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1、數(shù)字電路及數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課件全解§2.1概述一、正邏輯與負(fù)邏輯正邏輯：用高電平表示邏輯1，用低電平表示邏輯0負(fù)邏輯：用低電平表示邏輯1，用高電平表示邏輯0正負(fù)邏輯之間存在著簡單的對偶關(guān)系，例如正邏輯與門等同于負(fù)邏輯或門等。在數(shù)字系統(tǒng)的邏輯設(shè)計中，若采用NPN晶體管和NMOS管，電源電壓是正值，一般采用正邏輯。若采用的是PNP管和PMOS管，電源電壓為負(fù)值，則采用負(fù)邏輯比較方便。今后除非特別說明，一律采用正邏輯。第二章門電路二、數(shù)字系統(tǒng)中所用的為兩值邏輯0和1，一般用高、低電平來表示，我們利用開關(guān)S獲得高、低電平。如圖1示：VI控制開關(guān)S的斷、通情況。S斷
2、開，VO為高電平；S接通，VO為低電平。使用的實際開關(guān)為晶體二極管、三極管以及場效應(yīng)管等電子器件。一、二極管伏安特性IS----二極管的反向飽和電流；k----玻爾茲曼常數(shù)1.381*10-23J/K；T----熱力學(xué)溫度；V----加到二極管兩端的電壓；q----電子電荷1.6*10-19C2.2半導(dǎo)體二極管和三極管的開關(guān)特性2.2.1半導(dǎo)體二極管開關(guān)特性二、二極管等效電路應(yīng)用于二極管外電路電阻R值與其動態(tài)rD電阻等量級場合應(yīng)用于二極管電路輸入電壓V正向幅值與VON差別不大，且R>>rD的場合，數(shù)字電路屬于此類應(yīng)用于二極管電路輸入電壓V正向峰值VPP
3、>>VON，且R>>rD的場合利用二極管的單項導(dǎo)電性，相當(dāng)于一個受外加電壓極性控制的開關(guān)。如圖示：假定：VIH=VCC,VIL=0二極管D的正向電阻為0，反向電阻為?（在數(shù)字電路中，為便于分析，取單一值：硅管0.7V，鍺管0.3V）則當(dāng)VI=VIH時，D截止，Vo=VOH=VCCVI=VLH時，D導(dǎo)通，VO=VOL=0導(dǎo)通條件及特點條件：VD>0.7V特點：相當(dāng)于0.7V電壓降的閉合開關(guān)截止條件及特點條件：VD<0.7V特點：相當(dāng)于完全斷開的開關(guān)三、二極管開關(guān)特性四、二極管動態(tài)特性（存儲電荷消散時間和結(jié)電容）外加電壓由反向突然變?yōu)檎驎r，要等到PN結(jié)內(nèi)
4、部建立起足夠的電荷梯度后才開始有擴散電流形成，即濃度梯度建立產(chǎn)生的延遲延遲時間由PN結(jié)正向動態(tài)結(jié)電容及其結(jié)電阻和外電路等效電阻形成的時間常數(shù)決定外加電壓由正向突然變?yōu)榉聪驎r，因PN結(jié)尚有一定數(shù)量的存儲電荷，所以有較大的瞬態(tài)反向電流流過。隨著存儲電荷的消散，反向電流迅速衰減并趨近于穩(wěn)態(tài)時的反向飽和電流延遲時間由PN結(jié)動態(tài)反向結(jié)電容及其反向結(jié)電阻和外電路等效電阻形成的時間常數(shù)決定2.2.2、晶體三極管開關(guān)特性一、穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性：晶體三極管工作于截止區(qū)時，內(nèi)阻很大，相當(dāng)于開關(guān)斷開狀態(tài)；工作于飽和區(qū)時，內(nèi)阻很低，相當(dāng)于開關(guān)接通狀態(tài)。輸入控制信號Vi為矩形電壓脈沖
5、，電源電壓Ec，負(fù)載電阻Rc共射晶體三極管的伏安特性如圖11三極管開關(guān)電路如圖10ViibVbeVo1.三極管輸入特性Vce=0V時，等效為2個正向二極管的并聯(lián)Vce>0V時，若Vbe一定，則發(fā)射電子能力一定，而集電極又有一定的電子收集能力，因此Ib必減小2.三極管輸出特性截止區(qū)：兩個PN結(jié)深度反偏，Vce<0V，Vbe<0V；Ib?0V，Ic?0V；一般地，Vbe<0.7V時，即認(rèn)為三極管截止放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；Vbe>VT，Vbc<0；此時Vbe稍增，必將較大增加Ie，而Ib稍增，Ic增加較大，即Ic較Ib增加許多倍飽和區(qū)：Vbe>VT
6、，Vbc>VT，均正向偏置；由于RC的存在，IC越大，VRC也越大，因此Vce到一定值后，基本不變。反偏狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加反向電壓；集電結(jié)加正向電壓。二、分區(qū)等效電路：（NPN晶體三極管）三、三極管的開關(guān)時間：三極管在理想情況下,其輸出電壓Vo應(yīng)重現(xiàn)輸入Vi的形狀,只是對其有放大和倒相作用。實際中，晶體三極管也是有惰性的開關(guān)，截止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不能在瞬間完成。1.晶體三極管從截止向飽和轉(zhuǎn)換的過渡過程：由延遲時間td和上升時間tr組成。即開啟時間ton=td+tr延遲時間td:從輸入信號正躍變開始，到集電極電流上升到0.1ics所需的時間。產(chǎn)生原因
7、是發(fā)射結(jié)位疊電容的正向充電過程。td的大小與晶體三極管的結(jié)構(gòu)有關(guān)，發(fā)射結(jié)面積越大，結(jié)電容面積也越大，td越長。另外，三極管截止深度越大，td越長。上升時間tr:集電極電流ic從0.1ics開始，上升到0.9ics所需的時間。產(chǎn)生原因是集電極電流的形成要求電子在基區(qū)中有一定的濃度梯度，由于基區(qū)中的電子有一個逐漸積累的過程，不會隨ib躍變而躍變。tr的大小與管子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，基區(qū)寬度越小，tr越小。外電路方面，基極正向驅(qū)動電流ib越大，則基區(qū)電子濃度分布建立越快，tr越短。通常td<8、關(guān)閉時間toff，由存儲時間ts與tf下降時間組成。toff=ts+tf存儲時間ts：從輸入信
