《讲TTL与MOS电路》PPT课件.ppt

1、数字电子技术基础（4-5）,主 讲：吴玉新 手 机:时 间：2013-9-30、10-12,T,知识回顾,1、二极管的开关特性 1）输入高，截止，开关断开，输出高 2）输入低，导通，开关闭合，输出低 2、三极管的开关特性 1）输入低，vIIBS=VCC/RC，饱和导通(都正偏) ，开关闭合，输出低,0.2V,很小 数百欧,第三章 逻辑门电路,3.1 概述 3.2 二极管和三极管的开关特性 3.3 TTL门电路的工作原理及电器特性 3.4 MOS门电路的工作原理及电器特性,1 、门电路:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路,常用的门电路有与门、或门、非门、与非门、或

2、非门、异或门、与或非门等。,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,PMOS门,CMOS门,分立门电路,NMOS门,3.1 概述,一、 数字集成电路简介,数字集成电路按规模分为,100/片,（1001000）/片,103 105 /片,105 以上/片,按导电类型可分为,3.1 概述,1）CMOS集成电路: 广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路,4000系列,74HC 74HCT,74VHC 74VHCT,速度慢 与TTL不兼容 抗干扰 功耗低,74LVC 74AUC,速度加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低,速度两倍于74HC 与TTL兼容

3、负载能力强 抗干扰 功耗低,低(超低)电压 速度更加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰功耗低,74系列,74LS系列,74AS系列,74ALS,2）TTL 集成电路: 广泛应用于中大规模集成电路,3、CMOS和TTL介绍,3.1 概述,四、理想的开关元件,接通状态：电阻为0 流过开关的电流完全由外电路决定 断开状态：阻抗无穷大 流过开关的电流为0 断开与接通之间的转换在瞬间完成,3.1 概述,3.2 半导体二极管门电路,3.2.1半导体二极管的开关特性,1. 静态特性,图3 二极管的开关电路,图1高低电平实现原理电路,将图1中的开关用二极管代替，则可得到图3所示的半导体二极管开关电路,二极管

4、的静态特性：,反向击穿,反向饱和电流,门限电压 Si:0.60.7V Ge:0.2 0.3V,3.2.1半导体二极管的开关特性,图3 二极管的开关电路,导通区,正向导通压降不能忽略，但内阻和外接电阻相比可忽略,二极管是理想开关正向导通压降和内阻均可忽略,外电路等效电源和电阻都很小，不能忽略二极管正向导通压降和内阻,3.2.1半导体二极管的开关特性,截止区,反向电阻rRRL可忽略，反向饱和电流Is可忽略,为保证可靠截止，通常在二极管两端加负偏压,3.2.1半导体二极管的开关特性,对于图3所示二极管开关电路，由于二极管具有单向导电性，故它可相当于受外加电压控制的开关。,设vi的高电平为VIHVCC

5、， vi的低电平为VIL0，且D为理想元件，即正向导通电阻为0，反向电阻无穷大，则稳态时当vIVIHVCC时，D截止，输出电压vDVOH VCC,将电路处于相对稳定状态下，晶体二极管所呈现的开关特性称为稳态开关特性。,图3 二极管的开关电路,3.2.1半导体二极管的开关特性,当vIVIL0时，D导通，输出电压vo VOL 0,图3 二极管的开关电路,即可以用输入电压vi的高低电平控制二极管的开关状态，并在输出端得到相应的高低电平,3.2.1半导体二极管的开关特性,2.二极管动态特性：,当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关特性（简称动态特性）,

6、二极管的动态电流波形如图4所示,3.2.1半导体二极管的开关特性,图4 二极管动态电流波形,这是由于在输入电压转换状态的瞬间，二极管由反向截止到正向导通时，内电场的建立需要一定的时间，所以二极管电流的上升是缓慢的；当二极管由正向导通到反向截止时，二极管的电流迅速衰减并趋向饱和电流也需要一定的时间。由于时间很短，在示波器是无法看到的,在输入信号频率较低时，二极管的导通和截止的转换时间可以认为是瞬间完成的。但在输入信号频率较高时，此时间就不能忽略了。,一、 双极型三极管的结构,3.2.2 双极型三极管的开关特性,三极管由管芯、三个电极和外壳组成，管芯由三层P型和N型半导体构成，有NPN和PNP型两

7、种，如图7所示。,因工作时电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。,图 7 三极管结构示意图和符号(a)NPN型 (b)PNP 型,图8 三极管共射特性曲线测试电路,+ UCE -,UCE,+ UCE -,+ UCE -,UBE,3.2.2 双极型三极管的开关特性,二、 双极型三极管的输入特性和输出特性,1、输入特性曲线：以基极b和发射极e之间的发射结作为输入回路，可测出输入电压vBE和输入电流iB之间关系的特性曲线，即输入特性曲线。,iB/A,2、输出特性曲线,图 9NPN 三极管的输出特性曲线,划分三个区：截止区、放大区和饱和区。,放 大 区,放 大 区,1. 截止区：IB

8、0的区域。,条件：两个结都反偏,IB=0 时，IC = ICEO。 硅管约1A，锗管约几十-几百A 。,截止区,截止区,2. 放大区：,条件：发射结正偏，集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,对 NPN 管 UBE 0，UBC 0,3.2.2 双极型三极管的开关特性,3. 饱和区：,条件：两个结均正偏,对NPN型管，UBE 0 UBC0 。,特点:IC基本上不随IB而变化在饱和区三极管失去放大作用。IC IB。,当UCE =UBE，即UCB =0时，称临界饱和，UCEUBE时称为深度饱和。,饱和管压降 UCES 0.4 V(

9、硅管)，UCES 0. 2 V(锗管),饱和区,饱和区,2、输出特性曲线,3.2.2 双极型三极管的开关特性,三极管开关电路如图10所示,3.2.2 双极型三极管的开关特性,三、 双极型三极管的基本开关电路,图10 晶体三极管开关电路,三极管替代开关,稳态时若合理选择电路的参数，即,当vI=VIH，为高电平时，使得iBIBS=VCC /RC，三极管处于饱和导通状态，输出vo VOL Vces0,为低电平；,3.2.2 双极型三极管的开关特性,当vI=VILVON，为低电平时，使得三极管处于截止状态，输出vo VOHVCC,为高电平,其中：,硅管为0.3V,锗管为0.1V,很小，为几十欧姆,当v

10、IVON后，三极管进入放大区，vI，iB ，iC ，vo。,例1 电路如图11所示，已知 VIH=5V，VIL=0V，=20，VCE(sat) = 0.1V，试计算参数设计是否合理,3.2.2 双极型三极管的开关特性,三极管开关状态下的等效电路如图3.5.6所示,3.2.2 双极型三极管的开关特性,四、双极型三极管的开关等效电路,当三极管截止时，发射结反偏，iC0 ，相当开关断开；当三极管饱和时，发射结正偏，vCEVCE（sat）0 ，相当开关闭合。,截止,饱和,(c)饱和时的等效电路,阻值很小，忽略,五、双极型三极管的动态开关特性,在动态情况下，三极管在截止和饱和导通两种状态迅速转换时，三极

11、管内部电荷的建立与消失都需要一定的时间，故集电极电流的变化要滞后于输入电压的变化。,3.2.2 双极型三极管的开关特性,即在开关电路中，输出电压的变化滞后于输入电压的变化，如图13所示。,图13,3.3 TTL门电路（Transistor-Transistor Logic）,3.3.1 TTL反相器 3.3.2 TTL与非门 3.3.3 TTL或非门 3.3.4 集电极开路门（OC门） 3.3.5 三态门电路 3.3.6 BiCMOS门电路（自学） 3.3.7 抗饱和门电路（自学） 3.3.8 TTL门电路参数 3.3.9 TTL门电路多余输入端的处理,3.3.1 TTL反相器结构,电源电压：

12、VCC=5V VIH=3.6V VIL=0.2V 开启电压：VON=0.7V VCES=0.2V,输入级,输出级,倒相级,3.3.1 TTL反相器工作原理,vi=VIL，T1发射结导通 vB1=VIL+VON=0.9V iB1iBS1=0，T1 深度饱和 vCES0.2V，v120.4V T2截止， T3截止 T4导通，D导通 输出为高电平VOH vo=vB4-vBE4-vD=3.6V,0.2V,0.9V,1mA,3.6V,5V,0.4V,iB1,3.3.1 TTL反相器工作原理,vi=VIH， vB1=4.3V T2和T3发射结同时导通 vB1被钳位在2.1V T1倒置放大状态 T2和T3导

13、通，使 vC2= vBE3 + vCES2 =0.9V 导致T4和D截止 输出为低电平 vO=VOL =0.2V,3.6V,2.1V,0.7V,1.4V,0.9V,0.2V,3.3.1 TTL反相器工作原理,T2的c、e极输出电压信号变化方向相反倒相级 推拉式输出，有效降低输出级的静态功耗并提高驱动负载的能力 输入端钳位二极管D1，抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，防止输入电压为负时，T1发射极电流过大，起保护作用。,D1,3.3.1 TTL反相器电压传输特性,vi0.6V,T1饱和导通， T2和T3截止，T4和D导通，vo3.6V，截止区,0.7Vvi1.3V T2在放大区 线性区,转折区

14、 阈值电压VTH,T2和T3饱和， vo0.2V, 饱和区,3.3.2 TTL与非门,2）任一输入端为低电平时:输出高电平,1）当全部输入端为高电平时：输出低电平,3）多发射极三极管实现与逻辑关系,3.3.3 TTL或非门,或逻辑关系是通过将T2A和T2B两个三极管的输出端并联来实现的。,2)若有一个为高电平:,1)若A、B均为低电平:,T2A和T2B均将截止，T3截止。 T4和D饱和，输出为高电平。,T2A或T2B将饱和，T3饱和，T4截止，输出为低电平。,3.3.4 集电极开路(OC)门,推拉式输出具有输出阻抗低的优点 但不能将他们的输出端并联使用 很大的负载电流同时流过输出级，可能使门电

15、路损坏 无法满足对不同输出高低电平的需要 不能满足驱动较大电流，较高电压的负载的要求,3.3.4 集电极开路与非门,OC门工作时需要外接电阻和电源，阻值和电源电压要选择得当，做到既保证输出的高低电平符合要求，输出端三极管的负载电流又不过大。,3.3.4 集电极开路与非门线与,3.3.4 集电极开路与非门线与,两OC门结构的与非门线与可得与或非逻辑 T3和T3同时截止时，VOH=VCC2 可根据需要选择VCC2的大小，得到所需的VOH,3.3.4 集电极开路门应用,1、实现线与,L,A,B,C,D,2、电平转换 实现0.3V3.6V逻辑电平到0.3V12V逻辑电平的转换,3.3.4 集电极开路门

16、应用,3、驱动显示器件和执行机构 VCC和RL的值要根据OC门和LED的正常工作电流来选择。,3.3.4 集电极开路门应用,3.3.5 三态输出门电路（TS门）,EN=1，T7截止 L=AB，正常工作状态 EN=0，T7导通， VB4=0.2V，T4截止 T3截止 输出为高阻状态,输出端有三种状态： 高电平、低电平、高电阻,使能控制电路,使能端（控制端）,3.3.5 三态输出门电路（TS门）,EN=1时为工作状态称控制端高电平有效,EN=0时为工作状态称控制端低电平有效,3.3.5 三态输出门的应用总线结构,工作时控制各个门的EN端轮流为1，而且任何时候只有一个为1，就可以把各个门的输出信号轮

17、流送到公共传输线（总线）上而互不干扰。,3.3.5 三态输出门的应用数据的双向传输,EN为1时，G1工作，G2高阻，数据D0经G1反相后送到总线。 EN为0时，G2工作，G1高阻，来自总线的数据经G2反相后由D1送出。,3.3.8 TTL与非门的主要参数,对于集成电路，只要从手册中查出该电路的真值表、引脚功能图和电参数就能合理的使用该集成电路。（以7400系列与非门为例）,UCC,GND,二、电压传输特性三、负载能力,3.3.8 TTL与非门的主要参数,&,&,&,输出为1,输出为0,拉电流,灌电流,3.3.8 TTL与非门的主要参数,输入为高电平时 VNH=VOH-VIH,输入为低电平时 V

18、NL=VIL-VOL,四、输入端噪声容限: 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。,3.3.9 多余输入端的处理,1、与非门 2、或非门,1,悬空,0,3.4 MOS门电路（Metal-Oxide-Semiconductor）,3.4.1 MOS场效应管 3.4.2 MOS开关及等效电路 3.4.3 CMOS反相器 3.4.4 CMOS与非门 3.4.5 CMOS或非门 3.4.6 CMOS异或门（自学） 3.4.7 COMS漏极开路门（OD门） 3.4.8 三态输出门 3.4.9 CMOS传输门 3.4.10 NMOS门电路（自学）,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应

19、来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅型场效应管 (MOS),特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高达107 109 ；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,3.4.1 场效应管分类,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图1：N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图与符号,3.4.1 MOS场效应管结构与符号,3.4.2 MOS开关及其等效电路,：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平,: MOS管截止， 输出高电平,当I VT,当I VT,3)MOS管相当于一个由vGS控制的无触点开关。,MOS管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合”，输出为低电平。,MOS管截止，相当于开关“断开”,输出为高电平。,1)当输入为低电平时：,2)当输入为高电平时：