1、脈沖數字電路電子技術基礎3）第四講第四講邏輯門電路邏輯門電路1）2019年年9月月22日日第三章 邏輯門電路3.1 MOS邏輯門電路3.2 TTL邏輯門電路3.3 射極耦合門電路3.5 邏輯描述中的幾個問題3.6 邏輯門電路使用中的幾個實際問題20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 2獲得高、低電平的基本原理201909223用以實現基本邏輯運算和復合邏輯運算的單元電路通稱為門電路用以實現基本邏輯運算和復合邏輯運算的單元電路通稱為門電路中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 第三章 邏輯門電路3.1 MOS邏輯門電路3.2 TTL邏輯門電路3.3 射極耦合門電路3.5 邏輯描述中的幾個問題

2、3.6 邏輯門電路使用中的幾個實際問題20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 4TTL邏輯門電路二極管的開關特性BJT的開關特性基本邏輯門電路TTL邏輯門電路20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 5本征半導體中的自由電子和空穴6制造半導體器件的半導體材料的純度要達到制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為，常稱為“九個九個9”本征半導體本征半導體化學成分純凈的半導體晶體化學成分純凈的半導體晶體+4 硅、鍺：硅、鍺： 4價原子價原子u 很低溫度時，晶體接近于理想結構，當于絕緣體很低溫度時，晶體接近于理想結構，當于絕緣體共價鍵u 室溫下，熱能破壞共

3、價鍵，產生自由電子和空穴室溫下，熱能破壞共價鍵，產生自由電子和空穴20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 201909227 在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多數載流子多數載流子 空穴空穴少數載流子少數載流子自由電子自由電子P型半導體受主離子受主離子空穴空穴電子空穴對電子空穴對P型半導體型半導體中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 201909228N型半導體型半導體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多數載流子多數載流子自由電子

4、自由電子少數載流子少數載流子 空穴空穴+N型半導體施主離子施主離子自由電子自由電子電子空穴對電子空穴對 在本征半導體中摻入五價雜質元素，如磷、砷等在本征半導體中摻入五價雜質元素，如磷、砷等中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 PN結20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 9-+ + + +-N區P區-+ + + +-N區P區平衡狀態下的平衡狀態下的PN結結耗盡層耗盡層內電場內電場PN結的導電特性20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 10-+ + + +-N區P區R+ +-N區P區+-+-R+電流電流 IPN結的伏安特性20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 11 根

5、據理論推導，PN結的伏安特性曲線如圖正偏正偏IF多數載流子擴散）多數載流子擴散）IR少數載流子漂移少數載流子漂移）反偏反偏反向飽和電流反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿電壓反向擊穿反向擊穿熱擊穿熱擊穿燒壞燒壞PN結結電擊穿電擊穿可逆可逆TTL邏輯門電路二極管的開關特性二極管的開關特性BJT的開關特性的開關特性基本邏輯門電路基本邏輯門電路TTL邏輯門電路邏輯門電路20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 12二極管的開關特性LFLDFFRVRVVILRLDRRRVRVVI20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 13開通時間：極短反向恢復時間tre=ts(存儲時間)+tt(渡越時間

6、)產生反向恢復過程的原因電荷存儲效應2019092214中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 TTL邏輯門電路二極管的開關特性BJT的開關特性基本邏輯門電路TTL邏輯門電路20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 15BJT的結構的結構20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 16NPN型PNP型符號符號:-bce-ebc 三極管的結構特點三極管的結構特點:（1發射區的摻雜濃度基區摻雜濃度發射區的摻雜濃度基區摻雜濃度（2基區要制造得很薄且濃度很低基區要制造得很薄且濃度很低-NNP發射區集電區基區發射結 集電結ecb發射極集電極基極-PPN發射區集電區基區發射結 集電結ecb發射極集

7、電極基極Bipolar Junction TransistorBJT放大的工作原理2019092217NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI發射結正偏，發射區發射結正偏，發射區的電子向基區移動形成的電子向基區移動形成電流，其中小部分與空電流，其中小部分與空穴復合，形成電流穴復合，形成電流IB 因為集電結反偏，收因為集電結反偏，收集擴散到集電區邊緣的集擴散到集電區邊緣的電子，形成電流電子，形成電流ICN另外，集電結區的少另外，集電結區的少數載流子形成漂移電流數載流子形成漂移電流ICBO兩種載流子參與導電兩種載流子參與導電雙極性晶體管雙極性晶體管Bipolar Ju

8、nction Transistor中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 BJT的開關工作狀態20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 18截止時，發射結和集電結都反偏NPN飽和時各極電壓iB=VCC/RC , iC=(VCC-vCE)/RCvCE=VCC-ICSRC =VCES0.20.3VvBE=0.7VvBC=vBE-vCE =0.4V集電結和發射結均正向偏置20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 19+VCCRbRc4K+0.3ViBiC+0.7V-0.4V+NPN型BJT工作狀態的特點20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 20BJT的開關時間延遲時間td勢壘區

9、變窄，發射區電子注入基區并大部分被集電極收集上升時間tric增大到0.9ICS存儲時間ts存儲電荷從基區和集電區抽出下降時間tf對應于0.9ICS的存儲電荷消散需要的時間可通過改進BJT內部構造和外電路方法來提高BJT的開關速度20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 2120190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 22ontofftVIH-2tV/Iu00.9ICS0.1ICSCit0V/Ou off t三極管飽和程度三極管飽和程度VCC t0基本BJT反相器的動態特性帶負載電容）20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 23容性負載的充放電20190922中國科學技術

10、大學 快電子 劉樹彬 24ro 容性負載的充放電容性負載的充放電 截止：時間常數截止：時間常數 = = RCCLRCCL 飽和：時間常數飽和：時間常數 = = rceCLrceCL rberceRc 時間常數時間常數RCCLRCCL較大，使較大，使得得 充電、放電時間過大，增加充電、放電時間過大，增加 了波形的上升時間了波形的上升時間TTL邏輯門電路二極管的開關特性BJT的開關特性基本邏輯門電路TTL邏輯門電路20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 25二極管與門電路26B+VALDD3kR（+5V）CC12輸輸 入入輸出輸出VA（V）VB（V） VL（V）0V0V5V5V0V5V0

11、V5V0V0V0V5V0101BLA0011輸輸 入入0001輸出輸出與與邏邏輯輯真真值值表表20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 二極管或門電路27輸輸 入入輸出輸出VA（V）VB（V） VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5VLABDD3k21R0101BLA0011輸輸 入入0111輸出輸出或或邏邏輯輯真真值值表表20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 三極管非門電路20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 28輸輸 入入輸輸 出出VA（V）VL（V）0V5V5V0VLA01輸輸 入入10輸輸 出出非邏輯真值表非邏輯真值表+VALT123（

12、+5V）bCRCCR20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 29（1 1在多個與門串接使用時，會出現低電平偏離標準數在多個與門串接使用時，會出現低電平偏離標準數值的情況；或門情況類似值的情況；或門情況類似（2 2負載能力差負載能力差（3 3速度慢速度慢0V5V+V+VL5VDDDD3k（+5V）RCC211CCR2（+5V）0.7V1.4V3k二極管與門和或門電路的缺點20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 30將二極管與門或門電路和三極管非門電路組將二極管與門或門電路和三極管非門電路組合起來合起來LBA+VD123D1kTP（+5V）1R2Rc3kCCRbDD5R14.7

13、k4Diode Transistor LogicDTL解決辦法DTL與非門電路2019092231CBAL工作原理：工作原理： （1當當A、B、C全接為高電平全接為高電平5V時，二極管時，二極管D1D3都截都截止，而止，而D4、D5和和T導通，且導通，且T為飽和導通，為飽和導通， VL=0.3V，即，即輸出低電平輸出低電平（2A、B、C中只要有一個為低電平中只要有一個為低電平0.3V時，則時，則VP1V，從而使從而使D4、D5和和T都截止，都截止，VL=VCC=5V，即輸出高電平，即輸出高電平所以該電路滿足與非邏輯關系，即：所以該電路滿足與非邏輯關系，即：+VLABC123DDDDD4（+5V

14、）PR3152CC3kR4.7kR1kTc1中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 TTL邏輯門電路二極管的開關特性BJT的開關特性基本邏輯門電路TTL邏輯門電路20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 32DTL門到TTL門的演進20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 33C+VBA（+5V）NNNNPPPPCCRb1+V13b1（+5V）T1CRBACCTransistor-Transistor LogicTTL與非門電路20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 34帶負載電容的BJT反相器20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 35TTL反相器的基本電路20

15、190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 36TTL反相器的工作原理vi0.2V，低電平T1發射結導通，VB1=0.9VT2、T3截止T1集電極回路電阻是RC2和T2的集電結反向電阻之和T1深度飽和忽略流過RC2的電流，VB4VCC=5V T4和D導通 VOVCC-VBE4-VD =5V-0.7V-0.7V=3.6V輸入為低時，輸出為高電平20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 37飽和0.2V截止截止導通導通0.9V5V4.3V3.6VTTL反相器的工作原理vi3.6V，高電平VB1=2.1V，T1為倒置使用的放大狀態T1發射結反偏T2、T3飽和，輸出0.2VVC2=0.7V+

16、0.2V=0.9V，T4和D截止輸入為高時，輸出為低電平20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 382.1V1.4V0.7V0.9V倒置狀態3.6V飽和飽和截止截止0.2V4.3V？采用輸入級以提高工作速度輸入由3.6V0.2VVB1=0.2V+0.7V=0.9VT2、T3的儲存電荷來不及消散，仍是飽和狀態VC1=0.7V+0.7V=1.4VT1集電結反向偏置，T1工作在放大區T2的基極電流為T1的倍，即iB1,使T2迅速脫離飽和進入截止狀態T4迅速導通，T3負載小，集電極電流加大，存儲電荷迅速消散，進入截止狀態20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 39采用推拉式輸出級以

17、提高開關速度和帶負載能力驅動能力：輸出低電平T3飽和，T4、D截止低輸出阻抗：飽和電阻大電流輸出：IC3輸出高電平T3截止，D導通T4射級跟隨器20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 40推拉式(push-pull)或圖騰柱(totem-pole)輸出電路采用推拉式輸出級以提高開關速度和帶負載能力開關速度輸出低高 iB2迅速增大，T2先脫離飽和并截止VC2VC3，T4和D導通，iC4迅速增大，T4飽和，加速對負載電容充電輸出高低T3深度飽和，呈現低阻，CL快速放電20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬 41輸出波形具有快速的前后沿輸出波形具有快速的前后沿采用推拉式輸出級以提高開關速度和帶負載能力+V+VVV123123DD123123（+5V）（+5V）oCC放電CCLRCTT4導通ToL截止c43TR導通3截止4截止充電導通c4C20190922中國科學技術大學 快電子 劉樹彬