基本逻辑门电路Word格式.docx
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此时不管D2、D3的状态如何都会有VL≈0V(事实上D2、D3受反向电压作用而截止)。
由此可见,与门几个输入端中,只有加低电压输入的二极管才导通,并把L钳制在低电压(接近0V),而加高电压输入的二极管都截止。
(2)输入端A、B、C都处于高电压+5V,这时,D1、D2、D3都截止,所以输出端L点电压VL=+VCC,即VL=+5V。
如果考虑输入端的各种取值情况,可以得到下表
输入(V)
输出(V)
VA
VB
VC
VL
+5
将表中的+5V用1代替,则可得到真值表:
A
B
C
L
1
由表中可见该门电路满足与逻辑关系,所以这是一种与门。
输入变量A、B、C与输出变量L只间的关系满足逻辑表达式
2.或门电路
对上图所示电路可做如下分析:
(1)输入端A、B、C都为0V时,D1、D2、D3两端的电压值均为0V
,因此都处于截止状态,从而VL=0V;
(2)若A、B、C中有任意一个为+5V,则D1、D2、D3中有一个必定导通。
我们注意到电路中L点与接地点之间有一个电阻,正是该电阻的分压作用,使得VL处于接近+5V的高电压(扣除掉二极管的导通电压)
,D2、D3受反向电压作用而截止,这时VL≈+5V。
用真值表将所有情况罗列如下:
由表中可见A、B、C与L之间满足或逻辑关系,即有:
二、非门电路——BJT反相器
上图表示一基本反相器电路及其逻辑符号。
下图则是其传输特性
,图中标出了BJT的三个工作区域。
对于饱和型反相器来说,输入信号必须满足下列条件:
逻辑0:
Vi<
V1 逻辑1:
Vi>
V2
由传输特性可见:
当输入为逻辑0时,BJT将截止,输出电压将接近于VCC,即逻辑1。
当输入为逻辑1时,BJT将饱和导通,输出电压约为~,即为逻辑0。
可见反相器的输出与输入量之间的逻辑关系是非逻辑关系。
虽然利用以上基本的与、或、非门,可以实现与、或、非三种逻辑运算。
但是由于它们的输出电阻比较大,带负载的能力差,开关性能也不理想,因此基本的与、或、非门不具有实用性。
解决的办法之一是采用二极管与三极管门的组合,组成与非门、或非门,也就是所谓的复合门电路。
与非门和或非门在负载能力、工作速度和可靠性方面都大为提高,是逻辑电路中最常用的基本单元。
下图给出了复合门电路的一个例子及其逻辑符号和逻辑表达式。
下面将要介绍的是一些切实可用的逻辑门电路。
第四节 TTL逻辑门电路
以双极型半导体管为基本元件,集成在一块硅片上,并具有一定的逻辑功能的电路称为双极型逻辑集成电路,简称TTL逻辑门电路。
下面首先讨论基本的BJT反相器的开关速度不高的原因,再讨论改进的TTL反相器和TTL逻辑门电路。
一、基本的BJT反相器的动态性能
BJT开关速度受到限制的原因主要是由于BJT基区内存储电荷的影响,电荷的存入和消散需要一定的时间。
考虑到负载电容CL的影响后基本反相器将成为如下图所示的电路
图中CL包含了门电路之间的接线电容以及门电路的输入电容。
当反相器输出电压vO由低向高过渡时,电路由VCC通过Rc对CL充电。
当vO由高向低过渡时,CL又将通过BJT放电。
这样,CL的充、放电过程均需经历一定的时间,这必然会增加输出电压vO波形的上升时间和下降时间。
特别是CL充电回路的时间常数RcCL较大时,vO上升较慢,即增加了上升时间。
基于器件内部和负载电容的影响,导致基本BJT反相器的开关速度不高。
寻求更为实用的TTL电路结构,是下面所要讨论的问题。
二、TTL反相器的基本电路
由前面的分析已知,带电阻负载的BJT反相器,其动态性能不理想。
在保持逻辑功能不变的前提下,可以另外增加若干元器以改善其动态性能,如减少由于BJT基区电荷存储效应和负载电容所引起的时延。
这需改变反相器输入电路和输出电路的结构,以形成TTL反相器的基本电路。
下图就是一个TTL反相器的基本电路。
该电路由三部分组成:
由三极管T1组成电路的输入级;
由T3、T4和二极管D组成输出级;
由T2组成的中间级作为输出级的驱动电路,将T2的单端输入信号vI2转换为互补的双端输出信号vI3和vI4,以驱动T3和T4。
反相器的工作原理
这里主要分析TTL反相器的逻辑关系,并估算电路中有关各点的电压,以得到简单的定量概念。
(1)当输入为高电平,如vI=时,电源VCC通过Rbl和T1的集电结向T2、T3提供基极电流,使T2、T3饱和,输出为低电平,如vO=。
此时VB1=VBC1+VBE2+VBE3=(++)V=
T1的发射结处于反向偏置,而集电结处于正向偏置。
所以T1处于发射结和集电结倒置使用的放大状态。
由于T2和T3饱和,输出VC3=,同时可估算出VC2的值:
VC2=VCE2+VB3=(+)V=
此时,VB4=VC2=。
作用于T4的发射结和二极管D的串联支路的电压为VC2-Vo=(-)V=,显然,T4和D均截止,实现了反相器的逻辑关系:
输入为高电平时,输出为低电平。
(2)当输入为低电平且电压为时,T1的发射结导通,其基极电压等于输入低电压加上发射结正向压降,即:
VB1=(+)V=
此时VB1作用于T1的集电结和T2、T3的发射结上,所以T2、T3都截止,输出为高电平。
由于T2截止,VCC通过RC2向T4提供基极电流,致使T4和D导通,其电流流入负载。
输出电压为vO=Vcc-VBE4-VD=(5--)V=
同样也实现了反相器的逻辑关系:
输入为低电平时,输出为高电平。
2.采用输入级以提高工作速度
当TTL反相器输入电压由高(变低()的瞬间,VB1=(+)V=。
但由于T2、T3原来是饱和的,它们的基区存储电荷还来不及消散,在此瞬间,T2、T3的发射结仍处于正向偏置,T1的集电极电压为Vc1=VBE2+VBE3=(+)V=。
此时T1的集电结为反向偏置[集电结电压=VB1-VC1=(1-V=],因输入为低电平()时,T1的发射结为正向偏置,于是T1工作在放大区。
这时产生基极电流iB1,其射极电流
流入低电平的输入端。
集电极电流
的方向是从T2的基极流向T1的
集电极,它很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷,使T2迅速地脱离饱和而进人截止状态。
T2的迅速截止导致T4立刻导通,相当于T3的负载是个很小的电阻,使T3的集电极电流加大,多余的存储电荷迅速从集电极消散而达到截止,从而加速了状态转换。
3.采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力
由T3、T4和二极管D组成推拉式输出级。
其中T4组成电压跟随器,而T3为共射极电路,作为T4的射极负载。
这种输出级的优点是,既能提高开关速度,又能提高带负载能力。
根据所接负载的不同,输出级的工作情况可归纳如下:
(1)输出为低电平时,T3处于深度饱和状态,反相器的输出电阻就是T3的饱和电阻,这时可驱动较大的电流负载。
而且由于T4截止
,所以负载电流就是T3的集电极电流,也就是说T3的集电极电流可以全部用来驱动负载。
(2)输出为高电平时,T3截止,T4组成的电压跟随器的输出电阻很小,所以输出高电平稳定,带负载能力也较强。
(3)输出端接有负载电容CL时,当输出由低电平跳变到高电平的瞬间,T2和T3由饱和转为截止,由于T3的基极电流是经T2放大的电流,所以T2比T3更早脱离饱和,于是T2的集电极电压vC2比T3的集电极电压vC3上升更快。
同时由于电容CL两端的电压不能突变,使c2和c3之间的电位差增加,因而使T4在此瞬间基极电流很大,T4集电极与发射极之间呈现低电阻,故电源VCC经RC4和T4的饱和电阻对电容CL迅速充电,其时间常数很小,使输出波形上升沿陡直。
而当输出电压由高变低后,输出管T3深度饱和,也呈现很低的电阻,已充电的CL通过它很快放电,迅速达到低电平,因而使输出电压波形的上升沿和下降沿都很好。
三、TTL反相器的传输特性
现在来分析TTL反相器的传输特性。
下图为用折线近似的TTL反相器的传输特性曲线。
由图可见,传输特性由4条线段AB、BC、CD和DE所组成。
AB段:
此时输入电压vI很低,T1的发射结为正向偏置。
在稳态情况下,T1饱和致使T2和T3截止,同时T4导通。
输出vo=为高电平。
当vI增加直至B点,T1的发射结仍维持正向偏置并处于饱和状态
但vB2=vc1增大导致T2的发射结正向偏置。
当T1仍维持在饱和状态时,vB2的值可表示为vB2=vI+VCES
为求得B点所对应的vI,可以考虑vB2刚好使T2的发射结正向偏置并开始导电。
此时vB2应等于T2、发射结的正向电压VF≈。
但iE2≈0在忽略vRe2。
的情况下,于是由上式得:
BC段:
当vI的值大于B点的值时,由T1的集电极供给T2的基极电流
,但T1仍保持为饱和状态,这就需要使T1的发射结和集电结均为正向偏置。
在BC段内,T2对vI的增量作线性放大,其电压增益可表示为
电压增量上
通过T4的电压跟随作用而引至输出端形成输出电压的增量
,且在一定范围内,有
,所以传输特性BC段的斜率为
。
必须注意到在BC段内,Re2上所产生的电压降还不足以使T3的发射结正向偏置,T3仍维持截止状态。
当Re2上的电压vRe2达到一定的值,能使T3的发射结正偏,并有vBE3=VF=时,则有
或
式中VF=,表示T3已导通。
由于
C点处的输出电压变为
根据线段BC的斜率为,对应于C点的vI值可由下述关系求得:
由此得
CD段:
当vI的值继续增加
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