数字电子技术第五版教案-第二章-高教版dch24.pptx

12.4.1 基本的基本的BJT反相器的动态性能反相器的动态性能TTL反相器的产生反相器的产生:若考虑基本反相器负载电容若考虑基本反相器负载电容CL的影响，在反相器输出电压的影响，在反相器输出电压 O由由低向高低向高过渡时，电路由过渡时，电路由VCC通过通过Rc对对CL充电。充电。vccRcTCL 反之，当反之，当 O由由高向低高向低过渡时，过渡时，CL又将通过又将通过BJT放电。放电。CL的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压电压 O波形的上升时间和下降时间，导致基本的波形的上升时间和下降时间，导致基本的BJT反相反相器的开关速度不高。故需寻求更为实用的器的开关速度不高。故需寻求更为实用的TTL电路结构。电路结构。21.TTL反相器的基本电路反相器的基本电路2.TTL反相器的工作原理反相器的工作原理3.采用输入级以提高工作速度采用输入级以提高工作速度 4.采用推拉式输出级以提高开关速度采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力和带负载能力2.4.2 TTL反相器反相器31.TTL反相器的基本电路反相器的基本电路 Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1+vI T3+vO 负载 Re2 1K W VCC(5V)输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级 2.4.2 TTL反相器反相器42.TTL反相器的工作原理反相器的工作原理（1）当输入为低电平）当输入为低电平（I=0.2 V）0.9V 0.2V OVCCVBE4VD 50.70.7=3.6V I低电平低电平(0.2V)T1深饱和深饱和T2截止截止T3截止截止T4放大放大 O高电平高电平（3.6V）2.4.2 TTL反相器反相器52.TTL反相器的工作原理反相器的工作原理 当输入为高电平（当输入为高电平（I=3.6 V）3.6V 4.3V 2.1V 1.4V 0.2V I全为高电平全为高电平(3.6V)T1倒置放大倒置放大T2饱和饱和T3饱和饱和T4截止截止 O低电平低电平0.2V）2.4.2 TTL反相器反相器63.采用输入级以提高工作速度采用输入级以提高工作速度（1）当）当TTL反相器反相器 I由由3.6V变变0.2V的瞬间的瞬间 0.9V1.4V T1管的变化先于管的变化先于T2、T3管的变化；管的变化；T1管管Je正偏、正偏、Jc反偏，反偏，T1工作在放大状态。工作在放大状态。T1管射极电流管射极电流 1 iB1很很快地从快地从T2的基区抽走多的基区抽走多余的存储电荷余的存储电荷,从而加从而加速了状态转换。速了状态转换。2.4.2 TTL反相器反相器74.采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当输出为低电平时，当输出为低电平时，T3处于深处于深度饱和状态，度饱和状态，T4截止，截止，T3的集的集电极电流可以全部用来驱动负电极电流可以全部用来驱动负载。载。输出为高电平时，输出为高电平时，T3截止，截止，T4组成的电压跟随器的输出电阻组成的电压跟随器的输出电阻很小，所以输出高电平稳定，很小，所以输出高电平稳定，带负载能力也较强。带负载能力也较强。3.6V 2.1V 1.4V 0.2V 0.9V 0.2V 3.6V2.4.2 TTL反相器反相器波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后，波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后，CL很快放很快放电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。输出端接有负载电容输出端接有负载电容CL时，在时，在 输出由低到高跳变的瞬间，输出由低到高跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小，使输出充电，其时间常数很小，使输出8 2vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V.48 V 0.2V 1 2 E D C B A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V I很低，很低，T1的发射结为正的发射结为正向偏置。向偏置。T1饱和使饱和使T2、T3截止，同时截止，同时T4和和D导通。导通。O=3.6V。I=B，T1仍维持饱和。但仍维持饱和。但 B2=C1增大使增大使T2的发射结刚好正偏。的发射结刚好正偏。B2=I+VCES，I(B)=VFVCES=0.6V0.2V0.4V CD段：当段：当 I的值继续增加的值继续增加C点后，点后，使使T3饱和导通，饱和导通，O 0.2V I(D)=BE3+BE2 CES1 =(0.7+0.70.2)V=1.2V 当当 I的值从的值从D点再继续增加时，点再继续增加时，T1将进入倒置放大状态，保持将进入倒置放大状态，保持 O=0.2V B2=I，BC段段的的斜斜率率为为d O/d I=Rc2/Re2=1.6。I B时，由时，由T1的集电极供给的集电极供给T2的基极电流，但的基极电流，但T1仍保持为仍保持为饱和状态。在饱和状态。在BC段内，段内，T2对对 I的增量作线性放大的增量作线性放大:*2.4.3 TTL反相器的传输特性反相器的传输特性92.4.4 TTL与非门与非门1.TTL与非门电路与非门电路多发射极多发射极BJT A B&BAL=T1 e e e e b b c c 102.TTL与非门电路的工作原理与非门电路的工作原理 任一输入端为低电平时任一输入端为低电平时:T1的发射结正向偏置而导通，的发射结正向偏置而导通，T2截止。输出为高电平。截止。输出为高电平。TTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态 VCC(5V)Rc 4 130 Rc2 1.6k Rb 2 1.6k T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k D IT1T2T3T4 O输入全为输入全为高电平高电平(3.6V)倒置使用的倒置使用的放大状态放大状态饱和饱和 饱和饱和 截止截止 低电平低电平（0.2V）输入有低输入有低电平电平(0.2V)深饱和深饱和截止截止 截止截止 放大放大 高电平高电平（3.6V）只有当全部输入端为高电平时：只有当全部输入端为高电平时：T1将转入倒置放大状态，将转入倒置放大状态，T2和和T3均饱和，输出为低电平。均饱和，输出为低电平。2.4.4 TTL与非门与非门11 vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V 2.48 V 0.2V 1 2 E D CB A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V 各种类型的各种类型的TTL门电路，门电路，其传输特性大同小异其传输特性大同小异。VOHVO(A)3.6V VOLVCES 0.2VVIL VI(B)0.4VVIH VI(D)1.2V1、TTL与非门传输特性与非门传输特性2、输入、输出的高、输入、输出的高、低电压低电压 2.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数123.TTL与非门噪声容限与非门噪声容限 输入噪声容限输入噪声容限:输入高电平的噪声容限为输入高电平的噪声容限为 VNH=VOH(min)VIH(min)1 驱动门驱动门 vo 1 负载门负载门 vI 噪声噪声 1输出输出 1输入输入 0输入输入 0输出输出 vo vI+VDD 0 VNH VOH(min)VIH(min)VNL VOL(max)VIL(max)+VDD 0 输入低电平的噪声容限为输入低电平的噪声容限为 VNL=VIL(max)VOL(max)当电路受到干扰时，在保证输出高、低电平基本不变当电路受到干扰时，在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。的条件下，输入电平的允许波动范围。2.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数13 4.扇入与扇出系数扇入与扇出系数 扇入数扇入数:取决于门的输入端的个数取决于门的输入端的个数 扇出数扇出数:带同类门的个数。带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载有带灌电流负载和拉电流负载两种情况两种情况:负载门负载门驱动门驱动门0 VCC(5V)Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D 当负载门的个数增加时，总的当负载门的个数增加时，总的灌电流灌电流IIL将增加将增加,引起输出低引起输出低电压电压VOL的升高。的升高。带灌电流负载：输出低电平时。带灌电流负载：输出低电平时。IILIOL2.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数101&141&4.扇入与扇出系数扇入与扇出系数 扇入数扇入数:取决于门的输入端的个数取决于门的输入端的个数 扇出数扇出数:带同类门的个数。带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载有带灌电流负载和拉电流负载两种情况两种情况:负载门负载门驱动门驱动门1 VCC(5V)Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D 2.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数01带拉电流负载：门输出高电平时带拉电流负载：门输出高电平时当负载门的个数增多时，必将当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低。引起输出高电压的降低。IIHIOH15例例 查得基本的查得基本的TTL与非门与非门7410的参数如下：的参数如下：IOL16mA，IIL1.6mA，IOH0.4mA，IIH0.04mA.试计算其带同类门时的试计算其带同类门时的扇出数。扇出数。解：解：(1)低电平输出时的扇出数低电平输出时的扇出数 (2)高电平输出时的扇出数高电平输出时的扇出数若若NOLNOH，则取较小的作为电路的扇出数。，则取较小的作为电路的扇出数。例题：例题：扇出数计算举例扇出数计算举例2.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数16 电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。入波形延迟了多长的时间。5.传输延迟时间传输延迟时间 输入输入 同相同相 输出输出 反相反相 输出输出 50%tPLH 50%90%10%tr tPLH 90%50%10%tf 50%tPLH tPLH 90%50%10%tf 90%50%10%tr VOL VOH VOL VOH 0V VCC 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tPdtPLH 为门电路输出由为门电路输出由低电平低电平转换到转换到高电平高电平所经历的时间所经历的时间;tPHL为由为由高电平高电平转换到转换到低电平低电平所经历的时间。所经历的时间。(tPLHtPHL)/2 表征门电路开关速度的参数表征门电路开关速度的参数176.功耗与延时功耗与延时 功耗积功耗积1 1、功耗分为、功耗分为:静态功耗：静态功耗：动态功耗：动态功耗：对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。2 2、延时、延时 功耗积功耗积DP=tpdPD2.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数指的是当电路没有状态转换时的功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗是在门的状态转换的瞬间的功耗。是在门的状态转换的瞬间的功耗。是一综合性的指标，是一综合性的指标，用用DP表示，其单位为焦耳。表示，其单位为焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。181.TTL或非门或非门 2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路R1A R1 R1B R4 VCC T1A T2A T2B B D T3 R3 T4 AT1BL19 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T4 1.TTL或非门或非门 TTL或非门的逻辑电路或非门的逻辑电路若二输入端为低电平若二输入端为低电平 0.9 v0.2 v0.2 v0.9 v3.6V 2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路201.TTL或非门或非门 若若A、B两输入端都为高电平两输入端都为高电平 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T4 2.1 v3.6 v3.6v2.1 v0.3V 问题：若问题：若A、B两输入端中有一个为高电平，输出两输入端中有一个为高电平，输出L=?2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路212.集电极开路门集电极开路门(Open Collector Gate)vOHvOLX2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路222.集电极开路门集电极开路门 TTL 电路电路 TTL 电路电路 D C B A T1 T2 VCC RP L A B C D&)()(CDABL=VCC(5V)Rc 4 130 W Rc2 1.6k W Rb2 1.6k W T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k W D 2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路23 集电极开路门上拉电阻集电极开路门上拉电阻Rp 的计算的计算 TTL 电路 TTL 电路 D C B A T 1 T 2 VCCL R P 在极限情况，上拉电阻在极限情况，上拉电阻Rp具有限具有限制电流的作用。以保证制电流的作用。以保证IOL不超过额不超过额定值定值IOL(max)，故必须合理选用，故必须合理选用Rp的值。的值。另一方面，另一方面，Rp的大小影响的大小影响OC门门的开关速度，的开关速度，Rp的值愈大，因而的值愈大，因而开关速度愈慢开关速度愈慢 Rp(min)2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路24集电极开路门上拉电阻集电极开路门上拉电阻Rp 的计算举例的计算举例 例例2.4.2 设设TTL与非门与非门74LS01(OC)驱动八个驱动八个74LS04(反相器反相器)，试确定一合适大小的上拉电阻试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设，设VCC5V。解：从器件手册查出得：解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL=400 A，VIH(min)=2V，IIH=20 A。IIL(total)=400 A8=3.2mA得得 VCC=5V，IIH(total)=20 A8=0.16mA。Rp的值可在的值可在985 至至18.75k,之间选择之间选择,可选可选1k 的电阻器为宜。的电阻器为宜。所以所以 2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路25集电极开路门的缺点：集电极开路门的缺点：由于由于OC门输出不是推拉式门输出不是推拉式(Totem)结构，电路结构，电路的上升延迟很大，这是因为：的上升延迟很大，这是因为：T3退出饱和状态很慢；退出饱和状态很慢；对输出负载电容的充电电流只能通过外接的对输出负载电容的充电电流只能通过外接的RL来提供。因此，输出波形的上升沿时间很来提供。因此，输出波形的上升沿时间很大。大。2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路26 3.三态与非门三态与非门(TSL)三态钳位电路三态钳位电路 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R66 VCC D3.6V1.4V0.7V当当CS=1时时CS数据输入端数据输入端输出端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表三态与非门真值表=AB2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路27 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R66 VCC D当当CS=0时时0.2V0.9V低电平低电平0.9V开路开路CS数据输入端输出端LAB10010111011100高阻高阻 3.三态与非门三态与非门(TSL)三态与非门真值表三态与非门真值表 AB CS&L 高电平使能高电平使能=高阻状态高阻状态与非功能与非功能 ZL ABLCS=0_CS=12.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路28另一种形式的三态与非门：另一种形式的三态与非门：CS数据输入端输出端LAB00010111011101高阻高阻 3.三态与非门三态与非门(TSL)三态与非门真值表三态与非门真值表 低电平使能低电平使能=高阻状态高阻状态与非功能与非功能 ZL ABLCS=1_CS=0 AB CS&L 2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路29三态与非门的应用：三态与非门的应用：两个三态门和总线相连两个三态门和总线相连电路电路1、2只能有一个处于正常态只能有一个处于正常态 若要求若要求D1向向BUS传送，则应有：传送，则应有：若要求若要求D2D2向向BUSBUS传送，则应有：传送，则应有：1BUS22.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路30三态与非门的应用：双向传输三态与非门的应用：双向传输当当CS=0时，门时，门1工作，门工作，门2禁止，数据从禁止，数据从A送到送到B；当当CS=1时，门时，门1禁止，门禁止，门2工作，数据从工作，数据从B送到送到A。2.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路