《數(shù)字電子技術基礎》第五版閻石第3章課件

1、門電路,第三章,本章總的要求： 熟練掌握TTL和CMOS集成門電路輸出與輸入間的邏輯關系、外部電氣特性，包括電壓傳輸特性、輸入特性、輸出特性和動態(tài)特性等；掌握各類集成電子器件正確的使用方法。 重點： TTL電路與CMOS電路的結構與特點.,3.1 概述,門電路是用以實現(xiàn)邏輯運算的電子電路，與已經(jīng)講過的邏輯運算相對應。常用的門電路在邏輯功能上有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等。,正邏輯：高電平表示邏輯1、低電平表示邏輯0。,負邏輯：高電平表示邏輯0、低電平表示邏輯1。,獲得高、低電平的基本方法：利用半導體開關元件的 導通、截止（即開、關）兩種工作狀態(tài)。,3.2 半導體二極管門

2、電路,3.2.1 半導體二極管的開關特性,Ui0.5V時，二極管導通。,Ui0.5V時，二極管截止，iD=0。,ui0V時，二極管截止，如同開關斷開， uo0V。,ui5V時，二極管導通，如同0.7V的電壓源， uo4.3V。,當外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，存儲電荷反向電場的作用下，形成較大的反向電流。經(jīng)過ts后，存儲電荷顯著減少，反向電流迅速衰減并趨于穩(wěn)態(tài)時的反向飽和電流。,當外加電壓由反向突然變?yōu)檎驎r，要等到PN結內(nèi)部建立起足夠的電荷梯度后才開始有擴散電流形成，因而正向電流的建立稍微滯后一點。,反向恢復時間 （幾納秒內(nèi)）,反向恢復時間即存儲電荷消失所需要的時間，它遠大于正向?qū)ㄋ枰?/p>

3、時間。這就是說，二極管的開通時間是很短的，它對開關速度的影響很小，以致可以忽略不計。,因此，影響二極管的開關時間主要是 反向恢復時間，而不是開通時間。,3.2.2 二極管與門,Y=AB,3.2.3 二極管或門,Y=A+B,3.3 CMOS門電路,3.3.1 MOS管的開關特性,在CMOS集成電路中，以金屬氧化物半導體場效應管（MOS管)作為開關器件。,一、MOS管的結構和工作原理,金屬鋁,兩個N區(qū),SiO2絕緣層,P型襯底,導電溝道,N溝道增強型,源極,柵極,漏極,vGS=0時,D、S間相當于兩個背靠背的PN結,不論D、S間有無電壓，均無法導通，不能導電。,vGS0時,vGS足夠大時（vGSV

4、GS(th)），形成電場GB,把襯底中的電子吸引到上表面，除復合外，剩余的電子在上表面形成了N型層（反型層）為D、S間的導通提供了通道。,VGS(th)稱為閾值電壓(開啟電壓）,源極與襯底接在一起,N溝道,可以通過改變vGS的大小來控制iD的大小。,二、MOS管的輸入、輸出特性,對于共源極接法的電路，柵極和襯底之間被二氧化硅絕緣層隔離，所以柵極電流為零。,輸出特性曲線 （漏極特性曲線）,夾斷區(qū)（截止區(qū)）,用途：做無觸點的、斷開狀態(tài)的電子開關。,條件：整個溝道都夾斷,特點：,可變電阻區(qū),特點:(1)當vGS 為定值時,iD 是 vDS 的線性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線性電阻，且其阻值受 vGS

5、控制。,（2）管壓降vDS 很小。,用途：做壓控線性電阻和無觸點的、閉合狀態(tài)的電子開關。,條件：源端與漏端溝道都不夾斷,恒流區(qū)： (又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）,特點:(1)受控性： 輸入電壓vGS控制輸出電流,(2)恒流性：輸出電流iD 基本上不受輸出電壓vDS的影響。,條件:(1)源端溝道未夾斷 (2)漏端溝道予夾斷,用途:可做放大器和恒流源。,三、MOS管的基本開關電路,當vI=vGSVGS(th)時，MOS管工作在截止區(qū)。D-S間相當于斷開的開關，vOvDD.,當vIVGS(th)且vI繼續(xù)升高時，MOS管工作在可變電阻區(qū)。MOS管導通內(nèi)阻RON很小，D-S間相當于閉合的開關,vO0。,四、M

6、OS管的四種基本類型,在數(shù)字電路中，多采用增強型。,3.3.2 CMOS反相器工作原理,一、電路結構,當NMOS管和PMOS管成對出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補，稱為CMOS管(意為互補)。,vI=0,vo=“”,vI=1,vo=“”,靜態(tài)下，無論vI是高電平還是低電平，T1、T2總有 一個截止，因此CMOS反相器的靜態(tài)功耗極小。,二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性,電 壓 傳 輸 特 性,閾值電壓VTH,T1導通T2截止,T2導通T1截止,T1T2同時導通,電 流 傳 輸 特 性,T2截止,T1截止,CMOS反相器 在使用時應盡 量避免長期工 作在BC段。,輸入低電平時噪聲容限：,在保證輸出高

7、、低電平基本不變的條件下,輸入電平的允許波動范圍稱為輸入端噪聲容限。,輸入高電平時噪聲容限：,三、輸入端噪聲容限,噪聲容限衡量門電路的抗干擾能力。 噪聲容限越大，表明電路抗干擾能力越強。,測試表明：CMOS電路噪聲容限VNH=VNL30VDD，且隨VDD的增加而加大。,因為MOS管的柵極和襯底之間存在著以SiO2為介質(zhì)的輸入電容，而絕緣介質(zhì)非常薄，極易被擊穿，所以應采取保護措施。,3.3.3 CMOS反相器的靜態(tài)輸入輸出特性,一、輸入特性,在正常的輸入信號范圍內(nèi)，即0.7V vI (VDD+0.7)V時輸入電流iI 0。(因為CMOS門電路的GS間有一層絕緣的SiO2薄層。),在0.7V (V

8、DD+0.7)V以外的區(qū)域， iI從零開始增大，并隨vI增加急劇上升，原因是保護電路中的二極管已進入導通狀態(tài)。,注意：由于門電路輸入端的絕緣層使輸入的阻抗極高，若有靜電感應會在懸空的輸入端產(chǎn)生不定的電位，故CMOS門電路的輸入端不允許懸空。,二、輸出特性,低電平輸出特性,高電平輸出特性,VOL0,VOHVDD,3.3.4 CMOS反相器的動態(tài)特性,一、傳輸延遲時間,tpdHL,tpdLH,平均傳輸時間,二、交流噪聲容限,噪聲電壓作用時間越短、電源電壓越高，交流噪聲容限越大。,三、動態(tài)功耗,反相器從一種穩(wěn)定狀態(tài)突然變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，將產(chǎn)生附加的功耗，即為動態(tài)功耗。,動態(tài)功耗包括：負載電

9、容充放電所消耗的功率PC和PMOS、NMOS同時導通所消耗的瞬時導通功耗PT。,在工作頻率較高的情況下，CMOS反相器的動態(tài)功耗 要比靜態(tài)功耗大得多，靜態(tài)功耗可忽略不計。,3.3.5 其他類型CMOS門電路,1.與非門,一、其他邏輯功能的CMOS門電路,任一輸入端為低，設vA=0,vA=0,vO=1,輸入全為高電平,vO=0,2.或非門,任一輸入端為高，設vA=1,vA=1,vO=0,輸入端全為低,vO=1,3. 帶緩沖級的CMOS門電路,帶緩沖級的門電路其輸出電阻、輸出高、低電平以及 電壓傳輸特性將不受輸入端狀態(tài)的影響。電壓傳輸特性的 轉(zhuǎn)折區(qū)也變得更陡。,二、漏極開路輸出門電路（OD門）,為

10、什么需要OD門？ 普通與非門輸出不能 直接連在一起實現(xiàn)“線與”！,產(chǎn)生一個很大的電流,需將一個MOS管的漏極開路構成OD門。,OD輸出與非門的邏輯符號及函數(shù)式,OD門輸出端可直接連接實現(xiàn)線與。,RL的選擇：,IOH,IIH,n個,m個,VOH,n是并聯(lián)OD門的數(shù)目，m是負載門電路高電平輸入電流的數(shù)目。,VOL,m個,IOL,IIL,例3.3.2,m是負載門電路低電平輸入電流的數(shù)目。在負載門為CMOS門電路的情況下，m和m相等。,C0、 ，即C 端為低電平（0V）、 端為高電平 （VDD）時， T1和T2都不具備開啟條件而截止，輸 入和輸出之間相當于開關斷開一樣，呈高阻態(tài)。,三、CMOS傳輸門,

11、C1、 ，即C 端為高電平（VDD）、 端為低電平（0V）時，T1和T2至少有一個導通，輸入和輸出之間相當于開關接通一樣，呈低阻態(tài)，vovi 。,A=0、B=1時，TG2截止，TG1導通，Y=B =1;,A=0、B=0時，TG2截止，TG1導通，Y=B =0;,雙向模擬開關, G4輸出高電平，G5輸出低電平，T1、T2 同時截止，輸出呈高阻態(tài)；,四、三態(tài)門,1,0,1,1,0,0,1,0,若A=1，則G4、G5輸出均為高電平，T1截止、T2導通，Y=0；,若A=0，則G4、G5輸出均為低電平，T1導通、T2截止，Y=1；,三態(tài)門有三種狀態(tài):高電平、低電平、高阻態(tài)。,3.3.6 CMOS電路的特

12、點,CMOS電路的優(yōu)點,1. 靜態(tài)功耗小。,2. 允許電源電壓范圍寬(318V）。,3. 扇出系數(shù)大，噪聲容限大。,1輸入電路的靜電保護 CMOS電路的輸入端設置了保護電路，給使用者帶來很大方便。但是，這種保護還是有限的。由于CMOS電路的輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應較高的靜電電壓，從而擊穿MOS管柵極極薄的絕緣層，造成器件的永久損壞。為避免靜電損壞，應注意以下幾點：,CMOS電路的正確使用,（1）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。 （2）存儲和運輸CMOS電路，最好采用金屬屏蔽層做包裝材料。,2多余的輸入端不能懸空。 輸入端懸空極易產(chǎn)生感應較高的靜電電壓，造成器件的永久損壞。

13、對多余的輸入端，可以按功能要求接電源或接地，或者與其它輸入端并聯(lián)使用。,3輸入電路需過流保護,3.5 TTL門電路,3.5.1 雙極型三極管的開關特性,一、雙極型三極管的結構,二、雙極型三極管的輸入特性和輸出特性,輸出特性曲線,開啟電壓,飽和區(qū),截止區(qū),放大區(qū),三、雙極型三極管的基本開關電路,在數(shù)字電路中，三極管作為開關元件，主要工作在飽和和截止兩種開關狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。,三極管臨界飽和 時的基極電流：,ui=1V時，三極管導通，基極電流：,uo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03501=3.5V,ui=0.3V時，因為uBE0.5V，iB=0，三極管工作在 截止狀態(tài)，ic

14、=0。因為ic=0，所以輸出電壓：,uo=VCC=5V,截止狀態(tài),ui=UIL0.5V,uo=+VCC,ui3V時，三極管導通，基極電流：,uoUCES0.3V,三極管飽和,飽和狀態(tài),iBIBS,ui=UIH,uo=0.3V,四、雙極型三極管的開關等效電路,開關等效電路,(1) 截止狀態(tài),條件：發(fā)射結反偏 特點：電流約為0,(2)飽和狀態(tài),條件：發(fā)射結正偏，集電結正偏 特點：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅,三極管開關等效電路 (a) 截止時 (b) 飽和時,+Vcc,0.3V,五、雙極型三極管的動態(tài)開關特性,BJT的開關時間：是指BJT管由截止到飽和導通 或者由飽和導通到截止所需要

15、的時間。,延遲時間td從+VB2加到集電極電流ic上升到0.1ICS所需要的時間；,上升時間tric從0.1ICS到0.9ICS所需要的時間；,開通時間ton=td+tr 就是建立基區(qū)電荷時間,存儲時間ts從輸入信號降到-VB1到ic降到0.9ICS 所需要的時間；,下降時間tfic從0.9ICS降到0.1ICS所需要的時間。,關閉時間toff=ts+tf就是存儲電荷消散的時間,加入VEE的目的是確保即使輸入低電平信號稍大于零時，也能使三極管基極為負電位，從而使三極管 可靠截止，輸出為高電平。,六、三極管反相器,TTL 晶體管-晶體管邏輯集成電路,MOS 金屬氧化物半導體場效應管集成電路,3.

16、5.2 TTL反相器,輸入級,倒相級,輸出級,稱為推拉式電路或圖騰柱輸出電路,一、TTL反相器的電路結構和工作原理,1.輸入為低電平（0.2V）時,0.9V,不足以讓 T2、T5導通,T2、T5截止,1.輸入為低電平（0.2V）時,vo=5vR2vbe4vD23.4V 輸出高電平,2.輸入為高電平（3.4V）時,電位被嵌 在2.1V,vB1=VIH+VON=4.1V,發(fā)射結反偏,1V,T2、T5飽和導通,2.輸入為高電平（3.4V）時,vo =VCE50.3V 輸出低電平,可見，無論輸入如何，T4和T5總是一管導通而另一管截止。 這種推拉式工作方式，帶負載能力很強。,二、電壓傳輸特性,二、電壓

17、傳輸特性,二、電壓傳輸特性,二、電壓傳輸特性,輸出高電平VOH、輸出低電平VOL,VOH2.4V VOL 0.4V 便認為合格。,典型值VOH=3.4V VOL 0.3V 。,閾值電壓VTH(門檻電壓),vIVTH時，認為vI是低電平。,vIVTH時，認為vI是高電平。,VTH=1.4V,輸入低電平時噪聲容限：,輸入高電平時噪聲容限：,三、輸入端噪聲容限,一.輸入特性:,3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,輸入短路電流IIS(IIL),高電平輸入電流IIH,二.輸出特性,由于受到功耗的限制手冊上給出的高電平輸出電流的最大值要比5mA小得多。,74系列IOH(max)=0.4mA,

18、二.輸出特性,IOL(max),前后級之間電流的聯(lián)系,前級輸出為 高電平時,前級（驅(qū)動門）,后級（負載門）,1,前級輸出為 低電平時,前級（驅(qū)動門）,后級（負載門）,0,流入前級的電流IOL (灌電流),輸入低電平時的輸入電流IIL，大約為1mA。,扇出系數(shù)驅(qū)動同類門的個數(shù)。,灌電流工作時：,拉電流工作時：,扇出系數(shù)NO取NOL、 NOH中較小的一個。,扇出系數(shù)衡量門電路的帶負載能力。,例3.5.2 解：,VOL=0.2V時，驅(qū)動門輸出電流IOL=16mA,每個負載門的輸入電流為IIL=1mA。,VOH=3.2V時，驅(qū)動門輸出電流IOH=7.5mA,但手冊規(guī)定|IOH|0.4mA,故取|IOH

19、|=0.4mA;每個負載門的輸入電流為IIH=40A。,扇出系數(shù)NO=10,輸入端 “1”,“0” ？,三. 輸入端負載特性,在一定范圍內(nèi)，uI隨RP的增大而升高。但當輸入電壓uI達到1.4V以后，uB1 = 2.1V，RP增大，由于uB1不變，故uI = 1.4V也不變。這時T2和T5飽和導通，輸出為低電平。,開門電阻RON (2K左右）,(1) 關門電阻ROFF 在保證門電路輸出為額定高電平的條件下，所允許RP 的最大值稱為關門電阻。典型的TTL門電路ROFF 0.7k。,(2) 開門電阻RON 在保證門電路輸出為額定低電平的條件下，所允許RP 的最小值稱為開門電阻。典型的TTL門電路RO

20、N 2k。,數(shù)字電路中要求輸入負載電阻RP RON或RP ROFF ，否則輸入信號將不在高低電平范圍內(nèi)。 振蕩電路則令 ROFF RP RON使電路處于轉(zhuǎn)折區(qū)。,例：判斷如圖TTL電路輸出為何狀態(tài)？,Y0=0,1,0,Y1=1,Y0,Y2=0,1,0,1. 懸空的輸入端相當于接高電平。,2. 為了防止干擾，一般應將懸空的輸入端接高電平。,說明,例3.5.3,解：vO1=VOH、vI2VIH(min)時,應滿足：VOHIIHRPVIH(min),vO1=VOL、vI2VIL(max)時,因此，RP不應大于690.,3.5.4 TTL反相器的動態(tài)特性,一、傳輸延遲時間,tpdHL,tpdLH,平均

21、傳輸時間,平均傳輸延遲時間tpd表征了門電路的開關速度。,二.功耗：,有靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。靜態(tài)功耗指的是當電路沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的功耗;動態(tài)功耗只發(fā)生在狀態(tài)轉(zhuǎn)換的瞬間。對于TTL電路靜態(tài)功耗是主要的，用PD表示 。,3.5.5 其他類型的TTL門電路,一. 其他邏輯功能的門電路,輸入端改成多發(fā)射極三極管,1.與非門,TTL集成門電路的封裝： 雙列直插式,如：TTL門電路芯片（四2輸入與非門，型號74LS00 ),地GND,外 形,電源VCC（+5V）,74LS00內(nèi)含4個2輸入與非門，74LS20內(nèi)含2個4輸入與非門。,例：如圖電路，已知 74S00門電路GP參數(shù)為： IOH/IOL=-1.0m

22、A/20mA IIH/IIL=50A/-1.43mA 試求門GP能驅(qū)動多少同類門？若將電路中的芯片改為74S20，其門電路參數(shù)同74S00，問此時GP能驅(qū)動多少同類門？,門GP輸出低電平時，設可帶同類門數(shù)為NOL：,解：,門GP輸出的高電平時，設可帶同類門數(shù)為NOH：,扇出系數(shù)=10,74S20為4輸入與非門，所以,門GP輸出低電平時，設可帶同類門數(shù)為NOL：,門GP輸出高電平時，設可帶同類門數(shù)為NOH：,扇出系數(shù)No=5,兩方框中電路相同,A為高電平時，T2、T5同時導通，T4截止，輸出Y為低電平。,B為高電平時，T2、T5同時導通，T4截止，輸出Y為低電平。,A、B都為低電平時，T2、T2

23、同時截止，T5截止，T4導通，輸出Y為高電平。,2.或非門,或非門,與或非門,3.與或非門,4.異或門,若A、B同時為高電平，T6、T9導通，T8截止，輸出低電平；A、B同時為低電平，T4、T5同時截止，使T7、T9導通，T8截止，輸出也為低電平。,A、B不同時，T1正向飽和導通，T6截止；T4、T5中必有一個導通，從而使T7截止。T6、T7同時截止，使得T8導通，T9截止，輸出為高電平。,74LS86,二.集電極開路門（OC門）,為什么需要OC門？ 普通與非門輸出不能 直接連在一起實現(xiàn)“線與”！,產(chǎn)生一個很大的電流,OC門輸出端可直接連接實現(xiàn)線與。,RL的選擇：,IOH,IIH,n個,m個,

24、VOH,負載門輸入端個數(shù),VOL,m個,IOL,IIL,負載門個數(shù),由于與非門的輸入端為多發(fā)射極，當前一級門輸出低電平時，負載門只要一個輸入端為低電平，T2、T5就截止。,若為或非門，m是輸入端的個數(shù)，而不是負載門的數(shù)目。,例3.5.5,三. 三態(tài)門 （TS門),三態(tài)輸出門(Three-State Output Gate)是在普通門電路的基礎上附加控制電路而構成的。,3.5.6 TTL數(shù)字集成電路的各種系列,74H系列：高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代價換取的，效果不夠理想。,從提高工作速度、降低功耗兩方面考慮進行改進。,74S系列：肖特基系列。采用抗飽和三極管，提高了工作速度，但電路功耗加大，并且輸出的低電平升高。,74LS系列：低功耗肖特基系列。兼顧功耗和速度兩個方面，得到更小的延遲功耗積。,74AS系列：電路結構與74LS系列相似，采用低 阻值，提高了工作速度，但功耗較大。,74ALS系列：其延遲功耗積是TTL電路所有系列中最小的一種。,54、54H、54S、54LS系列：54系列與74系列電路具有完全相同的電路結構和電氣性能參數(shù)。54系列工作溫度范圍更寬，電源允許的工作范圍更大。 74系列：溫度070，電源電壓5V5%; 54系列: 溫度-55+125，電源電壓5V10%。,TTL集成門電路系列,CMOS電路與TTL電路比較：