数字电子技术_集成电路知识概述

1、 3.1 数字集成电路的分数字集成电路的分类类数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据集成规模的大小进行分类。一、根据所采用的半导体器件进行分类一、根据所采用的半导体器件进行分类 根据所采用的半导体器件，数字集成电路可以分为两大类。两大类。1.双极型集成电路：双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、速度快、负载能力强，但功耗较大、 集成度较低。集成度较低。2.单极型集成电路单极型集成电路(又称为又称为MOS集成电路集成电路): 采用金属-氧化物半导体场效应管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect T

2、ransister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。成度高、功耗低，但速度较慢。双极型集成电路又可进一步可分为：双极型集成电路又可进一步可分为：TTL(Transistor Transistor Logic)电路；电路；ECL(Emitter Coupled Logic)电路；电路；I2L(Integrated Injection Logic)电路。电路。TTL电路的电路的“性能价格比性能价格比”最佳，应用最广泛。最佳，应用最广泛。MOS集成电路又可进一步分为：集成电路又可进一步分为：PMOS( P-channel Metel Oxi

3、de Semiconductor)；NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)；CMOS(Complement Metal OxideSemiconductor)。CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路的设计，而且综合性能最好的设计，而且综合性能最好 。二、根据集成电路规模的大小进行分类二、根据集成电路规模的大小进行分类通常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数，分为 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。 1. SSI (Small Scale Integration ) 小规模集成电路

4、小规模集成电路:逻辑门数小于10 门(或元件数小于100个)；2. MSI (Medium Scale Integration ) 中规模集成电路中规模集成电路:逻辑门数为10 门99 门(或元件数100个999个)；3. LSI (Large Scale Integration ) 大规模集成电路大规模集成电路:逻辑门数为100 门9999 门(或元件数1000个99999个)；4. VLSI (Very Large Scale Integration) 超大规模集超大规模集成电路成电路:逻辑门数大于10000 门(或元件数大于100000个)。 3. 2 半导体器件的开关特性半导体器件的开

5、关特性数字电路中的晶体二极管、三极管和数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是管等器件一般是以开关方式运用的，其工作状态相当于相当于开关的以开关方式运用的，其工作状态相当于相当于开关的“接通接通”与与“断开断开”。数子系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中(通常开关状态变化的速度可高达每秒百万次数量级甚至千万次数量级)，研究这些器件的开关特性时，不仅要研究它们的静止静止特性特性，而且还要分析它们的动态特性动态特性。3.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性PN结结PNPN结特性；结特性； 单向导电性单向导电性+-+-阳极阳极阴极阴极导通导通；开关；开关开开(闭合闭

6、合)截止截止；开关；开关关关(断开断开)导通压降；锗管导通压降；锗管0.3V或或硅管硅管0.7VVD返回典型二极管的静态特性曲线典型二极管的静态特性曲线(又称伏安特性曲线又称伏安特性曲线) ：1. 正向特性正向特性门槛电压门槛电压 ( VTH )：使二极管开始导通的正向电压，又称为阈值电压 (一般锗管约0.1V，硅管约0.5V)。 正向电压正向电压 VD VTH ：管子截止，电阻很大、正向电流 IF 接近于 0， 二极管类似于开关的断开状态 ； 正向电压正向电压 VD = VTH ：管子开始导通，正向电流 IF 开始上升； 正向电压正向电压 VD VTH (一般锗管为一般锗管为0.3V，硅管为

7、，硅管为0.7V) ：管子充分导通， 电阻很小，正向电流IF 急剧增加，二极管类似于开关的接 通状态。使二极管充分导通的电压为导通电压，用VF表示。一、静态特性一、静态特性 静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。 2 反向特性反向特性 二极管在反向电压VR 作用下，处于截止状态，反向电阻很大，反向电流 IR 很小（将其称为反向饱和电流，用 IS 表示，通常可忽略不计 ），二极管的状态类似于开关断开。二极管的状态类似于开关断开。而且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。注意事项：注意事项： 正向导通时可能因电流过大而导

8、致二极管烧坏。组成实际电路时通常要串接一只电阻 R，以限制二极管的正向电流； 反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向击反向击穿电压穿电压VBR），一般不允许反向电压超过此值。二极管组成的开关电路图如图（a）所示。二极管导通状态下的等效电路如图(b)所示，截止状态下的等效电路如图(c)所示，图中忽略了二极管的正向压降。 二极管开关电路及其等效电路DU0RR断开R关闭(a)(b)(c)由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它当作开关使用。当作开关使用。二、二、 动态特性动态特性二极

9、管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通时间的概念。定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通时间的概念。1. 反向恢复时间反向恢复时间反向恢复时间：反向恢复时间：二极管从正向导通到反向截止所需要的时间称为反向恢复时间。反向恢复时间反向恢复时间tre=存储时间存储时间ts+渡越时间渡越时间tt 2. 开通时间开通时间开通时间：开通时间：二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间。 二极管的开通时间很短

10、，对开关速度影响很小，相二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。NPN基极基极B集电极集电极C发射极发射极ENPN型型PNP基极基极B集电极集电极C发射极发射极EPNP型型符号符号BCEBCETT返回三极管模型三极管模型 3.2.2 晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性三极管可以用两个等效的二极三极管可以用两个等效的二极管管PN结来表示，它有截止、放结来表示，它有截止、放大、饱和大、饱和3种工作状态；在数字种工作状态；在数字电路中三极管主要工作在饱和、电路中三极管主要工作在饱和、截止两种状态，其作用相当于截止两种状

11、态，其作用相当于一个无触点开关。一个无触点开关。三极管的三种工作状态（a）电路 （b）输出特性曲线开关等效电路(1) 截止状态 条件：发射结，集电结反偏特点：（VbVe ; VbVe ; VbVe ; VbVc）,bBSccsiIiI基极临界饱和电流基极临界饱和电流集电极饱和电流且R1R2AF+ucc+ucc0.3V三极管的开关特性：三极管的开关特性：BCEtuAtuF返回双双极极型型器器件件开开关关作作用用汇汇总总二极管二极管反向截止：反向截止：开关接通开关接通开关断开开关断开三极管三极管（C,E)饱和区：饱和区： 截止区：截止区：开关接通开关接通CEB开关断开开关断开 正向导通：正向导通：

12、 CEB返回1 1 二极管与门二极管与门 最简单的与门可以用二极管和电阻组成。设最简单的与门可以用二极管和电阻组成。设VCC=5v，A、B端输入的高低电平分别为端输入的高低电平分别为VIH=3v,VIL=0v，二极管，二极管VD1、VD2的正向导通压的正向导通压降降VDF=0.7v。A、B当中当中有一个是低有一个是低电平电平0v必有一个二极必有一个二极管导通管导通使使F为为0.7v 3.3.1 简单逻辑门电路简单逻辑门电路 最简单的与门可以用二极管和电阻组成。设最简单的与门可以用二极管和电阻组成。设VCC=5v，A、B端输入的高低电平分别为端输入的高低电平分别为VIH=3v,VIL=0v，二极

13、管，二极管VD1、VD2的正向导通压的正向导通压降降VDF=0.7v。A、B同时为同时为高电平高电平3vF为为3.7v 如果规定如果规定2v以上为高电平，用逻辑以上为高电平，用逻辑1状态表状态表示；示；1v以下为低电平，用逻辑以下为低电平，用逻辑0表示。则逻辑表示。则逻辑电平列表改写成真值表为：电平列表改写成真值表为：A(v)B(v)F(v)000.7030.7300.7333.7 则输入、输出逻辑电平列表为：则输入、输出逻辑电平列表为：ABF000010100111F=AB二极管与门（a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形2 2、二极管或门、二极管或门 最简单的或门电路也是由二极管和电阻组

14、成。最简单的或门电路也是由二极管和电阻组成。A、B同时为同时为低电平低电平0vF为为0v 最简单的或门电路也是由二极管和电阻组成。最简单的或门电路也是由二极管和电阻组成。A、B当中有一当中有一个是高电平个是高电平F为高电为高电平平2.3v 则输入、输出逻辑电平列表为：则输入、输出逻辑电平列表为：A(v)B(v)F(v)000032.3302.3332.3 如果规定如果规定2v以上为高电平，用逻辑以上为高电平，用逻辑1状态表示；状态表示；1v以下为低电平，用逻辑以下为低电平，用逻辑0表示。则逻辑电平表示。则逻辑电平列表改写成真值表为：列表改写成真值表为：ABF000011101111F=A+B二

15、极管或门（a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形(a) 电路 （b）逻辑符号电路工作原理A为输入信号F为输出信号 A(V)F(V)0530.33 3、非门、非门则输入、输出逻辑电平列表为：则输入、输出逻辑电平列表为：A(V)F(V)0110 如果规定如果规定2v以上为高电平，用逻辑以上为高电平，用逻辑1状态表示；状态表示；1v以下为低电平，用逻辑以下为低电平，用逻辑0表示。则逻辑电平表示。则逻辑电平列表改写成真值表为：列表改写成真值表为：FA3.3.2 TTL3.3.2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路1 TTL1 TTL集成门电路的结构集成门电路的结构 TTL集成门电路的结构一般分为三级

16、，即输入级、中间级集成门电路的结构一般分为三级，即输入级、中间级和输出级。和输出级。完成信号输入完成信号输入放大作用放大作用完成信号处理完成信号处理及耦合作用及耦合作用完成驱动放完成驱动放大作用大作用 TTL是晶体管是晶体管-晶体管逻辑的简称。晶体管逻辑的简称。TTL逻辑门由若干逻辑门由若干晶体三极管、二极管和电阻组成晶体三极管、二极管和电阻组成1.输入级形式输入级形式多发射极晶体管实现与运算多发射极晶体管实现与运算VD1,VD2用来限制输入端出现的负极性干扰信号，用来限制输入端出现的负极性干扰信号， 对晶体管对晶体管VT器保护作用器保护作用2.中间级形式中间级形式 单变量分相器单变量分相器

17、对于功能不同的门，这部分电路不一样。例如对于功能不同的门，这部分电路不一样。例如TTL与非门中间级就是分相器；或非门中间级就与非门中间级就是分相器；或非门中间级就是线与电路。是线与电路。 分相器的逻辑表达式分相器的逻辑表达式为：为：AFAF21 A+B分相器分相器A、B中中有一个为有一个为高电平高电平VT1、VT2必必有一个饱和有一个饱和导通导通 F2必然为必然为高电平，高电平，F1为低电平。为低电平。 A+B分相器分相器A、B均均为低电平为低电平VT1、VT2都截止都截止 F2必然为必然为高电平，高电平，F1为低电平。为低电平。 输入、输出的逻辑关输入、输出的逻辑关系为：系为：BAFBAF2

18、1KCBAFKCBAF21 其输出与输入变量的逻辑关系为：其输出与输入变量的逻辑关系为： 根据以上分析，不难得到根据以上分析，不难得到n个变量之个变量之(或或)的的分相器。分相器。3.输出级形式输出级形式 TTL集成门电路输出有四种输出形式，即集成门电路输出有四种输出形式，即(a)集电极开路输出集电极开路输出，(b)三态门输出三态门输出，(c)图腾柱输图腾柱输出出，(d)复合管和图腾柱输出复合管和图腾柱输出。(a)(b) 特点：具特点：具有控制有控制VT1、VT2均截止均截止的电路，当的电路，当控制有效时，控制有效时，输出端输出端F呈呈高阻态；当高阻态；当控制无效时，控制无效时，按逻辑门正按逻

19、辑门正常功能输出常功能输出0，1两态。两态。特点：要接特点：要接负载电阻负载电阻RL和驱动电压和驱动电压VCC，实现，实现高压、大电高压、大电流驱动。流驱动。3.输出级形式输出级形式 TTL集成门电路输出有四种输出形式，即集成门电路输出有四种输出形式，即(a)集电极开路输出集电极开路输出，(b)三态门输出三态门输出，(c)图腾柱输图腾柱输出出，(d)复合管和图腾柱输出复合管和图腾柱输出。(c)(d) 特点：任何特点：任何时候作为输时候作为输出的两个三出的两个三极管，总有极管，总有一个处于截一个处于截止状态，而止状态，而另一个处于另一个处于饱和导通状饱和导通状态，该电路态，该电路具有较强的具有较

20、强的驱动能力。驱动能力。 特点：具特点：具有图腾柱输有图腾柱输出和复合管出和复合管输出的特点，输出的特点，有极强驱动有极强驱动能力。能力。1、TTL与非门电路与非门电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级由多发射极三极管由多发射极三极管VT1和电阻和电阻R1组成组成为典型的单变量为典型的单变量C1输入的分相器输入的分相器为典型的复合管和为典型的复合管和图腾柱输出形式图腾柱输出形式输入级输入级输出级输出级中间级中间级+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5T1 多发射极多发射极晶体管：晶体管：实现实现“与与”运算。运算。返回+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5“非

21、非”复合管形式复合管形式与非门与非门输出级输出级“与与”返回1. 任一输入为低电平（任一输入为低电平（0.3V）时）时“0”0.7V不足以让不足以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 工作原理三个三个PN结结导通需导通需2.1V0.7V“0”uouo=5-uR2-ube3-ube4 3.4V 高电平！高电平！逻辑关系：逻辑关系：任意一个输入为任意一个输入为0时，输出为时，输出为1返回+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 +5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4

22、T1T5b1c1ABC“1”全导通全导通电位被嵌电位被嵌在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.4V）时）时返回+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏全反偏“1”饱和饱和uF =0.3V逻辑关系：逻辑关系：全全1则则0。返回输入、输出的逻辑关系式：输入、输出的逻辑关系式：FA B C2、与或非门和或非门电路、与或非门和或非门电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级由两个独立的由两个独立的与门电路组成与门电路组成为为A+B典典型分相器型分相器由典型的复合管和由典型的复合管和图腾柱输出构成图腾柱输出构成CDABF 或非门电路构成：或非门电路

23、构成： 在与或非门电路的基础上，去除输入在与或非门电路的基础上，去除输入级发射极级发射极B和和D，即输入级就是单发射极，即输入级就是单发射极三极管，或者在与或非门电路中，在三极管，或者在与或非门电路中，在B、D加固定的高电平加固定的高电平“1”，就构成了或非门，就构成了或非门电路。电路。 其输出与输入变量的逻辑关系为：其输出与输入变量的逻辑关系为：CAF2. 两种特殊的门电路两种特殊的门电路 (1) 集电极开路门集电极开路门(OC门门) 集电极开路门(Open Collector Gate）是一种输出端可以直接相互连接的特殊逻辑门，简称OC门。 图给出了一个集电极开路与非门的电路结构图和逻辑符

24、号。需要外接需要外接负载电阻负载电阻和电源和电源ABF注意！集电极开路与非门只有在外接负载电阻注意！集电极开路与非门只有在外接负载电阻RL和电源和电源UCC后才能正常工作。后才能正常工作。 将两个将两个OC结构的与非门作线与连接：结构的与非门作线与连接： F1、F2有一个是低有一个是低电平，输出电平，输出F就是低就是低电平。只有电平。只有F1、F2同同时为高电平时，输出时为高电平时，输出F才是高电平，即才是高电平，即F=F1F2。即：。即：CDABCDABF 集电极开路与非门在计算机中应用很广泛，可以用它实现线与逻辑、电平转换以及直接驱动发光二极管、干簧继电器等。 (2) 三态输出门三态输出门

25、(TS门门)三态输出门有三种输出状态：三态输出门有三种输出状态：输出高电平、输出低电输出高电平、输出低电平和高阻状态，前两种状态为工作状态，后一种状态为禁平和高阻状态，前两种状态为工作状态，后一种状态为禁止状态止状态。简称三态门(Three state Gate)、TS门等。注意注意 ! 三态门不是指具有三种逻辑值。三态门不是指具有三种逻辑值。如何使电路处在工作状态和禁止状态？如何使电路处在工作状态和禁止状态？通过外加控制信号！通过外加控制信号！例如：例如：BAF该电路逻辑功能如下：该电路逻辑功能如下：EN=0：二极管D反偏，此时电路功能与一般与非门无区别，输出 ；EN=1：一方面因为T1有一

26、个输入端为低，使T2、T5截止。另一方面由于二极管导通，迫使T3的基极电位变低，致使T3、T4也截止。输出F便被悬空，即处于高阻状态。三态门常用于总线传输控制。如下图所示，用两种不同控制输入三态门常用于总线传输控制。如下图所示，用两种不同控制输入的三态门可构成的双向总线。的三态门可构成的双向总线。图中：EN=1时时: G1工作，G2处于高阻状态，数据D1被取反后送至总线；EN=0时时: G2工作，G1处于高阻状态，总线上的数据被取反后送到数据端D2。实现了数据的分时双向传送。四、四、TTL异或门电路异或门电路 首先将异或公式变换一下：首先将异或公式变换一下：FABAB ABAB A B输入级输

27、入级中间级中间级输出级输出级五、集成五、集成TTL同或门电路同或门电路 首先将同或公式变换一下：首先将同或公式变换一下：ABBABABABABA输入级输入级中间级中间级输出级输出级F=A B1MOS管的开关特性 MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。 在数字电路中，多采用增强型。MOS管的开关特性管的开关特性NMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小 （1）NMOS管的开关特性 PMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电

28、路符号 （b）转移特性D接负电源 （2）PMOS管的开关特性 导通导通电阻相当小截止3.3.3 CMOS3.3.3 CMOS门电路门电路 由由N沟道和沟道和P沟道两种沟道两种MOSFET组成的电路为组成的电路为互补互补MOS或或CMOS电路。电路。一、一、CMOS反相器反相器A=0导通导通UGSP=VDD截止截止F为高电平为高电平3.3.3 CMOS3.3.3 CMOS门电路门电路一、一、CMOS反相器反相器A=1截止截止导通导通F为低电平为低电平 则输入输出的则输入输出的逻辑关系为：逻辑关系为：AF由一个N沟道增强型MOS管VTN和一个P沟道增强型MOS管VTP组成的CMOS反相器如下图所示

29、。 电路正常工作条件：电路正常工作条件：VDD大于大于VTN管开启电压管开启电压VTN和和VTP管开启电压管开启电压VTP的的绝对值之和，即绝对值之和，即 VDDVTN +|VTP|。2、CMOS与非门与非门 A、B中只要有一个为中只要有一个为低电平低电平，就会使两个相，就会使两个相串连的串连的NMOS管截止，管截止，使两个相并联的使两个相并联的PMOS管管导通，输出导通，输出F为高电平。为高电平。 当当A、B全为高电平时全为高电平时，才会使两个串联才会使两个串联NMOS管都导通，使两个并联管都导通，使两个并联型型PMOS管都截止，输出管都截止，输出为低电平。为低电平。 则这种电路具有与非的则这种电路具有与非的逻辑功能，即：逻辑功能，即：ABF3、CMOS或非门或非门 CMOS或非门如下图所示。其中或非门如下图所示。其中VTP1、VTP2是两个串联的是两个串联的PMOS管，管，VTN1、VTN2是两个并是两个并联的联的NMOS管。管。 当输入变量当输入变量A、B中只要中只要有一个为高电平，有一个为高电平，就会使与就会使与它相连的它相连的NMOS管导通，与管导通，与它相连的它相连的PMOS管截止，输管截止，输出出F为低电平。为低电平。只有只有A、B全全为低电平时为低电平时，两个并联的，两个并联的NMOS管都截止，而两个串管都截止，而两个串联的联