华南理工复试数电第二章

第二章门电路

本章内容涉及较多的集成电路内部结构和物理概念，学习重点放在器件的外部特性及器件的使用方面。2.1概述1.电平：一个电压的范围。2.正逻辑、负逻辑正逻辑负逻辑1高电平低电平0低电平高电平例：用真值表证明:正与门即负或门。ABY+ABY-000111010101100011111000

正逻辑负逻辑Y+=ABY-=A+B注意：不管输入还是输出,全部“1”换为“0”、全部“0”换为“1”。2.2半导体二极管和三极管的开关特性

无触点开关2.2.1半导体二极管的开关特性单回路：控制和开关同一个回路正向导通—相当于开关接通反向截止—相当于开关断开开关需要延迟时间，几纳秒2.2.2半导体三极管的开关特性双回路：分控制回路和开关回路两个回路工作在截止区—相当于开关接通工作在饱和区—相当于开关断开开关需要延迟时间，几—几十纳秒2.2.1半导体二极管的开关特性正向导通—开关接通二极管两端正向电压VD大于开启电压（硅：0.7V，锗：0.3V）2.2.1半导体二极管的开关特性反向截止—开关断开二极管两端加反向电压时i≈0，仅有少量漏电流动态特性1.输出信号的变化比输入信号延迟几纳秒。2.负跳变时有相对较大的反向电流。2.2.2半导体三极管的开关特性三极管输出特性曲线2.2.2半导体三极管的开关特性截止区—开关断开特点：iC<

ICEO≈0，VO≈VCC条件vBE<VON（

vBE<0V）饱和区—开关接通特点：VCE<

VCE(sat)≈0.1-0.3V条件：iB>IBS=ICS/βICS≈VCC/RC三极管做开关使用有延迟时间，tpd(几纳秒)

2.3.1二极管与门（正逻辑）13V左右、00V左右VCC=+(5—10)VABY0（0V）0（0V）0（0.7V）0（0V）1（3V）0（0.7V）1（3V）0（0V）0（0.7V）1（3V）1（3V）1（3.7V）2.3分立元件门电路2.3分立元件门电路2.3.2二极管或门（正逻辑）13V左右、00V左右

ABY0（0V）0（0V）0（0V）0（0V）1（3V）1（2.3V）1（3V）0（0V）1（2.3V）1（3V）1（3V）1（2.3V）2.3三极管非门电路图A=0时，T截止，Y=1A=1时，T饱和，Y=0设计要求A=0，T可靠截止要求：vBE≤0A=1，T深度饱和要求：vBE>

VON，iB>IBS=ICS/β2.3三极管非门例题P612.3.11.A=0（VI=0V）VBE=-2.0V，T可靠截止iC=0vO=VCC=5.0V2.3三极管非门2.A=1（VI=3V）忽略IBVBE=1.8V>VON，T导通（放大？饱和？）2.3三极管非门A=1（VI=3V）饱和时基极电流：iB>IBS，故T饱和，IC=ICS、vO=VCE(sat)≈0作业讲评2.1估算法：当输入端悬空时，VBE=-10V，T截止，VO=10V。当输入VI=0V时，VBE=-2.03V，T截止，VO=10V。当输入VI=5V时，VBE=1.93V，T导通；IB=0.3mA，IBS=0.16mA，iB>IBS，

T饱和，VO=0V。2.2见第3页2.4集成电路发展的概况1961年制成了SSI（元件数小于100个），1966年制成了MSI（元件数100—1000个）1969年制成了LSI（元件数1000—10000个），1975年制成了VLSI（元件数多于10000个）。2002年10月中科院计算所“龙芯”1号芯片，是我国第一款商品化高性能CPU芯片，采用0.18微米工艺，包含近400万个晶体管，主频可达266MHZ。从结构上集成电路可分为两大类:

即：TTL（如74系列）和

CMOS（如CC系列）电路。2.4TTL门电路2.4.1TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构A=0（vI=VIL=0.3V）

因

VCC=5V使T1导通,VB1=1V使T2截止、T5截止因T2截止、使T4饱和Y=1（v0=VOH=3.3V）一、电路结构A=1（vI=VIH=3.3V）T1倒置工作，VB1=2.1V使T2饱和、T5饱和因T2饱和，使T4截止Y=0（vO=VOL=0.3V）注：倒置工作状态特点：1.iE，iC

电流方向与正常工作状态相反，

2.β≈0.01条件：VE>VB>VC二、电压传输特性T2、T5截止，T4导通T4截止，T2、T5导通T4截止，T2饱和导通，T5深度饱和T5截止，T2、T4导通三、输入端噪声容限VNH=VOH(min)-VIH(min)=2.4-2.0=0.4VVNL=VIL(max)-VOL(max)=0.8-0.4=0.4V2.4.2TTL反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性（以流入集成电路内部为电流的正方向）如74系列

vI=VIL=0.2VvI=VIH=3.4V输入特性曲线二、输出特性1、高电平输出特性（拉电流）高电平额定电流IOH为负值，几百微安。二、输出特性2、低电平输出特性（由外部电源提供灌电流）低电平额定电流VOL为正值，十几毫安，低电平负载能力强例题

P672.4.1求扇出系数输出高电平保证输出电流不会超过最大额定电流。输出低电平保证倒灌电流不会击穿T5。扇出系数（取两者中较小的值）N=102.4.2TTL反相器的静态输入特性和输出特性三、输入端负载特性RP较小时下列公式适用，当RP较大时，vI≥VTH公式不适用。例题P692.4.2输出高电平vI2≥VIH(min)输出低电平vI2≤VIL(max)RP≤0.69kΩ，输入电阻RP不可太大。TTL电路的四条特性曲线1.电压传输特性2.输入特性3.输入负载特性4.输出特性2.4.3TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间tPDtPLH：输出低电平高电平的传输延迟时间。tPHL：输出高电平低电平的传输延迟时间。tPLH≥tPHLtpd为两者的平均值2.4.3TTL反相器的动态特性二、交流噪声容限由P71图2.4.15可知输入信号状态变化时必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出状态改变。即若噪声宽度窄，则需幅度大才能干扰输出状态；若噪声宽度宽，则幅度较小就能干扰输出状态。注：因为绝大多数TTL门电路传输延迟时间较小，都在50ns以内，所以当输入脉冲的宽度达到微秒的数量级时，在信号作用时间内电路已达到稳态，应将输入信号按直流信号处理。2.4.3TTL反相器的动态特性三、电源的动态尖峰电流在动态情况下，特别是当输出电压由低电平跳变到高电平，由于T5原来工作在深度饱和状态，所以T4导通先于T5截止，这样就出现了短时间内T4和T5同时导通的状态，由很大的瞬间电流流经T4和T5，使电源电流出现尖峰脉冲。频率越高尖峰脉冲消耗的功率越大，尖峰脉冲形成一个躁声源。2.4.4其他类型的TTL门电路

一、其他逻辑功能的门电路与非门：多发射极三极管实现与一、其他逻辑功能的门电路一、其他逻辑功能的门电路或非门：并联三极管实现或非A=1，T2和T5同时导通。B=1，T2’和T5同时导通。即：输出低电平。仅当A=B=0时，T2和T2’同时截止，T5截止而T4导通，即：输出高电平。二、集电极开路的门电路（OC门）二、集电极开路的门电路（OC门）普通与非门输出端“线与”会产生短路电流损坏器件，如下图。用OC门合理选择上拉电阻R，可“线与”。二、集电极开路的门电路（OC门）输出高电平（m为负载门输入端的个数）保证vOH≥VOH二、集电极开路的门电路（OC门）输出低电平（m’为负载门的个数）保证iL≤ILM例题P80例2.4.42.4.4其他类型的TTL门电路三、三态输出门电路（TS门）EN电路状态输出0P=0T5截止P=0D导通vB4=0.7VT4截止1D截止2.4.5TTL电路改进系列1.74系列（CT1000系列）2.74H系列（CT2000系列）：高速系列特点：采用达林顿结构、减小电阻，平均传输延迟时间缩短了一半，功耗增加一倍。3.74S系列（CT3000系列）：肖特基系列特点：在74H系列基础上采用肖特基三极管SBD，开启电压0.3-0.4V，进一步提高了速度。4.74LS系列（CT4000系列）：特点：在74H系列基础上加大电阻，延迟-功耗积最小，获得广泛应用。另有74AS、74ALS、54、54H、54S、54LS系列参考P86-872.6CMOS门电路MOS管的开关特性（以N沟道MOS管为例）B（Base）：衬底S（Source）：源极G（Gate）：栅极D（Drain）：漏极vGS=0N沟道P沟道增强型vGS=0，iD=0无导电沟道vGS≥vGS(th)≥0正压开启0≥vGS≥vGS(th)负压开启耗尽型vGS=0，iD≠0有导电沟道vGS≤vGS(off)≤0负压开启vGS≥vGS(off)≥0正压开启2.6CMOS门电路MOS管类型MOS的开关特性：Ｎ沟道增强型MOS管的导电特性：VGS>VGS(th)N

时导通，相当于开关接通；VGS<VGS(th)N

时截止，相当于开关断开。VGS(th)N

为几伏的正压；P沟道增强型MOS管的导电特性：VGS<VGS(th)P

时导通，相当于开关接通；VGS>VGS(th)P

时截止，相当于开关断开，VGS(th)P

为几伏的负压。2.6CMOS门电路2.6.1CMOS反相器的工作原理一、电路结构vI=VIL=0|vGS1|=VDD>|VGS(th)P|T1导通vGS2=0<VGS(th)N

T2截止vO=VDDvI=VIH=VDDvGS1=0<|VGS(th)P|T1截止vGS2=VDD>VGS(th)N

T2导通vO=0实现反相器的逻辑功能VOH=VIH=VDD“1”，VOL=VIL=0“0”2.6.1CMOS反相器的工作原理二、电压传输特性和电流传输特性2.6.1CMOS反相器的工作原理二、电压传输特性和电流传输特性（微功耗）2.6.2CMOS反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性0≤vI≤VDD保护电路不起作用vI>VDD+0.7VD1导通vI<-0.7VD2导通二、输出特性低电平输出（灌电流）二、输出特性高电平输出（拉电流）CMOS门的参数1.CMOS结构电路为微功耗器件。2.因为VDD的取值范围可为3-18V，CMOS反相器的电压传输特性因VDD不同而有多条。3.VIH=VOH

≈VDD，VIL=VOL≈0V，VTH=VDD许多参数都与电源电压有关，电源电压VDD不同，各项指标：如噪声容限、传输延迟时间、动态功耗……都不同。2.6.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间tPd比TTL电路大，CC4000系列为45纳秒，VDD大，tPd小。二、交流噪声容限VDD大，VNA大。三、动态功耗PD：动态功耗，毫瓦数量级，与VDD的平方成正比。PS：静态功耗，微瓦数量级，微功耗。2.6.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的CMOS门电路（原理电路）1.与非门：NMOS管串联，PMOS管并联。2.6.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的CMOS门电路（原理电路）2.或非门：NMOS管并联，PMOS管串联。2.6.5其他类型的CMOS门电路3.原理电路使用的问题（1）原理电路输出电阻受输入端状态的影响。（以与非门为例）A=B=1（Y=0）：T1截止、T2导通（A=1）T3截止、T4导通（B=1）RO=RON2+RON4=2RONA=1、B=0（Y=1）：T1截止、T2导通（A=1）T3导通、T4截止（B=0）RO=RON3=RON。A=0、B=1（Y=1）：T1导通、T2截止（A=0）T3截止、T4导通（B=1）RO=RON1=RON。A=0、B=0（Y=1）：T1、T3导通（A=1、B=1）T2、T4截止RO=RON1//RON3=RON/2。最大与最小相差四倍2.6.5其他类型的CMOS门电路（2）原理电路输出的高、低电平受输入端数目影响。（以与非门为例）A=0、B=0（Y=1）：T2导通（A=0）T4导通（B=0）vOL=2VOLVOL和输入端数目有关。2.6.5其他类型的CMOS门电路二、带缓冲级的CMOS门电路（实用电路）1.与非门2.6.5其他类型的CMOS门电路二、带缓冲级的CMOS门电路2.或非门2.6.5其他类型的CMOS门电路三、漏极开路的门电路（OD门）2.6.5其他类型的CMOS门电路四、CMOS传输门和双向模拟开关（双向器件）CMOS传输门在时C=0、：高阻态C=1、：V0=VI信号双向传递2.6.5其他类型的CMOS门电路四、CMOS传输门和双向模拟开关双向模拟开关可传输连续变化的模拟电压信号。2.6.5其他类型的CMOS门电路五、三态输出的CMOS门电路：T1’、T2截止，呈高阻态。：T1’导通，T1、T2由A控制。

Y=A本章小结一.集成门的类型

1.基本逻辑门2.复合逻辑门3.逻辑门的其他类型二常见TTL和CMOS电路的参数参数74LS4000VCC/V55VIH(min)/V2.03.5VIL(max)/V0.81.5VOH(min)/V2.74.6VOL(max)/V0.50.05IIH(max)/μA200.1IIL(max)/mA-0.4-1×10-3IOH(max)/mA-0.4-0.51IOL(max)/mA80.51tpd/ns1045P（功耗/门）/mW25×10-3TTL、CMOS门的性能比较：

74系列（TTL）CC4000系列电源电压5V每片功耗10mW输出幅度小负载能力强开关速度快，10纳秒性能扩展用专用器件使用时输入电阻大于0.7-0.9K将影响逻辑功能电源电压3-18V每片功耗0.005mW输出幅度大负载能力差开关速度慢，45纳秒性能扩