关于EDA的知识的课件

1、2 逻辑门电路2.1 二极管的开关特性 2.3 基本逻辑门电路2.4 TTL逻辑门电路 *2.5 射极耦合逻辑门电路 2.2 BJT的开关特性 2.7 NMOS逻辑门电路 2.9 逻辑门电路使用中的几个实际问题 2.8 正负逻辑问题2.6 CMOS逻辑门电路 教学基本要求1、了解半导体器件的开关特性。2、掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、 异或门）、三态门、OC门的逻辑功能。3、学会逻辑电路逻辑功能分析。4、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的 接口问题。2 逻辑门电路实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。1 逻辑门电路：2 逻辑门电路的分类：二极管门电路三极管门电路TTL门电路MOS门电路

2、PMOS门CMOS门逻辑门 电路分立集成NMOS门TTL- 三极管-三极管HTL 高阈值ECL 射极耦合I2L 集成注入概 述构成数字逻辑电路的基本元件3 高、低电平产生的原理当S闭合，vO=当S断开，vO=概 述0 V+ 5 V(低电平)(高电平)理想的开关应具有两个工作状态：接通状态：断开状态：要求阻抗越小越好，相当于短路（导通）要求阻抗越大越好，相当于开路（截止）end概 述2.1 二极管的开关特性一、数字电路中，二极管工作在开关状态： 二极管正向导通时：导通电阻很小，两端相当于短路； 二极管反向截止时：等效电阻很大，两端相当于开路。 当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速度很快，每秒

3、可达百万次，这就要求器件的开关转换速度要在微秒甚至纳秒内完成。 二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止状态之间的转换过程（即动态特性）： 二、二极管的动态特性在0t1期间，vi VF时，D导通，电路中有电流流过：RLviiD1.二极管从正向导通到反向截止的过程vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit二、二极管的动态特性RLviiD1.二极管从正向导通到反向截止的过程：通常将二极管从导通转为截止所需的时间称为反向恢复时间: tre= ts+ttvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存储时间渡越时间在t1 时，突然I VR时，电路中电流 i = ?反向恢复时间一般在纳秒

4、数量级。1.二极管从正向导通到反向截止的过程二、二极管的动态特性正向（饱和）电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，存储的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。产生反向恢复的过程的原因：存储电荷消散需要时间1.二极管从反向截止到正向导通的过程二、二极管的动态特性结论：二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，可以忽略不计。二极管的动态特性主要考虑反向恢复时间。二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。原因是：PN结加正偏电压时，其正向压降很小，比VF小得多，故电路中的正向电流IF VF / RL 。主要由外电路参数决定。end2.2 BJT的开关特性1. BJT的开关作用2. BJT的开关时间11

5、2.2 BJT的开关特性1. BJT的开关作用 IB5 iC IBS=IB4 IB3 IB2 IB1 A vCE VCC iB=0 VCES O ICS VCC /Rc CIBS=VCC/Rc ICS= VCC/Rc CEVCES0.2V VCC RC iC T Rb ib + v1 -VB1 VCC RC iC T Rb ib + v1 +VB112截止状态cbe饱和状态Vb=0.7v, Vc=0.3vebc1. BJT的开关作用2.2 BJT的开关特性13iCICS工作状态截 止放 大饱 和条件iB0 0 iB 工作特点偏置情况 发射结和集电结均为反偏 发射结正偏，集电结反偏 发射结和集电

6、结均为正偏集电极电流iC 0ic iB 且不随iB增加而增加管压降VCEO VCCVCEVCCiCRcVCES 0.20.3 V c、e间等效内阻 很大，约为数百千欧，相当于开关断开可变很小，约为数百欧，相当于开关闭合2. NPN 型 BJT 截止、放大、饱和三种工作状态的特点14 v1 +VB2 VB2 O t iC ICS 0.9ICS 0.1ICS O tr ts t tf td 3. BJT的开关时间开通时间 ton= td+trtd 延迟时间 tr 上升时间关闭时间 toFF= ts+ tfts存储时间 tf-下降时间 开关时间随管子类型的不同而不同，一般为几十几百纳秒。开关时间越短

7、，开关速度越高。一般可用改进管子内部构造和外电路的方法来提高三极管的开关速度。end152.3 基本逻辑门电路2.3.1 二极管与门电路2.3.2 二极管或门电路2.3.3 非门电路 三极管反相器162.3.1 二极管与门电路二极管与门电路与逻辑符号 VCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 17VCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 0 v若输入端中有任意一个为0V,另两个为+5V输入与输出电压关系0V5V5V2.3.1 二极管与门电路 输 入输 出VAVBVCVL000000+5 V00+5 V000+5 V+5 V0+5 V0+5 V0+5

8、V0+5 V0+5 V+5 V00+5 V+5 V+5 V+5 V18 输 入输 出VAVBVCVL000000+5 V00+5 V000+5 V+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V+5 V00+5 V+5 V+5 V+5 V 输 入输 出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHVCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 5 vA、B、C三个都输入高电平+5V5V5V5V 输 入输 出ABCL000000100100011010001010110011112.3.1 二极管与门电路 真 值 表19 2.3.2 二极管或门

9、电路二极管或门电路或逻辑符号120输入端A、B、C都为0V 0 V或逻辑真值表输 入输 出ABCL00000011010101111001101111011111 2.3.2 二极管或门电路输 入输 出ABCL000000110101011110011011110111110V0V0V21输入端中有任意一个为+5V5 V或逻辑真值表输 入输 出ABCL00000011010101111001101111011111输 入输 出ABCL000000110101011110011011110111110V5V0V 2.3.2 二极管或门电路22三极管反相电路非逻辑符号2.3.3 非门电路 三极管反

10、相器反相器传输特性23当输入为逻辑0时: 0 vcc1 非逻辑真值表输入A输出L非逻辑真值表 2.3.3 非门电路 三极管反相器0124当输入为逻辑1时: 1 0.3v0输入A输出L非逻辑真值表 2.3.3 非门电路 三极管反相器end0110252.4 TTL逻辑门电路2.4.7 改进型TTL门电路抗饱和TTL电路2.4.1 基本的BJT反相器的动态性能2.4.2 TTL反相器的基本电路2.4.3 TTL反相器的传输特性2.4.4 TTL与非门电路2.4.5 TTL与非门的技术参数2.4.6 TTL或非门、集电极开路门和三态门电路262.4.1 基本的BJT反相器的动态性能TTL反相器的产生

11、:若考虑基本反相器负载电容CL的影响，在反相器输出电压O由低向高过渡时，电路由VCC通过Rc对CL充电。 vccRcTCL 反之，当O由高向低过渡时，CL又将通过BJT放电。CL的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压O波形的上升时间和下降时间，导致基本的BJT反相器的开关速度不高。故需寻求更为实用的TTL电路结构。 271. TTL反相器的基本电路2. TTL反相器的工作原理3. 采用输入级以提高工作速度 4. 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力2.4.2 TTL反相器281. TTL反相器的基本电路 Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 D T2

12、T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1KW VCC(5V) 输入级 中间级 输出级 2.4.2 TTL反相器292. TTL反相器的工作原理 （1）当输入为低电平（I = 0.2 V） 0.9V 0.2V OVCCVBE4VD 50.70.7 =3.6V I低电平(0.2V)T1深饱和T2截止T3截止T4放大O高电平（3.6V）2.4.2 TTL反相器302. TTL反相器的工作原理 当输入为高电平（I = 3.6 V） 3.6V 4.3V 2.1V 1.4V 0.2V I全为高电平(3.6V)T1倒置放大T2饱和T3饱和T4截止O低电平0.2V）2.4.2 TTL反相器313. 采

13、用输入级以提高工作速度 （1）当TTL反相器I由3.6V变0.2V的瞬间 0.9V1.4V T1管的变化先于T2、 T3管的变化；T1管Je正偏、Jc反偏， T1工作在放大状态。T1管射极电流1 iB1很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷,从而加速了状态转换。 2.4.2 TTL反相器324. 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当输出为低电平时，T3处于深度饱和状态，T4截止， T3的集电极电流可以全部用来驱动负载。输出为高电平时，T3截止，T4组成的电压跟随器的输出电阻很小，所以输出高电平稳定，带负载能力也较强。3.6V 2.1V 1.4V 0.2V 0.9V 0.2V 3.6V2.

14、4.2 TTL反相器波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后， CL很快放电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。输出端接有负载电容CL时，在 输出由低到高跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小，使输出33 2vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V .48V 0.2V 1 2 E D C B A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V I很低，T1的发射结为正向偏置。T1饱和使T2、T3截止，同时T4和D导通。O=3.6V。 I = B ，T1仍维持饱和。但B2 = C1增大使T2的发射结刚好正偏。B2= I+VCES ， I(B)=VFVCES=0.6V0.2V0.4V CD段：当I的值继续增加

15、C点后，使T3饱和导通， O0.2V I(D)=BE3+BE2CES1 = (0.7+0.70.2)V=1.2V 当I的值从D点再继续增加时，T1将进入倒置放大状态，保持O= 0.2V B2=I， BC段的斜率为dO/dI = Rc2/Re2= 1.6。 I B时，由T1的集电极供给T2的基极电流，但T1仍保持为饱和状态。在BC段内，T2对I的增量作线性放大: *2.4.3 TTL反相器的传输特性342.4.4 TTL与非门1. TTL与非门电路多发射极BJT A B & BAL= T1 e e e e b b c c 352. TTL与非门电路的工作原理 任一输入端为低电平时: T1的发射结

16、正向偏置而导通，T2截止。输出为高电平。TTL与非门各级工作状态 VCC(5V) Rc4 130W Rc2 1.6kW Rb2 1.6kW T4 T2 T3 T1 A B Re2 1kW D IT1T2T3T4O输入全为高电平 (3.6V)倒置使用的放大状态饱和饱和截止低电平（0.2V）输入有低电平 (0.2V)深饱和截止截止放大高电平（3.6V）只有当全部输入端为高电平时： T1将转入倒置放大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。2.4.4 TTL与非门36 vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V 2.48V 0.2V 1 2 E D CB A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V 各

17、种类型的TTL门电路，其传输特性大同小异。VOHVO(A)3.6V VOLVCES 0.2VVIL VI (B)0.4VVIH VI(D)1.2V1、TTL与非门传输特性2、输入、输出的高、低电压 2.4.5 TTL与非门的技术参数373. TTL与非门噪声容限 输入噪声容限:输入高电平的噪声容限为 VNH=VOH(min)VIH(min) 1 驱动门 vo 1 负载门 vI 噪声 1输出 1输入 0输入 0输出 vo vI +VDD 0 VNH VOH(min) VIH(min) VNL VOL(max) VIL(max) +VDD 0 输入低电平的噪声容限为 VNL=VIL(max)VOL

18、(max) 当电路受到干扰时，在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。 2.4.5 TTL与非门的技术参数38 4. 扇入与扇出系数 扇入数: 取决于门的输入端的个数 扇出数: 带同类门的个数。 有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门0 VCC(5V) Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D 当负载门的个数增加时，总的灌电流IIL将增加,引起输出低电压VOL的升高。 带灌电流负载：输出低电平时。IILIOL2.4.5 TTL与非门的技术参数101&391& 4. 扇入与扇出系数 扇入数: 取决于门的输入端的个数 扇出数: 带同类门的个数。

19、 有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门1 VCC(5V) Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D 2.4.5 TTL与非门的技术参数01带拉电流负载：门输出高电平时当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低。 IIHIOH40例 查得基本的TTL与非门7410的参数如下： IOL16mA，IIL1.6mA，IOH0.4mA，IIH0.04mA.试计算其带同类门时的扇出数。解： (1)低电平输出时的扇出数 (2)高电平输出时的扇出数若NOLNOH，则取较小的作为电路的扇出数。例题： 扇出数计算举例2.4.5 TTL与非门的技术参数41 电路在输入脉冲波形的

20、作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。5. 传输延迟时间 输入 同相 输出 反相 输出 50% tPLH 50% 90% 10% tr tPLH 90% 50% 10% tf 50% tPLH tPLH 90% 50% 10% tf 90% 50% 10% tr VOL VOH VOL VOH 0V VCC 平均传输延迟时间 tPdtPLH 为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间; tPHL为由高电平转换到低电平所经历的时间。(tPLHtPHL)/2 表征门电路开关速度的参数426. 功耗与延时功耗积1、功耗分为:静态功耗：动态功耗：对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。2

21、、延时功耗积DP = tpdPD2.4.5 TTL与非门的技术参数指的是当电路没有状态转换时的功耗是在门的状态转换的瞬间的功耗。是一综合性的指标，用DP表示，其单位为焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。431. TTL或非门 2.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路R1A R1 R1B R4 VCC T1A T2A T2B B D T3 R3 T4 AT1BL44 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T4 1. TTL或非门 TTL或非门的逻辑电路若二输入端为低电平 0.9 v0.2 v0.2 v0.9 v3.6V 2

22、.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路451. TTL或非门 若A、B两输入端都为高电平 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T4 2.1 v3.6 v3.6v2.1 v0.3V 问题：若A、B两输入端中有一个为高电平，输出L = ? 2.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路462. 集电极开路门 (Open Collector Gate) vOHvOLX2.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路472. 集电极开路门 TTL 电路 TTL 电路 D C B A T1 T2 VCC RP L A B C D & )()(CD

23、ABL= VCC(5V) Rc4 130W Rc2 1.6kW Rb2 1.6kW T4 T2 T3 T1 A B Re2 1kW D 2.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路48 集电极开路门上拉电阻Rp 的计算 TTL 电路 TTL 电路 D C B A T 1 T 2 VCCL R P 在极限情况，上拉电阻Rp具有限制电流的作用。以保证IOL不超过额定值IOL(max)，故必须合理选用Rp的值。 另一方面，Rp的大小影响OC门的开关速度，Rp的值愈大，因而开关速度愈慢 Rp(min) 2.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路49集电极开路门上拉电阻Rp 的计算举例 例2.4.2

24、设TTL与非门74LS01(OC)驱动八个74LS04(反相器)， 试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设VCC5V。解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL= 400A，VIH(min) =2V，IIH=20A。 IIL(total)=400A8=3.2mA得 VCC=5V，IIH(total) =20A8= 0.16mA。 Rp的值可在985至18.75k,之间选择,可选1k的电阻器为宜。所以 2.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路50集电极开路门的缺点：由于OC门输出不是推拉式(Totem)结构，电路的上升延迟很大，这是因为： T

25、3退出饱和状态很慢； 对输出负载电容的充电电流只能通过外接的RL来提供。因此，输出波形的上升沿时间很大。2.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路51 3. 三态与非门(TSL ) 三态钳位电路 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R66 VCC D3.6V1.4V0.7V当CS= 1时CS数据输入端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表 =AB2.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路52 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R66 VCC D当CS= 0时0

26、.2V0.9V低电平0.9V开路CS数据输入端输出端LAB10010111011100高阻 3. 三态与非门(TSL ) 三态与非门真值表 AB CS & L 高电平使能=高阻状态与非功能 ZL ABLCS = 0_CS =12.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路53另一种形式的三态与非门：CS数据输入端输出端LAB00010111011101高阻 3. 三态与非门(TSL ) 三态与非门真值表 低电平使能=高阻状态与非功能 ZL ABLCS = 1_CS =0 AB CS & L 2.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路54三态与非门的应用：两个三态门和总线相连电路1、2只能有一个

27、处于正常态 若要求D1向BUS传送，则应有： 若要求D2向BUS传送，则应有： 1BUS22.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路55三态与非门的应用：双向传输当CS = 0时，门1工作，门2禁止，数据从A送到B；当CS = 1时，门1禁止，门2工作，数据从B送到A。2.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路562.6 CMOS逻辑门电路 2.6.1 CMOS反相器 2.6.2 CMOS门电路 2.6.3 BiCMOS门电路 2.6.4 CMOS传输门 2.6.5 CMOS逻辑门电路的技术参数 2.6.0 复习MOS管的有关知识572.6.0 复习MOS管的有关知识 大规模集成芯片集成度

28、高，所以要求体积小，而TTL系列不可能做得很小，但MOS管的结构和制造工艺对高密度制作较之TTL相对容易，下面我们介绍MOS器件。 与双极性电路比较，MOS管的优点是功耗低，可达0.01mw，缺点是开关速度稍低。在大规模的集成电路中，主要采用的CMOS电路。582.6.0 复习MOS管的有关知识1. N沟道MOS管的结构P型衬底沟道区域绝缘层金属铝59VGS=0时，则D、S之间相当于两个PN结背向的串联， D、S之间不通，iD0。2.6.0 复习MOS管的有关知识2. 工作原理反型层（导电沟道） 当G、S间加上正电压，且VGSVT时，栅极与衬底之间形成电场，吸引衬底中的电子到栅极下面的衬底表面

29、，形成一个N型的反型层构成D、S之间的导电沟道。VT被称为MOS管的开启电压。由于VGS 0时，无导电沟道，在增强VGS 电压后形成导电沟道，所以称这类MOS管为增强型MOS管。P型衬底602.6.0 复习MOS管的有关知识2. 工作原理反型层（导电沟道）P型衬底 N沟道增强型MOS管具有以下特点：当VGSVT 时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合 。当VGSVT 时，管子截止，相当于开关断开； 同样，对P沟道增强型MOS管来说：当|VGS| |VT|时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。612.6.1 CMOS反相器1. CMOS反相器的工作原理2. CMOS反相器的特点3. C

30、MOS反相器的传输特性4. CMOS反相器的工作速度621. CMOS反相器的工作原理 VDD TP TN vO vI 63 VDD TP TN vO vI 当vI = 0 V时 VDD 1. CMOS反相器的工作原理VGSN =0 VTNTN管截止；|VGSP|=VDDVTP 电路中电流近似为零（忽略TN的截止漏电流）,VDD主要降落在TN上，输出为高电平VOHTP管导通。VDD64VDD TP TN vO vI 当vI =VOH= VDD时 1. CMOS反相器的工作原理VGSN =VDD VTNTN管导通；|VGSP|= 0 107，导通电阻+3V3V+3V一管导通程度愈深，另一管导通愈浅，导通电阻近似为一常数。733. CMOS逻辑门电路的技术参数系列参数基本的CMOS(4000/4000B系列)高速CMOS(74HC系列)与TTL兼容的高速MOS (74HCT系列)与TTL兼容的高速BiCMOS (74BCT)系列tpd/ns(CL=15pF)7510132.9PD/mw0.0021.551.0020.00037.5DP/pJ0.1515.513.0260.0008722CMOS门电路的性能比较74