第11章電子技術(shù)

1、第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路 第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管和晶體管的開關(guān)特性半導(dǎo)體二極管和晶體管的開關(guān)特性 11.1.1 晶體二極管的開關(guān)特性晶體二極管的開關(guān)特性 11.1.2 晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)特性 11.1.3 由二極管與晶體管組成的基本邏輯門電路由二極管與晶體管組成的基本邏輯門電路 第二節(jié)第二節(jié) TTL“與非與非”門電路門電路 11.2.1 典型典型TTL“與非與非”門電路門電路 11.2.2 TTL與非與非門的電壓傳輸特性門的電壓傳輸特性 11.2.3 TTL“與非與非”門的主要參數(shù)門的主要參數(shù) 11.2.4 TT

2、L門電路的改進(jìn)門電路的改進(jìn) 11.2.5 集電極開路集電極開路TTL門門(OC門門) 11.2.6 三態(tài)三態(tài)TTL門門(TSL門門) 第三節(jié)第三節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)管與場(chǎng)效應(yīng)管與MOS邏輯門邏輯門 11.3.1 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性 11.3.2 NMOS反相器反相器 11.3.3 CMOS邏輯門電路邏輯門電路 第四節(jié)第四節(jié) 正邏輯與負(fù)邏輯正邏輯與負(fù)邏輯 11.4.1 正負(fù)邏輯的基本概念正負(fù)邏輯的基本概念 11.4.2 正負(fù)邏輯變換規(guī)則正負(fù)邏輯變換規(guī)則第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路研究對(duì)象：邏輯門電路的組成以及一些特殊門電路。關(guān)注焦點(diǎn)：TTL與非門的工作原

3、理。第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體二極管和三極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體二極管和三極管的開關(guān)特性理想開關(guān)元件的特點(diǎn)接通狀態(tài)時(shí)電阻為零； 斷開狀態(tài)時(shí)，阻抗為無窮大；斷開和導(dǎo)通之間的切換時(shí)間瞬間完成。半導(dǎo)體器件雖與理想開關(guān)元件特性有差異，但在速度不高的場(chǎng)合仍作為開關(guān)元件使用。1. 晶體二極管的開關(guān)特性(1)晶體二極管開關(guān)的靜態(tài)特性曲線第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路 I(mA) 20 10-40 -20 0 0.4 0.8 U(V) -10 -20 (nA)(a) 硅二極管的伏安特性曲線 I(mA) 20 10-60 -30 0 0.2 0.4 U(V) -10 -20 (A) (b) 鍺二極管的伏安

4、特性曲線 iD UR Uon uD (c) 二極管線性化特性曲線 iD uD 0(d) 理想二極管開關(guān)特性第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路(2)二極管的瞬態(tài)開關(guān)特性 iD IF 0 t(c)理想二極管開關(guān)特性 uD 0 t UR(b) ui UF 0 t UR(a) iD IF 0 t -IR tr ts tf trr二極管瞬態(tài)開關(guān)特性 uD 0 t2 t t1 (b) ui UF 0 t1 t2 t UR(a)第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路(3)產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因 nP區(qū)多余少子 N區(qū)多余少子(電子)濃度分布 (空穴)濃度分布 x(距離)二極管多余的少數(shù)載流

5、子濃度分布自建場(chǎng) 耗盡區(qū) P區(qū) N區(qū)UF+ U/RU/R -當(dāng)二極管加正向偏置電壓時(shí)，外加電場(chǎng)與自建電場(chǎng)方向相反，使PN結(jié)的耗盡層變窄，如圖所示。實(shí)際上，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，不會(huì)全部與電子復(fù)合而立即消失，而在一定路程內(nèi)，邊擴(kuò)散，邊復(fù)合逐漸減少。這樣，就在N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量的空穴積累，靠近耗盡層邊緣的濃度最大，隨著距離的增加空穴濃度按指數(shù)規(guī)律衰減，形成一梯度分布。同理，N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū)后，也將在P區(qū)出現(xiàn)一定的電子積累，這些擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域并積累的少數(shù)載流子稱為多余少子，把PN結(jié)兩側(cè)出現(xiàn)的少數(shù)載流子積累現(xiàn)象稱為存儲(chǔ)效應(yīng)。 當(dāng)輸入電壓ui突然由UF變?yōu)閁R時(shí)，由于正向?qū)〞r(shí)二極管存儲(chǔ)的電荷不可

6、能立即消失，這些存儲(chǔ)電荷的存在，使PN結(jié)仍然維持正向偏置 。第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路在外加反向電壓UR的作用下，P區(qū)的電子被拉回N區(qū)，N區(qū)的空穴被拉回P區(qū)，使得這些存儲(chǔ)電荷形成漂移電流，使存儲(chǔ)電荷不斷減少，從ui負(fù)跳變開始至反向電流ID降到0.9IR所需的時(shí)間稱為存儲(chǔ)時(shí)間ts。這段時(shí)間內(nèi)，PN結(jié)處于正向偏置，反向電流IR近似不變 。經(jīng)過ts時(shí)間后，P區(qū)和N區(qū)存儲(chǔ)電荷已顯著減少，反向電流一方面使存儲(chǔ)電荷繼續(xù)消失，同時(shí)使耗盡層逐漸加寬，PN結(jié)由正向偏置轉(zhuǎn)為反向偏置，二極管逐漸轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。向電流由IR逐漸減小至反向飽和電流值。這段時(shí)間稱為下降時(shí)間tf。 2. 晶體三極管的開關(guān)

7、特性(1)晶體三極管的穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性 Ucc uo Rc 10 Rb uo 截 飽ui T 5 止 放 和 區(qū) 大 區(qū) 區(qū) ui 0.5 1 1.5 (a) 單管共射電路 (b)單管共射電路傳輸特性三極管開關(guān)的穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性如圖所示。輸出電壓uo是隨著輸入電壓ui的改變而分別工作在截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路(2)晶體三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性與二極管的瞬態(tài)開關(guān)特性類似，即在飽和和截止?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換所具有的過渡特性。若三極管是一個(gè)無惰性的理想開關(guān)，則輸出電壓波形與輸入電壓的波形同步，只是幅度增大、相位相反。但實(shí)際的是三極管是有惰性開關(guān)，即截止與

8、飽和狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不能瞬間完成。具體波形如右圖所示。 ui U(a) t-U ic td tr ts tf(b) 0 t uo ton toff(c) 0 t開啟時(shí)間ton是由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr組成。它反映了三極管從截止轉(zhuǎn)向飽和所需的時(shí)間。關(guān)閉時(shí)間toff則是由存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf組成，它反映了三極管由飽和轉(zhuǎn)向截止所需的時(shí)間。第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路延遲時(shí)間(delay time)td產(chǎn)生 當(dāng)輸入電壓ui由U跳變到U，隨即出現(xiàn)基極電流Ib，但三極管不能立即導(dǎo)通，因?yàn)橐拱l(fā)射結(jié)由反偏轉(zhuǎn)為正偏、阻擋層由寬變窄、使發(fā)射結(jié)電壓由U上升到門限電壓Uon，這時(shí)發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)

9、射電子，注入基區(qū)電子在基區(qū)內(nèi)形成電子濃度梯度分布。擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的電子被集電區(qū)吸收，形成集電極電流ic。由此可知，ic的出現(xiàn)比ui上跳時(shí)刻要延遲一個(gè)時(shí)間td。這就是td產(chǎn)生的原因。 上升時(shí)間tr的產(chǎn)生 發(fā)射結(jié)開始導(dǎo)通后，發(fā)射極不斷向基區(qū)注入電子，但集電極電流不能立刻上升到最大值。這是因?yàn)榧姌O電流的形成，要求電子在基區(qū)中有一逐步積累的過程，需要一定的時(shí)間，不會(huì)隨ib躍變而躍變。 存儲(chǔ)時(shí)間ts的產(chǎn)生 當(dāng)輸入信號(hào)ui由U下跳到U時(shí)，基極電流ib為U/Rb，這使基區(qū)存儲(chǔ)的電子在反向電流作用下逐漸消散。隨著多余電荷的消失，三極管由飽和退到臨界飽和所需要的時(shí)間就是存儲(chǔ)時(shí)間ts。 下降時(shí)間tf的產(chǎn)生 當(dāng)

10、基區(qū)超量電荷消散完后，三極管脫離飽和，集電結(jié)開始由正向偏置轉(zhuǎn)向反向偏置，在反向驅(qū)動(dòng)電流U/Rb繼續(xù)驅(qū)動(dòng)下，基區(qū)存儲(chǔ)電荷開始消散，電子濃度梯度下降。從而使集電極電流ic隨之減小，并最后降至0。因此，下降時(shí)間tf就是三極管從飽和經(jīng)過放大區(qū)轉(zhuǎn)到截止區(qū)的時(shí)間。 第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路(3)提高三極管開關(guān)速度的途徑提高三極管的開關(guān)速度，可以選擇內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的高頻管外，在設(shè)計(jì)外電路時(shí)可以設(shè)法減小ton和toff，最有效的方法是采用如圖所示的加速電容方法來提高三極管的開關(guān)特性。 Ucc Cj Rc uoui T Rb第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路3. 二極管、三極管組

11、成的基本邏輯門電路(1)二極管“與”門和“或”門電路 +Ucc(5V) R IR DA A F DB B DC C&AB FCA DAB DB FC A DC F R IR B C1(2)三極管“非”門電路與復(fù)合門電路 Ucc Rc FA T A F Rb1 +Ucc(5V) R1 Rc F D1 D4 D5 AA D2 b T B FB P D3 R2 CC&第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路第二節(jié)第二節(jié) TTL”與非與非“門門TTL門電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、工作速度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，它的生產(chǎn)歷史最長、品種繁多，所以它被廣泛應(yīng)用的數(shù)字電路之一。 +Ucc(5V) R2

12、 750 R5 100 R1 3k T3 T4 R4 3k F A T2 B T1C T5 R3 360 輸入級(jí) 倒相放大器 輸出級(jí) b1ABC b1eA eB eC1. 電路結(jié)構(gòu)下面分析TTL門電路。在分析時(shí)我們假定三極管深飽和輸出電壓為0.1V，三極管結(jié)壓降為0.7V；輸入高電平為3.6V，輸入低電平為0.3V，然后估算電路各點(diǎn)的電位。第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路2. 傳輸特性關(guān)門電平uoff，當(dāng)uiuon輸出為低電平。噪聲容限：低電平噪聲容限：UNL=Uoff-UIL高電平噪聲容限： UNH=UIH-Uonuo(V) A B3.62.7 C UNL UNH D E Uo

13、ff UT Uon ui(V) 0.35 0.8 1.4 1.8 2.7 00.6V 0.61.3V3. 主要參數(shù)輸出高電平。輸出端空載時(shí)的輸出電平。典型值3.5V，標(biāo)準(zhǔn)電平2.4V輸出低電平。輸入全高時(shí)輸出電平。標(biāo)準(zhǔn)值為0.4V輸入端短路電流。一端接地，其余端開路，流過這個(gè)輸入端電流，主要是衡量對(duì)前級(jí)負(fù)載電流扇出系數(shù)。輸出端最多可與幾個(gè)同類門連接。開門電平。使與非門開通時(shí)的最小輸入電平關(guān)門電平。使與非門關(guān)斷所需的最大輸入電平。平均延遲時(shí)間。第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路4. TTL門電路改進(jìn)淺飽和TTL電路 +Ucc(5V) R2 750 R5 100 R1 3k T3 T4

14、 R4 3k F A T2 B T1C T5 R3 360R3 R6 T6肖特基TTL電路肖特基二極管的特點(diǎn)是：正向電壓降小，導(dǎo)電機(jī)制是多數(shù)載流子，幾乎沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，開關(guān)速度比一般PN結(jié)二極管高一萬倍 c cb b e e +Ucc(5V) R2 750 R5 100 R1 3k T3 T4 R4 3k F A T2 B T1C T5 R3 360第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路5. 集電極開路TTL門（OC門）直接將邏輯門輸出連接起來，有時(shí)候可以電路大大簡(jiǎn)化。但直接將門電路連接起來會(huì)產(chǎn)生很大電流。 +Ucc +Ucc門1輸出高電平 門2輸出低電平 R5 R5 T3 T3 T

15、4 T4 R4 R4 T5 T5OC門就是用RL換與非門中的T3、T4即可。 +Ucc(5V) +Ucc R2 RLR1 F T2 T1 T5 R3 第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路6. 三態(tài)TTL門電路（TSL門）三態(tài)是指輸出除高電平和低電平外，還有高阻輸出狀態(tài)。 +Ucc(5V) R2 R5 R1 UC2 T3 T4 F A T2 B T1E T5 D R3 R4三態(tài)門真值表三態(tài)門真值表使能端使能端數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端輸出端輸出端EA BF10 00 11 01 111100 x x高阻高阻第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電路第四節(jié)第四節(jié) 正邏輯與負(fù)邏輯正邏輯與負(fù)邏

16、輯1. 正、負(fù)邏輯的基本概念電路結(jié)構(gòu)確定以后，輸入與輸出的電平關(guān)系唯一確定，電路所要實(shí)現(xiàn)的邏輯功能取決于對(duì)電路高、低電平的賦值。正邏輯：高電平表示邏輯“1”，低電平表示邏輯“0”負(fù)邏輯：高電平表示邏輯“0”，低電平表示邏輯“1” U3.42.40.4 t(a) 正邏輯 U3.42.40.4 t(b) 負(fù)邏輯H=1H=0L=0L=12. 正、負(fù)邏輯的變換規(guī)則 +Ucc(5V) R DA A P DB B DC C正邏輯表示真值表正邏輯表示真值表A B CP0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 100000001負(fù)邏輯表示真值表負(fù)邏輯表示真值表A B CP1 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 10 0 011111110第十一章第十一章 集成邏輯門電路集成邏輯門電