《数电》48学时第03章_门电路-2010-09-29

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和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vccv0S2S1 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。1961年美国德克萨斯公司制成数字集成电路（Integration Circuits简称IC)，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。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)。 null CMOS集成电路出现于20世纪60年代后期，它最突出的优点在于功耗极低，所以非常适合于制作大规模集成电路。 随着CMOS制作工艺的不断进步，无论在工作速度还是在驱动能力上，CMOS电路都已经不比TTL电路逊色。因此，CMOS电路便逐渐取代TTL电路而成为当前数字集成电路的主流产品。 不过在现有的一些设备中仍旧在使用TTL电路。所以掌握TTL电路的基本工作原理和使用知识仍然是必要的。 本章简要介绍TTL和CMOS这两种目前使用最多的数字集成门电路。 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 二极管开关电路二极管的开关等效电路：二极管的开关等效电路：二极管的导通压降VON和正向电阻rD不能被忽略时理想开关二极管正向电压小于 Von电流近似为0二极管的动态电流波形：二极管的动态电流波形： 在动态情况下，即加到二极管两端的电压突然反向时，由于外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向导通电流的建立要稍微滞后一点。 当外加电压突然由正向变为反向时，因为PN结内尚有一定数量的存储电荷，所以有较大的瞬态反向电流流过，如图所示。随着存储电荷的消散，反向电流迅速衰减并趋近于稳态时的反向饱和电流。瞬态反向电流的大小和持续时间的长短取决于正向导通时电流的大小、反向电压和外电路电阻的阻．而且与二极管本身的特性有关。 反向电流持续的时间用反向恢复时间tre来定量描述。tre是指反向电流从它的峰值衰减到峰值的十分之一所经过的时间。数值在凡纳秒以内，所以用普通的示波器不容易看不到瞬态波形。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 为了便于理解，接着先介绍TTL门电路，（见教材109页） 后介绍CMOS门电路。3.5 TTL门电路 3.5.1双极型三极管的开关特性（BJT, Bipolar JunctionTransistor）3.5 TTL门电路 3.5.1双极型三极管的开关特性（BJT, Bipolar JunctionTransistor）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 管芯由三层P型和N型半导体结合在一起而构成．有NPN型和PNP型两种，它们的示意图如图。因为在工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称这类三报管为双极型三极管。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”。（深度饱和时VCE <0.2V) 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c—e间“断开” 。（Iceo<1μA）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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ：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。第一个实验六 、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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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Rpnull3.5.4 TTL反相器的动态特性 一、传输延迟时间 在TTL电路中，由于二极管和三极管从导通变为截止或从截止变为导通都需要一定的时间，而且还有二极管、三极管”，以及电阻、连接线等的寄生电容存在，所以把理想的矩形电压信号加到TTL反相器的输人端时，输出电压的波形不仅要比输入信号滞后，而且渡形的上升沿和下降沿也将变坏，如图所示。null 二、交流嗓声容限 由于TTL电路中存在三极管的开关时间和分布电容的充放电过程，因而输入信号状态变化时必须有足够的变化幅度和作用时问才能使输出状态改变。在输入信号为窄脉冲，而且脉冲宽度接近于门电路传辅延迟时间的情况下，为使输出状态改变所需要的脉冲幅度将远大于信号为直流时所需要的信号变化幅度。 输出高电平由额定值降至2.0V时输人正脉冲的幅度定义为正脉冲噪声容限。输出低电平由额定值上升至0.8V时输人负脉冲的幅度定义为负脉冲噪声容限。 TTL电路的交流噪声容限大于直流噪声容限 因为绝大多数的TTL门电路传输延迟时闻都在50 nS以内，所以当输人脉冲的宽度达到微秒的数量级时，在信号作用时问内电路已达到稳态，应将输入信号按直流信号处理。null 三、电源的动态尖峰电流 通过对TTL反相器电路的计算发现，在稳定状态下，输出电平不同时它从电源所取的电流也不一样。 动态情况下，特别是当输出电压由低电平突然转变成高电平的过渡过程中，从高电平跳变成低电平的瞬间T4尚未脱离饱和导通状态而T5已饱和导通，则电源电流的瞬时有很大的瞬时电流，使电源电流出现尖峰脉冲。 3.5.5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