数字电路课件

1、 第三章 逻辑器件(门电路)概述3.1 PN结3.2 晶体管开关特性3.3 晶体管反相器3.4 分立元件门电路3.5 TTL门电路3.6 其它类型的TTL门3.7 MOS集成门电路TTL: VCC=+5V; VL=0.2V; VH=3.6V常用的逻辑器件有三种系列:双值电路 “ VL” “ VH”符号 “ 0” “ 1”前面介绍了逻辑变量是双值变量概述ECL: VEE=-5.2V； VL=-1.6V； VH=-0.8VCMOS: VDD=+3V+18V； VL=0V; VH= VDD工程上：用“0”表示VL，用“1”表示VH称正逻辑。用“0”表示VH，用 “1”表示VL称负逻辑。3.1 PN结

2、一、PN结内部载流子的运动P型半导体（空穴是多子，电子是少子）和N型半半导体（电子是多子，空穴是少子）结合在一起时，由于交界处多子和少子的浓度有很大的差别，N区的电子向P区运动（扩散运动），扩散到P区的电子因在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型（Negative)半导体，另一边形成P型(Positive)半导体，那么就在两种半导体的交界面附近形成了PN结与空穴复合而消失。同样P区的空穴也向N区扩散，且与N区中的电子复合。这样在交界面就出现了不能移动的带电离子组成的空间电荷区。耗尽层负离子正离子电子空穴P区N区空间电荷区内电场平衡状态下的PN结二、PN结的单向导电性加正向电压时（

3、正偏），多子被推向耗尽层，结果耗尽层变窄，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。多子的扩散电流通过回路形成正向电流。在外电场的作用下，耗尽层两端的电位差变小（零点几伏），所以不大的正向电压就可以产生相当大的电流。耗尽层URI内电场外电场+-P区N区耗尽层URIS内电场外电场-+PN结加反向电压时，也称反偏。此时外电场使耗尽层变宽，加强了内电场。结果阻止了多子的扩散，促使了少子的漂移，在回路中形成反向电流IS。由于少子的浓度很低，并且温度一定时少子的浓度不变，所以反向电流不但很小，且基本不随外加电压的增加而增加，故称为反向饱和电流IS。P区N区总之，PN结加正向电压时，形成较大的正向电流；而在加反

4、向电压时，反向电流很小，这种特性称为单向导电性。3.2.1半导体二极管（Diode)一、基本结构PN结加上管壳和引线就构成了二极管。PNP 阳极N 阴极二、伏安特性UDID死区电压：硅管 0.5V锗管 0.2V。反向击穿电压V(BR)导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向饱和电流（很小，A级）UDIDRDUiUottRLUiUO二极管半波整流例：硅二极管：死区电压（0.5V），正向压降（0.7V）理想二极管：死区电压（0V），正向压降（0V）3.2.2晶体二极管开关特性 ABURt动态特性: t 0( 断开 闭合)断开 RAB=静态特性闭合 RAB=0开关电路见右图一、理想开

5、关二极管开关电路及特性曲线如图所示:1、静态特性二、二极管开关UDIDRA B UD IDVTHVBR1/rDIS为反向饱和电流，与晶体管材料及制作工艺有关。UD为外加电压，VT在常温下26mV。当晶体管加正向电压，且VD大于VT几倍时式中的1可以忽略，故流过二极管的电流与电压呈指数关系。二极管分区等效电路UD+-IDKUBRUTHISrDr0rZ 近似特性。 二极管导通时，可以根据使用情况选用以下的一般在工程上我们都做近似处理，以简化分析。 电压和电流之间是指数关系而不是线性关系。但从二极管的伏安特性看实际的二极管并非理想开关，它的正向导通电阻rD不是0(约为数十欧)，反向截止电阻r0也不是

6、无穷大(数百千欧)。AB0.7VAB0.7V rD UD IDVTHUBR1/rD1/r0AB UD IDrD=0r0= 0二极管反向截止时，仍有反向漏(饱和)电流is(少数载流子漂移形成的电流，和温度有关。一般为0.2A左右。)，但理想化后可忽略is。isBBAARD2、动态特性当外加电压由反向突然变为正向时，须等待PN结内部建立起足够的电荷浓度梯度才会有扩散电流形成，因而ID滞后于VD的跳变。当外加电压突然由正向变成反向时，由于PN结内部尚有一定数量的存储电荷，因而瞬间有较大的反向电流，此后以指数规律趋于0。(实际有反向漏电流is)。ttUDIDt1t2ID=UD/R由图可见,反向恢复时间

7、t2 t1。影响二极管开关速度的主要是t2。例：试分析下列电路。设电路参数满足条件：1=RCT ， 2=rDC0(e结正偏)Ubc0(c结反偏)RCVCC- Uces饱和条件: IbIbs=ICS饱和时, Ubes=0.7V Uces0.3V(Ibs称为临界饱和基极电流)2、饱和状态(等效开关接通)Ubes UcesbceecbeUbesb c 结果: IC=0截止条件:Ube0(工程上0.5V)Icbobecceb3、截止状态二、动态特性在动态情况下，由于三极管内部电荷的建立和消散过程均需要一定的时间，故IC和UO的变化均滞后于Ui的变化。UiICUOtontoffttt 3.2 晶体管反相

8、器 Rb1UiRCVCCUO+3VRb2 CVbb CO1、饱和条件、截止条件如前所述2、波形改善(1) 采用加速电容C(2) 采用钳位电路当Ui由“1”变为“0”时，三极管T应该马上截止，但由于CO的存在，故输出电压UO不能马上变为高电平。需由VCC经RC对CO充电，但由于RC和CO是定值， Rb1UiRCVCCUO+3VRb2 CVbb CO(1) 灌电流负载3、反相器的负载能力为了不至于使UO抬高，故加入了钳位电路。故只有通过提高电源电压来加快UO的上升速度。但工作在饱和状态，应满足ICS= IRC+ IOLIb。（因当T饱和时， ICS= IRC+ IOL。为了保证T稳定的为饱和条件为

9、IbIbs= ICS） Rb1UiRCVCC+3VRb2 CVbb IRC RLVCCIOLICS Rb1UiRCVCC+3VRb2 CVbb IRC RLVCCIOLICS显然，晶体管饱和越深，允许的灌电流越大，负载能力也越强。但集电极电流必须满足限制条件。ICSIb。(2) 拉电流负载 Rb1UiLRCVCC+3VRb2 CVbb IRC RLIOHIQ当T截止时, IRC =IQ+ IOH Rb1UiLRCVCC+3VRb2 CVbb IRC RLIOHIQ由于VCC和RC一定的情况下，反相器提供的IRC是一定的。若IOH增加，则IQ 势必减小。当IQ减为0时，钳位电路失去钳位作用，输出

10、高电平将随负载电阻的减小而降低，甚至会破坏规定的输出电平。显然，反相器所允许的最大拉电流，以钳位电路不失去钳位作用为条件。3.3 分立元件门电路 ABF&1、二极管与门真 值 表A B F0 0 00 1 01 0 01 1 1A B F0V 0V 0V0V 5V 0V5V 0V 0V5V 5V 5V功 能 表 VCCABF=ABR真 值 表A B F0 0 00 1 11 0 11 1 1功 能 表A B F0V 0V 0V0V 5V 5V5V 0V 5V5V 5V 5V2、二极管或门ABF1 ABF=A+BR ABF&真值表A B F0 0 10 1 11 0 11 1 0 3、与非门AB

11、 Rb1RCRb2 VbbVCCFABF1真 值 表A B F0 0 10 1 01 0 01 1 04、或非门VCCAB Rb1RCRb2 VbbF=A+B3.4.1 TTL与非门电路结构及工作原理1、电路结构R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K1303.4.1 TTL与非门电路结构及工作原理1、电路结构R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K1300.3V0.3V1V0.3V5V0V4.3V3.6V3.4.1 TTL与非门电路结构及工作原理1、电路结构R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K130

12、3.6V3.6V2.1V1.4V0.7V1V0.3VA、B中任一个为“0”或均为“0”T1通（深饱和）、T2截止T4通 、D3通T5截止 、输出“1”R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K1300.3V0.3V1V0.3V5V0V4.3V3.6VR1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K1303.6V3.6V2.1V1.4V0.7V1V0.3VA、B均为“1”T1反向导通 、T2饱和导通T4截止 、D3截止T5通（深饱和）、输出“0” 3.4.2 参数与指标Ui Uo VT Ui Uo&1、电压传输特性阈值电压VT=1.4V1.6VR

13、1 T14KUiVCCVbe2Vbe5IiLUiLIiHUiH2、输入特性流IiH40A。状态。倒置情况下，1 0； Ube IiL1mA。 IOH3、输出特性R4D3T4T5VOH130RLVCCR21.6K射极跟随状态(能提供较大的驱动电流)。(1) VO= VOH时， T4、 D3导通； T5截止； T4工作在 若输出高电平电流IOH随RL的下降而增加，使R4上的压降增加导至T4(b-c结正偏)饱和，失去射极跟随作用，VOH随IOH的增加而迅速下降。 IOHR4D3T4T5VOH130RLVCCR21.6K工程上规定:IOH=0.4mA时 VOH2.8VIOL(2) VO= VOL时，

14、T4、 D3截止， T5饱和导通。若RL下降使Ibs上升导致Ib5K 等效的Ui=“ 1 ”工程上： Ri0.9K 等效的Ui=“ 0 ”1.4VUi4.3VRi可见，随着Ri的增加，使等效的Ui上升。其趋向值是: 5V-0.7V=4.3V。但由于T2和T5 be结的导通，使T1的基极电位箝在2.1V。故Ui箝于1.4V。因为ICCH1.1mA所以空载截止功耗PH= ICCH VCC5.5mW所以空载导通功耗PL= ICCL VCC17mW因为ICCL3.4mA6、功耗VCCICCHVOH&VCC“1”ICCLVOL&7、尖峰(浪涌)电流由于T5导通时处于深饱和状态，故输出在从“0”转换为“1

15、”过程中， T4 的导通出现在T5截止之前。故瞬间会出现T4和T5同时导通的情况，此时流过输出管的电流称尖峰电流ICCM。R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K1303.6V3.6V2.1V1.4V0.7V1V0.3VVCC-Vbe4- VD3- Vces5ICCM =VCC-Vce4-VD3-Vces5+R4R2=33.7mAVCC&1000.1由于尖峰电流的影响，平均功耗会大于PH+PL/2且随频率的增加而上升。这将会引起系统中电源的波动。解决的办法是在门电路的电源和地之间加去耦电容。AF&21tpd= (tPHL+ tPLH)tPHLtPLHAF8、平均延

16、迟时间tpd A&BCAA B Ctpd0tpd1tpd0tpd01tpd0tpd工程上平均延迟时间的测试方法:tpd1tpd10T T = 6tpd tpd= T/69、输入端噪声容限（2）UOL：典型值0.3V。产品规定最大值为UOLMAX=0.4V。即不允许超过的噪声界线称为噪声容限。电路的噪声容限越大，其抗干扰的能力越强。与噪声容限有关的参数如下：（1）UOH ：典型值3.6V。产品规定最小值为UOHmin=2.4V。(3) UIH：典型值3.6V。产品规定最小值为UIHmin=2V(常称为开门电平)并记为UON ，它是保证门导通时(T5饱和导通）允许的输入最小值。 UON 越小，在输

17、入高电平时的抗干扰力越强。(4) UIL：典型值0.3V。产品规定最大值为UILMAX=0.8V。(常称为关门电平)并记为UOFF ，它是保证门处于截止状态时（T5截止）允许的输入最大值。UOFF 越大，在输入低电平时的抗干扰力越强。11UOHmin2.4VUIHmin(UON)2VUOLMAX0.4VUILMAX(UOFF)0.8VG1G2门G2输入为高电平时的噪声容限:UNH= UOHmin UIHmin=2.4V-2V=0.4V门G2输入为低电平时的噪声容限:UNL= UILMAX UOLMAX=0.8V-0.4V=0.4V11UOHmin2.4VUIHmin(UON)2VUOLMAX0

18、.4VUILMAX(UOFF)0.8VG1G2 3.5 其它类型的TTL门 3.5.1 按系列分低功耗肖特基(tpd=9nS) T4000 74LS肖特基(tpd =3nS) T3000 74S高速(tpd =6nS) T2000 74H典型 (tpd =10nS) T1000 74国标 国际标准 3.5.2 按逻辑功能分与门 或门 与非门 或非门 与或非门非门 异或门 3.5.3 按输出电路形式分 1、推拉输出(图腾柱输出) 2、集电极开路输出(OC) 3、三态输出(TS)VCCVCC 130 13038mAT4T4 T5 T5 先来看看推拉输出结构的输出等效电路:F1F2电流会烧坏逻辑门.

19、出端都不能短接在一起做“线与”连接,因为38mA的 由推拉输出等效电路可知,任何两个逻辑门的输F&F1F2FR1R2R3 A BT1T2T5VCCF4K1.6K 1K RL下面讨论OC门:T5F1F2FT5 RLVCCVCCA&FF1F2BDC RL上拉电阻的选择：VCC“0”&nILm& RLICBOICBOICBOIiHIiHIiH“0”“0”IL=mICBO+nIiHVOH=VCC-ILRL =VCC-(mICBO+nIiH)RL先讨论RLmax由上式可见，RL越大则VOH越低，若规定VOH的下限值为2.8V则ICBO约为250AVCC&nILm& RLIOLIiLIiLIiL“0”“0

20、”再讨论RLmin显然，RL越小，IOL越大，输出电平也越高，故RL不能选得太小。OC门的特点:(1) 必须外接上拉电阻RL。(2) 多个OC门的输出可以连接在一起“线与”。(3) “线与”后的输出为各逻辑门输出值相“与”。(4) OC门可实现电平转换。 下面介绍TS门R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5F4K1.6K 1K130VCCENP M HG11 (工作态)。所至，即H门的输出管T5截止，故M点仍为5V，故 EN=“1”使P点为“1”，由于P点的1是H门输出为“1”R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5F4K1.6K 1K130VCCENP M HG11EN=“0”时，

21、M点为0.9V，Vb5=0V，故T4、T5均截止。输出为高阻态(三态)。R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5F4K1.6K 1K130VCCENP M HG11(1) 三态门可以把多个门的输出连接在一起，作为总线输出形式。但任一时刻只允许一个门处于工作态，其余的必须处于高阻态。(2) TS门不需外接上拉电阻.&BAENF&BAENFA1&F1FnB1BnAnENnEN1总线TTL门闲置输入端的处理.&ABF处理原则:不影响信号端的正常逻辑运算与门、与非门:(1)接“1”(VCC)。优点是不会增加信号端的驱动电流(2) 与信号端并接使用。优点是能提高逻辑可靠性但使信号端要提供的驱动电流增

22、大。(3)闲置。(TTL门输入端闲置等效输入为“1”)(1) 接“0”(地)。(2) 与信号端并接使用。或门、或非门:3.6.1 场效应晶体管场效应管与晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:N沟道P沟道耗尽型增强型耗尽型增强型 MOS绝缘栅场效应管（N沟道）（1） 结构PGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层金属铝N导电沟道未预留 N沟道增强型预留 N沟道耗尽型NN（2） 符号P沟道增强型GSDGSDN沟道增强型栅极漏极源极NMOSFET：VGS VTN(+2V)，形成沟道，等效开关接通。VGS VTN(+2V)，沟道夹断，等效开关断开。GSDVDDPMOSFET:VGS VTP(2V)，形成沟道,等效开关接通。VGS VTP(2V)，沟道夹断，等效开关断开。沟道导通内阻小于1K，相对于外电路可以忽略。GSDVDD3.6.2 CMOS门电路一、CMOS非门T1T2UOUiGSDVDDGSD(1) 若Ui=0VGS1=0 VTN