《講TTL與MOS電路》PPT課件.ppt

1、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（4-5）,主 講：吳玉新 手 機(jī):時(shí) 間：2013-9-30、10-12,T,知識(shí)回顧,1、二極管的開(kāi)關(guān)特性 1）輸入高，截止，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，輸出高 2）輸入低，導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)閉合，輸出低 2、三極管的開(kāi)關(guān)特性 1）輸入低，vIIBS=VCC/RC，飽和導(dǎo)通(都正偏) ，開(kāi)關(guān)閉合，輸出低,0.2V,很小 數(shù)百歐,第三章 邏輯門(mén)電路,3.1 概述 3.2 二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性 3.3 TTL門(mén)電路的工作原理及電器特性 3.4 MOS門(mén)電路的工作原理及電器特性,1 、門(mén)電路:實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路,常用的門(mén)電路有與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)、與非門(mén)、或

2、非門(mén)、異或門(mén)、與或非門(mén)等。,2、 邏輯門(mén)電路的分類,二極管門(mén)電路,三極管門(mén)電路,TTL門(mén)電路,MOS門(mén)電路,PMOS門(mén),CMOS門(mén),分立門(mén)電路,NMOS門(mén),3.1 概述,一、 數(shù)字集成電路簡(jiǎn)介,數(shù)字集成電路按規(guī)模分為,100/片,（1001000）/片,103 105 /片,105 以上/片,按導(dǎo)電類型可分為,3.1 概述,1）CMOS集成電路: 廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路,4000系列,74HC 74HCT,74VHC 74VHCT,速度慢 與TTL不兼容 抗干擾 功耗低,74LVC 74AUC,速度加快 與TTL兼容 負(fù)載能力強(qiáng) 抗干擾 功耗低,速度兩倍于74HC 與TTL兼容

3、負(fù)載能力強(qiáng) 抗干擾 功耗低,低(超低)電壓 速度更加快 與TTL兼容 負(fù)載能力強(qiáng) 抗干擾功耗低,74系列,74LS系列,74AS系列,74ALS,2）TTL 集成電路: 廣泛應(yīng)用于中大規(guī)模集成電路,3、CMOS和TTL介紹,3.1 概述,四、理想的開(kāi)關(guān)元件,接通狀態(tài)：電阻為0 流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流完全由外電路決定 斷開(kāi)狀態(tài)：阻抗無(wú)窮大 流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流為0 斷開(kāi)與接通之間的轉(zhuǎn)換在瞬間完成,3.1 概述,3.2 半導(dǎo)體二極管門(mén)電路,3.2.1半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性,1. 靜態(tài)特性,圖3 二極管的開(kāi)關(guān)電路,圖1高低電平實(shí)現(xiàn)原理電路,將圖1中的開(kāi)關(guān)用二極管代替，則可得到圖3所示的半導(dǎo)體二極管開(kāi)關(guān)電路,二極管

4、的靜態(tài)特性：,反向擊穿,反向飽和電流,門(mén)限電壓 Si:0.60.7V Ge:0.2 0.3V,3.2.1半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性,圖3 二極管的開(kāi)關(guān)電路,導(dǎo)通區(qū),正向?qū)▔航挡荒芎雎?，但?nèi)阻和外接電阻相比可忽略,二極管是理想開(kāi)關(guān)正向?qū)▔航岛蛢?nèi)阻均可忽略,外電路等效電源和電阻都很小，不能忽略二極管正向?qū)▔航岛蛢?nèi)阻,3.2.1半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性,截止區(qū),反向電阻rRRL可忽略，反向飽和電流Is可忽略,為保證可靠截止，通常在二極管兩端加負(fù)偏壓,3.2.1半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性,對(duì)于圖3所示二極管開(kāi)關(guān)電路，由于二極管具有單向?qū)щ娦?，故它可相?dāng)于受外加電壓控制的開(kāi)關(guān)。,設(shè)vi的高電平為VIHVCC

5、， vi的低電平為VIL0，且D為理想元件，即正向?qū)娮铻?，反向電阻無(wú)窮大，則穩(wěn)態(tài)時(shí)當(dāng)vIVIHVCC時(shí)，D截止，輸出電壓vDVOH VCC,將電路處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下，晶體二極管所呈現(xiàn)的開(kāi)關(guān)特性稱為穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性。,圖3 二極管的開(kāi)關(guān)電路,3.2.1半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性,當(dāng)vIVIL0時(shí)，D導(dǎo)通，輸出電壓vo VOL 0,圖3 二極管的開(kāi)關(guān)電路,即可以用輸入電壓vi的高低電平控制二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并在輸出端得到相應(yīng)的高低電平,3.2.1半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性,2.二極管動(dòng)態(tài)特性：,當(dāng)電路處于動(dòng)態(tài)狀態(tài)，即二極管兩端電壓突然反向時(shí)，半導(dǎo)體二極管所呈現(xiàn)的開(kāi)關(guān)特性稱為動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性（簡(jiǎn)稱動(dòng)態(tài)特性）,

6、二極管的動(dòng)態(tài)電流波形如圖4所示,3.2.1半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性,圖4 二極管動(dòng)態(tài)電流波形,這是由于在輸入電壓轉(zhuǎn)換狀態(tài)的瞬間，二極管由反向截止到正向?qū)〞r(shí)，內(nèi)電場(chǎng)的建立需要一定的時(shí)間，所以二極管電流的上升是緩慢的；當(dāng)二極管由正向?qū)ǖ椒聪蚪刂箷r(shí)，二極管的電流迅速衰減并趨向飽和電流也需要一定的時(shí)間。由于時(shí)間很短，在示波器是無(wú)法看到的,在輸入信號(hào)頻率較低時(shí)，二極管的導(dǎo)通和截止的轉(zhuǎn)換時(shí)間可以認(rèn)為是瞬間完成的。但在輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，此時(shí)間就不能忽略了。,一、 雙極型三極管的結(jié)構(gòu),3.2.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,三極管由管芯、三個(gè)電極和外殼組成，管芯由三層P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成，有NPN和PNP型兩

7、種，如圖7所示。,因工作時(shí)電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電過(guò)程，故稱為雙極型三極管。,圖 7 三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)(a)NPN型 (b)PNP 型,圖8 三極管共射特性曲線測(cè)試電路,+ UCE -,UCE,+ UCE -,+ UCE -,UBE,3.2.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,二、 雙極型三極管的輸入特性和輸出特性,1、輸入特性曲線：以基極b和發(fā)射極e之間的發(fā)射結(jié)作為輸入回路，可測(cè)出輸入電壓vBE和輸入電流iB之間關(guān)系的特性曲線，即輸入特性曲線。,iB/A,2、輸出特性曲線,圖 9NPN 三極管的輸出特性曲線,劃分三個(gè)區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。,放 大 區(qū),放 大 區(qū),1. 截止區(qū)：IB

8、0的區(qū)域。,條件：兩個(gè)結(jié)都反偏,IB=0 時(shí)，IC = ICEO。 硅管約1A，鍺管約幾十-幾百A 。,截止區(qū),截止區(qū),2. 放大區(qū)：,條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏,特點(diǎn)：各條輸出特性曲線比較平坦，近似為水平線，且等間隔。,集電極電流和基極電流體現(xiàn)放大作用，即,對(duì) NPN 管 UBE 0，UBC 0,3.2.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,3. 飽和區(qū)：,條件：兩個(gè)結(jié)均正偏,對(duì)NPN型管，UBE 0 UBC0 。,特點(diǎn):IC基本上不隨IB而變化在飽和區(qū)三極管失去放大作用。IC IB。,當(dāng)UCE =UBE，即UCB =0時(shí)，稱臨界飽和，UCEUBE時(shí)稱為深度飽和。,飽和管壓降 UCES 0.4 V(

9、硅管)，UCES 0. 2 V(鍺管),飽和區(qū),飽和區(qū),2、輸出特性曲線,3.2.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,三極管開(kāi)關(guān)電路如圖10所示,3.2.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,三、 雙極型三極管的基本開(kāi)關(guān)電路,圖10 晶體三極管開(kāi)關(guān)電路,三極管替代開(kāi)關(guān),穩(wěn)態(tài)時(shí)若合理選擇電路的參數(shù)，即,當(dāng)vI=VIH，為高電平時(shí)，使得iBIBS=VCC /RC，三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，輸出vo VOL Vces0,為低電平；,3.2.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,當(dāng)vI=VILVON，為低電平時(shí)，使得三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出vo VOHVCC,為高電平,其中：,硅管為0.3V,鍺管為0.1V,很小，為幾十歐姆,當(dāng)v

10、IVON后，三極管進(jìn)入放大區(qū)，vI，iB ，iC ，vo。,例1 電路如圖11所示，已知 VIH=5V，VIL=0V，=20，VCE(sat) = 0.1V，試計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理,3.2.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,三極管開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的等效電路如圖3.5.6所示,3.2.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,四、雙極型三極管的開(kāi)關(guān)等效電路,當(dāng)三極管截止時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，iC0 ，相當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)三極管飽和時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，vCEVCE（sat）0 ，相當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合。,截止,飽和,(c)飽和時(shí)的等效電路,阻值很小，忽略,五、雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性,在動(dòng)態(tài)情況下，三極管在截止和飽和導(dǎo)通兩種狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換時(shí)，三極

11、管內(nèi)部電荷的建立與消失都需要一定的時(shí)間，故集電極電流的變化要滯后于輸入電壓的變化。,3.2.2 雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性,即在開(kāi)關(guān)電路中，輸出電壓的變化滯后于輸入電壓的變化，如圖13所示。,圖13,3.3 TTL門(mén)電路（Transistor-Transistor Logic）,3.3.1 TTL反相器 3.3.2 TTL與非門(mén) 3.3.3 TTL或非門(mén) 3.3.4 集電極開(kāi)路門(mén)（OC門(mén)） 3.3.5 三態(tài)門(mén)電路 3.3.6 BiCMOS門(mén)電路（自學(xué)） 3.3.7 抗飽和門(mén)電路（自學(xué)） 3.3.8 TTL門(mén)電路參數(shù) 3.3.9 TTL門(mén)電路多余輸入端的處理,3.3.1 TTL反相器結(jié)構(gòu),電源電壓：

12、VCC=5V VIH=3.6V VIL=0.2V 開(kāi)啟電壓：VON=0.7V VCES=0.2V,輸入級(jí),輸出級(jí),倒相級(jí),3.3.1 TTL反相器工作原理,vi=VIL，T1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通 vB1=VIL+VON=0.9V iB1iBS1=0，T1 深度飽和 vCES0.2V，v120.4V T2截止， T3截止 T4導(dǎo)通，D導(dǎo)通 輸出為高電平VOH vo=vB4-vBE4-vD=3.6V,0.2V,0.9V,1mA,3.6V,5V,0.4V,iB1,3.3.1 TTL反相器工作原理,vi=VIH， vB1=4.3V T2和T3發(fā)射結(jié)同時(shí)導(dǎo)通 vB1被鉗位在2.1V T1倒置放大狀態(tài) T2和T3導(dǎo)

13、通，使 vC2= vBE3 + vCES2 =0.9V 導(dǎo)致T4和D截止 輸出為低電平 vO=VOL =0.2V,3.6V,2.1V,0.7V,1.4V,0.9V,0.2V,3.3.1 TTL反相器工作原理,T2的c、e極輸出電壓信號(hào)變化方向相反倒相級(jí) 推拉式輸出，有效降低輸出級(jí)的靜態(tài)功耗并提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力 輸入端鉗位二極管D1，抑制輸入端可能出現(xiàn)的負(fù)極性干擾脈沖，防止輸入電壓為負(fù)時(shí)，T1發(fā)射極電流過(guò)大，起保護(hù)作用。,D1,3.3.1 TTL反相器電壓傳輸特性,vi0.6V,T1飽和導(dǎo)通， T2和T3截止，T4和D導(dǎo)通，vo3.6V，截止區(qū),0.7Vvi1.3V T2在放大區(qū) 線性區(qū),轉(zhuǎn)折區(qū)

14、 閾值電壓VTH,T2和T3飽和， vo0.2V, 飽和區(qū),3.3.2 TTL與非門(mén),2）任一輸入端為低電平時(shí):輸出高電平,1）當(dāng)全部輸入端為高電平時(shí)：輸出低電平,3）多發(fā)射極三極管實(shí)現(xiàn)與邏輯關(guān)系,3.3.3 TTL或非門(mén),或邏輯關(guān)系是通過(guò)將T2A和T2B兩個(gè)三極管的輸出端并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,2)若有一個(gè)為高電平:,1)若A、B均為低電平:,T2A和T2B均將截止，T3截止。 T4和D飽和，輸出為高電平。,T2A或T2B將飽和，T3飽和，T4截止，輸出為低電平。,3.3.4 集電極開(kāi)路(OC)門(mén),推拉式輸出具有輸出阻抗低的優(yōu)點(diǎn) 但不能將他們的輸出端并聯(lián)使用 很大的負(fù)載電流同時(shí)流過(guò)輸出級(jí)，可能使門(mén)電

15、路損壞 無(wú)法滿足對(duì)不同輸出高低電平的需要 不能滿足驅(qū)動(dòng)較大電流，較高電壓的負(fù)載的要求,3.3.4 集電極開(kāi)路與非門(mén),OC門(mén)工作時(shí)需要外接電阻和電源，阻值和電源電壓要選擇得當(dāng)，做到既保證輸出的高低電平符合要求，輸出端三極管的負(fù)載電流又不過(guò)大。,3.3.4 集電極開(kāi)路與非門(mén)線與,3.3.4 集電極開(kāi)路與非門(mén)線與,兩OC門(mén)結(jié)構(gòu)的與非門(mén)線與可得與或非邏輯 T3和T3同時(shí)截止時(shí)，VOH=VCC2 可根據(jù)需要選擇VCC2的大小，得到所需的VOH,3.3.4 集電極開(kāi)路門(mén)應(yīng)用,1、實(shí)現(xiàn)線與,L,A,B,C,D,2、電平轉(zhuǎn)換 實(shí)現(xiàn)0.3V3.6V邏輯電平到0.3V12V邏輯電平的轉(zhuǎn)換,3.3.4 集電極開(kāi)路門(mén)

16、應(yīng)用,3、驅(qū)動(dòng)顯示器件和執(zhí)行機(jī)構(gòu) VCC和RL的值要根據(jù)OC門(mén)和LED的正常工作電流來(lái)選擇。,3.3.4 集電極開(kāi)路門(mén)應(yīng)用,3.3.5 三態(tài)輸出門(mén)電路（TS門(mén)）,EN=1，T7截止 L=AB，正常工作狀態(tài) EN=0，T7導(dǎo)通， VB4=0.2V，T4截止 T3截止 輸出為高阻狀態(tài),輸出端有三種狀態(tài)： 高電平、低電平、高電阻,使能控制電路,使能端（控制端）,3.3.5 三態(tài)輸出門(mén)電路（TS門(mén)）,EN=1時(shí)為工作狀態(tài)稱控制端高電平有效,EN=0時(shí)為工作狀態(tài)稱控制端低電平有效,3.3.5 三態(tài)輸出門(mén)的應(yīng)用總線結(jié)構(gòu),工作時(shí)控制各個(gè)門(mén)的EN端輪流為1，而且任何時(shí)候只有一個(gè)為1，就可以把各個(gè)門(mén)的輸出信號(hào)輪

17、流送到公共傳輸線（總線）上而互不干擾。,3.3.5 三態(tài)輸出門(mén)的應(yīng)用數(shù)據(jù)的雙向傳輸,EN為1時(shí)，G1工作，G2高阻，數(shù)據(jù)D0經(jīng)G1反相后送到總線。 EN為0時(shí)，G2工作，G1高阻，來(lái)自總線的數(shù)據(jù)經(jīng)G2反相后由D1送出。,3.3.8 TTL與非門(mén)的主要參數(shù),對(duì)于集成電路，只要從手冊(cè)中查出該電路的真值表、引腳功能圖和電參數(shù)就能合理的使用該集成電路。（以7400系列與非門(mén)為例）,UCC,GND,二、電壓傳輸特性三、負(fù)載能力,3.3.8 TTL與非門(mén)的主要參數(shù),&,&,&,輸出為1,輸出為0,拉電流,灌電流,3.3.8 TTL與非門(mén)的主要參數(shù),輸入為高電平時(shí) VNH=VOH-VIH,輸入為低電平時(shí) V

18、NL=VIL-VOL,四、輸入端噪聲容限: 保證輸出高低電平基本不變的條件下，輸入電平的允許波動(dòng)范圍。,3.3.9 多余輸入端的處理,1、與非門(mén) 2、或非門(mén),1,懸空,0,3.4 MOS門(mén)電路（Metal-Oxide-Semiconductor）,3.4.1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管 3.4.2 MOS開(kāi)關(guān)及等效電路 3.4.3 CMOS反相器 3.4.4 CMOS與非門(mén) 3.4.5 CMOS或非門(mén) 3.4.6 CMOS異或門(mén)（自學(xué)） 3.4.7 COMS漏極開(kāi)路門(mén)（OD門(mén)） 3.4.8 三態(tài)輸出門(mén) 3.4.9 CMOS傳輸門(mén) 3.4.10 NMOS門(mén)電路（自學(xué)）,只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效應(yīng)

19、來(lái)控制電流的三極管，稱為場(chǎng)效應(yīng)管，也稱單極型三極管。,場(chǎng)效應(yīng)管分類,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 (MOS),特點(diǎn),單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；,輸入電阻高達(dá)107 109 ；,工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。,3.4.1 場(chǎng)效應(yīng)管分類,N 溝道,P 溝道,增強(qiáng)型,耗盡型,增強(qiáng)型,耗盡型,UGS = 0 時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；,UGS = 0 時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。,B,G,S,D,源極 S,漏極 D,襯底引線 B,柵極 G,圖1：N 溝道增強(qiáng)型MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖與符號(hào),3.4.1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)與符號(hào),3.4.2 MOS開(kāi)關(guān)及其等效電路,：MOS管工作在可變電阻區(qū)，輸出低電平,: MOS管截止， 輸出高電平,當(dāng)I VT,當(dāng)I VT,3)MOS管相當(dāng)于一個(gè)由vGS控制的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。,MOS管工作在可變電阻區(qū)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“閉合”，輸出為低電平。,MOS管截止，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”,輸出為高電平。,1)當(dāng)輸入為低電平時(shí)：,2)當(dāng)輸入為高電平時(shí)：