門電路教學(xué)課件

第二章集成門電路內(nèi)容提要:本章全面介紹數(shù)字電路地基本邏輯單元——門電路。從半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識出發(fā)介紹二極管,三極管與MOS管地基本原理,二極管,三極管與MOS管在開關(guān)狀態(tài)下地工作特。二極管,三極管與MOS管構(gòu)成地門電路。重點討論目前應(yīng)用廣泛地TTL門電路與OS門電路。熟悉有關(guān)集成門電路在使用應(yīng)注意地問題。二.一概述二.一.一邏輯門電路地概念邏輯門電路是指實現(xiàn)一定邏輯運算地電子電路,也稱為門電路。例如,實現(xiàn)非運算地門電路叫做非門,實現(xiàn)或運算地門電路叫做或門。在電子電路,一般用高,低電分別表示二值邏輯地一與零兩種邏輯狀態(tài)。二.一.二正邏輯與負邏輯正邏輯是指用高電表示邏輯一,低電表示邏輯零地規(guī)定稱為正邏輯。負邏輯是指用高電表示邏輯零,低電表示邏輯一地規(guī)定稱為負邏輯。對于同一電路,可以采用正邏輯,也可以采用負邏輯,正邏輯與負邏輯地規(guī)定不涉及邏輯電路本身地結(jié)構(gòu)與能好壞,無特殊說明,使用地都是正邏輯。二.一.三分立門電路與集成門電路分立門電路是指每個門都是用若干個分立地半導(dǎo)體器件與電阻,電容連接而成地。數(shù)字集成電路是指采用半導(dǎo)體制作工藝,將許多晶體管及電阻器,電容器等元器件制作在一塊很小地單晶硅片上,按照多層布線或遂道布線地方法將元器件組合成完整地電子電路。二.二半導(dǎo)體器件地開關(guān)特二.二.一二極管地開關(guān)特二極管地開關(guān)特表現(xiàn)在正向?qū)ㄅc反向截止這樣兩種不同狀態(tài)之間地轉(zhuǎn)換過程。一．靜態(tài)特典型二極管地靜態(tài)特曲線(又稱伏安特曲線)如圖二.二.一所示。（一）正向特（二）反向特圖二.二.一硅二極管地伏安特曲線二．動態(tài)特二極管地動態(tài)特是指二極管在正向?qū)ㄅc反向截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程地特,它表現(xiàn)在完成兩種狀態(tài)之間地轉(zhuǎn)換需要一定地時間。（一）開通時間（二）反向恢復(fù)時間圖二.二.四二極管地開關(guān)特二.二.二三極管地開關(guān)特在模擬電路,晶體三極管通常作為線形放大元件或非線形元件被使用。在數(shù)字電路,在大幅度脈沖信號作用下,晶體三極管也可以作為電子開關(guān),而且晶體三極管易于構(gòu)成功能更強地開關(guān)電路,因此它地應(yīng)用比開關(guān)二極管更廣泛。一．三極管地靜態(tài)特二．三極管地動態(tài)特二.二.三場效應(yīng)管地開關(guān)特在MOS集成電路,為了使電路前后兩級地高低電范圍能大致相同,一般都采用增強型MOS管作為開關(guān)工作管。一．MOS管地靜態(tài)特二．MOS管地動態(tài)特二.三分立元器件門電路門電路是數(shù)字電路最基本地邏輯元件,應(yīng)用十分廣泛。在數(shù)字電路,最基本地邏輯運算有:"與","或","非"運算。與此對應(yīng)地基本門電路便是"與"門,"或"門與"非"門。二.三.一二極管與門與或門一．二極管與門電路實現(xiàn)與邏輯關(guān)系地電路稱為與門。圖二.三.一（a）所示為二極管與門電路,A,B,C是它地三個輸入端,Y是輸出端。實現(xiàn)或邏輯關(guān)系地電路稱為或門。圖二.三.二所示地是二極管或門電路。圖二.三.一二極管與門電路圖二.三.二二極管或門電路二.三.二三極管非門如圖二.三.三所示為晶體三極管非門電路及其邏輯符號。圖二.三.三三極管"非"門電路二.四TTL集成門電路TTL集成電路,因為其輸入級與輸出級都采用半導(dǎo)體三極管而得名,也叫晶體管-晶體管邏輯電路,簡稱為TTL電路。二.四.一TTL與非門一.電路組成圖二.四.一是最常用地TTL與非門電路,由輸入級,間級與輸出級三個部分組成。圖二.四.一TTL與非門電路二.電路原理當輸入端只要有一個輸入為低電零時,則T一地基極與邏輯值為零地發(fā)射極間處于正向偏置。這時電源通過R一為T一提供基極電流。T一地基極電位約為零.七V,這個零.七V地電壓不具備打開由T一,T二與T五地集電結(jié)地能力,此時T二,T五截止。又因為T二截止,其集電極電位接近于UCC,T三與T四因此而飽與導(dǎo)通,所以輸出端Y地邏輯值為一。當輸入端全部輸入為高電一時,則T一地基極與發(fā)射極間處于反向偏置。電源通過R一與T一地集電結(jié)能夠向T二提供足夠地基極電流,T二處于飽與狀態(tài),T三,T四構(gòu)成地復(fù)合管處于截止狀態(tài)。而T五管處于深度飽與狀態(tài),所以輸出端Y地邏輯值為零。二.四.二TTL與非門電路地主要外部特一.電壓地傳輸特圖二.四.三TTL"與非"門地電壓傳輸特（一）輸入特

圖二.四.五與非門地輸入特圖二.四.六與非門輸入端結(jié)構(gòu)（二）輸入端地負載特圖二.四.七輸入端與地之間外接電阻圖二.四.八輸入端負載特（三）輸出特

圖二.四.九TTL與非門輸出特二.四.三TTL反相器,或非門,與門,或門,與或非門與異或門一.TTL反相器圖二.四.三TTL"與非"門地電壓傳輸特二．TTL或非門三．TTL或門,與門與與或非門四．TTL異或門二.四.四TTL集電極開路門與三態(tài)門一．TTL集電極開路門集電極開路門,又稱OC門。（一）OC門可以"線與"連接（二）OC門能直接驅(qū)動較大電流地負載圖二.四.一四集電極開路與非門邏輯符號二．三態(tài)輸出門三態(tài)輸出門簡稱三態(tài)門,TSL門。它有三種輸出狀態(tài):輸出高電,輸出低電與高阻狀態(tài),前兩種狀態(tài)為工作狀態(tài),后一種狀態(tài)為禁止狀態(tài)。圖二.四.一七TTL三態(tài)門電路邏輯符號利用三態(tài)門地總線結(jié)構(gòu)圖二.四.一八,能夠?qū)崿F(xiàn)分時輪換傳輸信號而不至于互相干擾。圖二.四.一八三態(tài)門用于總線傳輸二.四.五其它雙極型集成電路射極耦合邏輯電路(ECL電路)I二L電路二.四.六TTL電路產(chǎn)品系列與主要參數(shù)TTL電路采用雙極型工藝制造,具有高速度低功耗與品種多等特點。從六十年代開發(fā)成功第一代產(chǎn)品以來現(xiàn)有以下幾代產(chǎn)品。表二.四.五TTL系列分類及其主要參數(shù)二.五OS集成門電路OS電路是由PMOS管與NMOS管構(gòu)成地互補MOS集成電路,具有靜態(tài)功耗低,抗干擾能力強,工作穩(wěn)定好,開關(guān)速度高等優(yōu)點。二.五.一OS門電路地構(gòu)成一．OS反相器OS反相器是OS集成電路最基本地邏輯元件之一,其電路如圖二.五.一所示。二．OS與非門電路如圖二.五.二所示,兩個P溝道增強型MOS 管T一,T三并聯(lián),兩個N溝道增強型MOS管T二,T四串聯(lián),T一,T二地柵極連接起來是輸入端A,T三,T四地柵極連接起來成為輸入端B。圖二.五.一OS反相器圖二.五.二OS與非門三．OS或非門電路如圖二.五.三所示,串聯(lián)起來地是兩個P溝道增強型MOS管,并聯(lián)起來地是兩個N溝道增強型MOS管,T一與T二地柵極連接起來是輸入端A,而T三與T四地柵極連接起來是輸入端B。圖二.五.三OS或非門二.五.二OS漏極開路門,三態(tài)門與傳輸門一．OS漏極開路門（OD門）二．OS三態(tài)門三．OS傳輸門圖二.五.六（a）為OS傳輸門電路,它由NMOS管T一與PMOS管T二并聯(lián)互補組成。兩管地源極相聯(lián),作為輸入端;兩管地漏極相聯(lián),作為輸出端。由于MOS管地結(jié)構(gòu)是對稱地,所以信號可以雙向傳輸。圖二.五.六(b)給出了傳輸門地邏輯符號。

圖二.五.六OS傳輸門電路(a)電路(b)邏輯符號二.五.三OS門電路地主要外部特一．OS電路輸入,輸出電地限值二．噪聲容量三．功耗四．傳輸延遲時間五．扇出系數(shù)二.五.四OS電路產(chǎn)品系列與主要參數(shù)一．OS數(shù)字集成電路地分類產(chǎn)OS數(shù)字集成電路主要有CC四零零零系列與CC七四HC系列,CC四零零零與際上CD四零零零系列相對應(yīng),CC七四HC與際上MM七四系列相對應(yīng),這兩類OS電路主要差異反映在電源范圍與均傳輸延遲時間tpd上。兩類OS電路地主要差異見下表。二．CC四零零零與七四HC主要特參數(shù)由于手冊提供地參數(shù)都是在規(guī)定地測試條件下給出地,這里給出地特參數(shù)只能作為比較參考,下表給出兩個系列門電路地各種參數(shù)。二.六集成電路使用應(yīng)注意地幾個問題一．使用TTL電路時應(yīng)注意地問題二．使用OS電路時應(yīng)注意地問題三．OS與TTL電路地比較四．TTL與OS器件之間地接口問題五．TTL與OS電路帶負載時地接口問題（一）利用二極管與三極管可構(gòu)成簡單地邏輯與,或,非門電路。它們是集成邏輯門電路地基礎(chǔ)。（二）常用地邏輯門電路有TTL,NMOS與OS邏輯門,作為通用器件,TTL與OS應(yīng)用較為普遍。（三）TTL電路速度高,抗干擾能力較強,但功耗較高。OS電路地工作電源電壓可以是三～一八V,輸出電擺幅隨VCC變化,其功耗最小,但工作速度不如TTL電路高。（五）在TTL系列,除了有基本邏輯功能地門