数字电子线路学习教案

1、数字数字(shz)电子线路电子线路第一页，共52页。 TTL 即即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 集成门电路集成门电路 CMOS 集成门电路集成门电路 输入输入(shr)端和输出端端和输出端都用三极管的逻辑门电路。都用三极管的逻辑门电路。 用互补对称用互补对称 MOS 管构管构成成(guchng)的逻辑门电路。的逻辑门电路。 第1页/共52页第二页，共52页。不过现有的旧设备中，有的仍在用不过现有的旧设备中，有的仍在用TTL，因此了解，因此了解TTL的某些知识仍的某

2、些知识仍有必要。有必要。第2页/共52页第三页，共52页。条条件件(tiojin)开开关关输入信号输入信号(xnho)(xnho)满足一定条件时，门开满足一定条件时，门开启，允许信号启，允许信号(xnho)(xnho)通过通过 。开门开门(ki mn)状态：状态：关门状态：关门状态：输入信号条件不满足，门关闭，输入信号条件不满足，门关闭，信号通不过信号通不过 。一、什么是门电路？一、什么是门电路？用来实现用来实现基本基本逻辑运算和逻辑运算和复合复合逻辑运算的单元电路。逻辑运算的单元电路。与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。

3、门门（门电路是数字电路最为基本的逻辑单元）（门电路是数字电路最为基本的逻辑单元）输出和输入输出和输入之间存在着一定的之间存在着一定的逻辑关系逻辑关系。不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：第3页/共52页第四页，共52页。超大规模超大规模大规模大规模小规模小规模中规模中规模二、数字二、数字(shz)IC的分类的分类1.1.按集成度区分按集成度区分(qfn)(qfn)：(SSI-Small Scale Integration)， 每片组件每片组件 内包含内包含(bohn)10-100个元件个元件(或或10-20个等个等效门效门)。(M

4、SI-Medium Scale Integration)，每片组件，每片组件 内含内含100-1000个元件个元件(或或20-100个等效门个等效门)。(LSI-Large Scale Integration)， 每片组件内每片组件内 含含1000-100 000个元件个元件(或或100-1000个等效门个等效门)。(VLSI-Very Large Scale Integration)， 内含内含100 000个元件个元件(或或1000个以上等效门个以上等效门)。 逻辑门逻辑门触发器触发器编码器、译码器、编码器、译码器、 数据选择器、加法器、数据选择器、加法器、 计数器、计数器、 移位寄存器移

5、位寄存器只读存储器、只读存储器、 随机存取存储器、随机存取存储器、 微处理器微处理器、专用数字信、专用数字信号处理器号处理器第4页/共52页第五页，共52页。2.2.按数字按数字(shz)(shz)系统设计方法系统设计方法分：分：（1）通用型中规模（）通用型中规模（MSI），小规模（），小规模（SSI）集成）集成(j chn)逻辑件。逻辑件。（2）微处理器产品）微处理器产品(chnpn)，如微处理器、单片机、通用，如微处理器、单片机、通用和专用数和专用数 字信号处理器等。字信号处理器等。（3）专用集成电路）专用集成电路ASIC全定制全定制半定制半定制PLDPROMPLAPALGALCPLDFP

6、GA第5页/共52页第六页，共52页。三、集成门的一般三、集成门的一般(ybn)特特性性1、电源、电源(dinyun)电压是电压是多少？多少？2、输入和输出、输入和输出(shch)的高、低电平对应的电压范围是多少？的高、低电平对应的电压范围是多少？3、抗干扰能力如何？噪声容限、抗干扰能力如何？噪声容限4、工作速度快不快？传输延迟时间、工作速度快不快？传输延迟时间5、功耗大不大？、功耗大不大？6、带负载能力是否强？扇入数和扇出数、带负载能力是否强？扇入数和扇出数第6页/共52页第七页，共52页。1、电源、电源(dinyun)特特性：性：TTL: （15）5V;CMOS : (318）V2、输入、

7、输入(shr)和输出的高、低电平：和输出的高、低电平：TTL高电平高电平低电平低电平2.4V5V，典型值，典型值:3.6V0V0.4V，典型值，典型值:0.3VCMOS74HC: 0.7VDD74HC: 0.3VDD数据手册一般给出四种逻辑数据手册一般给出四种逻辑(lu j)电平参数：电平参数：输入高电平的下限值：输入高电平的下限值：VIH(min)输入低电平的上限值：输入低电平的上限值：VIL(max)输出高电平的下限值：输出高电平的下限值：VOH(min)低电平的上限值：低电平的上限值：VOL(max)VI LmaxVOHminVIHminVOLmax输输入入输输出出第7页/共52页第八页

8、，共52页。VI LmaxVOHminVIHminVOLmax输入输入(shr)输出输出(shch)3、噪声容限：、噪声容限：定量说明集成电路定量说明集成电路(jchng-dinl)抗干扰能抗干扰能力的参数力的参数 在数字电路中，即使有噪声电压叠加在输入信号的高、低电平上，在数字电路中，即使有噪声电压叠加在输入信号的高、低电平上，只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，输出端的逻辑状态就不会受只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，输出端的逻辑状态就不会受到影响到影响;通常通常把这个不允许超过的界限叫做噪声容限把这个不允许超过的界限叫做噪声容限。电路噪声容限。电路噪声容限越大，抗干扰能力越强。越大，抗

9、干扰能力越强。AY1&BY2& （1）高电平噪声容限：）高电平噪声容限：VNH= VOHmin- -VIHminVNHVNL（2）低电平噪声容限：）低电平噪声容限：VNL= VILmax- -VOLmax第8页/共52页第九页，共52页。第9页/共52页第十页，共52页。4、传输、传输(chun sh)延延迟时间：迟时间：表征门电路开关表征门电路开关(kigun)速度的参数。速度的参数。输入输入twtr10%50%90%tftr：上升时间：上升时间tf：下降时间：下降时间tw：脉冲：脉冲(michng)宽宽度度输出输出tPHLtPLH上升沿上升沿下降沿下降沿tPHL：导通传输时

10、间：导通传输时间tPLH：截止传输时间：截止传输时间 平均传输延迟时间平均传输延迟时间（Propagation delay)tpd=tpHL+ tpLH201第10页/共52页第十一页，共52页。5、功耗、功耗(n ho)：静态功耗：电路静态功耗：电路(dinl)的输出没有状态转换时的的输出没有状态转换时的功耗。功耗。动态功耗：电路在输出动态功耗：电路在输出(shch)发生状态转换时发生状态转换时的功耗。的功耗。延时功耗积延时功耗积:DPdPtDP 第11页/共52页第十二页，共52页。6、扇入数和扇出数：、扇入数和扇出数：扇入数：门电路输入端的数目扇入数：门电路输入端的数目(shm)。（通常

11、为。（通常为28）扇出数：门电路在正常工作情况下，所能带同类扇出数：门电路在正常工作情况下，所能带同类(tngli)门门电路的电路的 最大数目。最大数目。受最大输出受最大输出(shch)电流电流IOHmax、IOLmax的的限制。限制。（1）拉电流工作情况：）拉电流工作情况：&IOHII HII H（2）灌电流工作情况：）灌电流工作情况：&IOLII LII LIHOHOHIIN(max) ILOLOLIIN(max) ),(OLOHNNMINN 第12页/共52页第十三页，共52页。2.2 二、三极管的开关二、三极管的开关(kigun)特性特性继续(jx)第13页/共52页第

12、十四页，共52页。件状态转换件状态转换(zhunhun)？怎样？怎样才能加快器件的转换才能加快器件的转换(zhunhun)速度？速度？继续(jx)第14页/共52页第十五页，共52页。（1）加正向）加正向(zhn xin)电压电压UF时，二极管导通，忽略管压降。二时，二极管导通，忽略管压降。二极管相当于一个闭合的开关。极管相当于一个闭合的开关。一、二极管的开关一、二极管的开关(kigun)(kigun)特性特性1 1二极管的静态二极管的静态(jngti)(jngti)特性特性DRLFFUIFKFRULI继续第15页/共52页第十六页，共52页。 综合：二极管表现为一个受外加电压综合：二极管表现

13、为一个受外加电压uiui控制的开关控制的开关(kigun)(kigun)。 当外加电压当外加电压vivi为脉冲信号时，二极管将随脉冲的变化在为脉冲信号时，二极管将随脉冲的变化在“开开”态与态与“关关”态之间转换：动态特性。态之间转换：动态特性。（2）加反向）加反向(fn xin)电压时，二极管截止，忽略反向电压时，二极管截止，忽略反向(fn xin)电流电流IS。二极管相当于一个断开的开关。二极管相当于一个断开的开关。DLRUSRILKURR继续(jx)第16页/共52页第十七页，共52页。 给二极管电路(dinl)加入一个脉冲信号，电流的波形怎样呢？ts为存储时间为存储时间(shjin)，t

14、t称为渡越时称为渡越时间间(shjin)。trets十十tt称为反向恢复时间称为反向恢复时间(shjin)+DLiRuiuiUFUR t1t0 i t1t0 IF IStRtsIFtiI0.1t0IRt1继续第17页/共52页第十八页，共52页。 正通正通反止反止tttstrevitVF-VRIFit0.1IR-IRt1iRLDvI反向反向(fn (fn xinxin) )过程为过程为: :0t，二极管导通，则，二极管导通，则LFLDFFRVRVVIt t时，时，vIvI突变突变(tbin)(tbin)，二极管，二极管并不立即截止，而是并不立即截止，而是电流由正向的电流由正向的IFIF变为变为

15、一大的反向电流一大的反向电流IR=VR/RLIR=VR/RL，维持时间，维持时间tsts后，经过后，经过tttt，下降，下降到到0.1IR0.1IR，此时二极，此时二极管才进入反向截止管才进入反向截止继续(jx)第18页/共52页第十九页，共52页。PN结正向结正向(zhn xin)偏置偏置+空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+扩散(kusn)长度LP正向电流正向电流存储电荷存储电荷N N区中区中少子空少子空穴穴存储电荷存储电荷P P区中区中少子电子少子电子+-（2 2）产生）产生(chnshng)ts(chnshng)ts的原因的原因-电荷存储效应电荷存储效应继续第19页/共52页第二十页，共

16、52页。PN结改为结改为(i wi)反向偏置反向偏置由于电荷存储由于电荷存储(cn ch)效应，反向电流大效应，反向电流大(ts)势垒区先不变势垒区先不变PN扩散(kusn)长度LP-+形成反向电流形成反向电流IR复合复合复合复合+继续第20页/共52页第二十一页，共52页。+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散内电场加强，使扩散(kusn)停停止，止，有少量漂移，反向电流很小有少量漂移，反向电流很小反向反向(fn xin)饱和电流饱和电流很小，很小， A级级继续(jx)第21页/共52页第二十二页，共52页。所以：产生所以：产生ts ts的原因的原因(yunyn)-(yu

17、nyn)-电荷存储效应电荷存储效应总结：总结： 当外加正压，当外加正压，P P区空穴向区空穴向N N扩散，扩散，N N 区电子向区电子向P P区扩散；区扩散； P P区存储了电子，区存储了电子，N N区存区存储了空穴，它们都是非储了空穴，它们都是非(shfi)(shfi)平衡少数载流子。这一过程平衡少数载流子。这一过程称为称为: :电荷存储效应电荷存储效应继续(jx)第22页/共52页第二十三页，共52页。 反向恢复时间即存储电荷反向恢复时间即存储电荷(dinh)(dinh)消失所需要消失所需要的时间，远大于正向导通所需要的时间。的时间，远大于正向导通所需要的时间。 即：二极管的开通时间很短，

18、对开关速度的即：二极管的开通时间很短，对开关速度的影响很小，以致可忽略不计。影响很小，以致可忽略不计。 因此，影响二极管的开关特性因此，影响二极管的开关特性主要主要(zhyo)是反向恢复时间，而不是开通时是反向恢复时间，而不是开通时间。间。bjt第23页/共52页第二十四页，共52页。2.2.2 TTL的开关的开关(kigun)特性特性一、双极型三极管的结构一、双极型三极管的结构(jigu) BECNNP基极基极 发射极发射极集电极集电极BECNPN型三极型三极管管PNP集电极集电极 基极基极 发射极发射极 BCEBECPNP型三极管型三极管第24页/共52页第二十五页，共52页。二、双极型三

19、极管的输入二、双极型三极管的输入(shr)特性和输出特性特性和输出特性 IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 AIB( A)UBE(V)204060800.40.8输入特性曲线输入特性曲线输出特性曲线输出特性曲线(qxin)开启开启(kiq)电压电压饱饱和和区区截止区截止区放大区放大区第25页/共52页第二十六页，共52页。三、双极型三极管的基本三、双极型三极管的基本(jbn)开关电路开关电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止和和截止(jizh)(jizh)两种开关状态，放

20、大区只是极短暂的过两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。渡状态。第26页/共52页第二十七页，共52页。第27页/共52页第二十八页，共52页。三极管临界三极管临界(ln ji)饱和饱和时的基极电流：时的基极电流：mA094. 0mA1503 . 05cCESCCBSRUVIui=1V时，三极管导通，基极时，三极管导通，基极(j j)电电流：流：mA03. 0mA107 . 01bBEiBRuuiuo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03501=3.5V对应对应(duyng)下图，分别求出下图，分别求出ui分别为分别为1V，0.3V，3V时的时的uo值值IBS，未饱和，未饱和第28页/共

21、52页第二十九页，共52页。ui=0.3Vui=0.3V时，因为时，因为(yn wi)uBE0.5V(yn wi)uBE0.5V，iB=0iB=0，三极管工作在，三极管工作在 截止状态，截止状态，ic=0ic=0。因为。因为(yn wi)ic=0(yn wi)ic=0，所以输出电压：，所以输出电压：uo=VCC=5V 截止截止(jizh)状态状态ui=UILIBS，饱和，饱和(boh)第30页/共52页第三十一页，共52页。TTL开关开关(kigun)等效电路等效电路 开关开关(kigun)(kigun)等效电路等效电路(1) 截止(jizh)状态 条件：发射结反偏特点：电流约为0 第31页/

22、共52页第三十二页，共52页。(2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅第32页/共52页第三十三页，共52页。三极管开关(kigun)等效电路(a) 截止时 (b) 饱和时第33页/共52页第三十四页，共52页。uituot+Vcc0.3VTTL动态开关动态开关(kigun)特性特性 第34页/共52页第三十五页，共52页。BJTBJT的开关时间：是指的开关时间：是指BJTBJT管由截止到饱和管由截止到饱和(boh)(boh)导通导通 或者由饱和或者由饱和(boh)(boh)导通到截止所需要的时间。导通到截止所需要的时间。延迟时间延迟时间tdt

23、d从从+VB2+VB2加到集电加到集电极电流极电流icic上升上升(shngshng)(shngshng)到到0.1ICS0.1ICS所需要的时间；所需要的时间； 上升时间上升时间trictric从从0.1ICS0.1ICS到到0.9ICS0.9ICS所需要所需要(xyo)(xyo)的时的时间；间； 开通时间开通时间t tonon= =t td d+ +t tr r就是建立基区电荷时间就是建立基区电荷时间第35页/共52页第三十六页，共52页。存储时间存储时间tsts从输入信号从输入信号(xnho)(xnho)降到降到-VB1-VB1到到icic降降到到0.9ICS 0.9ICS 所需要的时间

24、；所需要的时间； 下降时间下降时间tfictfic从从0.9ICS0.9ICS降到降到0.1ICS0.1ICS所需要所需要(xyo)(xyo)的时间。的时间。 关闭关闭(gunb)(gunb)时间时间toff=ts+tftoff=ts+tf就是存储电荷消就是存储电荷消散的时间散的时间 第36页/共52页第三十七页，共52页。2 MOS管的开关(kigun)特性 CMOS-IC中，以中，以MOS管作为管作为(zuwi)开关器件开关器件一、MOS管的结构和工作(gngzu)原理PNNGSD金属铝金属铝两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层P型衬底型衬底导电沟道导电沟道第37页/共52页第三十八页，共5

25、2页。GSDN沟道沟道(u do)增强型增强型源极源极栅极栅极(shn j)漏极漏极第38页/共52页第三十九页，共52页。vGS=0时时PNNGSDvGSvDSiD=0D、S间相间相当于两个当于两个(lin )背靠背的背靠背的PN结结SDB不论不论(bln)D、S间有无间有无电压电压,均无法导通均无法导通导电导电第39页/共52页第四十页，共52页。PNNGSDVDSVGSvGS0时时vGSVGS(th)后形成后形成电场电场GB,把衬底中把衬底中的电子的电子(dinz)吸引吸引到上表面，除复合到上表面，除复合外，剩余电子外，剩余电子(dinz)在上表面形在上表面形成成N型层（反型层）型层（反

26、型层）为为D、S间的导通提间的导通提供了通道。供了通道。VGS(th)称为称为(chn wi)阈值电压阈值电压(开启电压）开启电压）源极与源极与衬底接衬底接在一起在一起(yq)N沟道沟道vGS增大，增大，iD增大增大第40页/共52页第四十一页，共52页。二、MOS管的输入(shr)、输出特性栅极栅极(shn j)电流为零，无输电流为零，无输入特性入特性输出特性曲线输出特性曲线(qxin)（漏极特性曲线（漏极特性曲线(qxin)）第41页/共52页第四十二页，共52页。 用途用途(yngt)：断开状态的电子开关。：断开状态的电子开关。)(thGSGSvv0Di特点:D-S间电阻(dinz)ROFF达千M欧以上第42页/共52页第四十三页，共52页。特点特点(tdin):(1)当当vGS 为定为定值值,iD 是是 vDS 的线性函数，的线性函数，管子的管子的D-S间呈现为线性电间呈现为线性电阻，其阻值受阻，其阻值受 vGS 控制：控制： vGS越大，越大， D-S导通电阻越导通电阻越小。小。RON=51K （2）管压降vDS 很小。用途：做压控线性电阻和闭合状态用途：做压控线性电阻和闭合状态(zhungti)的电的电子开关。子开关。问：如果希望开关问：如果希望开关(kigun)在闭合时更在闭合时更“理想理想”？如？如何选取何选取vGS？第43页/共52页第四十四页，共