《数电》48学时第03章_门电路-

null第三章 门电路第三章 门电路3.1 概述3.1 概述 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路。如与门、与非门、或门 ······ 门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理图３.１.１　（ａ）单开关电路获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理图３.１.１　（b）互补开关电路 在电子电路中，用高、低电平分别表示二值逻辑的l和0两种逻辑状态 。 能通过输人信号Vl控制三极管工作在截止和导通两个状态，它们就可以起到图中开关S的作用。 正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1 在电子电路中，用高、低电平分别表示二值逻辑的l和0两种逻辑状态 。 能通过输人信号Vl控制三极管工作在截止和导通两个状态，它们就可以起到图中开关S的作用。 正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1高/低电平都允许有一定的变化范围 只要能够区分出高低电平即可null 在最初的数字逻辑电路中，每个门电路都是用若干个分立的半导体器件和电阻、电容连接而成的。用这种单元电路组成大规模的数字电路是非常困难的，随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺水平的不断提高，今天已经能把大量的门电路集成在一块很小的半导体芯片上，构成功能复杂的“片上系统”。为数字电路的应用开拓了无限广阔的天地。 数字逻辑电路分类 从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型、单极型和混含型三种。 在数字集成电路发展的历史过程中，首先得到推广应用的是双极型的TTL电路。 但是TTL电路存在着一个严重的缺点，它的功耗比较大。由于这个原因，用TTL电路只能作成小规模集成电路(Small Scale Integration，简称SSl，其中仅包含l0个以内的门电路)和中规模集成电路(Medium Scale Integration，简称MSl，其中包含l0一100个门电路)，而无法制作成大规模集成电路(LargeScale Integration，简称LSl，其中包含1000—10000个门电路)和超大规模集成电路(Very Large Scale Integration，简称VLSl，其中包含10000个以上的门电路)。3.2半导体二极管门电路3.2半导体二极管门电路二极管的结构： PN结 + 引线 + 封装构成 二极管的特性：单向导电性 导通后压降固定不变（钳位）3.2.1二极管的开关特性：3.2.1二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0 VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V 二极管的开关等效电路：二极管的开关等效电路：二极管的动态电流波形：二极管的动态电流波形：null3.2.2 二极管与门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V 规定3V以上为10.7V以下为03.2.3 二极管或门3.2.3 二极管或门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V 规定2.3V以上为10V以下为0二极管构成的门电路的缺点二极管构成的门电路的缺点电平有偏移 带负载能力差 只用于IC内部电路3.5 TTL门电路 3.5.1双极型三极管的开关特性 （BJT, Bipolar Junction Transistor） 3.5 TTL门电路 3.5.1双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的结构 管芯 + 三个引出电极 + 外壳null基区薄 低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂二、双极型三极管（NPN）的输入输出特性二、双极型三极管（NPN）的输入输出特性VON ：开启电压 硅管，0.5 ~ 0.7V 锗管，0.2 ~ 0.3V 近似认为: VBE < VON iB = 0 VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定 图3.5.2 (a) 输入特性曲线 三极管的输入特性 三极管的输出特性 三极管的输出特性固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线图3.5.2 (b) 输出特性曲线null特性曲线分三个部分 放大区：条件VCE > 0.7V, iB >0, iC随iB成正比变化， ΔiC=βΔiB。 饱和区：条件VCE < 0.7V, iB >0, VCE 很低，ΔiC 随ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c—e间“断开” 。三、双极型三极管的基本开关电路三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL 工作状态分析：工作状态分析：工作状态分析：工作状态分析：图解法求输出Vo：图解法求输出Vo：三、双极型三极管的基本开关电路三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL 四、三极管的开关等效电路四、三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态五、动态开关特性五、动态开关特性从二极管已知，PN结存在结电容效应。 在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。六 、三极管反相器六 、三极管反相器三极管的基本开关电路就是非门 实际应用中，为保证 VI=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压。 参数合理？ VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL 例3.5.1：计算参数设计是否合理例3.5.1：计算参数设计是否合理5V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩβ=20 VCE(sat) = 0.1VVIH=5V VIL=0V例3.5.1：计算参数设计是否合理例3.5.1：计算参数设计是否合理将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路null当 当 又 因此，参数设计合理null3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构 二、电压传输特性二、电压传输特性阈值电压或门槛电压 转折区中点对应输入电压 二、电压传输特性二、电压传输特性null需要说明的几个问题： 三、输入噪声容限三、输入噪声容限3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性null二、输出特性 1. 高电平输出特性null二、输出特性 2. 低电平输出特性0.2V 16mA 3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性例：扇出系数（Fan-out）， 试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。null三、输入端负载特性Rp3.5.5其他类型的TTL门电路3.5.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路 1. 与非门2. 或非门2. 或非门3.与或非门4. 异或门4. 异或门二、集电极开路的门电路二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性 ① 输出电平不可调 ② 负载能力不强，尤其是高电平输出 ③ 输出端不能并联使用 OC门2、OC门的结构特点2、OC门的结构特点OC门实现的线与OC门实现的线与3、外接负载电阻RL的计算3、外接负载电阻RL的计算3、外接负载电阻RL的计算3、外接负载电阻RL的计算3、外接负载电阻RL的计算3、外接负载电阻RL的计算三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）三态门的用途三态门的用途(1) 总线结构 (2) 数据双向传输 2.4.5 TTL电路的改进系列 （改进指标： )一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 电路的改进 (1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro） (2)减少各电阻值 2. 性能特点 速度提高 的同时功耗也增加 2.4.5 TTL电路的改进系列 （改进指标： )二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）电路改进 采用抗饱和三极管 用有源泄放电路代替74H系列中的R3 减小电阻值 2. 性能特点 速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大 null三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL） · · · 2.5 其他类型的双极型数字集成电路* DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用 HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代 ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统 I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路 · · ·3.3 CMOS门电路3.3 CMOS门电路增强型 耗尽型 3.3 CMOS门电路 一、MOS管的开关特性3.3 CMOS门电路 一、MOS管的开关特性N沟道增强型：VGS >+VGS (th), D-S间形成导电沟道 P沟道增强型：VGS <-VGS (th), D-S间形成导电沟道二、输入特性和输出特性二、输入特性和输出特性输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。 输出特性： iD = f (VDS) 对应不同的VGS下得一族曲线 。 可变电阻区 恒流区 截止区 三、MOS管的基本开关电路三、MOS管的基本开关电路四、等效电路四、等效电路OFF ，截止状态 ON，导通状态3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构二、电压、电流传输特性二、电压、电流传输特性三、输入噪声容限三、输入噪声容限3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性一、输入特性二、输出特性二、输出特性二、输出特性二、输出特性二、漏极开路的门电路（OD门）二、漏极开路的门电路（OD门）null三、 CMOS传输门及双向模拟开关三、 CMOS传输门及双向模拟开关1. 传输门2. 双向模拟开关2. 双向模拟开关利用CMOS传输门还可以实现各种复杂的逻辑电路， 如：异或门，计数器，寄存器等等。四、三态输出门四、三态输出门三态门的用途三态门的用途