數(shù)字電子技術(shù) 教學(xué)課件 作者 胡祥青 何暉第2章課件

第2章集成邏輯門(mén)電路

學(xué)習(xí)目標(biāo)理解晶體管的開(kāi)關(guān)特性了解集成邏輯門(mén)的分類(lèi)和特性理解效應(yīng)管開(kāi)關(guān)特性

掌握集成邏輯門(mén)的分類(lèi)和使用方法

2.1半導(dǎo)體管的開(kāi)關(guān)特性

所有數(shù)字集成電路都是由二極管、晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管組成的。在脈沖與數(shù)字電路中，它們通常是作為開(kāi)關(guān)使用，大部分工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的“接通”和“斷開(kāi)”，因此被稱(chēng)為電子開(kāi)關(guān)。電子開(kāi)關(guān)較機(jī)械開(kāi)關(guān)具有速度高、可靠程度高、無(wú)抖動(dòng)、功耗低、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)。本節(jié)將討論雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)特性。1.靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性（1）二極管正向?qū)〞r(shí)的特點(diǎn)及導(dǎo)通條件以硅二極管為例，當(dāng)外加正向電壓使二極管承受一定的正向偏置時(shí)，二極管正向?qū)?，其電壓、電流正方向如圖2-1所示。圖2-1二極管開(kāi)關(guān)電路

圖2-2

二極管伏安特性曲線(xiàn)2.1.1二極管的開(kāi)關(guān)特性DiRU當(dāng)二極管外加正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，此后，隨著外加電壓增大，電流按指數(shù)規(guī)律變化。VON是二極管的門(mén)檻（閾值、開(kāi)啟）電壓，硅管約為0.5V，鍺管約為0.1V。時(shí)，特性趨于直線(xiàn)，基本不隨電流變化。稱(chēng)為二極管的導(dǎo)通壓降，硅管約為0.7V，鍺管約為0.3V。在數(shù)字電路的分析估算中，常將VD=0.7V視為硅二極管的導(dǎo)通條件。當(dāng)外加正向電壓（輸入信號(hào)高電平）使硅二極管導(dǎo)通后，可近似認(rèn)為保持0.7V不變。因此，在數(shù)字信號(hào)作用下二極管正向?qū)〞r(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)具有0.7V壓降的閉合的開(kāi)關(guān)。（2）二極管截止時(shí)的特點(diǎn)及截止條件當(dāng)外加電壓較小或者承受反向偏置時(shí)，二極管截止。由圖2-2所示的二極管伏—安特性曲線(xiàn)可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)二極管截止，只有很小的反向漏電流流過(guò)二極管。硅管的反向漏電流

＜1uA，鍺管的＜20uA，在數(shù)字電路的分析計(jì)算中，常將視為硅二極管的截止條件。實(shí)際電路中，外加壓常使≤0，以保證二極管可靠截止。

2.動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的二極管除了有導(dǎo)通和截止兩種穩(wěn)定狀態(tài)外，更多地是在導(dǎo)通和截止間的轉(zhuǎn)換。在圖2-3a所示電路中輸入圖2-3b所示快速電壓波形時(shí)，實(shí)際的輸出電流波形如圖2-3c所示。圖2-3二極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性

2.1.2晶體管的開(kāi)關(guān)特性

1.靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性在數(shù)字電路中，晶體管和二極管一樣也常作為開(kāi)關(guān)使用。因此要求晶體管具有良好的穩(wěn)定開(kāi)關(guān)特性，即接通（飽和狀態(tài)）和斷開(kāi)（截止?fàn)顟B(tài)）特性。晶體管的三個(gè)工作區(qū)在數(shù)字電路中都要涉及。圖2-4是晶體管開(kāi)關(guān)電路，圖2-5為晶體管輸出特性曲線(xiàn)。圖2-4晶體管開(kāi)關(guān)電圖2-5晶體管輸出特性曲線(xiàn)

VCCRCRB晶體管的三個(gè)工作狀態(tài)是：（1）截止區(qū)

發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均反偏，。此時(shí)晶體管的三個(gè)電極如同斷開(kāi)一樣。這種狀態(tài)下相當(dāng)于晶體管作為開(kāi)關(guān)使用時(shí)的斷開(kāi)狀態(tài)。（2）飽和區(qū)

發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均正偏，此時(shí)C、E間的電壓稱(chēng)為極電極飽和壓降。硅管的約為0.1～0.3V。幾乎不隨的變化而變化。飽和狀態(tài)時(shí)晶體晶體管C、E極間猶如短路一樣，相當(dāng)于一個(gè)閉合開(kāi)關(guān)，晶體管飽和壓降越小，越接近于理想開(kāi)關(guān)接通狀態(tài)。（3）放大區(qū)

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，隨線(xiàn)性變化。放大區(qū)與飽和區(qū)的交界處稱(chēng)為臨界飽和。

2.動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性在動(dòng)態(tài)情況下，即晶體管在截止與飽和導(dǎo)通兩種狀態(tài)間迅速轉(zhuǎn)換時(shí)，由于晶體管內(nèi)部電荷的建立和消散都需要一定的時(shí)間，所以集電極電流的變化滯后于基極電壓的變化，如圖2-6所示。當(dāng)然，輸出電壓的變化比輸入電壓的變化也相應(yīng)地滯后。圖2-6晶體管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性2.2TTL集成門(mén)電路晶體管—晶體管邏輯門(mén)（簡(jiǎn)稱(chēng)TTL邏輯門(mén)）是目前廣泛應(yīng)用的一類(lèi)邏輯器件。依據(jù)芯片上集成的基本門(mén)的數(shù)量可以將TTL邏輯器件分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模集成電路；依據(jù)電路的工作速度和功耗，可以將TTL邏輯器件分為四個(gè)系列：標(biāo)準(zhǔn)通用系列，國(guó)產(chǎn)為CT54/74系列；高速系列，國(guó)產(chǎn)為CT54H/74H系列;肖特基系列，國(guó)產(chǎn)為CT54S/74S系列;低功耗肖特基系列，國(guó)產(chǎn)為CT54LS/74LS.2.2.1TTL與非門(mén)1.電路結(jié)構(gòu)圖2-7TTL與非門(mén)+5VABCY

2.工作原理當(dāng)輸入端全為高電平時(shí)(3.6V)，VT1的的基極電位升高，

足以使VT1集電結(jié)、VT2和VT4的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。VT2的集電結(jié)電位約為1V，不能驅(qū)動(dòng)VT3，使之處于截止?fàn)顟B(tài)。輸出為低電平，電路處于開(kāi)態(tài)。當(dāng)輸入端有一個(gè)為低電平（0.3V）時(shí)，VT1中相應(yīng)的BE結(jié)導(dǎo)通，VT1的基極電位為，它不能使VT1的BC結(jié)和VT2的BE結(jié)正向?qū)ǎ虼溯敵龈唠娖健?.TTL與非門(mén)的外特性及主要電器參數(shù)1)電壓傳輸特性電壓傳輸特性是指輸出電壓隨輸入電壓變化的關(guān)系曲線(xiàn)。圖2-8與非門(mén)的電壓傳輸特性ABCDI/VO/V3.6V2.5V0.3VE0.6V1.3V1.4V(2)主要電器參數(shù)由電壓傳輸特性可得與非門(mén)的幾個(gè)重要參數(shù)：輸出的高電平、輸出低電平、關(guān)門(mén)電平、開(kāi)門(mén)電平、下限抗干擾電壓容限、上限抗干電壓擾容限等。電壓傳輸特性曲線(xiàn)截止區(qū)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓為，飽和區(qū)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓為。2.2.2

肖特基TTL與非門(mén)要提高TTL門(mén)電路的工作速度，必須對(duì)電路加以改進(jìn)。顯然，影響門(mén)電路開(kāi)關(guān)速度的一個(gè)重要因素是晶體管飽和與截止相互轉(zhuǎn)換的時(shí)間。為減小這一時(shí)間，可采取以下措施：①減輕晶體管的飽和深度，甚至使輸出級(jí)晶體管不飽和。②設(shè)法使晶體管基區(qū)的存儲(chǔ)電荷盡快消散。圖2-9抗飽和晶體管,在晶體管的b-c結(jié)上并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管即可以構(gòu)成一個(gè)抗飽和晶體管。圖2-9為其電路。b-c結(jié)上并了肖特基二極管，b-c結(jié)在反偏時(shí)，肖特基二極管不起作用。當(dāng)晶體管飽和時(shí)，b-c結(jié)正偏電壓被肖特基二極管的正向?qū)妷呵段唬瑥亩拗屏司w管的飽和深度。同時(shí)肖特基二極管對(duì)晶體管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電流也有分流的作用，減小了集電區(qū)過(guò)量的存儲(chǔ)電荷，又有利于提高開(kāi)關(guān)速度。圖2-10CT74S肖特基系列TTL與非門(mén)SBD

圖2-9抗飽和晶體管Y+5V抗飽和TTL與非門(mén)，如圖2-10a所示。它與典型TTL與非門(mén)相比有兩點(diǎn)改進(jìn)。第一，用帶肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的晶體管來(lái)代替典型TTL與非門(mén)中所有可能在飽和狀態(tài)下工作的晶體管；第二，增加了一個(gè)由晶體管和電阻構(gòu)成的有源泄放電路。2.2.3集電極開(kāi)路與非門(mén)

TTL集成邏輯門(mén)電路除與非門(mén)外，常用的還有集電極開(kāi)路與非門(mén)、或非門(mén)、與或非門(mén)、三態(tài)門(mén)和異或門(mén)等，它們的邏輯功能雖各不相同，但都是在與非門(mén)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的。因此，前面討論的TTL與非門(mén)的特性對(duì)這些門(mén)電路同樣適用。1．集電極開(kāi)路與非門(mén)（OC門(mén)）a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)b）邏輯符號(hào)圖2-11TTL集電極開(kāi)路與非門(mén)（1）OC門(mén)的工作原理集電極開(kāi)路與非門(mén)也叫OC門(mén)，電路如圖2-11a所示，圖2-11b為其邏輯符號(hào)。OC門(mén)工作時(shí)需要在輸出端和電源之間外接一個(gè)上拉負(fù)載電阻。T1T2T3ABCR1R2R3UCCL&ABCL（2）OC門(mén)的應(yīng)用1)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)與。圖2-12所示為有兩個(gè)OC門(mén)輸出端并聯(lián)后經(jīng)電阻接的電路，圖中輸出線(xiàn)連接處的矩形框表示線(xiàn)與邏輯功能的圖形符號(hào)。由圖2-12可知，任一個(gè)OC門(mén)的所有輸入都為高電平時(shí)，輸出為低電平；只有每個(gè)OC門(mén)的輸入中有低電平時(shí)，輸出才為高電平，其邏輯表達(dá)式為Y=。

圖2-12用OC門(mén)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)與＆CD＆ABF3）實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換2）驅(qū)動(dòng)顯示器圖2-13顯示電圖2-14用OC門(mén)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換

&ABC+5V270Ω&AB2.2.4三態(tài)輸出與非門(mén)（TSL門(mén)）TTL三態(tài)與非門(mén)電路和邏輯符號(hào)如圖2-15所示

圖2-15TTL三態(tài)與非門(mén)。ABENYUCCVT1VT2VT3VT4T5VD&ENABEN圖2-16低電平有效三態(tài)與非門(mén)邏輯符號(hào)

圖2-17高電平有效三態(tài)輸出門(mén)共用一根總線(xiàn)&ENABENLENABL001011101110××Z01表2-3

三態(tài)與非門(mén)真值表D數(shù)據(jù)總線(xiàn)G0L0&A0B0ENEN0G1L1&A1B1ENEN1G2L2&A2B2ENEN22.3金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)特性金屬氧化物半導(dǎo)體（MetalOxideSemiconductor，MOS）場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS管。因其只有一種載流子參與導(dǎo)電，故又稱(chēng)單極型晶體管。按結(jié)構(gòu)MOS管可分為P溝道和N溝道兩種，按原理有增強(qiáng)型和耗盡型之分。1.靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性如圖2-19所示，是一個(gè)最簡(jiǎn)單的MOS管開(kāi)關(guān)電路，輸入電壓是，輸出電壓是。當(dāng)較小時(shí)，MOS是截止的，；當(dāng)較大時(shí)，MOS管導(dǎo)通，，由于，所以輸出為低電平，即。顯然導(dǎo)通電阻越小，輸出電壓越小，溝道電阻與有關(guān)。圖2-19NMOS管的基本開(kāi)關(guān)電路GS

D

RD

+UDD

uIuO2.動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性為使MOS管導(dǎo)通時(shí)輸出電壓小，一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，因此MOS管開(kāi)關(guān)特性主要表現(xiàn)為分布電容（或負(fù)載電容）的充放電特性，如圖2-20所示。MOS管開(kāi)關(guān)時(shí)間則主要取決于充電時(shí)間常數(shù)。為減小開(kāi)關(guān)時(shí)間，用P溝道MOS管來(lái)替代，就構(gòu)成所謂的CMOS開(kāi)關(guān)。UIVT圖2-20MOS管開(kāi)關(guān)特性2.4CMOS集成門(mén)電路

CMOS集成電路的許多最基本的邏輯單元，都是用P溝道增強(qiáng)型MOS管和N溝道增強(qiáng)型MOS，按照互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)形式構(gòu)成的，并因此得名。這種電路具有電壓控制、功耗小、連接方便等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的集成電路之一。在CMOS集成電路中，CMOS門(mén)電路是基礎(chǔ)，CMOS反相器是典型。2.4.1CMOS非門(mén)1.電路組成如圖2-21為CMOS反相器，由兩個(gè)管型互補(bǔ)的場(chǎng)效應(yīng)管和組成。管為工作管，是N溝道MOS增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，開(kāi)啟電壓。管為負(fù)載管，是P溝道MOS增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，開(kāi)啟電壓。工作管和負(fù)載管的柵極接在一起，作為輸入端；工作管和負(fù)載管的漏極接在一起，作為輸出端。負(fù)載管的源極接電源，工作管的源極接地。圖2-21CMOS反相器2.工作原理設(shè)

輸入低電平，輸出高電平。輸入高電平，輸出低電平。實(shí)現(xiàn)反相器功能，工作管和負(fù)載管總是工作在互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，即工作狀態(tài)互補(bǔ)。TPSDTNGSA（）L（）UDD3.COMS反相器的特性（1）電壓傳輸特性圖2-22CMOS反相器電壓傳輸特性圖2-23CMOS反相器電流傳輸特性/VUI/VUOL≈0VUOH≈UDDUTNUDD-∣UTP∣UthOABCDEFUI/VID/mAUTNUDD-∣UTP∣UthO(2)動(dòng)態(tài)特性

1）傳輸延遲時(shí)間。

02040608010020406080100tPHL/nstPLHCL/pFVDD=5V10V15V圖2-24CL和UDD對(duì)傳輸延遲時(shí)間的影響

2）交流噪聲容限。

在TTL電路中介紹了門(mén)電路的抗干擾能力，這是一種靜態(tài)參數(shù)。同樣CMOS電路也有抗干擾能力，或稱(chēng)為輸入端噪聲容限。由于CMOS電路的輸出高電平高，接近，輸出低電平低，接近0V，所以CMOS門(mén)電路的抗干擾能力遠(yuǎn)大于TTL電路。4.CMOS反相器的輸入保護(hù)電路金屬氧化物絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)（MOS）管因其柵極極高的輸入阻抗，會(huì)因電磁感應(yīng)產(chǎn)生過(guò)高的感應(yīng)電壓而使CMOS器件損壞。一般，CMOS器件的輸入端都有保護(hù)電路，具有輸入保護(hù)電路的CMOS反相器如圖2-27所示。圖2-27CMOS反相器的輸入保護(hù)電路TPTNUOUDDD1C1C2D22.5集成邏輯門(mén)的分類(lèi)和使用方法2.5.1集成邏輯門(mén)的分類(lèi)和特性數(shù)字集成電路有多種分類(lèi)方法，常用的按結(jié)構(gòu)工藝分類(lèi)，數(shù)字集成電路可以分為厚膜集成電路、薄膜集成電路、混合集成電路、半導(dǎo)體集成電路四大類(lèi)。世界上生產(chǎn)最多、使用最多的為半導(dǎo)體集成電路。半導(dǎo)體數(shù)字集成電路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)字集成電路）主要分為T(mén)TL、CMOS、ECL三大類(lèi)。（1）TTL類(lèi)型這類(lèi)集成電路是以雙極型晶體管（即通常所說(shuō)的晶體管）為開(kāi)關(guān)元件，輸入級(jí)采用多發(fā)射極晶體管形式，開(kāi)關(guān)放大電路也都是由晶體管構(gòu)成，所以稱(chēng)為晶體管—晶體管—邏輯，即Transistor-Transistor-Logic，縮寫(xiě)為T(mén)TL。TTL電路在速度和功耗方面，都處于現(xiàn)代數(shù)字集成電路的中等水平。它的品種豐富、互換性強(qiáng)，一般均以74（民用）或54（軍用）為型號(hào)前綴。（2）ECL類(lèi)型ECL（門(mén)是雙極型邏輯門(mén)的一種非飽和型的門(mén)電路，它的電路構(gòu)成和差分放大器外形相似，但工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即截止與放大兩種工作狀態(tài)。它是非飽和的發(fā)射極耦合形式的電源開(kāi)關(guān)，故稱(chēng)為發(fā)射極耦合邏輯（ECL）。ECL門(mén)是高速邏輯門(mén)電路中的主要類(lèi)型。同時(shí)，這類(lèi)電路還具有邏輯功能強(qiáng)、扇出能力高、噪聲低和引線(xiàn)串?dāng)_小等優(yōu)點(diǎn)。因此，廣泛應(yīng)用于高速大型計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信系統(tǒng)、高精度測(cè)試設(shè)備等方面。（3）CMOS類(lèi)型

CMOS類(lèi)型集成電路是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體數(shù)字集成電路的簡(jiǎn)稱(chēng)，CMOS電路首先由美國(guó)無(wú)線(xiàn)電公司（RCA）實(shí)驗(yàn)室研制成功的。由于電路具有微功耗、集成度高、噪聲容限和寬工作電壓范圍等許多突出的優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)展速度很快，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在幾乎滲透到所有的相關(guān)領(lǐng)域。2.5.2TTL和CMOS門(mén)電路在使用中的幾個(gè)問(wèn)題1.TTL集成門(mén)電路的使用注意事項(xiàng)(1)電源電壓及電源干擾的消除電源電壓的變化對(duì)54系列應(yīng)滿(mǎn)足5V±10%、對(duì)74系列應(yīng)滿(mǎn)足5V±5%的要求，電源的正極和地線(xiàn)不可接錯(cuò)。為了防止外來(lái)干擾通過(guò)電源串入電路，需要對(duì)電源進(jìn)行濾波，通常在印刷電路板的電源輸入端接入10～100μF的電容進(jìn)行濾