数字电子技术基础

第3章逻辑运算的电路实现 本章要点： 本章为本书基础章。学习本章应重点理解晶体管的开关特性，理解TTL电路结构及各种输出结构电路的特点，理解TTL电路的输入输出特性； 理解常用CMOS门电路构成特点，掌握CMOS集成逻辑门电路的特点； 初步理解用CMOS传输门和反相器构成逻辑电路的方法及利用硬件描述语言描述常用逻辑运算的方法。 3.1利用晶体管构成基本逻辑运算电路 逻辑运算是通过电路来实现的，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。显然，门电路是数字电路中*基本的逻辑元件，应用极为广泛。 用门来统一描述基本逻辑运算和复合逻辑运算比较形象。首先，门具有开、关两种状态，可用于表示0、1。此外，可以将它比作一个开关： 在一定的条件下允许信号通过，称门是打开的； 若条件不满足，信号就不能通过，称门是关闭的。 3.1.1二极管的开关特性及其门电路构成特点 可利用二极管构成门电路，当然，构成门电路的器件应具有开门、关门两种状态，可在开门、关门两种状态之间相互转换，这种特性称为开关特性。 1. 二极管的开关特性 二极管具有单向导电性，即正向导通、反向截止。当二极管理想时，二极管正向导通压降等于零，相当于短路。因此，当二极管正向导通时，相当于一个接通的开关，信号允许通过，相当于开门。当二极管反向截止时，由于理想二极管反向截止电阻无穷大，反向截止电流为零，此时，二极管相当于一个断开的开关，信号不允许通过，相当于关门。 可见理想二极管的导通、截止两种状态相当于开关接通、断开两种状态，可当作开关使用。 与理想二极管相比，实际二极管正向导通压降不等于零，反向截止电流I0也不为零。但当实际二极管反向截止时，由于反向截止电阻R0很大，在数字电平作用下，反向截止电流I0很小，可以忽略； 当实际二极管正向导通时，虽然导通压降不等于零，但与数字电路高、低电平相比，比较小，不影响数字电平的高、低状态。由此可知，二极管可以当作开关元件使用。而数字电路就是利用晶体二极管的开关作用进行工作的。 当然，实际二极管从反向截止转换到正向导通、从正向导通转换到反向截止均需要时间。也就是说，二极管作为一个开关，其接通与断开均需要时间。一般情况下，二极管的接通时间很短，它对开关速度的影响很小，一般可以忽略不计。开关二极管的断开时间大约在纳秒(ns)数量级，在大多数应用场合下，均能满足要求。 2. 二极管与门 如图3.1.1所示为二极管与门电路(UCC=10V)，A、B是它的两个输入端， 图3.1.1二极管与门 Y是它的输出端注： 本书A、B、Y等既指输入端、输出端，又指输入信号、输出信号，且多处交叉，统一作斜体处理。。 (1) 电压关系表。 假定输入端有一个为低电平(电平可理解为电位，习惯上用V表示，本书中统一用U表示高、低电平等各种电平，其含义为该电平与零电位点的电压差，设UA=0V)，因为UA=0V，则DA管优先导通，有 UY=0.7V 又因为UY=0.7V，UB=3V，所以DB管截止。 若输入端全部为高电平(UA=UB=3V)，因为UA=UB=3V，则DA、DB管均导通，有 UY=3.7V 将电路输入和输出的电压关系用表格表示，可得到表3.1.1。 (2) 设定变量、状态赋值、列真值表。 用A、B、Y分别表示UA、UB、UY，用正逻辑表示，即用0表示低电平，用1表示高电平，则表3.1.1可转换成表3.1.2。由表3.1.2看出，这是与逻辑真值 表。由于图3.1.1所示电路是由二极管组成的，所以称为二极管与门电路。 表3.1.1与门电路的电压关系 UA/VUB/VUY/V 000.7 030.7 300.7 333.7 表3.1.2与门的真值表 ABY 000 010 100 111 3. 二极管或门 如图3.1.2所示为二极管或门电路，A、B是它的两个输入端，Y是它的输出端。 图3.1.2二极管或门 (1) 电压关系表。 假定输入端有一个为高电平(设UA=3V)，因为UA=3V，则DA管导通，有 UY=2.3V 又因为UY=2.3V、UB=0V，所以DB管截止。 若输入端全部为高电平(UA=UB=3V)，因为UA=UB=3V，则DA、DB管均导通，有 UY=2.3V 类似地，若输入端全部为低电平(UA=UB=0V)，因电源为负值，DA、DB管依旧导通，UY=-0.7V。 将电路输入和输出的电压关系用表格表示，可得到表3.1.3。 (2) 设定变量、状态赋值、列真值表。 用A、B、Y分别表示UA、UB、UY，用正逻辑表示，即用0表示低电平，用1表示高电平，则表3.1.3可转换成表3.1.4。由表3.1.4看出，这是或逻辑真值表。 表3.1.3或门电路的电压关系 UA/VUB/VUY/V 00-0.7 032.3 302.3 332.3 表3.1.4或门的真值表 ABY 000 011 101 111 读者可通过图3.1.1和图3.1.2自行总结二极管门电路的连接特点。 3.1.2三极管的开关特性及其非门电路 1. 三极管的开关特性 三极管包括： 三个区，即发射区、基区、集电区； 三个极，即发射极(E极)、基极(B极)、集电极(C极)； 两个结，即发射结、集电结。 从工艺上看，三极管有这样的特点： 发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质浓度低，集电区面积大。 三极管是一个电流控制器件，其内部结构是非常复杂的,可通过如图3.1.3所示仿真图来理解三极管的电流控制特性。 图3.1.3三极管电流控制特性仿真图 图3.1.3(a)中，将三极管B极悬空(输出为0mA的电流源等同于悬空)，C、E两极通过电阻接在6V电源上，测量结果显示流过的电流不到1μA。分析电路，三极管C、E两极相当于两个背靠背的二极管(图3.1.4)，由二极管的单向导电性，C、E两极没有电流流过。 图3.1.4三极管电流控制特性实验电路 可见当无控制电流产生时，三极管截止，无输出电流，三极管工作在截止区。 图3.1.3(b)图中，将三极管B极接0.02mA的电流源，C、E两极有电流流过，大小为2mA。 流过B极的电流称为基极电流，流过C极的电流称为集电极电流，流过E极的电流称为发射极电流。在三极管电路中，基极电流相当于一个控制信号，当基极电流流过基区时，改变了三极管内部导电载流子的分布，在发射结、集电结间形成了一个导电通路，C、E两极有电流流过，这便是三极管的电流控制特性。 当控制电流大小适中时，控制电流可有效控制输出电流，输出电流与控制电流保持线性比例关系，三极管工作在放大区(图3.1.3(b)、(c))。 显然，因电源功率等因素限制，输出电流不可能无限增长。当IB达到一定值以后，若基流IB继续增加，则集电极电流IC基本上不再变化，UCE也基本不再变化，而且降到了很小数值。由于IB失去了对IC的控制作用，三极管也就失去了放大作用。这种现象称为饱和现象。 可见，三极管具有截止、放大、饱和3种工作状态。 当发射结处于反向偏置、集电结也处于反向偏置时，三极管可靠截止。当三极管处于截止状态时，三极管C、E两极没有电流流过，相当于开关断开。 当发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置时，三极管中的电流IB和IC近似于成正比的关系，三极管处于放大工作状态。 晶体三极管工作于饱和状态时的特征为： 发射结和集电结都处于正向偏置。 当三极管饱和时，C、E两极可流过较大的电流，相当于开关闭合。 可见，三极管可以当作开关使用。而数字电路就是利用晶体三极管的开关特性进行工作的。 饱和时，B、E间的电压记为UBES，称为饱和时的基射电压； C、E间的电压记为UCES，称为饱和时的集射电压。对于NPN硅管而言，UBES=0.7V，UCES=0.3V。饱和时的集电极电流记为ICS，称为集电极饱和电流。 对如图3.1.5所示的实验电路，ICS由下式决定： ICS=(UCC-UCES)/ RC≈ UCC/ RC 三极管刚刚出现饱和现象时的基流称为临界饱和基流，记为IBS。且有 IBS=(UCC-UCES)/βRC 可总结三极管的饱和条件为 IB≥IBS(3.1.1) 【例3.1.1】在如图3.1.6所示电路中，UCC=12V，UBB=12V，R1=1.2kΩ， R2=10kΩ，RC=1kΩ，β=30，输入电压UI分别为UIH=3V，UIL=0.3V。试问晶体三极管处于何种工作状态？