數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)：chap_3 門電路

1、第三章 門電路3.1 概述門電路：實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算的單元電路。如與門、或門、非門、或非門分為兩大類：TTL門電路和CMOS門電路門電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0。 獲得高、低電平的基本原理：單開關(guān)電路互補(bǔ)開關(guān)電路 邏輯電平的定義方法： - 正邏輯：高電平表示1，低電平表示0 - 負(fù)邏輯：高電平表示0，低電平表示1高、低電平都允許有一定的變化范圍參看書P106表和書P139表TTL系列電源：5V CMOS系列電源：318V 數(shù)字集成電路的分類 從制造工藝上將數(shù)字集成電路分為雙極型、單極型和混合型三種；從集成度上可分為： SSI、MSI、LSI 、VLSI等類型；門電路分類：TTL門

2、電路、CMOS門電路基本原理：基于二極管、三極管的開關(guān)特性。3.2 半導(dǎo)體二極管門電路3.2.1二極管的開關(guān)特性高電平：VIH=VCC低電平：VIL=0 則當(dāng)：VI=VIH 時(shí)，D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL 時(shí)，D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V 單向?qū)щ娦裕合葟?fù)習(xí)二極管的伏安曲線 二極管的開關(guān)等效電路：a)當(dāng)外電路的等效電源和等效電阻都很小時(shí)，二極管的正向?qū)▔航岛驼螂娮瓒疾豢珊雎裕籦) 二極管的正向?qū)▔航挡豢珊雎远螂娮杩珊雎?；c) 二極管的正向?qū)▔航岛驼螂娮瓒伎珊雎裕?二極管的反向恢復(fù)時(shí)間：原因：電荷的存儲效應(yīng) 板書說明3.2.2 二極管與門設(shè)VCC = 5V加到A,B

3、的 VIH=3V VIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111規(guī)定3V以上為10.7V及以下為0邏輯符號：設(shè)VCC = 5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111規(guī)定2.3V及以上為10V及以下為03.2.3 二極管或門邏輯符號：3.3 CMOS門電路3.3.1 MOS管的開關(guān)特性一、MOS管的結(jié)構(gòu)S (Source)：源極G (Gate)：柵極D (Drain)：漏極B

4、 (Substrate):襯底金屬層氧化物層半導(dǎo)體層PN結(jié)以N溝道增強(qiáng)型為例：當(dāng)加+VDS時(shí)，VGS=0時(shí)，D-S間是兩個(gè)背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0加上+VGS，且足夠大至VGS VGS (th), D-S間形成導(dǎo)電溝道（N型層）開啟電壓二、MOS管的輸出特性輸入特性：柵極電流為0，看進(jìn)去有一個(gè)輸入電容CI，對動態(tài)有影響。輸出特性（漏級特性曲線）：iD = f (VDS) 對應(yīng)不同的VGS下得一族曲線 。 漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）截止區(qū)：VGS 109漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）恒流區(qū)： iD 基本上由VGS決定，與VDS 關(guān)系不大轉(zhuǎn)移特性曲線漏極

5、特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS 較低， VGS 一定時(shí)， 這個(gè)電阻受VGS 控制、可變， VGS越大則等效電阻（稱導(dǎo)通電阻RON ）越小。三、MOS管的基本開關(guān)電路四、等效電路OFF ，截止?fàn)顟B(tài) ON，導(dǎo)通狀態(tài)五、MOS管的四種類型增強(qiáng)型耗盡型大量正離子導(dǎo)電溝道（自學(xué)）3.3.2 CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu) 設(shè)：PN二、電壓、電流傳輸特性三、輸入噪聲容限結(jié)合電壓傳輸特性曲線參看P106表3.3.2所以：可以通過提高VDD來提高噪聲容限電壓傳輸特性和VDD有關(guān)通常手冊中給出VNH和VNL約為VDD的30%3.3.3 CMOS 反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性一、輸入特性

6、二、輸出特性1、輸出為低電平時(shí)：2、輸出為高電平時(shí)：3.3.4 CMOS反相器的動態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間參看書P106表二、交流噪聲容限即：門電路對窄脈沖信號的噪聲容限三、動態(tài)功耗CPD：功耗電容，具體數(shù)值由器件制造商給出。參看書P106CMOS反相器從一種穩(wěn)定狀態(tài)突然轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，產(chǎn)生的功耗.看書例題3.3.13.3.5 其他類型的CMOS門電路一、其他邏輯功能的門電路1. 與非門 2.或非門 解決辦法：增加緩沖門帶緩沖器的CMOS門：在每個(gè)輸入、輸出端 各增設(shè)一級反相器這樣一來，任何復(fù)合門的輸入輸出特性就與反相器的輸入輸出特性完全一致了二、漏極開路的門電路（OD門）邏輯符號

7、：用來實(shí)現(xiàn)線與，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換.上拉電阻RL的計(jì)算方法：1，當(dāng)輸出全部為高電平時(shí)：2，當(dāng)有一個(gè)輸出為低電平，其余為高電平時(shí)：例3.3.2三、 CMOS傳輸門及雙向模擬開關(guān)1. 傳輸門可見，CMOS傳輸門可以傳輸數(shù)字信號，和CMOS反相器一起構(gòu)成各種數(shù)字電路,還可以作為模擬開關(guān)來傳輸模擬信號，邏輯符號：2. 雙向模擬開關(guān)比如構(gòu)成異或門：邏輯符號：四、三態(tài)輸出門邏輯符號：三態(tài)門的用途用于總線結(jié)構(gòu)用于數(shù)據(jù)的雙向傳輸雙極型三極管的開關(guān)特性（BJT, Bipolar Junction Transistor）3.5 TTL門電路3.5.1 半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)管芯 + 三個(gè)引出電極

8、+ 外殼基區(qū)薄低摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜集電區(qū)低摻雜以NPN為例說明工作原理：當(dāng)VCC VBBbe 結(jié)正偏, bc結(jié)反偏e區(qū)發(fā)射大量的電子b區(qū)薄，只有少量的空穴bc反偏，大量電子形成IC二、三極管的輸入特性和輸出特性 三極管的輸入特性曲線（NPN）VON ：開啟電壓硅管，0.5 0.7V鍺管，0.2 0.3V近似認(rèn)為:VBE 0.7V以后，基本為水平直線特性曲線分三個(gè)部分放大區(qū)：條件VCE 0.7V, iB 0, iC隨iB成正比變化， iC=iB。飽和區(qū)：條件VCE 0, VCE 很低，iC 隨iB增加變緩，趨于“飽和”。截止區(qū)：條件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce間“斷開”

9、 。三、雙極型三極管的基本開關(guān)電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL工作狀態(tài)分析：圖解分析法：四、三極管的開關(guān)等效電路截止?fàn)顟B(tài)飽和導(dǎo)通狀態(tài)五、動態(tài)開關(guān)特性在飽和與截止兩個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI。六 、三極管反相器三極管的基本開關(guān)電路就是非門實(shí)際應(yīng)用中，為保證VI=VIL時(shí)T可靠截止，常在 輸入斷接入負(fù)壓。 參數(shù)合理VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T截止，VO=VOL例3.5.1：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理5V-8V3.3K10K1K=20VCE(sat) = 0.1VVIH=5VVIL=

10、0V例3.5.1：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理將發(fā)射極外接電路化為等效的VB與RB電路當(dāng)當(dāng)又因此，參數(shù)設(shè)計(jì)合理3.5.2 TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)設(shè) 二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性需要說明的幾個(gè)問題： 三、輸入噪聲容限輸入特性曲線3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性輸出特性曲線參看P139性能參數(shù)表例：扇出系數(shù)（Fan-out），試計(jì)算門G1能驅(qū)動多少個(gè)同樣的門電路負(fù)載。假設(shè)為74系列的門電路參考P138表3.5.1N1=10 N2=163.5.4 TTL反相器的動態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間二、交流噪聲容限（b）負(fù)脈沖噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限 當(dāng)輸入信號為窄脈沖，且接

11、近于tpd時(shí)，輸出變化跟不上，變化很小，因此交流噪聲容限遠(yuǎn)大于直流噪聲容限。三、電源的動態(tài)尖峰電流2、動態(tài)尖峰電流3.5.5其他類型的TTL門電路一、其他邏輯功能的門電路1. 與非門相當(dāng)于二極管與門b=e1e22. 或非門3.與或非門二、集電極開路的門電路1、推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性 輸出電平不可調(diào) 負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用 OC門2、OC門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)OC門實(shí)現(xiàn)的線與3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算三、三態(tài)輸出門（Three state Output Gate ,TS）三態(tài)門的用途一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL）電路的改進(jìn)(1)輸出級采用復(fù)合管（減小輸出電阻Ro）(2)減少各電阻值2. 性能特點(diǎn)速度提高 的同時(shí)功耗也增加 3.5.6 TTL電路的改進(jìn)系列 二、肖特基系列74S/54S（Sc