數(shù)字電子線路學(xué)習(xí)教案

1、數(shù)字?jǐn)?shù)字(shz)電子線路電子線路第一頁，共52頁。 TTL 即即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 集成門電路集成門電路 CMOS 集成門電路集成門電路 輸入輸入(shr)端和輸出端端和輸出端都用三極管的邏輯門電路。都用三極管的邏輯門電路。 用互補(bǔ)對稱用互補(bǔ)對稱 MOS 管構(gòu)管構(gòu)成成(guchng)的邏輯門電路。的邏輯門電路。 第1頁/共52頁第二頁，共52頁。不過現(xiàn)有的舊設(shè)備中，有的仍在用不過現(xiàn)有的舊設(shè)備中，有的仍在用TTL，因此了解，因此了解TTL的某些知識仍的某

2、些知識仍有必要。有必要。第2頁/共52頁第三頁，共52頁。條條件件(tiojin)開開關(guān)關(guān)輸入信號輸入信號(xnho)(xnho)滿足一定條件時，門開滿足一定條件時，門開啟，允許信號啟，允許信號(xnho)(xnho)通過通過 。開門開門(ki mn)狀態(tài)：狀態(tài)：關(guān)門狀態(tài)：關(guān)門狀態(tài)：輸入信號條件不滿足，門關(guān)閉，輸入信號條件不滿足，門關(guān)閉，信號通不過信號通不過 。一、什么是門電路？一、什么是門電路？用來實現(xiàn)用來實現(xiàn)基本基本邏輯運(yùn)算和邏輯運(yùn)算和復(fù)合復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路。邏輯運(yùn)算的單元電路。與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等。與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等。

3、門門（門電路是數(shù)字電路最為基本的邏輯單元）（門電路是數(shù)字電路最為基本的邏輯單元）輸出和輸入輸出和輸入之間存在著一定的之間存在著一定的邏輯關(guān)系邏輯關(guān)系。不同的門電路，輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系也不同，如：不同的門電路，輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系也不同，如：第3頁/共52頁第四頁，共52頁。超大規(guī)模超大規(guī)模大規(guī)模大規(guī)模小規(guī)模小規(guī)模中規(guī)模中規(guī)模二、數(shù)字二、數(shù)字(shz)IC的分類的分類1.1.按集成度區(qū)分按集成度區(qū)分(qfn)(qfn)：(SSI-Small Scale Integration)， 每片組件每片組件 內(nèi)包含內(nèi)包含(bohn)10-100個元件個元件(或或10-20個等個等效門效門)。(M

4、SI-Medium Scale Integration)，每片組件，每片組件 內(nèi)含內(nèi)含100-1000個元件個元件(或或20-100個等效門個等效門)。(LSI-Large Scale Integration)， 每片組件內(nèi)每片組件內(nèi) 含含1000-100 000個元件個元件(或或100-1000個等效門個等效門)。(VLSI-Very Large Scale Integration)， 內(nèi)含內(nèi)含100 000個元件個元件(或或1000個以上等效門個以上等效門)。 邏輯門邏輯門觸發(fā)器觸發(fā)器編碼器、譯碼器、編碼器、譯碼器、 數(shù)據(jù)選擇器、加法器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、 計數(shù)器、計數(shù)器、 移位寄存器移

5、位寄存器只讀存儲器、只讀存儲器、 隨機(jī)存取存儲器、隨機(jī)存取存儲器、 微處理器微處理器、專用數(shù)字信、專用數(shù)字信號處理器號處理器第4頁/共52頁第五頁，共52頁。2.2.按數(shù)字按數(shù)字(shz)(shz)系統(tǒng)設(shè)計方法系統(tǒng)設(shè)計方法分：分：（1）通用型中規(guī)模（）通用型中規(guī)模（MSI），小規(guī)模（），小規(guī)模（SSI）集成）集成(j chn)邏輯件。邏輯件。（2）微處理器產(chǎn)品）微處理器產(chǎn)品(chnpn)，如微處理器、單片機(jī)、通用，如微處理器、單片機(jī)、通用和專用數(shù)和專用數(shù) 字信號處理器等。字信號處理器等。（3）專用集成電路）專用集成電路ASIC全定制全定制半定制半定制PLDPROMPLAPALGALCPLDFP

6、GA第5頁/共52頁第六頁，共52頁。三、集成門的一般三、集成門的一般(ybn)特特性性1、電源、電源(dinyun)電壓是電壓是多少？多少？2、輸入和輸出、輸入和輸出(shch)的高、低電平對應(yīng)的電壓范圍是多少？的高、低電平對應(yīng)的電壓范圍是多少？3、抗干擾能力如何？噪聲容限、抗干擾能力如何？噪聲容限4、工作速度快不快？傳輸延遲時間、工作速度快不快？傳輸延遲時間5、功耗大不大？、功耗大不大？6、帶負(fù)載能力是否強(qiáng)？扇入數(shù)和扇出數(shù)、帶負(fù)載能力是否強(qiáng)？扇入數(shù)和扇出數(shù)第6頁/共52頁第七頁，共52頁。1、電源、電源(dinyun)特特性：性：TTL: （15）5V;CMOS : (318）V2、輸入、

7、輸入(shr)和輸出的高、低電平：和輸出的高、低電平：TTL高電平高電平低電平低電平2.4V5V，典型值，典型值:3.6V0V0.4V，典型值，典型值:0.3VCMOS74HC: 0.7VDD74HC: 0.3VDD數(shù)據(jù)手冊一般給出四種邏輯數(shù)據(jù)手冊一般給出四種邏輯(lu j)電平參數(shù)：電平參數(shù)：輸入高電平的下限值：輸入高電平的下限值：VIH(min)輸入低電平的上限值：輸入低電平的上限值：VIL(max)輸出高電平的下限值：輸出高電平的下限值：VOH(min)低電平的上限值：低電平的上限值：VOL(max)VI LmaxVOHminVIHminVOLmax輸輸入入輸輸出出第7頁/共52頁第八頁

8、，共52頁。VI LmaxVOHminVIHminVOLmax輸入輸入(shr)輸出輸出(shch)3、噪聲容限：、噪聲容限：定量說明集成電路定量說明集成電路(jchng-dinl)抗干擾能抗干擾能力的參數(shù)力的參數(shù) 在數(shù)字電路中，即使有噪聲電壓疊加在輸入信號的高、低電平上，在數(shù)字電路中，即使有噪聲電壓疊加在輸入信號的高、低電平上，只要噪聲電壓的幅度不超過允許的界限，輸出端的邏輯狀態(tài)就不會受只要噪聲電壓的幅度不超過允許的界限，輸出端的邏輯狀態(tài)就不會受到影響到影響;通常通常把這個不允許超過的界限叫做噪聲容限把這個不允許超過的界限叫做噪聲容限。電路噪聲容限。電路噪聲容限越大，抗干擾能力越強(qiáng)。越大，抗

9、干擾能力越強(qiáng)。AY1&BY2& （1）高電平噪聲容限：）高電平噪聲容限：VNH= VOHmin- -VIHminVNHVNL（2）低電平噪聲容限：）低電平噪聲容限：VNL= VILmax- -VOLmax第8頁/共52頁第九頁，共52頁。第9頁/共52頁第十頁，共52頁。4、傳輸、傳輸(chun sh)延延遲時間：遲時間：表征門電路開關(guān)表征門電路開關(guān)(kigun)速度的參數(shù)。速度的參數(shù)。輸入輸入twtr10%50%90%tftr：上升時間：上升時間tf：下降時間：下降時間tw：脈沖：脈沖(michng)寬寬度度輸出輸出tPHLtPLH上升沿上升沿下降沿下降沿tPHL：導(dǎo)通傳輸時

10、間：導(dǎo)通傳輸時間tPLH：截止傳輸時間：截止傳輸時間 平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間（Propagation delay)tpd=tpHL+ tpLH201第10頁/共52頁第十一頁，共52頁。5、功耗、功耗(n ho)：靜態(tài)功耗：電路靜態(tài)功耗：電路(dinl)的輸出沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的的輸出沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的功耗。功耗。動態(tài)功耗：電路在輸出動態(tài)功耗：電路在輸出(shch)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換時發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的功耗。的功耗。延時功耗積延時功耗積:DPdPtDP 第11頁/共52頁第十二頁，共52頁。6、扇入數(shù)和扇出數(shù)：、扇入數(shù)和扇出數(shù)：扇入數(shù)：門電路輸入端的數(shù)目扇入數(shù)：門電路輸入端的數(shù)目(shm)。（通常

11、為。（通常為28）扇出數(shù)：門電路在正常工作情況下，所能帶同類扇出數(shù)：門電路在正常工作情況下，所能帶同類(tngli)門門電路的電路的 最大數(shù)目。最大數(shù)目。受最大輸出受最大輸出(shch)電流電流IOHmax、IOLmax的的限制。限制。（1）拉電流工作情況：）拉電流工作情況：&IOHII HII H（2）灌電流工作情況：）灌電流工作情況：&IOLII LII LIHOHOHIIN(max) ILOLOLIIN(max) ),(OLOHNNMINN 第12頁/共52頁第十三頁，共52頁。2.2 二、三極管的開關(guān)二、三極管的開關(guān)(kigun)特性特性繼續(xù)(jx)第13頁/共52頁第

12、十四頁，共52頁。件狀態(tài)轉(zhuǎn)換件狀態(tài)轉(zhuǎn)換(zhunhun)？怎樣？怎樣才能加快器件的轉(zhuǎn)換才能加快器件的轉(zhuǎn)換(zhunhun)速度？速度？繼續(xù)(jx)第14頁/共52頁第十五頁，共52頁。（1）加正向）加正向(zhn xin)電壓電壓UF時，二極管導(dǎo)通，忽略管壓降。二時，二極管導(dǎo)通，忽略管壓降。二極管相當(dāng)于一個閉合的開關(guān)。極管相當(dāng)于一個閉合的開關(guān)。一、二極管的開關(guān)一、二極管的開關(guān)(kigun)(kigun)特性特性1 1二極管的靜態(tài)二極管的靜態(tài)(jngti)(jngti)特性特性DRLFFUIFKFRULI繼續(xù)第15頁/共52頁第十六頁，共52頁。 綜合：二極管表現(xiàn)為一個受外加電壓綜合：二極管表現(xiàn)

13、為一個受外加電壓uiui控制的開關(guān)控制的開關(guān)(kigun)(kigun)。 當(dāng)外加電壓當(dāng)外加電壓vivi為脈沖信號時，二極管將隨脈沖的變化在為脈沖信號時，二極管將隨脈沖的變化在“開開”態(tài)與態(tài)與“關(guān)關(guān)”態(tài)之間轉(zhuǎn)換：動態(tài)特性。態(tài)之間轉(zhuǎn)換：動態(tài)特性。（2）加反向）加反向(fn xin)電壓時，二極管截止，忽略反向電壓時，二極管截止，忽略反向(fn xin)電流電流IS。二極管相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)。二極管相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)。DLRUSRILKURR繼續(xù)(jx)第16頁/共52頁第十七頁，共52頁。 給二極管電路(dinl)加入一個脈沖信號，電流的波形怎樣呢？ts為存儲時間為存儲時間(shjin)，t

14、t稱為渡越時稱為渡越時間間(shjin)。trets十十tt稱為反向恢復(fù)時間稱為反向恢復(fù)時間(shjin)+DLiRuiuiUFUR t1t0 i t1t0 IF IStRtsIFtiI0.1t0IRt1繼續(xù)第17頁/共52頁第十八頁，共52頁。 正通正通反止反止tttstrevitVF-VRIFit0.1IR-IRt1iRLDvI反向反向(fn (fn xinxin) )過程為過程為: :0t，二極管導(dǎo)通，則，二極管導(dǎo)通，則LFLDFFRVRVVIt t時，時，vIvI突變突變(tbin)(tbin)，二極管，二極管并不立即截止，而是并不立即截止，而是電流由正向的電流由正向的IFIF變?yōu)樽優(yōu)?/p>

15、一大的反向電流一大的反向電流IR=VR/RLIR=VR/RL，維持時間，維持時間tsts后，經(jīng)過后，經(jīng)過tttt，下降，下降到到0.1IR0.1IR，此時二極，此時二極管才進(jìn)入反向截止管才進(jìn)入反向截止繼續(xù)(jx)第18頁/共52頁第十九頁，共52頁。PN結(jié)正向結(jié)正向(zhn xin)偏置偏置+空間電荷區(qū)變薄空間電荷區(qū)變薄PN+擴(kuò)散(kusn)長度LP正向電流正向電流存儲電荷存儲電荷N N區(qū)中區(qū)中少子空少子空穴穴存儲電荷存儲電荷P P區(qū)中區(qū)中少子電子少子電子+-（2 2）產(chǎn)生）產(chǎn)生(chnshng)ts(chnshng)ts的原因的原因-電荷存儲效應(yīng)電荷存儲效應(yīng)繼續(xù)第19頁/共52頁第二十頁，共

16、52頁。PN結(jié)改為結(jié)改為(i wi)反向偏置反向偏置由于電荷存儲由于電荷存儲(cn ch)效應(yīng)，反向電流大效應(yīng)，反向電流大(ts)勢壘區(qū)先不變勢壘區(qū)先不變PN擴(kuò)散(kusn)長度LP-+形成反向電流形成反向電流IR復(fù)合復(fù)合復(fù)合復(fù)合+繼續(xù)第20頁/共52頁第二十一頁，共52頁。+空間電荷區(qū)變厚空間電荷區(qū)變厚NP+_+內(nèi)電場加強(qiáng)，使擴(kuò)散內(nèi)電場加強(qiáng)，使擴(kuò)散(kusn)停停止，止，有少量漂移，反向電流很小有少量漂移，反向電流很小反向反向(fn xin)飽和電流飽和電流很小，很小， A級級繼續(xù)(jx)第21頁/共52頁第二十二頁，共52頁。所以：產(chǎn)生所以：產(chǎn)生ts ts的原因的原因(yunyn)-(yu

17、nyn)-電荷存儲效應(yīng)電荷存儲效應(yīng)總結(jié)：總結(jié)： 當(dāng)外加正壓，當(dāng)外加正壓，P P區(qū)空穴向區(qū)空穴向N N擴(kuò)散，擴(kuò)散，N N 區(qū)電子向區(qū)電子向P P區(qū)擴(kuò)散；區(qū)擴(kuò)散； P P區(qū)存儲了電子，區(qū)存儲了電子，N N區(qū)存區(qū)存儲了空穴，它們都是非儲了空穴，它們都是非(shfi)(shfi)平衡少數(shù)載流子。這一過程平衡少數(shù)載流子。這一過程稱為稱為: :電荷存儲效應(yīng)電荷存儲效應(yīng)繼續(xù)(jx)第22頁/共52頁第二十三頁，共52頁。 反向恢復(fù)時間即存儲電荷反向恢復(fù)時間即存儲電荷(dinh)(dinh)消失所需要消失所需要的時間，遠(yuǎn)大于正向?qū)ㄋ枰臅r間。的時間，遠(yuǎn)大于正向?qū)ㄋ枰臅r間。 即：二極管的開通時間很短，

18、對開關(guān)速度的即：二極管的開通時間很短，對開關(guān)速度的影響很小，以致可忽略不計。影響很小，以致可忽略不計。 因此，影響二極管的開關(guān)特性因此，影響二極管的開關(guān)特性主要主要(zhyo)是反向恢復(fù)時間，而不是開通時是反向恢復(fù)時間，而不是開通時間。間。bjt第23頁/共52頁第二十四頁，共52頁。2.2.2 TTL的開關(guān)的開關(guān)(kigun)特性特性一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)(jigu) BECNNP基極基極 發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極BECNPN型三極型三極管管PNP集電極集電極 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 BCEBECPNP型三極管型三極管第24頁/共52頁第二十五頁，共52頁。二、雙極型三

19、極管的輸入二、雙極型三極管的輸入(shr)特性和輸出特性特性和輸出特性 IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 AIB( A)UBE(V)204060800.40.8輸入特性曲線輸入特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線(qxin)開啟開啟(kiq)電壓電壓飽飽和和區(qū)區(qū)截止區(qū)截止區(qū)放大區(qū)放大區(qū)第25頁/共52頁第二十六頁，共52頁。三、雙極型三極管的基本三、雙極型三極管的基本(jbn)開關(guān)電路開關(guān)電路 在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在飽在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在飽和和截止和和截止(jizh)(jizh)兩種開關(guān)狀態(tài)，放

20、大區(qū)只是極短暫的過兩種開關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。渡狀態(tài)。第26頁/共52頁第二十七頁，共52頁。第27頁/共52頁第二十八頁，共52頁。三極管臨界三極管臨界(ln ji)飽和飽和時的基極電流：時的基極電流：mA094. 0mA1503 . 05cCESCCBSRUVIui=1V時，三極管導(dǎo)通，基極時，三極管導(dǎo)通，基極(j j)電電流：流：mA03. 0mA107 . 01bBEiBRuuiuo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03501=3.5V對應(yīng)對應(yīng)(duyng)下圖，分別求出下圖，分別求出ui分別為分別為1V，0.3V，3V時的時的uo值值IBS，未飽和，未飽和第28頁/共

21、52頁第二十九頁，共52頁。ui=0.3Vui=0.3V時，因為時，因為(yn wi)uBE0.5V(yn wi)uBE0.5V，iB=0iB=0，三極管工作在，三極管工作在 截止?fàn)顟B(tài)，截止?fàn)顟B(tài)，ic=0ic=0。因為。因為(yn wi)ic=0(yn wi)ic=0，所以輸出電壓：，所以輸出電壓：uo=VCC=5V 截止截止(jizh)狀態(tài)狀態(tài)ui=UILIBS，飽和，飽和(boh)第30頁/共52頁第三十一頁，共52頁。TTL開關(guān)開關(guān)(kigun)等效電路等效電路 開關(guān)開關(guān)(kigun)(kigun)等效電路等效電路(1) 截止(jizh)狀態(tài) 條件：發(fā)射結(jié)反偏特點(diǎn)：電流約為0 第31頁/

22、共52頁第三十二頁，共52頁。(2)飽和狀態(tài)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏特點(diǎn)：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅第32頁/共52頁第三十三頁，共52頁。三極管開關(guān)(kigun)等效電路(a) 截止時 (b) 飽和時第33頁/共52頁第三十四頁，共52頁。uituot+Vcc0.3VTTL動態(tài)開關(guān)動態(tài)開關(guān)(kigun)特性特性 第34頁/共52頁第三十五頁，共52頁。BJTBJT的開關(guān)時間：是指的開關(guān)時間：是指BJTBJT管由截止到飽和管由截止到飽和(boh)(boh)導(dǎo)通導(dǎo)通 或者由飽和或者由飽和(boh)(boh)導(dǎo)通到截止所需要的時間。導(dǎo)通到截止所需要的時間。延遲時間延遲時間tdt

23、d從從+VB2+VB2加到集電加到集電極電流極電流icic上升上升(shngshng)(shngshng)到到0.1ICS0.1ICS所需要的時間；所需要的時間； 上升時間上升時間trictric從從0.1ICS0.1ICS到到0.9ICS0.9ICS所需要所需要(xyo)(xyo)的時的時間；間； 開通時間開通時間t tonon= =t td d+ +t tr r就是建立基區(qū)電荷時間就是建立基區(qū)電荷時間第35頁/共52頁第三十六頁，共52頁。存儲時間存儲時間tsts從輸入信號從輸入信號(xnho)(xnho)降到降到-VB1-VB1到到icic降降到到0.9ICS 0.9ICS 所需要的時間

24、；所需要的時間； 下降時間下降時間tfictfic從從0.9ICS0.9ICS降到降到0.1ICS0.1ICS所需要所需要(xyo)(xyo)的時間。的時間。 關(guān)閉關(guān)閉(gunb)(gunb)時間時間toff=ts+tftoff=ts+tf就是存儲電荷消就是存儲電荷消散的時間散的時間 第36頁/共52頁第三十七頁，共52頁。2 MOS管的開關(guān)(kigun)特性 CMOS-IC中，以中，以MOS管作為管作為(zuwi)開關(guān)器件開關(guān)器件一、MOS管的結(jié)構(gòu)和工作(gngzu)原理PNNGSD金屬鋁金屬鋁兩個兩個N區(qū)區(qū)SiO2絕緣層絕緣層P型襯底型襯底導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道第37頁/共52頁第三十八頁，共5

25、2頁。GSDN溝道溝道(u do)增強(qiáng)型增強(qiáng)型源極源極柵極柵極(shn j)漏極漏極第38頁/共52頁第三十九頁，共52頁。vGS=0時時PNNGSDvGSvDSiD=0D、S間相間相當(dāng)于兩個當(dāng)于兩個(lin )背靠背的背靠背的PN結(jié)結(jié)SDB不論不論(bln)D、S間有無間有無電壓電壓,均無法導(dǎo)通均無法導(dǎo)通導(dǎo)電導(dǎo)電第39頁/共52頁第四十頁，共52頁。PNNGSDVDSVGSvGS0時時vGSVGS(th)后形成后形成電場電場GB,把襯底中把襯底中的電子的電子(dinz)吸引吸引到上表面，除復(fù)合到上表面，除復(fù)合外，剩余電子外，剩余電子(dinz)在上表面形在上表面形成成N型層（反型層）型層（反

26、型層）為為D、S間的導(dǎo)通提間的導(dǎo)通提供了通道。供了通道。VGS(th)稱為稱為(chn wi)閾值電壓閾值電壓(開啟電壓）開啟電壓）源極與源極與襯底接襯底接在一起在一起(yq)N溝道溝道vGS增大，增大，iD增大增大第40頁/共52頁第四十一頁，共52頁。二、MOS管的輸入(shr)、輸出特性柵極柵極(shn j)電流為零，無輸電流為零，無輸入特性入特性輸出特性曲線輸出特性曲線(qxin)（漏極特性曲線（漏極特性曲線(qxin)）第41頁/共52頁第四十二頁，共52頁。 用途用途(yngt)：斷開狀態(tài)的電子開關(guān)。：斷開狀態(tài)的電子開關(guān)。)(thGSGSvv0Di特點(diǎn):D-S間電阻(dinz)ROFF達(dá)千M歐以上第42頁/共52頁第四十三頁，共52頁。特點(diǎn)特點(diǎn)(tdin):(1)當(dāng)當(dāng)vGS 為定為定值值,iD 是是 vDS 的線性函數(shù)，的線性函數(shù)，管子的管子的D-S間呈現(xiàn)為線性電間呈現(xiàn)為線性電阻，其阻值受阻，其阻值受 vGS 控制：控制： vGS越大，越大， D-S導(dǎo)通電阻越導(dǎo)通電阻越小。小。RON=51K （2）管壓降vDS 很小。用途：做壓控線性電阻和閉合狀態(tài)用途：做壓控線性電阻和閉合狀態(tài)(zhungti)的電的電子開關(guān)。子開關(guān)。問：如果希望開關(guān)問：如果希望開關(guān)(kigun)在閉合時更在閉合時更“理想理想”？如？如何選取何選取vGS？第43頁/共52頁第四十四頁，共