3数字电子基础TTL和CMOS门电路ppt课件

1、本章内容二极管三极管TTL门电路MOS管CMOS门电路南京大学金陵学院肇莹Diode The structure of Silicon and Germanium atom二极管硅和锗半导体的结构+4+4+4+4纯净的硅或锗半导体二极管价电子价电子纯净半导体又叫“本征半导体” +4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴共价键中的电子共价键中的电子二极管在纯净半导体中，电子和空穴是成对出现的 纯金半导体中的电流非常小，大概10-9A)成为正离子成为正离子N型半导体多数载流子是电子少数载流子空穴的浓度与温度有关多数载流子的浓度与温度无关+4+4+4+4+5多余电子多余电子磷磷磷称作“施主杂质”+4+

2、4+4硼硼空穴空穴负离子负离子P型半导体型半导体多数载流子是空穴少数载流子电子的浓度与温度有关多数载流子空穴的浓度与温度无关，与掺杂浓度有关少数载流子电子少数载流子电子+4+3硼是受主杂质P型半导体型半导体+N型半导体型半导体掺杂的半导体处于电中性状态掺杂的半导体称作“非本征半导体”p+n耗尽层耗尽层空穴漂移电子漂移空穴扩散电子扩散阈值阈值二极管的VI特性曲线正向偏置反向偏置击穿电压雪崩击穿PN+-IVSIPN+-)1(TDVSDeII阳极阳极阴极阴极DV2V. 0V7 . 0TT锗半导体的开启电压硅半导体的开启电压RVDOnOnOffKRRKOff二极管的开关特性曲线二极管的动态特性RVDO

3、nOffVittLi理想状态下tLi实际上三极管的工作状态饱和:CCCCSBSBSbBERVIIIiVV,7 . 0截止VVVVCESBES3 . 01 . 0,7 . 0VVBE5 . 0CCCECBVViI, 0, 0OViVCCVCRKRBRBBV0V0V二极管与门二极管与门.+VCCRD1D2ABF000101110100ABFInputOutput功能表功能表F=A B.F&AB0V5V5V5V二极管或门二极管或门0V0V0001110110V5V5V5V1 1 0真值表真值表ABFInputOutputF=A+BF+ABRABF10截止截止饱和饱和“0”+VCC-VBBAR

4、KRBRCFVT真值表真值表InputOutputAF10“1”“1”“0”三极管非门三极管非门1AF逻辑函数：逻辑函数：F=ATTL 非门非门 (74x)=5VVIH=3.4V VIL=0.2VTTL 非门非门 (74x)=5VILIVv 0.9V负载电流VVVVVVVvRDBERCCOHO4 . 37 . 07 . 052242TTL 非门非门 (74x)=5VIHIVv 4.1V2.1VVVvOLO3 . 01 . 0TTL 非门非门 (74x)传输特性曲线传输特性曲线测试电路测试电路&+5VViVoVVTTL 非门非门 (74x)传输特性曲线传输特性曲线VOHTypical v

5、alue=3.4V， Usually 2.4V is OKVOLTypically 0.3V，0.8V is OKTH( Threshold 阈值)TTL 非门非门 (74x)(min)(min)IHOHNHVVV(max)(max)OLILNLVVVVVVVVVVVVVVNHNLILIHOLOH4 . 0,8 . 0,0 . 2,4 . 0,4 . 2,74(max)(min)(max)(min)所以，对于高电平输出特性高电平输出特性 (TTL非门非门)OHOVV 低电平输出特性低电平输出特性 (TTL非门非门)OLOVV mARVVVIVIiVVILbeCCISIIHII1/)(,0,4.

6、11时当即反向漏电流时当TTL 非门输入特性输入电流KRVVVVRRRRVVRViibeCCiiibeCCii91.0)()()(,(max)22112因此 TTL非门输入特性Vi2RiVCCVVVVVILICC8.0,5(max)假设VO2RiVO1Vi2驱动负载的能力驱动负载的能力(TTL 非门非门 )灌电流负载灌电流负载T4 截止截止T5 饱和饱和OLVLCII5ISCnII5ISIISIT5 饱和程度越深，驱动负载的能力越强饱和程度越深，驱动负载的能力越强例如例如, LS-TTL (Low-power Schottky TTL)低电平输出状态下能低电平输出状态下能提供提供 8mA 电流

7、电流驱动负载的能力驱动负载的能力 (TTL 非门非门 )T4 导通导通T5 截止截止OHVLIIHLnIIIHIIHI拉电流负载拉电流负载比如比如, LS-TTL 在高电平输出状态下只能在高电平输出状态下只能提供提供 电流电流A400传输延迟时间 (TTL 非门) tpd 约为约为10ns 40ns传输延迟时间传输延迟时间2PLHPHLpdtttICCL ,ICCH and ICCMTTL 与非门如何计算下面几种情况下的输入电流? (1) A=B=VIL (2) A=B=VIH (3)A=VIL B=VIH TTL 门电路多于输入端的处理门电路多于输入端的处理CCVRminIHIHCCVRIV

8、RmaxILILVRI多于输入端不要悬空，要适当处理多于输入端不要悬空，要适当处理对于或门对于非门OC门门 (集电极开路门集电极开路门) 输出端能够直接输出端能够直接“线与线与” 吗？吗？不能不能OC 门门OC门门CCOHVVCDABCDABYYY21OC 门门 IHOHOHCCLLIHOHCCLRLCCOHmInIVVRRmInIVRIVVminmax)(所有所有 OC 门都截止门都截止OC 门门ILOLOLCCLILLOLCCILRLOLImIVVRImRVVnIIImaxmin只有一个只有一个 OC门导门导通的情况通的情况三态门三态门三态门的应用三态门的应用三态门的应用三态门的应用TTL

9、 系列门电路系列门电路7400-series74H (High speed TTL)74L(Low-power consumption TTL)74LS (Low-power Schottky TTL)74AS (Advanced Schottky TTL)74ALS (Advanced Low-power Schottky TTL)74F (Fast TTL)74S (Schottky TTL):肖特基势垒三极管肖特基势垒三极管为什么为什么TTL门电路的传输时间长门电路的传输时间长?VVBE7.0VVCE3.0VVBC4.0+-+-+-+-+-+-VVWhenBC4 . 0肖特基二极管导通,

10、分流一部分基极电流，因此三极管不会进入到深度饱和状态74S系列系列 与非门与非门VreachcanVOL5 .0(max)Power consumptionNMOS 管SourceDrainNMOS 管增强型 NMOS场效应管 逻辑符号orPMOS管or增强型 PMOS场效应管 0GSVNMOS管的工作原理 TGSVV反型层910可达到DSR thGSGSvONVvKRDS210NMOS管的工作原理 iDDSVDi夹断状态DSVDi保持不变 21thGSGSDSDVvIiNMOS 管的 I-V特性 NMOS管的工作原理)( thGSGSVvIf)()(thGSGDDthGSGVvvVv)()(

11、thGSGDDthGSGVvvVv非常小dsR导通状态可分为两个工作区域：:- 线性区:- 饱和区MOSFET 处在导通状态thGSGSVvIfMOSFET处在截止工作状态610至少非常大，dsRPMOS管的 I-V特性 )(0thGSGSGSVvvCMOS反相器功能表CMOS 反相器的静态工作特性 传输特性曲线)2()1()2()1()()()()(,TOFFTOFFTONTONPthGSNthGSPthGSNthGSDDRRRRVVVVVVTHCMOS 反相器的静态工作特性直流噪声容限VgroundVOL1 . 0maxVVVDDOH1 . 0minCMOS 反相器的直流噪声容限CMOS反

12、相器的静态工作特性CC4000系列74HC系列CMOS反相器的静态工作特性CC4000特性74HC系列CMOS反相器的静态工作特性CMOS反相器的输出特性CMOS反相器的静态工作特性CMOS反相器的输出特性CMOS与非门功能表CMOS 或非门功能表3输入与非门FCMOS 与非门带有输入输出缓冲极）ABBAYCMOS 或非门带有输入输出缓冲极）BABAYOD门Open Drain Gate）CD1011FOD门mAIVVWhenLOOL50,5 . 0max210,0DDODDIVVVVABYOD门VVDD51V4 . 0mA4 . 0mA4 . 0mA4HCT OD 门00000011KIRm

13、AIRR5 . 14 . 052 . 324 . 04maxminmaxLS-TTLgatesOD门VVDD51V4 . 2A20A5HCT OD 门LS-TTLA20A5A5A5KIRAIRR434 . 256020254maxmaxmax传输门0_)1(LENandVENDDTPVTNDDVVDDVONTNONTPONallTTPN,TPAPTNDDATNADDNVVONTVVVVVVONT:OFFallTTLENENPN&1_,0)2(传输门的应用三态门CMOS门电路多余输入端的处理V5XXZZZK1K1X(a)(b)(c)CMOS门电路的正确使用CMOS门电路的正确使用mAVR

14、DDp1/CMOS门电路的锁定效应CMOS门电路中的锁定效应CMOS门电路4000系列 VHC (Very high-speed CMOS) and VHCT (Very High-speed CMOS TTL compatible)系列HC (High-speed CMOS) 和HCT (High-speed CMOS TTL compatible). CMOS门电路HCT logic levelsCMOS/TTL门电路的兼容问题HC 或r HCT驱动TTL的低电平噪声容限0.8V-0.33V=0.47VTTL 不能直接驱动 HC或HCT系列TTL 门电路驱动 CMOS门电路)(IHOUDDOHnIIRVVVOHPage 119 ?CCDDVVTTL 门电路驱动 CMOS门电路1.5V/3.5V9V/1V4000-系列 CMOS