数字电子线路21～22课件

2.1

概述第2章门电路2.2半导体管的开关特性2.3简单的与、或、非门电路2.7CMOS门电路2.4TTL集成门电路继续 本章介绍两种类型：TTL和MOS门电路的内部结构、工作原理、逻辑功能、电气特性、主要参数等。继续TTL即Transistor-TransistorLogicCMOS即ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor

TTL

集成门电路

CMOS

集成门电路输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。

用互补对称MOS管构成的逻辑门电路。条件开关输入信号满足一定条件时，门开启，允许信号通过。开门状态：关门状态：输入信号条件不满足，门关闭，信号通不过。一、什么是门电路？－－用来实现基本逻辑运算和复合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。门（门电路是数字电路最为基本的逻辑单元）§2.1概述输出和输入之间存在着一定的逻辑关系。不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：超大规模大规模小规模中规模二、数字IC的分类1.按集成度区分：－－(SSI-SmallScaleIntegration)，每片组件

内包含10-100个元件(或10-20个等效门)。－－(MSI-MediumScaleIntegration)，每片组件

内含100-1000个元件(或20-100个等效门)。－－(LSI-LargeScaleIntegration)，每片组件内

含1000-100000个元件(或100-1000个等效门)。－－(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)，内含100000个元件(或1000个以上等效门)。

逻辑门触发器编码器、译码器、

数据选择器、加法器、计数器、移位寄存器只读存储器、随机存取存储器、微处理器、专用数字信号处理器2.按数字系统设计方法分：（1）通用型中规模（MSI），小规模（SSI）集成逻辑件。（2）微处理器产品，如微处理器、单片机、通用和专用数

字信号处理器等。（3）专用集成电路ASIC全定制半定制PLDPROMPLAPALGALCPLDFPGA1、电源特性：TTL:（1±5％）×5V;CMOS:(3～18）V2、输入和输出的高、低电平：

TTL高电平低电平2.4V~5V，典型值:3.6V0V~0.4V，典型值:0.3VCMOS74HC:≥0.7VDD74HC:≤0.3VDD数据手册一般给出四种逻辑电平参数：输入高电平的下限值：VIH(min)输入低电平的上限值：VIL(max)输出高电平的下限值：VOH(min)低电平的上限值：VOL(max)VILmaxVOHminVIHminVOLmax输入输出VILmaxVOHminVIHminVOLmax输入输出3、噪声容限：定量说明集成电路抗干扰能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，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; 通常把这个不允许超过的界限叫做噪声容限。电路噪声容限越大，抗干扰能力越强。AY1&BY2&

（1）高电平噪声容限：VNH=VOHmin-VIHminVNHVNL（2）低电平噪声容限：VNL=VILmax-VOLmax▲数字电路中，无论是对元、器件参数精度的要求，还是对供电电源稳定度的要求，都比模拟电路要低一些。▲而提高数字电路的运算精度，可以通过增加数字信号的位数达到。5、功耗：静态功耗：电路的输出没有状态转换时的功耗。动态功耗：电路在输出发生状态转换时的功耗。延时－功耗积:6、扇入数和扇出数：扇入数：门电路输入端的数目。（通常为2～8）扇出数：门电路在正常工作情况下，所能带同类门电路的

最大数目。受最大输出电流IOHmax、IOLmax的限制。（1）拉电流工作情况：…&&&IOHIIHIIH（2）灌电流工作情况：…&&&IOLIILIIL理想二极管在加正压导通，加负压截止。可作为理想开关使用。实际PN结电荷有建立、存储和消散过程。2.2二、三极管的开关特性继续（1）加正向电压UF时，二极管导通，忽略管压降。二极管相当于一个闭合的开关。一、二极管的开关特性1．二极管的静态特性DRLFFUIFKFRULI继续

综合：二极管表现为一个受外加电压ui控制的开关。当外加电压vi为脉冲信号时，二极管将随脉冲的变化在“开”态与“关”态之间转换：动态特性。（2）加反向电压时，二极管截止，忽略反向电流IS。二极管相当于一个断开的开关。DLRUSRILKURR继续2.二极管开关的动态特性

给二极管电路加入一个脉冲信号，电流的波形怎样呢？ts为存储时间，tt称为渡越时间。tre＝ts十tt称为反向恢复时间+－DLiRuiuiUFURt1t0it1t0IFIStRtsIFtiI0.1t0IRt1继续PN结正向偏置－－－－++++空间电荷区变薄PN+扩散长度LP正向电流存储电荷N区中少子空穴存储电荷P区中少子电子+-（2）产生ts的原因--电荷存储效应继续PN结改为反向偏置由于电荷存储效应，反向电流大(ts)势垒区先不变PN扩散长度LP-+形成反向电流IR复合复合－－－－++++继续－－－－++++空间电荷区变厚NP+_++++－－－－内电场加强，使扩散停止，有少量漂移，反向电流很小反向饱和电流很小，A级继续◆反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，远大于正向导通所需要的时间。◆即：二极管的开通时间很短，对开关速度的影响很小，以致可忽略不计。因此，影响二极管的开关特性主要是反向恢复时间，而不是开通时间。bjt2.2.2TTL的开关特性一、双极型三极管的结构BECNNP基极发射极集电极BECNPN型三极管PNP集电极基极发射极BCEBECPNP型三极管三极管临界饱和时的基极电流：①ui=1V时，三极管导通，基极电流：uo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03×50×1=3.5V对应下图，分别求出ui分别为1V，0.3V，3V时的uo值<IBS，未饱和②ui=0.3V时，因为uBE<0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：uo=VCC=5V截止状态ui=UIL<0.5Vuo=+VCC+VCC＋－RbRcbce＋－③ui＝3V时，三极管导通，基极电流：uo＝UCES＝0.3V饱和状态iB≥IBSui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V>IBS，饱和TTL开关等效电路开关等效电路(1)截止状态条件：发射结反偏特点：电流约为0(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/硅三极管开关等效电路(a)截止时(b)饱和时uituot+Vcc0.3VTTL动态开关特性BJT的开关时间：是指BJT管由截止到饱和导通或者由饱和导通到截止所需要的时间。延迟时间td—从+VB2加到集电极电流ic上升到0.1ICS所需要的时间；

上升时间tr—ic从0.1ICS到0.9ICS所需要的时间；

开通时间ton=td+tr就是建立基区电荷时间存储时间ts—从输入信号降到-VB1到ic降到0.9ICS

所需要的时间；

下降时间tf—ic从0.9ICS降到0.1ICS所需要的时间。

关闭时间toff=ts+tf就是存储电荷消散的时间2MOS管的开关特性CMOS-IC中，以MOS管作为开关器件一、MOS管的结构和工作原理PNNGSD金属铝两个N区SiO2绝缘层P型衬底导电沟道GSDN沟道增强型源极栅极漏极vGS=0时PNNGSDvGSvDSiD=0D、S间相当于两个背靠背的PN结SDB不论D、S间有无电压,均无法导通\导电PNNGSDVDSVGSvGS>0时vGS>VGS(th)后形成电场G—B,把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余电子在上表面形成N型层（反型层）为D、S间的导通提供了通道。VGS(th)称为阈值电压(开启电压）源极与衬底接在一起N沟道vGS增大，iD增大二、MOS管的输入、输出特性栅极电流为零，无输入特性输出特性曲线（漏极特性曲线）夹断区（截止区）

用途：断开状态的电子开关。特点:D-S间电阻ROFF达千M欧以上可变电阻区特点:(1)当vGS

为定值,iD

是

vDS

的线性函数，管子的D-S间呈现为线性电阻，其阻值受

vGS

控制：vGS越大，D-S导通电阻越小。RON=5Ω～1KΩ

（2）管压降vDS

很小。用途：做压控线性电阻和闭合状态的电子开关。问：如果希望开关在闭合时更“理想”？如何选取vGS？恒流区:(饱和区或放大区）特点:(1)受控性：输入电压vGS控制输出电流iD(2)恒流性：输出电流iD

不受输出电压vDS影响用途:可做放大器和恒流源。问：从特点(1)中能否看出特点(2)？三、NMOS管的基本开关电路当vI=vGS<VGS(th)时，MOS管截止。D-S间相当于断开的开关，vO≈vDD当vI>VGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变电阻区。RON很小，D-S间相当于闭合的开关,vO≈0。RD的范围：RON<<RD<<ROFF四、MOS管的四种基本类型GSDN沟道耗尽型GSDN沟道增强型GSDP沟道增强型GSDP沟道耗尽型在数字电路中，多采用增强型。MOS管另外二种常用符号栅极(gate)源极(source)漏极(drain)VgsN沟道MOS管+-继续栅极源极漏极VgsP沟道MOS管+-PMOS管的基本开关电路1、PMOS的VGS(th