第三章集成门电路

第三章集成门电路第一页，共五十三页，编辑于2023年，星期四知识要点1.半导体器件的开关特性2.TTL逻辑门的功能、外部特性3.集电极开路输出（OC）门和三态输出（TS）门4.MOS逻辑门的功能、外部特性第二页，共五十三页，编辑于2023年，星期四双值电路“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。第三页，共五十三页，编辑于2023年，星期四ECL:VEE=-5.2V；VL=-1.6V；VH=-0.8VCMOS:VDD=+3V～+18V；VL=0V;VH=VDDTTL:VCC=+5V;VL=0.2V;VH=3.6V1.双极型集成电路（双极型半导体器件）:2.单极型集成电路（场效应管）:特点:速度快、负载能力强，但是功耗大、结构较复杂，集成规模受到一定限制。特点:结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但是速度稍慢。第四页，共五十三页，编辑于2023年，星期四3.集成规模分类小规模(SSI):<100元器件中规模(MSI):100-999元器件大规模(LSI):1000-9999元器件超大规模(VLSI):>100000元器件4.设计方法和功能分类非定制电路（标准逻辑器件）全定制电路（专用集成电路）半定制电路（PLD）第五页，共五十三页，编辑于2023年，星期四

ABUR△t动态特性:△t

0(断开闭合)断开RAB->∞静态特性闭合RAB=0一、理想开关第六页，共五十三页，编辑于2023年，星期四二极管开关电路及特性曲线如图所示:1.静态特性二、二极管开关硅管UTH=0.7V

具有单向导电特性，但并非理想开关电路。UDIDRABUD

IDUTHUBR1/rDⅡⅢ

IS第七页，共五十三页，编辑于2023年，星期四

B.电压和电流之间是指数关系而不是线性关系。A.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非0(约为数十欧)，反向截止电阻r0也非无穷大(数百千欧)。主要差异：因此，在工程上都做近似处理，以简化分析。AB

UD

IDrD=0r0=∞

0第八页，共五十三页，编辑于2023年，星期四ttUDIDt1t2ID=UD/R2.动态特性由图可见，反向恢复时间Δt2>>Δt1，影响二极管开关速度的主要是Δt2。第九页，共五十三页，编辑于2023年，星期四A.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UD的跳变。B.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)。时延的产生：第十页，共五十三页，编辑于2023年，星期四一、静态特性

RbUiRCVCCUCEUBEICIb晶体管开关电路第十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期四

结果:IC=0截止条件:Ube≤0(工程上<0.5V)Icbobecceb1.截止状态第十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期四2.放大状态Ube≈0.5～0.7VIC=βIbUbe>0(e结正偏)Ubc<0(c结反偏)

RbUiRCVCCUCEUBEICIb第十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期四RCβVCC-Uces饱和状态:Ib≥Ibs==ICSβ(Ibs称为临界饱和基极电流)3.饱和状态(等效开关导通)

RbUiRCVCCUCE=0.3VUBE=0.7VICIbUbe>0(e结正偏)Ubc>0(c结正偏)第十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期四UbesUcesbceecbeUbesb

c第十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期四二、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第十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期四

ABF&1.二极管与门真值表ABF000010100111ABF0V0V0V0V5V0V5V0V0V5V5V5V功能表VCCABF=ABR第十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期四真值表ABF000011101111功能表ABF0V0V0V0V5V5V5V0V5V5V5V5V2.二极管或门ABF1

ABF=A+BR第十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期四ABF&真值表ABF001011101110

3.与非门AB

Rb1RCRb2

－VbbVCCF第十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期四ABF≥1真值表ABF0010101001104.或非门VCCAB

Rb1RCRb2

－VbbF=A+B第二十页，共五十三页，编辑于2023年，星期四低功耗肖特基(tpd=9nS)

74LS×××肖特基(tpd=3nS)

74S×××高速(tpd=6nS)

74H×××典型(tpd=10nS)74×××系列国际标准2.根据工作速度和功耗分:1.根据工作环境温度和电源电压工作范围的差别分为54系列和74系列。第二十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期四与门、或门、与非门、或非门、与或非门、非门、异或门3.按逻辑功能分4.按输出电路形式分

推拉输出(图腾柱输出)、集电极开路输出(OC)、

三态输出(TS)第二十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期四1.输入低电压R1R2R4R3

ABD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K1K130Ω0.3V0.3V1V0.6V5V0V4.3V3.6VA、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”第二十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期四2.输入高电压R1R2R4R3

ABD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K1K130Ω3.6V3.6V2.1V1.4V0.7V1V0.3VA、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”第二十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期四TTL与非门主要外部特性参数：输入开门电平、关门电平、输出逻辑电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。1.输入开门电平和关门电平“0”:[U(0),U(0)+△U(0)],U(0)+△U(0)≈1V“1”:[U(1)-△U(1),U(1)],U(1)-△U(1)≈1.4V2.输出高低电平输出高电平UOH≈3.6V>=2.4V输出低电平UOL≈0.3V=<0.4V第二十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期四3.扇入系数NI与非门允许的输入端数目，NI=2-5，最多不超过8。实际应用中需要超过NI时，可使用“与扩展器”或者“或扩展器”来增加输入端的数目，也可使用分级实现的方法来减少对门电路输入端数目的要求。若使用中所需输入端数比NI小,可将多余输入端接VCC（与门、与非门）或接地（或门、或非门）。第二十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期四UiN个“0”No=IOH／IiH=400μA／40μA=10IOHIiHIiHIiH&&&&4.扇出系数NO:拉电流负载“1”IOH:输出高电平电流；IiH：输入高电平电流。第二十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期四UiN个“1”Ni=IOL／IiL=16mA／1mA=16IOLIiLIiLIiL&&&&“0”故选N=10;工程上选N=6～8。IOL：灌入输出端的低电平电流；IiL：从输入端流出的低电平电流。灌电流负载第二十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期四因为ICCH≈1.1mA所以空载截止功耗PH=ICCH×VCC≈5.5mW所以空载导通功耗PL=ICCL×VCC≈17mW因为ICCL≈3.4mA5.平均功耗：空载条件下工作时所消耗的电功率VCCICCHVOH&VCC“1”ICCLVOL&平均功耗P=(PL+PH)/2第二十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期四AF&21tpd=(tPHL+tPLH)tPHLtPLHAF6.平均延迟时间tpd

导通时延截止时延tpd≈10ns，一般小于40ns。第三十页，共五十三页，编辑于2023年，星期四“线与”逻辑&&F1F2F“1”A“1”B例:线与第三十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期四VCCVCC13013038mAT4T4

T5ΩΩ

先来看看推拉输出结构的输出等效电路:F1=0F2=1电流会烧坏逻辑门。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&&F1F2FT5第三十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期四R1R2R3

ABT1T2T5VCCF4K1.6K1K

RL为实现“线与”，设计出OC门:第三十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期四T5F1F2FT5

RLVCCVCCA&&FF1F2BDC

RL表示输出开路表示输出低电平时为低阻抗第三十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期四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)OC门可实现电平转换；+10V&OV(4)用做驱动器。+5V&270Ω第三十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期四R1R2R4R3

ABD3T1T2T4T5F4K1.6K1K130VCCENPMHG11具有三种输出状态：输出高电平、输出低电平和高阻状态。第三十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期四(工作态)。所致，即H门后的二级管截止，M点电压不变，故EN=“1”使P点为“1”,由于P点的1是H门输出为“1”R1R2R4R3

ABD3T1T2T4T5F4K1.6K1K130VCCENPMHG11第三十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期四EN=“0”时，M点为0.9V，Vb5=0V，故T4、T5均截止，输出为高阻态(第三态)，相当于开路。R1R2R4R3

ABD3T1T2T4T5F4K1.6K1K130VCCENPMHG11第三十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期四(1)TS门不需外接上拉电阻；TS门的特点:(2)EN=1，电路处于工作状态，称为使能控制端高电平有效的三态与非门；&BAENF△高电平有效&BAENF△低电平有效第三十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期四A1&&F1FnB1BnAnENnEN1△△总线(3)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，以便分时传送。第四十页，共五十三页，编辑于2023年，星期四例：画出输出波形。1CAENF△&BABCF第四十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期四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。1.与门、与非门(1)接”1”(VCC)，优点是不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；2.或门、或非门(3)不允许闲置/悬浮。第四十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期四具有制造工艺简单\集成度高\功耗小\抗干扰能力强等优点;有PMOS、NMOS、CMOS电路3种类型，

CMOS

电路是目前应用最广泛的一类;几乎所有超大规模集成器件，如超大规模存储器件\可编程器件等都采用CMOS工艺制造。单极型集成电路,电压控制型器件,工作时只有一种载流子参与导电，输入阻抗高，温度稳定性好。第四十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期四结型场效应管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第四十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期四

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第四十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期四（2）逻辑符号P沟道增强型GSDGSDN沟道增强型栅极漏极源极第四十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期四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。GSDVDD第四十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期四PMOSFET: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。GSDVDD第四十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期四一、CMOS非门T1T2UOUiGSDVDDGSD第四十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期四(1)若Ui=0VGS1=0<VTN

所以T1截止；VGS2=-VDD<VTP

所以T2导通。UO=“1”=VDD(2)若