第2章_逻辑门电路--tang2稿

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1、第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路2.1 二极管和三极管的开关特性2.2 TTL门电路2.3 CMOS门电路 实现输入逻辑变量与输出逻辑变量之间某种基本逻辑实现输入逻辑变量与输出逻辑变量之间某种基本逻辑运算或复合逻辑运算的电路称为逻辑门电路，简称门电路。运算或复合逻辑运算的电路称为逻辑门电路，简称门电路。 常用的逻辑门电路有：与门、或门、非门、与非门、或常用的逻辑门电路有：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门和同或门等。非门、与或非门、异或门和同或门等。 逻辑门电路通常是集成电路，分为双极型和逻辑门电路通常是集成电路，分为双极型和MOSMOS 。TTLTTL门和门和CMOSCMOS

2、门特性优良，是集成电路的主流产品门特性优良，是集成电路的主流产品。 在门电路中，晶体管和在门电路中，晶体管和MOSMOS管工作开关状态。管工作开关状态。2.1二极管和三极管的开关特性二极管和三极管的开关特性2.1.1 二极管的开关特性2.1.2 三极管的开关特性 逻辑输入信号（高电平或低电平）通常使门电路中的二极管、双极型三极管和场效应管工作在开关状态（导通或截止状态），导致输出亦为逻辑信号（高电平或低电平），从而电路实现一定的输入输出逻辑关系。因此，电子元件的开关特性是实现逻辑门电路的基础。2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性1二极管的开关作用二极管的开关作用当当 ，二极管截止，等效

3、为开关断开，二极管截止，等效为开关断开0iVvVthBR时，当当 ，二极管导通，二极管导通，等效为开关闭合等效为开关闭合0iVvth时，2 二极管的开关时间二极管的开关时间 由于二极管的由于二极管的PN结具有等结具有等效电容，二极管的通断就伴随着效电容，二极管的通断就伴随着电容的充放电，所以，二极管的电容的充放电，所以，二极管的通断转换需要一定时间。二极管通断转换需要一定时间。二极管通断转换的时间既是二极管的开通断转换的时间既是二极管的开关时间。关时间。1 1）开通时间）开通时间t tonon：二极管从截止转：二极管从截止转为导通所需的时间。为导通所需的时间。2 2）反向恢复时间）反向恢复时间

4、t trere：二极管从导：二极管从导通转为截止所需的时间，它由通转为截止所需的时间，它由2 2段段时间组成，即存储时间时间组成，即存储时间t ts s和渡越时和渡越时间间t tt t，t trere=t=ts s+t+tt t。 + v - i RL + Iv- 图图 2.1.2 二极管的开关二极管的开关时间时间 （a） 二极管开关电路二极管开关电路 (b) 二极管的电流波形二极管的电流波形 O O Iv VF -VR IF -IR t t i IS ts tt ton 3PN结的存储电荷结的存储电荷 PNPN结的结的正向导通正向导通过程：正向过程：正向电压削弱电压削弱PNPN结的势垒电场，

5、结的势垒电场，N N区区的电子向的电子向P P区扩散并建立电子浓区扩散并建立电子浓度分布，度分布，P P区的空穴向区的空穴向N N区扩散并区扩散并建立空穴浓度分布。建立空穴浓度分布。由于浓度不由于浓度不同，穿越同，穿越PN结的电荷继续扩散，结的电荷继续扩散，形 成 连 续 的 正 向 电 流 。形 成 连 续 的 正 向 电 流 。 从截止形成稳定的正向电流从截止形成稳定的正向电流的过程就是二极管的导通时间的过程就是二极管的导通时间ton 。存储电荷：存储电荷：距距PN结越远，电荷浓度越低；结越远，电荷浓度越低；正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，

6、存储电荷越多。 图图2.1.3 PN结的存储电荷结的存储电荷 + - IF P区区 N区区 n-存储电荷浓度存储电荷浓度 nN电子浓度电子浓度 nP空穴浓度空穴浓度 x距离距离 o LN LP + - iR P区区 N区区 图图2.1.4 PN存储电荷的驱散存储电荷的驱散 PN结截止过程：结截止过程：在反向电压的作用下，在反向电压的作用下，N区的空穴存储电荷被电场赶回到区的空穴存储电荷被电场赶回到P区，区，P区的电子存储电荷被电场赶回到区的电子存储电荷被电场赶回到N区，区，形成反向电流，形成反向电流，驱散存储电荷。驱散存储电荷。驱散存储电荷的时间就是存储时间驱散存储电荷的时间就是存储时间ts

7、。在存储电荷驱散后，在存储电荷驱散后，PN结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到PN结通过反向饱和电流结通过反向饱和电流IS，这段时间就是渡越时间，这段时间就是渡越时间tt。 通常，开通时间通常，开通时间ton和反向恢复时间和反向恢复时间tre为纳秒级，为纳秒级，tre= ts+ttton , tstt。所以，二极管的开关时间主要取决于。所以，二极管的开关时间主要取决于PN存储电荷的驱散时间存储电荷的驱散时间ts。2.1.2三极管的开关作用特性三极管的开关作用特性 1. 三极管的开关作用三极管的开关作用电路电路输入特性输入特性输出特性输出特性 ( a ) ( b ) (

8、c )Vth BEv Bi O VCES CEv Ci O VCC cCCRV 0= =Bi IB4 IB3=IBS IB2 IB1 A B Iv CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 当输入电压为低电平，使当输入电压为低电平，使 三极管处于截止状态，三极管处于截止状态，ce之间等效为开关断开。之间等效为开关断开。时，thBEVv当输入电压为高电平，使当输入电压为高电平，使 ，使三极管工作在输出，使三极管工作在输出特性的特性的B点，处于临界饱和状态。点，处于临界饱和状态。ce之间等效为开关闭合。之间等效为开关闭合。时BSBIi = 在数字电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在在数字

9、电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在截止或饱和状态，称为开关状态。截止或饱和状态，称为开关状态。CSBSBBIIii=饱和条件：截止条件：0cCCcCESCCCSRVRVVI= Iv CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 表表2.2.1 NPN三极管的工作状态及特点三极管的工作状态及特点工作状态工作状态 截截 止止 放放 大大 饱饱 和和 条条 件件 0 Bi CSBSBIIi= = 0 CSBSBIIi= = PNPN 结偏置结偏置 发射结反偏发射结反偏 集电结反偏集电结反偏 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏 发射结正偏发射结正偏 集电结正偏集电结正偏 集电极电流集电

10、极电流 0 Ci BCii CSBSBIIi= = 集射电压集射电压 图图 2.12.1. .5 5(a)(a) CCCEVv cCCCCERiVv = = VVvCESCE3 . 02 . 0 = = 特特 点点 集射等效电阻集射等效电阻 约为数百千欧约为数百千欧 等效为开关断开等效为开关断开 可变可变 约为数百欧姆约为数百欧姆 等效为开关闭合等效为开关闭合 2 三极管的开关时间三极管的开关时间 三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状态相互转换立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状

11、态相互转换需要一定的时间。三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是需要一定的时间。三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是三极管的开关时间。三极管的开关时间。设输入电压的高电平设输入电压的高电平VIH和低电平和低电平VIL满足下述条件：满足下述条件：截止饱和thILBEbBSIHVVVRIVIv CEvCi Bi CCV BEv Rb RcO Iv VIH VIL ICS 0.9ICS t t ts tf td O tr 0.1ICS Ci 设输入电压的高电平设输入电压的高电平VIH和低电平和低电平VIL满足下述条件：满足下述条件：截止饱和thILBEbBSIHVVVRIV O Iv VIH VI