電子技術(shù)數(shù)字部分ch2

第二章門電路2024/1/101一、門電路實(shí)現(xiàn)根本邏輯運(yùn)算和常用復(fù)合邏輯運(yùn)算的電子電路與或非與非或非異或與或非概述與門或門非門與非門或非門異或門與或非門2024/1/102二、邏輯變量與兩形狀開關(guān)低電平高電平斷開閉合高電平3V低電平0V二值邏輯:一切邏輯變量只需兩種取值(1或0)。數(shù)字電路:經(jīng)過電子開關(guān)S的兩種形狀(開或關(guān))獲得高、低電平，用來表示1或0。3V3V邏輯形狀1001S可由二極管、三極管或MOS管實(shí)現(xiàn)2024/1/103三、高、低電平與正、負(fù)邏輯負(fù)邏輯正邏輯0V5V2.4V0.8V高電平和低電平是兩個(gè)不同的可以截然區(qū)別開來的電壓范圍。010V5V2.4V0.8V102024/1/104四、分立元件門電路和集成門電路1.分立元件門電路用分立的元器件和導(dǎo)線銜接起來構(gòu)成的門電路。2.集成門電路把構(gòu)成門電路的元器件和連線，都制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，再封裝起來。常用：CMOS和TTL集成門電路2024/1/105五、數(shù)字集成電路的集成度一塊芯片中含有等效邏輯門或元器件的個(gè)數(shù)小規(guī)模集成電路SSI(SmallScaleIntegration)<10門/片或<100元器件/片中規(guī)模集成電路MSI(MediumScaleIntegration)10~99門/片或100~999元器件/片大規(guī)模集成電路LSI(LargeScaleIntegration)100~9999門/片或1000~99999元器件/片超大規(guī)模集成電路VLSI(VeryLargeScaleIntegration)>10000門/片或>100000元器件/片2024/1/1062.1.1理想開關(guān)的開關(guān)特性一、靜態(tài)特性1.斷開2.閉合2.1半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管的開關(guān)特性SAK2024/1/107二、動態(tài)特性1.開通時(shí)間：2.關(guān)斷時(shí)間：閉合〕〔斷開斷開〕〔閉合普通開關(guān)：靜態(tài)特性好，動態(tài)特性差半導(dǎo)體開關(guān)：靜態(tài)特性較差，動態(tài)特性好幾百萬/秒幾千萬/秒SAK2024/1/1082.1.2半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性一、靜態(tài)特性1.外加正向電壓(正偏)二極管導(dǎo)通(相當(dāng)于開封鎖合)2.外加反向電壓(反偏)二極管截止(相當(dāng)于開關(guān)斷開)硅二極管伏安特性陰極A陽極KPN結(jié)-AK+P區(qū)N區(qū)++++++++--------正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)0.50.7/mA/V02024/1/109D+-+-二極管的開關(guān)作用：[例]uO=0VuO=2.3V電路如下圖，試判別二極管的任務(wù)形狀及輸出電壓。二極管截止二極管導(dǎo)通[解]D0.7V+-2024/1/1010二、動態(tài)特性1.二極管的電容效應(yīng)結(jié)電容Cj分散電容CD2.二極管的開關(guān)時(shí)間電容效應(yīng)使二極管的通斷需求一段延遲時(shí)間才干完成tt00(反向恢復(fù)時(shí)間)≤ton—開通時(shí)間toff—關(guān)斷時(shí)間2024/1/1011一、靜態(tài)特性NPN2.1.3半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射極emitter基極base集電極collectorbiBiCec(電流控制型)1.構(gòu)造、符號和輸入、輸出特性(2)符號NNP(Transistor)(1)構(gòu)造2024/1/1012(3)輸入特性(4)輸出特性iC/mAuCE/V50μA40μA30μA20μA10μAiB=0024684321放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)0uBE/ViB/μA發(fā)射結(jié)正偏放大iC=iB集電結(jié)反偏飽和iC＜iB兩個(gè)結(jié)正偏I(xiàn)CS=IBS臨界截止iB≈0,iC≈0兩個(gè)結(jié)反偏電流關(guān)系形狀條件2024/1/10132.開關(guān)運(yùn)用舉例發(fā)射結(jié)反偏T截止發(fā)射結(jié)正偏T導(dǎo)通+

RcRb+VCC(12V)+uo

iBiCTuI3V-2V2k2.3k放大還是飽和？2024/1/1014飽和導(dǎo)通條件：+

RcRb+VCC+12V+uo

iBiCTuI3V-2V2k2.3k≤由于所以2024/1/1015二、動態(tài)特性3-2t00.9ICS0.1ICSt030.3t02024/1/10162.1.4MOS管的開關(guān)特性(電壓控制型)MOS〔Mental–Oxide–Semiconductor〕金屬–氧化物–半導(dǎo)體場效應(yīng)管一、靜態(tài)特性1.構(gòu)造和特性：(1)N溝道柵極G漏極DB源極S3V4V5VuGS=6ViD/mA42643210uGS/ViD/mA43210246810uDS/V可變電阻區(qū)恒流區(qū)UTNiD開啟電壓UTN=2V+-uGS+-uDS襯底漏極特性轉(zhuǎn)移特性uDS=6V截止區(qū)2024/1/1017P溝道加強(qiáng)型MOS管與N溝道有對偶關(guān)系。(2)P溝道柵極G漏極DB源極SiD+-uGS+-uDS襯底iD/mAiD/mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2-3V-4V-5VuGS=-6V-1-2-3-4-6uGS/VuDS/V可變電阻區(qū)恒流區(qū)漏極特性轉(zhuǎn)移特性截止區(qū)UTPuDS=-6V開啟電壓UTP=-2V參考方向2024/1/10182.MOS管的開關(guān)作用：(1)N溝道加強(qiáng)型MOS管+VDD+10VRD20kBGDSuIuO+VDD+10VRD20kGDSuIuO開啟電壓UTN=2ViD+VDD+10VRD20kGDSuIuORONRD2024/1/1019(2)P溝道加強(qiáng)型MOS管-VDD-10VRD20kBGDSuIuO-VDD-10VRD20kGDSuIuO開啟電壓UTP=-2V-VDD-10VRD20kGDSuIuOiD2024/1/1020uYuAuBR0D2D1+VCC+10V2.2分立元器件門電路2.2.1二極管與門和或門一、二極管與門3V0V符號:與門〔ANDgate)ABY&0V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3V真值表ABY000110110001Y=AB電壓關(guān)系表uA/VuB/VuY/VD1D200033033導(dǎo)通導(dǎo)通0.7導(dǎo)通截止0.7截止導(dǎo)通0.7導(dǎo)通導(dǎo)通3.72024/1/1021二、二極管或門uY/V3V0V符號:或門〔ANDgate)ABY≥10V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表ABY000110110111電壓關(guān)系表uA/VuB/VD1D200033033導(dǎo)通導(dǎo)通-0.7截止導(dǎo)通2.3導(dǎo)通截止2.3導(dǎo)通導(dǎo)通2.3Y=A+B2024/1/1022正與門真值表正邏輯和負(fù)邏輯的對應(yīng)關(guān)系：ABY000110110001ABY=AB&負(fù)或門真值表ABY111001001110AB≥1同理：正或門負(fù)與門2024/1/1023一、半導(dǎo)體三極管非門T截止T導(dǎo)通2.2.2三極管非門〔反相器〕飽和導(dǎo)通條件:+VCC+5V1kRcRbT+-+-uIuO4.3kβ=30iBiCT飽和由于所以2024/1/1024電壓關(guān)系表uI/VuO/V0550.3真值表0110AY符號函數(shù)式+VCC+5V1kRcRbT+-+-uIuO4.3kβ=30iBiC三極管非門:AY1AY2024/1/1025二、MOS三極管非門MOS管截止2.MOS管導(dǎo)通〔在可變電阻區(qū)〕真值表0110AY+VDD+10VRD20kBGDSuIuO1.+-uGS+-uDS故2024/1/1026+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP2.3CMOS集成門電路2.3.1CMOS反相器一、電路組成及任務(wù)原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0V<UTN<UTP截止導(dǎo)通10V10V>UTN>UTP導(dǎo)通截止0VUTN=2VUTP=-2V+10VRONPuY+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP2024/1/1027輸入端維護(hù)電路:C1、C2—柵極等效輸入電容(1)0<uA<VDD+uDF(2)uA>VDD+uDFD導(dǎo)通電壓：uDF=0.5~0.7V(3)uA<-uDF二極管導(dǎo)通時(shí)，限制了電容兩端電壓的添加。維護(hù)網(wǎng)絡(luò)+VDDuYuATPD1C1C2RSTND2D3VSSD1、D2、D3截止D2、D3導(dǎo)通uG=VDD+uDFD1導(dǎo)通uG=-uDF2024/1/1028二、靜態(tài)特性1.電壓傳輸特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB段：uI<UTN，uO=VDD、iD0，功耗極小。0uO/VuI/VTN截止、TP導(dǎo)通，BC段：TN導(dǎo)通，uO略下降。CD段：TN、TP均導(dǎo)通。DE、EF段：與BC、AB段對應(yīng)，TN、TP的形狀與之相反。轉(zhuǎn)機(jī)電壓指為規(guī)定值時(shí)，允許動搖的最大范圍。UNL：輸入為低電平常的噪聲容限。UNH：輸入為高電平常的噪聲容限。=0.3VDD噪聲容限：2024/1/10292.電流傳輸特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO/VuI/VABCDEF0iD/mAuI/VUTH電壓傳輸特性電流傳輸特性AB、EF段：TN、TP總有一個(gè)為截止形狀，故iD0。CD段：TN、Tp均導(dǎo)通，流過兩管的漏極電流到達(dá)最大值iD=iD〔max)。閾值電壓：UTH=0.5VDD〔VDD=3~18V〕2024/1/10302.3.2CMOS與非門、或非門、與門和或門ABTN1TP1TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1110與非門一、CMOS與非門uA+VDD+10VVSSTP1TN1TP2TN2ABYuBuYAB&00100111Y=2024/1/1031或非門二、CMOS或非門uA+VDD+10VVSSTP1TN1TN2TP2ABYuBuYABTN1TP1TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1000AB≥1001001112024/1/1032三、CMOS與門和或門1.CMOS與門AB&Y1+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABYABY&+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSS2024/1/10332.CMOS或門Y1+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSSAB≥1ABY≥1+VDDVSSTP1TN1TN2TP2ABY2024/1/1034四、帶緩沖的CMOS與非門和或非門1.根本電路的主要缺陷(1)電路的輸出特性不對稱：當(dāng)輸入形狀不同時(shí)，輸出等效電阻不同。(2)電壓傳輸特性發(fā)生偏移，導(dǎo)致噪聲容限下降。2.帶緩沖的門電路在原電路的輸入端和輸出端加反相器。1ABY與非門或非門同理緩沖或非門與非門緩沖&112024/1/10352.3.3CMOS與或非門和異或門一、CMOS與或非門1.電路組成：&&&ABCD&≥1YABCDY12.任務(wù)原理：由CMOS根本電路(與非門和反相器)組成。2024/1/1036二、CMOS異或門1.電路組成：&&&ABY2.任務(wù)原理：&YAB=1由CMOS根本電路(與非門)組成。2024/1/10372.3.4CMOS傳輸門、三態(tài)門和漏極開路門一、CMOS傳輸門(雙向模擬開關(guān))1.電路組成：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuTNCIO/uuOI/uuTG2.任務(wù)原理：TN、TP均導(dǎo)通，TN、TP均截止，導(dǎo)通電阻小(幾百歐姆)關(guān)斷電阻大(≥109)(TG門—TransmissionGate)2024/1/1038二、CMOS三態(tài)門1.電路組成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN212.任務(wù)原理Y與上、下都斷開TP2、TN2均截止Y=Z(高阻態(tài)—非1非0)TP2、TN2均導(dǎo)通011010控制端低電平有效(1或0)3.邏輯符號YA1EN使能端EN2024/1/1039三、CMOS漏極開路門(OD門—OpenDrain)1.電路組成BA&1+VDDYBGDSTNVSSRD外接YAB&符號(1)漏極開路，任務(wù)時(shí)必需外接電源和電阻。2.主要特點(diǎn)(2)可以實(shí)現(xiàn)線與功能：輸出端用導(dǎo)線銜接起來實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算。YCD&P1P2+VDDYRD(3)可實(shí)現(xiàn)邏輯電平變換：(4)帶負(fù)載才干強(qiáng)。2024/1/10402.3.5CMOS電路運(yùn)用中應(yīng)留意的幾個(gè)問題一、CC4000和C000系列集成電路1.CC4000系列：符合國家規(guī)范，電源電壓為318V，功能和外部引線陳列與對應(yīng)序號的國外產(chǎn)品一樣。2.C000系列：早期集成電路，電源電壓為715V，外部引線陳列順序與CC4000不同，用時(shí)需查閱有關(guān)手冊。傳輸延遲時(shí)間tpd規(guī)范門=100nsHCMOS=9nsHCMOS:54/74系列54/74HC(帶緩沖輸出)54/74HCU(不帶緩沖輸出)54/74HCT(與LSTTL兼容)二、高速CMOS(HCMOS)集成電路2024/1/1041三、CMOS集成電路的主要特點(diǎn)(1)功耗極低。LSI：幾個(gè)μW，MSI：100μW(2)電源電壓范圍寬。CC4000系列：VDD=3~18V(3)抗干擾才干強(qiáng)。輸入端噪聲容限=0.3VDD~0.45VDD(4)邏輯擺幅大。(5)輸入阻抗極高。(6)扇出才干強(qiáng)。扇出系數(shù)：帶同類門電路的個(gè)數(shù)，其大小反映了門電路的帶負(fù)載才干。(7)集成度很高，溫度穩(wěn)定性好。(8)抗輻射才干強(qiáng)。(9)本錢低。CC4000系列：≥50個(gè)≥2024/1/1042四、CMOS電路運(yùn)用中應(yīng)留意的幾個(gè)問題1.留意輸入端的靜電防護(hù)。2.留意輸入電路的過流維護(hù)。3.留意電源電壓極性。5.多余的輸入端不應(yīng)懸空。6.輸入端外接電阻的大小不會引起輸入電平的變化。與門、與非門：接電源或與其他輸入端并聯(lián)或門、或非門：接地或與其他輸入端并聯(lián)多余輸入端的處置思索緣由？4.輸出端不能和電源、地短接。由于輸入阻抗極高〔≥108〕故輸入電流0，電阻上的壓降0。2024/1/10432.4TTL集成門電路〔Transistor—TransistorLogic〕一、電路組成及任務(wù)原理+VCC(5V)R1uIuo4kAD1T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y輸入級中間級輸出級D1—維護(hù)二極管防止輸入電壓過低。當(dāng)uI<-0.5~-0.7V時(shí)，D1導(dǎo)通，uI被鉗制在-0.5~-0.7V，不能夠繼續(xù)下降。1.電路組成由于D1只起維護(hù)作用，不參與邏輯判別，為了便于分析，今后在有些電路中將省去。2.4.1TTL反相器2024/1/10442.任務(wù)原理+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y0VT1的基極電壓無法使T2和T4的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通T1深度飽和T2、T4截止，iC1=0RL拉電流T3、D導(dǎo)通0V3.6V0V0.7V0V負(fù)載的等效電阻iC15V由于所以那么2024/1/1045+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y假設(shè)T1導(dǎo)通那么T1的集電結(jié)和T2、T4的發(fā)射結(jié)(3個(gè)PN結(jié))導(dǎo)通ebcT1正常放大時(shí):發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，即uC>uB>uE如今:uE>uB>uC，即發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)正偏倒置放大iii=βiib=(1+βi)ib4.3Vce3.6V1.4V0.7V2.1V2024/1/10461.4V+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130YT1倒置放大形狀假設(shè)T2飽和導(dǎo)通T3、D均截止(設(shè)β1~β4=20)T2飽和的假設(shè)成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思索：D的作用？假設(shè)無D，此時(shí)T3可以導(dǎo)通，電路將不能實(shí)現(xiàn)正常的邏輯運(yùn)算由于3.6ViE12024/1/1047+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130YT1倒置放大形狀T2飽和，T3、D均截止3.62.11.40.71T4的任務(wù)形狀：導(dǎo)通放大還是飽和？iB2ICS2iB1iE1iE2iB4iR3又由于T3、D均截止，即T4深度飽和：uO=UCES4≤0.3V〔無外接負(fù)載〕假設(shè)外接負(fù)載RL：RL+VCC0.3所以2024/1/1048輸入短路電流IIS二、靜態(tài)特性1.輸入特性(1)輸入伏安特性：1iI+VCC+5VuI+-uoT1iIuI+-be2be4+VCC+5VR14kIV/uImA/i012-1ISIILIUILUIHIHI低電平輸入電流IIL高電平輸入電流或輸入端漏電流IIH2024/1/1049即：當(dāng)Ri為2.5k以上電阻時(shí)，輸入由低電平變?yōu)楦唠娖?2)輸入端負(fù)載特性：1+VCC+5VuI+-uoRiT1iB1uI+-be2be4+VCC+5VR14kRiRi/026412uI/VT2、T4飽和導(dǎo)通Ri=Ron—開門電阻〔2.5k?〕RonT2、T4截止Ri=Roff—關(guān)門電阻〔<0.7k〕即：當(dāng)Ri為0.7k以下電阻時(shí),輸入端相當(dāng)于低電平。Roff0.7V1.4V2024/1/10502.輸出特性uO1+VCC+5VuI+-+-iOuO/ViO/mA0102030-10-20-30123在輸出為低電平條件下，帶灌電流負(fù)載才干IOL可達(dá)16mA0.3V受功耗限制，帶拉電流負(fù)載才干IOH可普通為-400A3.6V

留意：輸出短路電流IOS可達(dá)-33mA，將呵斥器件過熱燒毀，故門電路輸出端不能接地！??！2024/1/10513.電壓傳輸特性：1+VCC+5VuI+-uO+-AB0uO/VuI/V12341234AB段：uI<0.5V，uB1<1.3V，T2、T4截止，T3、D導(dǎo)通。截止區(qū)3.6VBC段：T2開場導(dǎo)通(放大區(qū))，T4仍截止。C線性區(qū)D轉(zhuǎn)機(jī)區(qū)E飽和區(qū)0.3VCD段：反相器的閾值電壓(或門檻電壓)DE段：uI>1.4V，T2、T4飽和導(dǎo)通，T3、D截止。uO=UOL≤0.3V閾值電壓2024/1/10524.輸入端噪聲容限uIuO1G1G21輸出高電平典型值=3.6V輸出低電平典型值=0.3V輸入高電平典型值=3.6V輸入低電平典型值=0.3VUNH—允許疊加的負(fù)向噪聲電壓的最大值G2輸入高電平常的噪聲容限：UNL—允許疊加的正向噪聲電壓的最大值G2輸入低電平常的噪聲容限：2024/1/1053三、動態(tài)特性傳輸延遲時(shí)間1uIuO50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL—輸出電壓由高到低時(shí)的傳輸延遲時(shí)間。tpd—平均傳輸延遲時(shí)間tPLH—輸出電壓由低到高時(shí)的傳輸延遲時(shí)間。tPHLtPLH典型值：tPHL=8ns,tPLH=12ns最大值：tPHL=15ns,tPLH=22ns2024/1/1054+VCC+5VR14kAD2T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y輸入級中間級輸出級D1BT1—多發(fā)射極三極管e1e2bc等效電路：1.A、B只需有一個(gè)為00.3V1VT2、T4截止5VT3、D導(dǎo)通2.4.2TTL與非門和其他邏輯門電路一、TTL與非門0.7VRL3.6V2024/1/1055+VCC+5V4kAD2T1T2T3T4D1.6k1k130Y輸入級中間級輸出級D1BR1R2R3R43.6V3.6V0.7V1V0.3V4.3V2.1V2.A、B均為1實(shí)際：實(shí)踐：T2、T4導(dǎo)通T3、D截止uO=UCES4≤0.3VTTL與非門RL+VCC2024/1/1056+VCC+5V4kAD2T1T2T3T4D1.6k1k130Y輸入級中間級輸出級D1BR1R2R3R4TTL與非門整理結(jié)果：1110ABY00011011AB&2024/1/1057二、TTL或非門+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T2輸入級中間級輸出級1.A、B只需有一個(gè)為1T2、T4飽和T2、T3、D截止uO=0.3V2.1V1V0.3V3.6V0.3VRL+VCC2024/1/10582.A、B均為0iB1、iB1分別流入T1、T1的發(fā)射極T2、T2均截止那么T4截止T3、D導(dǎo)通+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T20.3V0.3ViB1iB1RL輸入級中間級輸出級TTL或非門5V1V1V3.6V2024/1/1059整理結(jié)果：1000ABY00011011AB≥1+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T2輸入級中間級輸出級TTL或非門2024/1/10602.4.3TTL集電極開路門和三態(tài)門一、集電極開路門—OC門(OpenCollectorGate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B1.電路組成及符號+VCCRC外接YAB&+VCCRCOC門必需外接負(fù)載電阻和電源才干