数字系统设计
第2节 数字电路的基本型
更新于2008-08-29 10:32:19

数字电路,通常是组合数字IC构成的。而今天构成数字IC的主流是使用双极晶体管(通常说的晶体管就是指双极晶体管)的TTL(TransistorTransistor Logic,晶体管晶体管逻辑)IC和ECL(Emitter Coupled Logic,发射极耦合逻辑)IC以及使用MOS FET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)的CMOS(Complementary MOS,互补型MOS)IC。
本节介绍利用双极晶体管的饱和领域和断路领域的数字电路最基本的电路(称为数字基本电路)。TTL就是组合以上基本电路构成的。


1.2.1晶体管的开关工作

本节先就晶体管开关工作,加以简单阐述。
晶体管共发射极放大电路如图1.7所示。如图1.8所示那样,根据晶体管输出特性,可以引出负载线。这里设集电极电阻为RC,集电极电流为IC,集电极发射极之间电压为VCE,电源电压为VCC,它们就满足
VCE=VCC-RC·IC
的关系。也就是说,如果基极电流IB发生变化,操作点就与此同时在负载线上移动,根据其位置决定VCE和IC。譬如,IB为0.1mA时,操作点是A,VCE为10V,IC为2.8mA,IB为0.3mA时,操作点为C,VCE为4V,IC为10.6mA。


图1.7在集电极中加入负载的发射极接地电路

图1.8晶体管的输出特性与负载线


设IB为0时,其特性曲线与横轴基本一致,操作点为E。这时的IC用ICEO表示,即使在最恶劣的条件下(基极为开路)普通的硅晶体管只有1μA以下。因此,在E点上,可以看成VCE几乎等于VCC,IC几乎为零。这种状态与开关断开相同,成为断路状态(OFF:截止)。相反,形成重叠交流小信号放大的A、B、C、D点的状态称为有源状态。
如果IB不断增加,达到F点,在这里即使超过了IB,IC也基本上不增加了。这种状态下,基极和发射极间基本上同短路一样,这时IC最大,该最大的集电极电流ICmax接近VCC/RC,VCE接近于0V。称这种状态为饱和状态(ON:导通)。
解析晶体管时经常应用使h参数的等效电路。其中,开关操作经常利用直流电流放大率hFE。即
hFE=IC/IB
这是将小信号等效电路的hfe扩展到直流用而得到的。如图1.9所示,当给出基极集电极电流特性时,可以用从某个A点向原点引出的直线OA的斜率表示。相反,hfe是A点的切线的斜率。
如果使用在这种有源状态下的hFE,就可以定义断路状态IC=0,放大状态IC=hFEIB,饱和状态IC<hFEIB。


图1.9直流电流放大率(hFE)


如图1.10所示,晶体管从结构上可以等效地看作两个二极管的接合。在这种等效电路里,发射极接地,基极电压为VB,集电极电压为VC时,由VB和VC的大小关系,决定两个二极管为导通或截止。如图所示,VC>0≥VB表示处于断路状态,VC>VB>0表示处于有源状态,VB>Vc>0表示处于饱和状态。表1.1总结了晶体管开关工作的状态。图1.11等效地表示这些状态。


图1.10用两个二极管表示的晶体管工作


表1.1晶体管开关的状态
DBC       DBE         集电极电压和基极电压         集电极电流和基极电流     状态
OFF        OFF                  VC>0≥VB                         IB=IC=0                       断路状态
OFF         ON                   VC>VB>0                         IC=hFE·IB                有源状态
ON           ON                    VB>VC>0                        IC<hFE·IB                饱和状态


图1.11等价表示晶体管开关


1.2.2反相器

因为前一节的共发射极放大电路开关操作是利用断路状态和饱和状态的,所以其输入输出特性可以如图1.12所示。由图可见,阈电平为0.6~0.8V,输入信号电压若比阈电平高就为H,若比阈电平低就为L。而且,输入若为H,输出则为L;反之,输入若为L,输出就反转为H。
这个电路具有把偏离高低基准电平的信号再生成正确电平的振幅再生功能。具有这种功能的电路在数字电路中也称为放大器(amplifier),根据其特征,称这种电路为反相器(inverter)。因此,反相器是在数字信号时有带有噪声,时有信号减弱,而高电平和低电平渐渐接近阈电平致使难以识别时,为再生原来的高低电平而设置的,同时,依据在输入和输出中高和低反转这一性质,作为反转信号的逻辑功能利用。
图1.13是用晶体管制作的反相器的基本构成例。这种电路太简单,在实际应用中存在问题。不过,可以掌握反相器的性质。现在,设输入电压Vi为0V,晶体管的基极通过输入电阻RB 连接在一起。从图1.14所示的晶体管特性曲线来看,晶体管中基极电流没有流动,也就是说输出电压Vo与电源电压VCC相等。这种情况表明,晶体管处于截止(OFF)状态。这时输入的电压低,即表示L;输出的电压高,表示H。


图1.12晶体管开关的输入输出特性

图1.13晶体管反相器


其次,设输入电压Vi为5V,晶体管的基极通过RB流通基极电流。从图1.14可以了解到基极发射极之间不加某种程度的电压,基极电流就不流通。设Vi为5V,如图1.15所示,引出了RB=6.8kΩ的负载线。于是,可以从该图知道基极发射极间电压VBE约为0.7V,基极电流IB约为0.63mA。
该基极电流由下式求得:
IB=(Vi-VBE)/RB
其中,设VBE大致为0.7~0.65V,根据前面的特定曲线求出的数值相同。
另外,在这个电路上可以流动的最大集电极电流ICmax为:
ICmax=VCC/RC
所以,IC max≈5/330≈15.1mA。晶体管直流电流放大率hFE大致是40以上,因此根据上述的基极电流0.63mA,集电极电流就应该超过25mA。但实际上,集电极只有15.1mA。正如前一节介绍的那样,这是由于集电极电流饱和,不能超过15.1mA的缘故。在这种情况下,晶体管处于导通状态(ON),输入电压为H,输出电压为L。从以上的工作特性可知,反相器的输入电压和输出电压关系如图1.12所示。


图1.14晶体管基极-发射极间电压和集电极电流特性

图1.15输入电压5V时的特性


因为反相器利用晶体管,除了开关操作之外,还具有电流放大功能。晶体管一般都可以有基极电流的10倍以上的电流流入集电极,因此,用一个反相器就可以驱动10个以上的反相器,即可以控制分路。把这种分路数称为扇出(Fan Out)数。
如表1.2所示,反相器的输入H时,输出L,即非H;输入L时,输出H,即非L。因此,也有人将这种电路称为NOT电路。


1.2.3AND型电路

下面就如图1.16所示的由两个二极管构成的电路进行分析。假设这两个输入电压为高电压H(参见图1.16(a))。这样,这个电路除了电源电压VCC和输入电压H外没有其他电压源,所以输出电压就不可能比这两个电压低,也就是说两个二极管都处于截止状态。因为VCC看作H,则输出电压也被视为高(H)。


图1.16AND型电路的工作


其次,试想两个输入当中,一方为H,另一方为L的情况。如图1.16(b)所示,VCC和输入2的L之间存在电位差,因此通过电阻和二极管有电流流动,二极管被导通。这样一来,二极管正向下降的电压很少,输出电压比输入2的电平只上升二极管电压下降部分,因此,仍然看作L。如果考虑输入1侧的二极管,因为输入侧为H,输出侧为L,因此二极管出现逆方向电压,此时没有电流流动,即二极管被截止(OFF)。即使对调输入1和输入2的H和L,情况也完全相同,也就是说输入1侧的二极管变为导通,输入2侧的二极管变为截止。
若是双方的输入都为L的情况,如图1.16(c)所示,通过电阻的电流分别流进双方的二极管输入侧,何处电流多取决于输入低电平的电平值。很明显,在这种情况下,二极管双方都为导通,输出为低电平。
综上所述可知,这种电路中只有一个输入是低电平,连接在其输入上的二极管就为导通,输出为低电平。把这些工作列成表,如图1.17所示。这个电路使用两种符号,如图1.17(b)所示。使用哪种要依情况而定。这种符号称为MIL符号,关于该问题将在下一章详述。该符号省略了电源和地线。


图1.17AND型电路的工作表和MIL符号


由图可见,这个电路的输入1和输入2都为H,即“输入1 and输入2”只有都为H时,输出才为H。为此,该电路称为AND电路,本文特意起名为AND型电路。


1.2.4OR型电路

根据图1.18所示的电路,下面来做同前面的AND型电路一样的分析。设VEE为0V,可以看作是接地的,图1.18考虑了与图1.16一样的对称性,主要是指VEE是低电平。如图1.18(a)所示,两个输入电压为低电压L时,二极管两端不产生电位差,所以没有电流流动,处于截止状态。电路的电压源只有L,输出电压当然是L。


图1.18OR型电路的工作示意图


如图1.18(b)所示,不论任何一方,例如设输入1为H,输入1侧的二极管就为导通,通过二极管和电阻,电流从输入1流向VEE。因此输出为H。输入2侧二极管仍然为截止。输入1为L、输入2为H的情况也仅仅是对调导通、截止,与前面相同,输出并不改变。输入双方都为H的情况,二极管双方也都为导通,输出为H。如图1.19(a)所示。用MIL符号表示该电路时如图1.19(b)所示。该电路输入1或输入2为H,也就是说“输入1 or输入2”为H时,输出为H,所以称为OR电路,这里特意起名OR型电路。


图1.19OR型电路工作表和MIL符号


以上三种电路——反相器、AND型电路、OR型电路是基本的数字电路,通过组合这三种电路,原理上讲就可以构成所有的数字电路。但实际上,必须考虑高电平和低电平、工作速度、电流方向以及负载等电路特性。并不是简单地只要把这些电路连接起来,马上就可以构成实用的数字电路了。


1.2.5关于数字电路的符号

本书在描述数字电路时使用第2章详细论述的MIL符号。虽然逻辑元件的描述法按照IEC规范,但本书将逻辑功能的表现作为重点,因而未采用IEC规范。即使不了解IEC描述法,但学习了数字技术,并且掌握得比较全面的话,IEC规范应该是能够容易理解的。所以作者认为未必一定要利用IEC描述法进行论述。
关于IEC描述法将在第2章中有所涉及。

 

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