數(shù)字電子技術(shù)學(xué)習(xí)

1、第三章 邏輯門電路31、邏輯門電路簡介311、CMOS系列 4000系列：早期產(chǎn)品 4000B系列：功耗低，工作電壓寬，抗干擾能力強，但工作速度慢，與TTL不兼容。74HC/74HCT系列：與4000B相比，其工作速度快，帶負載能力強； 其中74HCT系列與TTL兼容，可與之替換使用。74VHC/74VHCT系列：工作速度為74HC/74HCT的兩倍。 54系列：引腳編號與邏輯功能與74系列基本相同，但54系列為軍品， 適用的溫度范圍更寬。74LVC系列：屬于第電壓系列。 74AUC系列：屬于超低電壓系列。312、BiMOS 雖然CMOS為數(shù)字邏輯電路主流的工藝技術(shù)，但CMOS系列不能應(yīng)用與射

2、頻和模擬電路場合，BiMOS成為射頻技術(shù)使用最多的工藝技術(shù)。BiMOS技術(shù)將BJT的高速性能和高驅(qū)動能力，以及CMOS的高密度、低功耗、低成本等優(yōu)點結(jié)合起來，使用在數(shù)字以及模擬集成電路。BiMOS技術(shù)主要用于高性能集成電路。313、TTL和ECL系列 TTL和ECL系列是目前使用的兩種雙極型數(shù)字集成電路。 3131、TTL系列 TTL是應(yīng)用最早以及技術(shù)比較成熟的集成電路。但普通TTL電路并不能滿足低功耗的要求，逐步退出主導(dǎo)地位。新型TTL使用肖特基勢壘二極管(BSD)，以避免BJT工作在飽和狀態(tài)，從而提高工作速度。74系列：最早的TTL門電路。 74H系列：工作速度提高，同時功耗增加。 74L

3、系列：功耗降低，但工作速度也降低。 74S系列：使用肖特基晶體三極管，工作速度和功耗均得到改善。 74LS系列：速度與74系列相當(dāng)，功耗為74系列的1/5。廣泛應(yīng)用于中、小規(guī)模集成電路。74AS系列：與74S系列相比，功耗相當(dāng)，但速度提高了兩倍。 74ALS系列：比74LS系列的速度和功耗都有改進。 74F系列：速度和功耗介于74AS系列與74ALS系列之間。廣泛應(yīng)用于速度要求比較高的邏輯電路。3132、ECL系列 基本器件為差分對管。 ECL電路中晶體三極管不工作在飽和區(qū)，它不像飽和型的TTL電路中，晶體三極管作為開關(guān)需要在飽和區(qū)和截止區(qū)中切換（其退出飽和區(qū)需要的時間比較長），所以工作速度極

4、高。但ECL 器件功耗比較高，不適合使用在大規(guī)模集成電路中。主要使用在高速或者超高速的數(shù)字系統(tǒng)中。314砷化鎵半導(dǎo)體材料 由于砷化鎵器件中載流子的遷移率非常高，因而其工作速度比硅器件快很多，同時具有功耗低以及抗輻射的特點，在光纖通信、移動通信以及全球定位系統(tǒng)中為首選電路。32、MOS邏輯門電路321、邏輯電路的一般特性 1、輸入輸出高低電平 輸入低電平的上限值VIL(MAX) 輸入高電平的下限值VIH(MIN) 輸出低電平的上限值VOL(MAX) 輸出高電平的下限值VOH(MIN) 2、噪聲容限噪聲容限表示門電路的抗干擾能力，允許輸入信號有一定的容差，稱最大噪聲幅度為噪聲容限。其噪聲容限越大，

5、抗干擾能力越強。輸入高電平的噪聲容限：VNH=VOH(MIN)-VIH(MIN)輸入低電平的噪聲容限：VNL=VIL(MAX)-VOL(MAX)3、傳輸延遲時間表征門電路開關(guān)速度的參數(shù)。指輸出相對于輸入延遲了多長時間。通常采用輸出上升沿以及下降沿的中間與之對應(yīng)的輸入上升沿以及下降沿的中間時間差來表示，采用Tphl以及Tplh分別表示。有時也采用平均延遲時間來表示，即Tpd=(Tphl+Tplh)/2。4、功耗 靜態(tài)功耗：電路輸出沒有狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時的功耗。 動態(tài)功耗：電路輸出發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的功耗。由兩部分組成：其一，狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換瞬間，等效電阻較小，從而有較大電流直接從VDD經(jīng)CMOS到地?？捎上?/p>

6、式計算。Pt=CpdVdd*Vdd*f。其中f為輸出信號的轉(zhuǎn)換頻率，Cpd為功耗電容。另一部分動態(tài)功耗為CMOS的負載一般為電容性負載引起。因為當(dāng)輸出發(fā)生電平轉(zhuǎn)換時，會對電容進行充放電，從而會增加功耗。由公式Pl=Cl*Vdd*Vdd*f來計算。其中Cl為負載電容。總功耗Pd=(Cpd+Cl)*Vdd*Vdd*f，與電源的平方以及輸出頻率成正比。 5、延時-功耗積 DP=Tpd*Pd。數(shù)值越小越好。 6、扇入數(shù)與扇出數(shù) 扇入數(shù)：取決于輸入端的個數(shù)。 扇出數(shù)：指門電路在正常工作條件下，所能帶同類門電路的最大數(shù)目。 1）、拉電流工作情況：負載電流從驅(qū)動門流向外部電路情況當(dāng)驅(qū)動門輸出端為高電平時，將

7、有電流Ioh從驅(qū)動門拉出流入負載門，負載門的輸入電路微Iih。當(dāng)負載門的個數(shù)增加時，總的拉電流將增加，會引起輸出高電壓的降低，但是不得低于輸出高電平的下限值。從而其扇出數(shù)可以由如下公式來計算：Noh=Ioh(驅(qū)動門)/Iih(負載門)。2）、灌電流工作情況：負載電流從外部電路流向驅(qū)動門情況當(dāng)驅(qū)動門輸出端為低電平時，負載電流Iol流入驅(qū)動門，它是負載門輸入端電流Iil之和。當(dāng)負載門的個數(shù)增加時，總的灌電流Iol將增加，會引起輸出低電壓的升高，但是不得高于輸出低電平的上限值。從而其扇出數(shù)可以由如下公式來計算：Nol=Iol(驅(qū)動門)/Iil(負載門)。當(dāng)電路的Ioh不等于Iol，導(dǎo)致Noh不等于N

8、ol時，取二者的最小值。3）、注意的幾個方面： A、當(dāng)負載為CMOS或者TTL時，一般Ioh和Iol并不相同。B、對于最大扇出數(shù)可以考慮Ioh和Iol達到極限值來計算，但最終選用需要留余量。C、扇出數(shù)需要考慮負載門一共有幾個輸入端與驅(qū)動門相接。 D、當(dāng)負載為CMOS邏輯門時，其輸入電容不能忽略。需要考慮驅(qū)動門與電容之間的充放電情況。增加負載門將導(dǎo)致總電容的增加，致使充放電的時間增加，從而影響門電路的開關(guān)速度。322、MOS開關(guān)及其等效電路Vi=Vgs，Vo=Vds。Vt為開啟電壓。1、 靜態(tài)特性當(dāng)Vgs<Vt時，MOS管工作在截止區(qū)，漏極電流Ids基本等于0。輸出電壓Uds約等于VDD。

9、MOS管處于“截止”狀態(tài)。如圖(b)。 當(dāng)Vgs>Vt時，MOS管導(dǎo)通，漏源電流Ids=VDD/(Rd+Rds)，其中Rds為MOS管導(dǎo)通時的漏源電阻，輸出電壓Vds=Rds*( VDD/(Rd+Rds)，此時處于飽和區(qū)（恒流區(qū)）。一旦Rds<<Rd時，Vds約等于0。MOS管處于“接通”狀態(tài)，如圖(c)，此時處于可變電阻區(qū)。正常情況下Rds在1K左右。2、 動態(tài)特性MOS管在導(dǎo)通和截止間進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時同樣存在過渡過程。其動態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的雜散電容充放電所需要的時間。而管子本身導(dǎo)通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的。其主要在于柵極與襯底之間的電容Cgb(即輸入電

10、容Ci)，漏極與襯底之間的電容Cdb，柵極與漏極之間的電容Cgd以及導(dǎo)通電阻的存在的影響。使輸出電壓的變化滯后于輸入電壓的變化。323、CMOS反相器MOSFET有P 溝道和N 溝道兩種，每種又都有增強型和耗盡型兩類。 由N 溝道和P 溝道兩種MOSFET構(gòu)成的電路稱為互補MOS或者CMOS 電路。1、 工作原理上圖為CMOS反相器電路。為了電路能夠正常工作，要求電源電壓VDD大于Vtn+|Vtp|?；綜MOS反相器近似于一個理想的邏輯單元，其輸出電壓接近于零或者+VDD，其功耗幾乎為零。電壓傳輸特性：指輸出電壓隨輸入電壓變化的特性。 電流傳輸特性：指漏極電流Id隨輸入電壓變化的特性。1）在

11、A點左，Tn工作在截止區(qū)2、電壓傳輸特性和電流傳輸特性2）在AB段，Tn工作在飽和區(qū)，Tp工作在可變電阻區(qū)3）在BC段，Tn工作在飽和區(qū)，Tp工作在飽和區(qū)4）在CD段，Tn工作在可變電阻區(qū)，Tp工作在飽和區(qū)5）在D點右，Tp工作在截止區(qū)其中在BC段，Tn和Tp均工作在飽和區(qū)，此時Vi=VDD/2，電路Id達到最大值，在兩管均導(dǎo)通的過渡區(qū)域，由于電流比較大，產(chǎn)品比較大的功耗，使用時應(yīng)該防止器件長期處于此區(qū)域，以免防止功耗過大而損壞。當(dāng)Vtn<Vi<VDD-|Vtp|時，即處于ABCD段時，Tn和Tp同時導(dǎo)通，考慮到電路為互補對稱的，一器件將另一器件作為自己的漏極負載，同時，器件在飽和

12、區(qū)（放大區(qū)）呈現(xiàn)恒流狀態(tài)，兩管之一可當(dāng)作高阻負載。因此，在過渡區(qū)域，傳輸特性變化比較急劇。在Vi=VDD/2處進行轉(zhuǎn)換。CMOS反相器或者CMOS電路用來驅(qū)動MOS器件時，其負載的輸入阻抗是電容性的。由于電路具體由互補的性質(zhì)，其參數(shù)Tphl和Tplh是一樣的。當(dāng)Vi=0時，Tn截止，Tp導(dǎo)通，由VDD通過Tp向負載電容Cl充電。由于CMOS反相器中，兩管的Gm值均設(shè)計得比較大，其導(dǎo)通電阻比較小，充電回路的時間常數(shù)比較小。類似，可分析電容Cl的放電過程。CMOS反相器的平均傳輸延遲時間約為10ns。324、CMOS邏輯門電路 1、CMOS與非門電路 3、工作速度n個輸入端的或非門必須有n個PMO

13、S管串聯(lián)和n個NMOS管并聯(lián)。備注：從以上CMOS與非門和或非門電路可知，當(dāng)輸入端的數(shù)目越多，則串聯(lián)管子也越多。若串聯(lián)的管子全部導(dǎo)通時，其總的導(dǎo)通電阻會增加，以致影響輸出電平，使與非門的低電平升高，而使或非門的高電平降低。因此，其輸入端不宜過多。并且在CMOS電路的輸入和輸出端增加緩沖電路，即CMOS反相器，以規(guī)范電路的輸入和輸出邏輯電平。3、輸入、輸出保護電路和緩沖電路n個輸入端的與非門必須有n個NMOS管串聯(lián)和n個PMOS管并聯(lián)。 2、CMOS或非門電路1）輸入保護電路CMOS門電路的輸入端是MOS管的柵極，在柵極與溝道之間是很薄的SiO2層，極易被擊穿。而輸入電阻高達10的12次方歐姆以上，輸入電容為幾皮法。電路在使用前輸入端是懸空的，只要外界有很小的靜電源，都會在輸入端積累電荷而將柵極擊