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第2章 基本门电路 2.1 第2章 基本门电路 返回总目录
第2章基本门电路 本章内容 十·二极管、晶体管的开关特性 ·分立元件门电路 。 集成门电路 ·MOS门电路 。} 常见的集成电路举例 本章小结 2.2
第2章 基本门电路 2.2 • 二极管、晶体管的开关特性 • 分立元件门电路 • 集成门电路 • MOS门电路 • 常见的集成电路举例 • 本章小结 本章内容
第2章基本门电路 门电路是组成各种数字逻辑电路最基本的单元电路。构成门电路的基本电子器件是二 极管、晶体管和金属氧化物半导体M0S)管。在数字电路中，这些电子器件大都工作在截 止状态和饱和状态。最基本门电路主要包括与门、或门和非门。其他基本门电路还有与 门、或非门、与或非门、异或门等。目前广泛使用的门电路主要为晶体管-晶体管逻辑 (TTL)门电路和互补金属氧化物半导体(CMOS)门电路。 2.3
第2章 基本门电路 2.3 门电路是组成各种数字逻辑电路最基本的单元电路。构成门电路的基本电子器件是二 极管、晶体管和金属氧化物半导体(MOS)管。在数字电路中，这些电子器件大都工作在截 止状态和饱和状态。最基本门电路主要包括与门、或门和非门。其他基本门电路还有与非 门、或非门、与或非门、异或门等。目前广泛使用的门电路主要为晶体管-晶体管逻辑 (TTL)门电路和互补金属氧化物半导体(CMOS)门电路
第2章基本门电路 二极管、晶体管的开关特性 在数字电路中，常用高、低电平来表示逻辑的“1”和“0”二值逻辑状态。而电平 十“1”和“0”的输出，与开关的“开”与“关逻辑相对应。工作在数字电路中的极管、 晶体管及M0S管大多数是工作在饱和区和截止区，它们的“导通”与“截止”相当于开关 的“接通”和“断开” 一、 二极管的开关特性 1.开关二极管的静态特性 二极管的伏安特性曲线是描述二极管两极间的电压与流过的电流之间的关系，如图 2.1所示。由图可知，当输入电压≥0.7V时，二极管导通；当输入电压<0.5V时，二极管 截止。即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，这就是二极管的单向导电性。二极 管正向导通，相当于开关的闭合：二极管反向载止，相当于开关的断开。二极管的静态特 性是指二极管在导通和戴止两种稳定状态下的特性。由于二极管具有单向导电性，所以 在数字电路中经常把它当作开关使用。 0507 2.4 图2.1硅二极管伏安特性曲线
第2章 基本门电路 2.4 二极管、晶体管的开关特性 在数字电路中，常用高、低电平来表示逻辑的“1”和“0”二值逻辑状态。而电平 “1”和“0”的输出，与开关的“开”与“关”逻辑相对应。工作在数字电路中的二极管、 晶体管及MOS管大多数是工作在饱和区和截止区，它们的“导通”与“截止”相当于开关 的“接通”和“断开”。 一、二极管的开关特性 1. 开关二极管的静态特性 二极管的伏安特性曲线是描述二极管两极间的电压与流过的电流之间的关系，如图 2.1所示。由图可知，当输入电压 ≥0.7V时，二极管导通；当输入电压 <0.5V时，二极管 截止。即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，这就是二极管的单向导电性。二极 管正向导通，相当于开关的闭合；二极管反向截止，相当于开关的断开。二极管的静态特 性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。 由于二极管具有单向导电性，所以 在数字电路中经常把它当作开关使用。 图2.1 硅二极管伏安特性曲线
第2章基本门电路 二极管、晶体管的开关特性 设二极管为理想的二极管，图2.2给出了二极管组成的开关电路图及等效电路酷。图 中 (a)为原理电路，(6)为三极管导通状态下的等效电路，（©）为三极管在截止状态下 的等效电路。 图22二极管开关电路及其等效电路 2.开关二极管的动态特性 工作在开关状态的二极管除了有导通和截止两种稳定状态外，更多地是在导通和截止 之间转换。二极管的动态特性就是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性。它 表现在完成两种状态之间的转换需要的时间。 2.5
第2章 基本门电路 2.5 二极管、晶体管的开关特性 设二极管为理想的二极管，图2.2给出了二极管组成的开关电路图及等效电路图。图 中，(a) 为原理电路，(b) 为二极管导通状态下的等效电路，(c) 为二极管在截止状态下 的等效电路。 图2.2 二极管开关电路及其等效电路 2. 开关二极管的动态特性 工作在开关状态的二极管除了有导通和截止两种稳定状态外，更多地是在导通和截止 之间转换。二极管的动态特性就是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性。它 表现在完成两种状态之间的转换需要的时间
第2章基本门电路 二极管、晶体管的开关特性 一、 概述 1.C650普通卧式车床的 图2.3为二极管开关的动态过程图。当输入电压波形从负值跳变到正值时，二极管从 反向截止到正向导通的时间称为开通时间。这段时间较短，一般可以忽略不计。当输入电 压波形从正值跳变到负值时，二极管截止。二极管由导通到截止的过程中，起始时在二极 管内产生了很大的反向电流I。。经过t。后，输出电流才接近正常反向电流1。，二极管 才进入截止状态。t,。是二极管从导通到截止所需时间，称为向恢复时间。一般指反向 电流从它的峰值衰减到峰值的什分之一所经历的时间。反向恢复时间t。对三极管开关的 动态特性有很大影响，是影响二极管开关速度的主要因素。若二极管两端输入电压的频率 过高，以致输入负电压的持续时间小于它的反向恢复时间时，二极管将失去它的单向导电 性。 2.6 图2.3二极管开关的动态过程 a)电路图
第2章 基本门电路 2.6 二极管、晶体管的开关特性 一、概述 1. C650普通卧式车床的 图2.3为二极管开关的动态过程图。当输入电压波形从负值跳变到正值时，二极管从 反向截止到正向导通的时间称为开通时间。这段时间较短，一般可以忽略不计。当输入电 压波形从正值跳变到负值时，二极管截止。二极管由导通到截止的过程中，起始时在二极 管内产生了很大的反向电流IR 。经过tre 后，输出电流才接近正常反向电流 Is，二极管 才进入截止状态。 tre 是二极管从导通到截止所需时间，称为反向恢复时间。一般指反向 电流从它的峰值衰减到峰值的十分之一所经历的时间。反向恢复时间tre 对二极管开关的 动态特性有很大影响，是影响二极管开关速度的主要因素。若二极管两端输入电压的频率 过高，以致输入负电压的持续时间小于它的反向恢复时间时，二极管将失去它的单向导电 性。 图2.3 二极管开关的动态过程
第2章基本门电路 二极管、晶体管的开关特性 晶体管的开关特性 1.双极型晶体管的工作状态 在工作时，由于晶体管有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称晶体管为双极型 晶体管。晶体管具有截止、放大和饱和三种工作状态。在数字电路中，晶体管主要工作在 截止和饱和状态，其作用相当于开关的“断开”和“闭合”。下面以NPN型晶体管开关电 路为例，简要分析一下双极型晶体管的工作情况。 共射极NPN型晶体管开关电路和输出特性曲线如图2.4所示当输入电压u1《0.TV时 晶体管的u小于开启电压，0，晶体管截止，对应输出特性曲线，晶体管工作截止区， 晶体管的基极发射极和集电极-发射极之间都相当于一个断开的开关。晶体管的这种工作 状态叫截止状态。其等效电路如图25()所示，输出电压%=：=V.RV。 当输入电压u≥0,7V时，晶体管的ue大于开启电压，基极与发射极间导通，u被 钳在0.TV,1。与iB之间存在e=所。的关系，4=4='-R。此时，如果输入u增加， 1。,1,相应增加，输出0和uc随之相应减小。对应输出特性曲线，晶体管工作在放大 区。晶体管的这种工作状态称为放大状态。 27
第2章 基本门电路 2.7 二极管、晶体管的开关特性 二、晶体管的开关特性 1. 双极型晶体管的工作状态 在工作时，由于晶体管有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称晶体管为双极型 晶体管。晶体管具有截止、放大和饱和三种工作状态。在数字电路中，晶体管主要工作在 截止和饱和状态，其作用相当于开关的“断开”和“闭合”。下面以NPN型晶体管开关电 路为例，简要分析一下双极型晶体管的工作情况。 共射极NPN型晶体管开关电路和输出特性曲线如图2.4所示。当输入电压 ui<0.7V时， 晶体管的uBE小于开启电压，iB=0 ，晶体管截止，对应输出特性曲线，晶体管工作截止区。 晶体管的基极-发射极和集电极-发射极之间都相当于一个断开的开关。晶体管的这种工作 状态叫截止状态。其等效电路如图2.5(a)所示。输出电压 。 当输入电压 ui≥0.7V时，晶体管的uBE大于开启电压，基极与发射极间导通， uBE被 钳在0.7V， ic与iB 之间存在 的关系， 。此时，如果输入ui增加， iB ，ic相应增加，输出 u0和 uCE随之相应减小。对应输出特性曲线，晶体管工作在放大 区。晶体管的这种工作状态称为放大状态。 u u V i R V o CE = = − cc c c cc i i C B = u u V i R o CE = = − cc c c
第2章基本门电路 二极管、晶体管的开关特性 ic/mA 50uA 5 包和区 放40A 30 20μ.4 10uA 5 7015 止 a)电路 工作状态图 图2.4共射极NPN型晶体管的开关电路和输出特性曲线 图2.5晶体管在开关电路中的等效电路 2.8
第2章 基本门电路 2.8 二极管、晶体管的开关特性 图2.4 共射极NPN型晶体管的开关电路和输出特性曲线 图2.5 晶体管在开关电路中的等效电路
X 第2章基本门电路 二极管、晶体管的开关特性 随输入电压山1增加，基极电流1B增加，i。也随之增加。当：增加到一定值配后 再增如，1。将不再有明显变化，不随基极电流13的增加而增加，即1。≠B:,此时 晶体管工作在饱和状态，对应输出特性曲线，晶体管工作在饱和区。此时，集电极一发射极 之间的电压差称为晶体管的饱和压降。在深度饱和状态下，硅管的饱和压降=O.3Y, 输出4==0.3V,其开关等效电路如图2.5(6)所示，晶体管工作在开关闭合状态。 2.双极型晶体管的动态特性 开关晶体管从饱和到截止和从截止到饱和都是需要时间的。开关晶体管从截止到饱和 所需要的时间称为开通时间，用t。表示；开关晶体管从饱和到截止所需要的时间称为关断 时间，用ttr表示，晶体管的开通时间t。和关断时间ttt一般在纳秒(s)数量级。开关晶 体管在截止状态和饱和状态之间转换时的过渡特性称为晶体管的动态特性。在动态情况下 由于晶体管内部电荷的建立与消散都需要一定的时间，因而晶体管集电极电流的变化将滞 后于晶体管输入电压1的变化。这样，晶体管开关电路的输出电压u0必然滞后于输入电 压的变化，如图2.6所示。这种滞后现象是由于晶体管基极与发射极之间及集电极与发 射极之间都存在结电容效应所致。 2.9
第2章 基本门电路 2.9 二极管、晶体管的开关特性 随输入电压 ui 增加，基极电流 iB 增加， ic 也随之增加。当iB 增加到一定值之后 再增加， ic 将不再有明显变化，不随基极电流 iB 的增加而增加，即 ic ≠βiB ，此时 晶体管工作在饱和状态，对应输出特性曲线，晶体管工作在饱和区。此时，集电极-发射极 之间的电压差称为晶体管的饱和压降。在深度饱和状态下，硅管的饱和压降 =0.3V， 输出 ≈0.3V，其开关等效电路如图2.5(b)所示，晶体管工作在开关闭合状态。 2. 双极型晶体管的动态特性 开关晶体管从饱和到截止和从截止到饱和都是需要时间的。开关晶体管从截止到饱和 所需要的时间称为开通时间，用ton表示；开关晶体管从饱和到截止所需要的时间称为关断 时间，用toff表示。晶体管的开通时间ton和关断时间toff 一般在纳秒(ns)数量级。开关晶 体管在截止状态和饱和状态之间转换时的过渡特性称为晶体管的动态特性。在动态情况下， 由于晶体管内部电荷的建立与消散都需要一定的时间，因而晶体管集电极电流 的变化将滞 后于晶体管输入电压 ui 的变化。这样，晶体管开关电路的输出电压 u0必然滞后于输入电 压 ui的变化，如图2.6所示。这种滞后现象是由于晶体管基极与发射极之间及集电极与发 射极之间都存在结电容效应所致。 VCE(sat) u u V o CE CE(sat) = =
X 第2章基本门电路 二极管、晶体管的开关特性 在大多数数字电路中，通过合理选择电路参数，可以使晶 十体管只工作在饱和状态和截止状态，放大状态只是一个过渡状 态。当然，要做到这二点，对输入电压的变化范围是有限制的， 否则可能会使晶体管工作在放大区。此外要说明的是开关晶体 管的开通时间t。加和关断时间t。tt的大小反映了晶体管由截止 到饱和与从饱和到截止的开关速度，它们是影响数字电路工作 速度的主要因素。 3.MOS管的开关特性 MOS管作为开关器件，同样工作在截止或导通两种状态下， 其作用相当于开关的“断开”和“闭合”。由于M0S管是电压控 药货异炎品为死盛芬标 图2.6开关晶体管的动态特性 MOS管的开关特性。 当输入信号小于MOS管的开启电压时，MOS管截止。只要负载电阻R,远小于MOS管 的截止内阻Rr,在输出端就输出高电平Vo阳，且m》加，此时，MOS管的D-S间就相当于 个断开的开关，其等效电路如图2.7(6)所示。 2.10
第2章 基本门电路 2.10 二极管、晶体管的开关特性 在大多数数字电路中，通过合理选择电路参数，可以使晶 体管只工作在饱和状态和截止状态，放大状态只是一个过渡状 态。当然，要做到这一点，对输入电压的变化范围是有限制的， 否则可能会使晶体管工作在放大区。此外要说明的是开关晶体 管的开通时间 ton 和关断时间 toff 的大小反映了晶体管由截止 到饱和与从饱和到截止的开关速度，它们是影响数字电路工作 速度的主要因素。 3. MOS管的开关特性 MOS管作为开关器件，同样工作在截止或导通两种状态下， 其作用相当于开关的“断开”和“闭合”。由于MOS管是电压控 制电流器件，所以主要由栅极与源极电压 决定其工作状态。 下面以增强型NMOS管构成的开关电路为例，如图2.7所示，分析 MOS管的开关特性。 图2.6 开关晶体管的动态特性 当输入信号 小于MOS管的开启电压 时，MOS管截止。只要负载电阻RD远小于MOS管 的截止内阻ROFF,在输出端就输出高电平VOH ,且 ,此时，MOS管的D-S间就相当于一 个断开的开关，其等效电路如图2.7(b)所示。 VGS VGS(th) V V OH DD »