vI I越高。当越高。当vI I上升到上升到1.4V后后T2、T5同时同时导通，将导通，将vB1B1钳在钳在2.1V左右，左右，RP增加，增加，vI I不变，趋近于不变，趋近于vI I=1.4v的一条水平线。的一条水平线。TTLTTL反相器反相器24251.输出为低电平时输出为低电平时（vO=vOL0.4V)输出端带负载的情形如图：输出端带负载的情形如图：低电平输出电流低电平输出电流:IOL=N1IIL N1IIS 由于由于T5管的导通电阻为管的导通电阻为RON，N1是输出是输出低电平时负载门的数目。低电平时负载门的数目。所以，所以，vOL=IOLRON。为了保证为了保证 vOL0.4v，要限制负载门的数目要限制负载门的数目N1。截止截止导通导通vOL驱动门驱动门负载门负载门IILIILIOLTTLTTL门电路扇出系数的计算门电路扇出系数的计算扇出系数是指一个门电路可以同时驱动某一种门电路的最大数目扇出系数是指一个门电路可以同时驱动某一种门电路的最大数目+VCCT4T5+VCCT1+VCCT126 高电平输出电流：高电平输出电流：由于由于T4管的导通电阻为管的导通电阻为RON，所以，所以 vOH VCC-N2IIH(R4+RON)-0.7v为了保证为了保证vOH2.4v，要限制负载门的数目，要限制负载门的数目N2。2.输出端为高电平时输出端为高电平时 (vO=vOH 2.4v)输出端带负载的情形如图：输出端带负载的情形如图：N2是输出高是输出高电平时负载门的数目。电平时负载门的数目。导通导通截止截止vOH驱动门驱动门负载门负载门IIHIIHIOHIOH=N2IIHR4+VCCT4T5+VCCT1+VCCT127P120例例3.5.2 在图在图3.5.17所示的电路中所示的电路中,试计算门试计算门G1最多可以驱最多可以驱动多少个同样的门电路负载，动多少个同样的门电路负载，VOH3.2V3.2V，VOL0.2V0.2V。28P122例例3.5.3在图在图3.5.20所示的电路中，为保证门所示的电路中，为保证门G1输出的高、输出的高、低电平能正确地传送到门低电平能正确地传送到门G2的输入端，要求的输入端，要求vO1=VOH时时vI2VIH(min)，vO1=VOL时时vI2VIL(max)，试计算试计算RP的最大允许值是的最大允许值是多少。已知多少。已知G1和和G2均均74系列反相器，系列反相器，VCC=5V，VOH=3.4V，VOL=0.2V，VIH(min)=2.0V，VIL(max)=0.8V。RP 为较小的值为较小的值VOL291、传输延迟时间、传输延迟时间 把输出电压波形滞后于输入电压波形的时间称为把输出电压波形滞后于输入电压波形的时间称为传输延迟时间传输延迟时间(tPd)。由低电平跳变为高电平由低电平跳变为高电平的传输延迟时间记的传输延迟时间记tPLHTTLTTL反相器的动态特性反相器的动态特性由高电平跳变为低电平由高电平跳变为低电平的传输延迟时间记的传输延迟时间记tPHL302、交流噪声容限交流噪声容限 由于由于TTL电路中存在三极管的开关时间和分布电路中存在三极管的开关时间和分布电容的充放电过程，因而输入信号状态变化时必电容的充放电过程，因而输入信号状态变化时必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出状态须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出状态改变。窄脉冲改变。窄脉冲3、电源的动态尖峰电流、电源的动态尖峰电流 瞬时流经的最大电流，瞬时流经的最大电流，T4、T5同时导通的状态。同时导通的状态。TTLTTL动态特性动态特性31其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路1、其他逻辑功能的门电路、其他逻辑功能的门电路T1多发射多发射极三极管极三极管32其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路 多射极三极管和一般三极管结构基本相同，只是多射极三极管和一般三极管结构基本相同，只是有多个发射极。有多个发射极。相当于三个三极管的基极相当于三个三极管的基极b和集电极和集电极c连在一起。连在一起。TbeeAeBeCABCD1D2D3D4330A/B=0 T1有一个发有一个发射结导通，射结导通，T2、T5截止，截止，T4导通导通 Y=1 0011341A=1 B=1T2、T5导通，导通，T4截止截止 Y=0 11001Y=(AB)35其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路1、其他逻辑功能的门电路、其他逻辑功能的门电路VVA=1时时T2、T5导通，导通，T4截止截止 Y=0B=1时时T2、T5导通，导通，T4截止截止 Y=0A=B=0时时T2、T2截止，截止，T5截止截止，T4导通导通 Y=1Y=(A+B)36其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路1、其他逻辑功能的门电路、其他逻辑功能的门电路A=B=1 T2、T5导通，导通，T4截止截止 Y=0C=D=1 T2 、T5导通，导通，T4截止截止 Y=0仅当仅当A、B和和C、D每组输每组输入都不同时为入都不同时为1(例例A=0B=1C=1D=0，T2、T2截止，截止，T5截止，截止，T4导通导通)Y=1 Y=(AB+CD)01100001137其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路1、其他逻辑功能的门电路、其他逻辑功能的门电路A=B=1 T6、T9导通，导通，T8截止截止 Y=0A=B=0 T4、T5截止，截止，T9导通导通,T8截止截止 Y=0A、B不同时，不同时，T1导通，导通，T6截止，截止，T4、T5一个导通，一个导通，T7截止，截止，T8导通，导通，T9截止截止 Y=1 Y=A B 382、集电极开路的门电路（、集电极开路的门电路（OC门）门）工作时需要外接负载电阻和电源，工作时需要外接负载电阻和电源，当他们的数值选择得当，就能够保证输出的当他们的数值选择得当，就能够保证输出的高低电平符合要求，负载电流又不过大。高低电平符合要求，负载电流又不过大。其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路39线与线与其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路40注：注：OC门外接电阻的计算方法和门外接电阻的计算方法和OD门外接电阻门外接电阻的计算方法基本相同。不同的是在多个负载门输的计算方法基本相同。不同的是在多个负载门输入端并联情况下，低电平输入电流的数目不一定入端并联情况下，低电平输入电流的数目不一定与输入端的数目相等。与输入端的数目相等。当输出高电平时：当输出高电平时：当输出低电平时：当输出低电平时：n：并联OD门或OC门的数目41与非门：输入低电平时，因为一个负载门总的低电与非门：输入低电平时，因为一个负载门总的低电平输入电流和每个输入端单独接低电平时的输入电平输入电流和每个输入端单独接低电平时的输入电流是一样的，所以流是一样的，所以m为负载门数目。为负载门数目。输入高电平时，输入高电平时，m为输入端数目。为输入端数目。42或非门：输入低电平时，或非门：输入低电平时，m 为输入端数目。为输入端数目。输入高电平时，输入高电平时，m为输入端数目。为输入端数目。43P133例例3.5.5为图中外接负载电阻为图中外接负载电阻RL选定合适的选定合适的阻值。已知阻值。已知G1、G2为为OC门。门。443、三态输出门电路（、三态输出门电路（TS门）门）在普通门电路在普通门电路的基础上附加控的基础上附加控制电路构成制电路构成三态：高电平三态：高电平 低电平低电平 高阻态高阻态其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路45集成门电路逻辑功能的分析集成门电路逻辑功能的分析对对TTL电路，输入端悬空与接逻辑高电平等效。电路，输入端悬空与接逻辑高电平等效。输入端经过电阻接电源电压时，与接输入端经过电阻接电源电压时，与接逻辑高电平等效。逻辑高电平等效。输入端经过电阻接地时，输入端的电输入端经过电阻接地时，输入端的电平与电阻阻值大小有关，当电阻阻值很小（几十欧）平与电阻阻值大小有关，当电阻阻值很小（几十欧）时，相当于接低电平，当电阻阻值大到一定程度以时，相当于接低电平，当电阻阻值大到一定程度以后（几千欧），输入端电压为高电平。后（几千欧），输入端电压为高电平。习题习题P154 3.1446对对CMOS门电路门电路,通常不允许输入端工作在悬空状态。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；输入端经过电阻接地时，与接逻辑低电平等效；经过电阻接电源电压时，与接逻辑高电平等效。经过电阻接电源电压时，与接逻辑高电平等效。习题习题P154 3.15 集成门电路逻辑功能的分析集成门电路逻辑功能的分析47集成门电路逻辑功能的分析集成门电路逻辑功能的分析TTL集成门电路中的几种基本电路模块集成门电路中的几种基本电路模块 与结构与结构 或非结构或非结构 倒相结构倒相结构48习题3.13AB(AB)ABAB(AB)AB49习题3.1301001001050CMOS集成门电路中的几种基本电路模块集成门电路中的几种基本电路模块集成门电路逻辑功能的分析集成门电路逻辑功能的分析反相结构反相结构 与非结构与非结构 或非结构或非结构51P151习题3.752习题习题 P150 3.3 试说明能否将与非门、或非门、异或门试说明能否将与非门、或非门、异或门当做反相器使用？如果可以，各输入端应如何连接。当做反相器使用？如果可以，各输入端应如何连接。53习题习题 P150 3.4 画出图所示电路在下列两种情况下的画出图所示电路在下列两种情况下的输出电压波形输出电压波形:(1)忽略所有门电路的传输延迟时间忽略所有门电路的传输延迟时间 (2)考虑每个门都有传输延迟时间考虑每个门都有传输延迟时间tpd。54