第二章 集成逻辑门.ppt
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1、第二章 集成逻辑门2.1 2.1 2.1 2.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性2.2 2.2 2.2 2.2 分立元件门电路分立元件门电路分立元件门电路分立元件门电路2.3 TTL2.3 TTL2.3 TTL2.3 TTL集成门电路集成门电路集成门电路集成门电路2.4 CMOS2.4 CMOS2.4 CMOS2.4 CMOS集成门电路集成门电路集成门电路集成门电路1.1.概概 述述一、门电路的概念一、门电路的概念 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与 或 非 与与 门门或或 门门非非 门门与与 非非 门门或或 非非 门门异或门异或门
2、与或非门与或非门3门门电电路路分立元件门电路分立元件门电路集成门电路集成门电路双极型集成门(双极型集成门(DTLDTL 、TTLTTL)MOSMOS集成门集成门用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。把构成门电路的元器件和连线,都制作在一块半导体芯片上,把构成门电路的元器件和连线,都制作在一块半导体芯片上,再封装起来。再封装起来。集成逻辑门中广泛使用的开关器件是:集成逻辑门中广泛使用的开关器件是:晶体管晶体管 和和 场效应管场效应管二、逻辑变量与两状态开关二、逻辑变量与两状态开关4低电平低电平 高电平高电平 断开断开闭合闭合高电平高电平 3 V3 V
3、低电平低电平 0 V0 V二值逻辑二值逻辑:所有逻辑变量只有两种取值所有逻辑变量只有两种取值(1(1 或或 0)0)。数字电路数字电路:通过电子开关通过电子开关 S S 的两种状态的两种状态(开或关开或关)获得高、低电平,用来表示获得高、低电平,用来表示 1 1 或或 0 0。3V逻辑状态逻辑状态1 10 00 01 1S 可由二极管、三极管或 MOS 管实现三、高、低电平与正、负逻辑三、高、低电平与正、负逻辑5负逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V 高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。010V5V2.4V0.8V101.1.晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性6 外加正向
4、电压外加正向电压(正偏正偏)二极管导通二极管导通(相当于开关闭合相当于开关闭合)外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)二极管截止二极管截止(相当于开关断开相当于开关断开)硅二极管伏安特性阴极阴极A A阳极阳极K KPNPN结结-A AK K+P P区区N N区区+-正向正向导通区导通区反向反向截止区截止区反向反向击穿区击穿区0.50.50.70.7/mA/mA/V/V0 01.结构示意图、符号和伏安特性2.1 2.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性7uououi0V时,二极管截止,如同开关断开,uo0V。ui5V时,二极管导通,如同0.7V的电压源,uo4.3V。二极管的反向恢复时间限
5、制了二极管的开关速度。Ui0.5V时,二极管导通。2 2、晶体三极管的开关特性、晶体三极管的开关特性8+RcRb+VCC+uoiBiCTuI3V-2V9截止状态cbe饱和状态Vb=0.7V,Vc=0.3Vebc3 3、场效应管的开关特性、场效应管的开关特性10工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线uiuoGDSRDVDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态截止状态u ui iUUTuo0112.2 2.2 分立元件门电路分立元件门电路1 1、二极管与门、二极管与门 输 入输 出ABCL00000010010001101000101011001111122 2、二极管或门、二极管或门 输
6、入输 出ABCL00000011010101111001101111011111L=ABC13u uA A0V0V时,三极管截止时,三极管截止,iB0,iC0,输出电压uYVCC5Vu uA A5V5V时,三极管导通时,三极管导通。基极电流为:iBIBS,三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。三极管临界饱和时的基极电流为:3 3、三极管非门、三极管非门14当uA0V时,由于uGSuA0V,小于开启电压UT,所以MOS管截止。输出电压为uYVDD10V。当uA10V时,由于uGSuA10V,大于开启电压UT,所以MOS管导通,且工作在可变电阻区,导通电阻很小,只有几百欧姆。输出电压
7、为uY0V。152.3 TTL2.3 TTL集成门电路集成门电路 集成电路(Integrated circuit),简称IC。就是将元器件和连线制作在一个半导体基片上的完整电路。所用半导体器件的不同TTL电路MOS电路小小规规模集成模集成电电路路 SSI 10 000 门门/片片161、TTL反相器+VCC(5V)R1uIuo4kAD1T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y输入级中间级输出级D1 保护二极管 防止输入电压过低。当 uI -0.5 -0.7 V 时,D1 导通,uI 被钳制在-0.5 -0.7 V,不可能继续下降。1.电路组成 因为 D1 只起保护作用,不参加逻辑判断
8、,为了便于分析,今后在有些电路中将省去。2.工作原理+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y0V0V3.6V0V0.7V0ViC15V输输入端入端为为低低电电平平时时:UI=UIL=0.3V则T1的基极电位:UB1=UBE1+UIL=0.7+0.3=1V接低电平的发射结正向导通。为使T1的集电结及T2和T4的发射极同时导通,UB1至少应当等于UB1=UBC1+UBE2+UBE4=2.1V则T T2 2和和T T4 4必然截止必然截止。因此有:UC2=UCC-UR25V该电压使T T3 3和和D D处于良好导通导通状态,UO=UOH=UC2-UBE3-
9、UD5-0.7-0.7=3.6VUO=UOH时,称非门处于关门状态18输输入端入端为为高高电电平平时时:UI=UIH=3.6VT1集电结及T T2 2和和T T4 4的发射结会同时导通导通UB1=UBC1+UBE2+UBE4=2.1V因此T1发射结截止UC2=UCES2+UBE40.3+0.7=1VT T3 3和和D D截止截止UO=UOL=UCES40.3VUO=UOL时,称非门处于开门状态+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y4.3V3.6 V1.4V0.7V2.1V1V0.3V0.3 192、TTL与非门多射极晶体管的等效电路多射极晶体管的等
10、效电路201110ABY00011011AB&21(1 1)电压传输特性电压传输特性1+VCC+5VuI+-uO+-A B0uO/VuI/V12341234截止区3.6VC线性区D转折区E饱和区0.3V阈值电压3、TTL非门的外特性及有关参数22AB 段:uI 0.5 V,uB1 1.4 V ,T2、T4 饱和导通,T3、D 截止。uO=UOL 0.3 V23(2 2)几个重要参数几个重要参数(1)(1)关门电平关门电平U Uoffoff(输入低电平最大值UILmax)Uoff典型值0.8V。当uIUon时,与非门的T4饱和导通,输出为低电平25(2)(2)开门电平开门电平U Uonon(输入
11、高电平最大值UIHmin)Uon的典型值是1.8V。(3)(3)输出高电平下限值输出高电平下限值U UOHminOHmin等于Q1点在uo轴上的投影值。典型的UOHmin为2.4V。当uIUon时,与非门的T4饱和导通,输出为低电平26(4)(4)输出低电平上限值输出低电平上限值U UOLOLmaxmax 等于等于Q2Q2点在点在u uo o轴上的投影值。轴上的投影值。典型的典型的U UOLmaxOLmax为为0.4V0.4V。(5)(5)噪声容限电平噪声容限电平l当输入低电平(当输入低电平(U UiLiL)时,只要噪声电压与输入低电平叠加后时,只要噪声电压与输入低电平叠加后的数值小于的数值小
12、于U UOFFOFF,输出仍为高电平。该噪声电压的极限值即为,输出仍为高电平。该噪声电压的极限值即为输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限UNLUNLl当输入高电平当输入高电平(U(UiHiH=U=UOHOH)时,只要噪声电压(负向)与输入高时,只要噪声电压(负向)与输入高电平叠加后的数值大于电平叠加后的数值大于U UONON,输出仍为低电平。该噪声电压的,输出仍为低电平。该噪声电压的极限值即为输入高电平噪声容限极限值即为输入高电平噪声容限U UNHNH(6)(6)阈值电压阈值电压U Uthth27 一定条件下,将与非门的电压传输特性理想化,认为:Uoff=Uon=Uth 典型值为1.4V。28
13、与非门能带同类门的最大个数。表示负载能力。与非门能带同类门的最大个数。表示负载能力。(8 8)平均传输延迟时间)平均传输延迟时间t tpdpd从输入上沿的从输入上沿的50%50%处到输出下沿的处到输出下沿的50%50%处是处是t tpd1pd1;输入下沿的;输入下沿的50%50%处到输处到输出上沿的出上沿的50%50%处是处是t tpd2pd2。(9 9)静态功耗)静态功耗与非门空载时电源总电流与非门空载时电源总电流I IC C与电源电压与电源电压V VCCCC的乘积。的乘积。(7 7)扇出系数)扇出系数N NO OTTL“TTL“与非与非”门的门的N NO O 8 8。(2 2)输入特性)输
14、入特性29反映了门电路输入电流iI与输入电压uI之间的关系。302.3.2 2.3.2 其它其它TTLTTL集成逻辑门集成逻辑门1 1、TTLTTL集电极开路门集电极开路门为何要采用集电极开路门呢?推拉式输出电路结构存在局限性。首先,输出端不能并联使用。若两个门的输出一高一低,当两个门的输出端并联以后,必然有很大的电流同时流过这两个门的输出级,而且电流的数值远远超过正常的工作电流,可能使门电路损坏。而且,输出端也呈现不高不低的电平,不能实现应有的逻辑功能。31推拉式输出级并联的情况01很大的电流不高不低的电平:1/0?注意:输出端不能直接并联32工作原理:工作原理:当VT3饱和,输出低电平U
15、UOLOL0.3V0.3V;当VT3截止,由外接电源E E通过外接上拉电阻提供高电平U UOHOHE E。因此,OCOC门电路必须外接电源和负载电阻,才能提供高电平输出信号。33+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B1.电路组成及符号:+V CCRC外接YAB&+V CCRCOC 门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。可以线与连接V CC 根据电路需要进行选择34接入外接电阻接入外接电阻R R后:后:A A、B B不全为不全为1 1时,时,v vB1B1=1V=1V,T T2 2、T T5 5截止,截止,Y Y=1=1。A A、B B全为全为1 1时,时,v vB1B1=2.1V
16、=2.1V,T T2 2、T T5 5饱和导饱和导通,通,Y Y=0=0。+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B+V CCRC外接电阻外接电阻R R的取值范围为:的取值范围为:35线与连接举例:+VCCAT1T2T4Y1B+VCCCT1T2T4Y2D+V CCRC+V CCRCY1AB&G1Y2CD&G2线与YY应用:应用:实现多路信号在总线上的分时传输实现多路信号在总线上的分时传输36应用:实现电平转换实现电平转换抬高输出高电平抬高输出高电平37由OC门的功能分析可知:OC门输出:UOL0.3V UOHVC所以,改变电源电压可以方便地改变其输出高电平 OC OC门的这一特性,被
17、广泛用于数字系统的接口门的这一特性,被广泛用于数字系统的接口电路,实现前级和后级的电平匹配。电路,实现前级和后级的电平匹配。应用:驱动发光二极管(驱动发光二极管(LEDLED)38应用:用来实现用来实现“与或非与或非”运算运算注意:注意:39a.OC门的外接电阻的大小会影响系统的开关速度,其值越大,工作速度越低。b.由于它只能在RCmin和RCmax之间取值,开关速度受到限制。c.OC门只适用于开关速度不高的场合。401 1、三态输出门电路(、三态输出门电路(TSTS门)门)三态门电路的输出有三种可能出现的状态:高电平、低电平、高阻。何为高阻状态?悬空、悬浮状态,又称为禁止状态。测电阻为,故称
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