1、脉冲数字电路电子技术基础（3）第四讲第四讲逻辑门电路（逻辑门电路（1）2011年年9月月22日日第三章 逻辑门电路3.1 MOS逻辑门电路3.2 TTL逻辑门电路3.3 射极耦合门电路3.5 逻辑描述中的几个问题3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 2获得高、低电平的基本原理201109223用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路中国科学技术大学 快电子 刘树彬 第三章 逻辑门电路3.1 MOS逻辑门电路3.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.3 射极耦合门电路3.5 逻辑
2、描述中的几个问题3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 4TTL逻辑门电路二极管的开关特性BJT的开关特性基本逻辑门电路TTL逻辑门电路20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 5本征半导体中的自由电子和空穴6制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体化学成分纯净的半导体晶体+4 硅、锗：硅、锗：4价原子价原子u 很低温度时，晶体接近于理想结构，当于绝缘体很低温度时，晶体接近于理想结构，当于绝缘体共价键u 室温
3、下，热能破坏共价键，产生自由电子和空穴室温下，热能破坏共价键，产生自由电子和空穴20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 201109227 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓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多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对P型半导体型半导体中国科学技术大学 快电子 刘树彬 201109228N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数
4、载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷、砷等在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷、砷等中国科学技术大学 快电子 刘树彬 PN结20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 9-+-N区P区-+-N区P区平衡状态下的平衡状态下的PN结结耗尽层耗尽层内电场内电场PN结的导电特性20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 10-+-N区P区R+-N区P区+-+-R+电流电流 IPN结的伏安特性20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 11 根据理论推导，根据理论推导，
5、PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多（多数载流数载流子扩散）子扩散）IR（少数载流子漂移）（少数载流子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆TTL逻辑门电路二极管的开关特性二极管的开关特性BJT的开关特性基本逻辑门电路TTL逻辑门电路20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 12二极管的开关特性LFLDFFRVRVVILRLDRRRVRVVI20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 13开通时间：极短反向恢复时间tre=ts(存储时间)+tt(渡越时间)产生反向恢
6、复过程的原因电荷存储效应2011092214中国科学技术大学 快电子 刘树彬 TTL逻辑门电路二极管的开关特性BJT的开关特性的开关特性基本逻辑门电路TTL逻辑门电路20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 15BJT的结构的结构20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 16NPN型PNP型符号符号:-bce-ebc 三极管的结构特点三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度基区掺杂浓度）发射区的掺杂浓度基区掺杂浓度（2）基区要制造得很薄且浓度很低）基区要制造得很薄且浓度很低-NNP发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结 集电结ecb发
7、射极集电极基极Bipolar Junction TransistorBJT放大的工作原理2011092217NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI发射结正偏，发射区发射结正偏，发射区的电子向基区移动形成的电子向基区移动形成电流，其中小部分与空电流，其中小部分与空穴复合，形成电流穴复合，形成电流IB 因为集电结反偏，收因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的集扩散到集电区边缘的电子，形成电流电子，形成电流ICN另外，集电结区的少另外，集电结区的少数载流子形成漂移电流数载流子形成漂移电流ICBO两种载流子参与导电两种载流子参与导电双极性晶体管双极性晶体管Bipolar
8、 Junction Transistor中国科学技术大学 快电子 刘树彬 BJT的开关工作状态20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 18截止时，发射结和集电结都反偏NPN饱和时各极电压iB=VCC/RC,iC=(VCC-vCE)/RCvCE=VCC-ICSRC=VCES0.20.3VvBE=0.7VvBC=vBE-vCE=0.4V集电结和发射结均正向偏置20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 19+VCCRbRc4K+0.3ViBiC+0.7V-0.4V+NPN型BJT工作状态的特点20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 20BJT的开关时间1.延迟时间td势垒
9、区变窄，发射区电子注入基区并大部分被集电极收集2.上升时间tric增大到0.9ICS3.存储时间ts存储电荷从基区和集电区抽出4.下降时间tf对应于0.9ICS的存储电荷消散需要的时间可通过改进BJT内部构造和外电路方法来提高BJT的开关速度20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 2120110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 22ontofftVIH-2tV/Iu00.9ICS0.1ICSCit0V/Ou off t三极管饱和程度三极管饱和程度VCC t0基本BJT反相器的动态特性（带负载电容）20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 23容性负载的充放电201109
10、22中国科学技术大学 快电子 刘树彬 24ro 容性负载的充放电容性负载的充放电 截止：时间常数截止：时间常数 =R RC CCCL L 饱和：时间常数饱和：时间常数 =r rceceCCL L rberceRc 时间常数时间常数R RC CCCL L较大，使得较大，使得 充电、放电时间过大，增加充电、放电时间过大，增加 了波形的上升时间了波形的上升时间TTL逻辑门电路二极管的开关特性BJT的开关特性基本逻辑门电路基本逻辑门电路TTL逻辑门电路20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 25二极管与门电路26B+VALDD3kR（+5V）CC12输输 入入输出输出VA（V）VB（V）VL
11、（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0011输输 入入0001输出输出与与逻逻辑辑真真值值表表20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 二极管或门电路27输输 入入输出输出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5VLABDD3k21R0101BLA0011输输 入入0111输出输出或或逻逻辑辑真真值值表表20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 三极管非门电路20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 28输输 入入输输 出出VA（V）VL（V）0V5V5V0VLA01输输 入入10输输 出出非逻辑真值表
12、非逻辑真值表+VALT123（+5V）bCRCCR20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 29（1 1）在多个与门串接使用时，会出现低电平偏离标准数）在多个与门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况；或门情况类似值的情况；或门情况类似（2 2）负载能力差）负载能力差（3 3）速度慢）速度慢0V5V+V+VL5VDDDD3k（+5V）RCC211CCR2（+5V）0.7V1.4V3k二极管与门和或门电路的缺点20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 30将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来合起来LBA+VD123D1kT
13、P（+5V）1R2Rc3kCCRbDD5R14.7k4Diode Transistor LogicDTL解决办法DTL与非门电路2011092231CBAL工作原理：工作原理：（1）当）当A、B、C全接为高电平全接为高电平5V时，二极管时，二极管D1D3都截止，而都截止，而D4、D5和和T导通，且导通，且T为为饱和饱和导通导通，VL=0.3V=0.3V，即输出低电平，即输出低电平（2）A、B、C中只要有一个为低电平中只要有一个为低电平0.3V时，则时，则VP1V，从而使，从而使D4、D5和和T都截止，都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平，即输出高电平所以该电路满足与非逻辑关系，即：所以该电
14、路满足与非逻辑关系，即：+VLABC123DDDDD4（+5V）PR3152CC3kR4.7kR1kTc1中国科学技术大学 快电子 刘树彬 TTL逻辑门电路二极管的开关特性BJT的开关特性基本逻辑门电路TTL逻辑门电路逻辑门电路20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 32DTL门到TTL门的演进20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 33C+VBA（+5V）NNNNPPPPCCRb1+V13b1（+5V）T1CRBACCTransistor-Transistor LogicTTL与非门电路20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 34带负载电容的BJT反相器2011
15、0922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 35TTL反相器的基本电路20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 36TTL反相器的工作原理vi0.2V，低电平T1发射结导通，VB1=0.9VT2、T3截止T1集电极回路电阻是RC2和T2的集电结反向电阻之和T1深度饱和忽略流过RC2的电流，VB4VCC=5V T4和D导通 VOVCC-VBE4-VD =5V-0.7V-0.7V=3.6V输入为低时，输出为高电平20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 37饱和0.2V截止截止导通导通0.9V5V4.3V3.6VTTL反相器的工作原理vi3.6V，高电平VB1=2.1V，T1为倒置使
16、用的放大状态T1发射结反偏T2、T3饱和，输出0.2VVC2=0.7V+0.2V=0.9V，T4和D截止输入为高时，输出为低电平20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 382.1V1.4V0.7V0.9V倒置状态3.6V饱和饱和截止截止0.2V4.3V？采用输入级以提高工作速度输入由3.6V0.2VVB1=0.2V+0.7V=0.9VT2、T3的储存电荷来不及消散，仍是饱和状态VC1=0.7V+0.7V=1.4VT1集电结反向偏置，T1工作在放大区T2的基极电流为T1的倍，即iB1,使T2迅速脱离饱和进入截止状态T4迅速导通，T3负载小，集电极电流加大，存储电荷迅速消散，进入截止状态
17、20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 39采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力驱动能力：输出低电平T3饱和，T4、D截止低输出阻抗：饱和电阻大电流输出：IC3输出高电平T3截止，D导通T4射级跟随器20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 40推拉式(push-pull)或图腾柱(totem-pole)输出电路采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力开关速度输出低高 iB2迅速增大，T2先脱离饱和并截止VC2VC3，T4和D导通，iC4迅速增大，T4饱和，加速对负载电容充电输出高低T3深度饱和，呈现低阻，CL快速放电20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬
18、41输出波形具有快速的前后沿输出波形具有快速的前后沿采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力+V+VVV123123DD123123（+5V）（+5V）oCC放电CCLRCTT4导通ToL截止c43TR导通3截止4截止充电导通c4C20110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 4220110922中国科学技术大学 快电子 刘树彬 43TTL反相器的电压传输特性iV0.52.0V3.02.53.5(V)1.5(V)4.03.02.51.01.03.50.54.02.0o1.5电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：vo=f（vi）ABCDE2011092244TTL反相器的电压传输特性iV0.52.0V3.02.53.5(V)1.5(V)4.03.02.51.01.03.50.54.02.0o1.5电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：vo=f（vi）ABCDE0.4V1.1V1.2V0.6V中国科学技术大学 快电子 刘树彬
