清华大学数电门电路.pptx

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1、1 根据制造工艺不同可分为单极型和双极型两大类。门电路中晶体管均工作在开关状态。其中包括介绍晶体管和场效应管的开关特性。本章介绍两类门电路。要点：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握；而各种门电路的外部特性和应用是要求重点。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。【题3.12】，【题3.16】，【题3.18】，【题3.19】，【题3.20】，【题3.29】第1页/共72页2第二节 半导体二极管门电路一、二极管的开关特性1.开关电路举例2.静态特性伏安特性等效电路 在数字电路中重点在判断二极管开关状态，因此必须把特性曲线简化。（见右侧电路图）有三种简化方法：输入信号慢变化时的特性。第2页/共72页

2、3第三种+-第二种VON 0.7V第一种 0.5V第3页/共72页43.动态特性 当外加电压突然由正向变为反向时，二极管会短时间导通。tre这段时间用tre表示，称为反向恢复时间。输入信号快变化时的特性。它是由于二极管正向导通时PN结两侧的多数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的。DRLi第4页/共72页5 由于二极管门电路有严重的缺点，在集成电路中并不使用，但可帮助理解集成门的工作原理。二、二极管与门设：VCC=5V,VIH=3V,VIL=0VVA=VB=0VD1,D2导通，VY=0.7VVA=VB=3VD1,D2导通，VY=3.7V+_+_VA=3V,VB=0VD2导通，D1截止，VY=0.

3、7VVA=0V,VB=3VD1导通，D2截止，VY=0.7VVAVBVY000.7030.7300.7333.7ABY000010100111缺点：1.电平偏移；2.负载能力差。BAY第5页/共72页6三、二极管或门A B Y000011101111VAVBVY000032.3302.3332.3D1,D2截止D1,D2导通D1截止,D2导通D1导通,D2截止ABYABY第6页/共72页7GSD一.MOS管的开关特性1.MOS管的工作原理(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)称为：金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅场效应管导电沟道(

4、反型层)源极Source漏极 Drain栅极Gate当 大于VGS(th)时，将出现导电沟道。VGS(th)称为开启电压，与管子构造有关。SDB导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在D,S间加电压 ，将形成漏极电流iD。称为N沟道增强型场效应管第三节 CMOS门电路第7页/共72页8 显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若 不变，就可控制漏极电流iD。因此把MOS管称为电压控制器件。输出特性2.输入输出特性输入特性可不讨论。第8页/共72页91 2 3恒流区恒流区中iD只受 控制，其关系式为：相应曲线称为转移特性。空间电荷区截止区VDS=0V出现沟

5、道。VDS增加，则沟道“倾斜”（阻值增加）。VGD=VGS(th)时，沟道“夹断”。VDS再增加时，夹断点向源区移动，但iD不变。可变电阻区夹断点VGS(th)=2V设 5V同理可求出栅源电压为4V和3V时的夹断点。固定电阻夹断它也有三个工作区第9页/共72页10RONN+N+3.MOS管的基本开关电路当 =VDD时，MOS管导通，其内阻用RON表示。当 =0V时，MOS 管截止，=VDD；MOS管工作在可变电阻区。若 ，则回下页VDD注意：VDD必须为正。第10页/共72页11D静态特性三个工作区。等效电路如图，其中CI为栅极输入电容。约为几皮法。动态特性延迟作用（书上没有）。由于是单极型器

6、件，无电荷存储效应。动态情况下，主要是输入电容和负载电容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞后于输入电压的变化。其延迟时间比双极型三极管还要长。可变电阻区：截止区：恒流区：4.MOS管的开关特性及等效电路电路图第11页/共72页125.MOS管的四种类型(1)N沟道增强型(2)P沟道增强型(3)N沟道耗尽型(4)P沟道耗尽型开启电压夹断电压P沟道增强型：第12页/共72页13请参阅79页，表第13页/共72页141961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文Integrated Circuit,简称IC。集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。目前单个集成电路上已能作出数千万个三极

7、管，而其面积只有数十平方毫米。按集成度分类：小规模集成电路SSI:Small Scale Integration;中规模集成电路MSI:Medium Scale Integration;大规模集成电路LSI:Large Scale Integration;超大规模集成电路VLSI:Very Large Scale Integration,按制造工艺分类：双极型集成电路；单极型集成电路；我们介绍TTL电路。我们介绍CMOS电路。二.CMOS反相器的电路结构和工作原理Complementary-Symmetry MOS.互补对称式MOS电路。第14页/共72页15（一）CMOS反相器的电路结构N沟

8、道管开启电压VGS(th)N记为VTN;P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP;要求满足VDD VTN+|VTP|;输入低电平为0V；高电平为VDD;（1）输入为低电平0V时；（2）输入为高电平VDD时；T1截止；T2导通。iD=0，=0V;输入与输出间是逻辑非关系。要求两管特性完全一样T2截止；T1导通。iD=0，=VDD;第15页/共72页16 特点：静态功耗近似为0；电源电压可在很宽的范围内选取。在正常工作状态，T1与T2轮流导通，即所谓互补状态。CC4000系列CMOS电路的VDD可在318V之间选取。其他系列以后介绍。（可参阅表在106页）第16页/共72页171.电压传输特性V

9、VT2截止，T1导通T1截止，T2导通T1，T2都导通称为转折区阈值电压转折区变化率大，特性更接近理想开关。特点：此部分在教材8086页。阈值电压用VTH表示。由于特性对称，阈值电压为VDD的一半。（二）静态特性第17页/共72页18输入端噪声容限高电平噪声容限：低电平噪声容限：VOH(min)VOL(max)VIL(max)VIH(min)设定VOH(min)求出VIL(max)设定VOL(max)求出VIH(min)特性对称，因而输入端噪声容限较大。CC4000系列CMOS电路的噪声容限为：（允许输出电压变化百分之十）VNH=VNL=30%VDD第18页/共72页192.电流传输特性A当T

10、1,T2都导通时，iD不为0；输入电压为VDD/2时，iD较大，因此不应使其长期工作在BC段。在动态情况下，电路的状态会通过BC段，使动态功耗不为0；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出系数（驱动同类门个数）的主要因素。第19页/共72页203.输入特性 由于MOS管栅极绝缘，输入电流恒为0，但CMOS门输入端接有保护电路，从而输入电流不总为0。AiI 由曲线可看出，输入电压在0VDD间变化时，输入电流为0；当输入电压大于VDD时，二极管D1导通；当输入电压小于0V时，二极管D2导通。二极管D2和电阻RS串联电路的特性二极管D1的特性第20页/共72页214.输出特性(1)

11、输出低电平0 T2工作在可变电阻区，有较小的导通电阻，当负载电流增加时，该电阻上的压降将缓慢增加。对于CC4000系列门电路，当VDD=5V时，IOL的最大值为0.51mA；而在74HC系列中，该值为4mA。VDD增加相当于T2的VGS增加第21页/共72页22(2)输出高电平00IOHVDDVOHVOH=+VDD 与输出低电平类似，此时T1工作在可变电阻区；当负载电流增加时，T1的VDS加，导致输出下降。此时，IOH的最大值，与输出低电平时相同。第22页/共72页23（三）动态特性1.传输延迟时间(1)MOS管在开关过程中无电荷存储，有利于缩短延迟时间；(2)MOS管的导通电阻比TTL电路大

12、的多，所以其内部电容和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受VDD影响，所以，VDD也影响传输延迟时间；(3)C MOS门的输入电容比TTL电路大的多，因此负载个数越多，延迟时间越大；CMOS门的扇出系数（驱动同类门个数）就是受传输延迟时间和将介绍的动态功耗等动态特性限制的。用tPHL和tPLH的平均值tPD表示延迟作用，称为平均传输延迟时间。tPD范围：4000系列为100ns,74HC系列为10ns,74AHC系列为5ns见107页表第23页/共72页242.交流噪声容限3.动态功耗 与TTL电路类似，当噪声电压作用时间tW小于电路的传输延迟时间时，输入噪声容限VNA将随tW缩小

13、而明显增大。传输延迟时间与电源电压和负载电容有关，因此VDD和CL都对交流噪声容限有影响。动态情况下，T1,T2会短时同时导通，产生附加功耗，其值随输入信号频率增加而增加。定量估算可得动态功耗PC的公式：PC=CLfV2DD负载电容经T1、T2充、放电，也会产生功耗。第24页/共72页25三、其他类型的CMOS门电路1.与非门特点：N沟道管串联、P沟道管并联；设：MOS管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为RO。输出电阻随输入状态变化。用带缓冲级的门电路可克服上述缺点。2.或非门特点：P沟道管串联、N沟道管并联；2RON RON/211RON R0N01RON RON10RON/2 2R0N

14、00RO（与非)RO（或非）BA输出高电平偏低输出低电平偏高此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。（一）其他逻辑功能的CMOS门电路第25页/共72页263.带缓冲级的CMOS门电路（1）与非门：特点：输出电阻恒为RON；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。（2）或非门：同理，可用下式实现：第26页/共72页27 普通CMOS门不能接成线与形式。OD门输出端只是一个N沟道管，因此可以连成线与形式。特点：1.VDD1和VDD2可取不同值；2.允许灌入电流较大。如：CC40107在VOLRTG 则C=0时，传输门截止；C=1时,传输门导通。TGCC传输门可双向传输。T2T1C第30页

15、/共72页31VGS(th)PVGS(th)NVDD0VN沟道管导通P沟道管导通分析原理。先分析只有一个管时的情况：单管工作的缺点是：(1)有死区；(2)导通电阻随输入电压变化很大。采用双管可克服这些缺点。第31页/共72页32将电压传输系数定义如下：KTG=采用改进电路的CMOS四模拟开关CC4066在VDD=15V时，RTG值不大于240。而且在 变化时，RTG基本保持不变。目前，某些精密CMOS模拟开关的导通电阻已降低到20 以下。l模拟开关l组成逻辑电路例如：异或门见98页图2.传输门的应用第32页/共72页33（四）三态输出的CMOS门电路第33页/共72页34三态门在总线方面的应用

16、双向总线：接成总线方式时，在n个EN端中，每次最多只能有一个有效。第34页/共72页35四、CMOS电路的正确使用1.输入电路的静电防护 CMOS电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防静电措施。(1)储存和运输不要使用化纤织物包装，最好用金属屏蔽层包装；(3)不用的输入端不应悬空。2.输入电路的过流保护 保护二极管只能承受1mA电流，因此下列三种情况下输入端要串入保护阻。(1)输入端接低内阻信号源；(2)输入端接有大电容；(3)输入端接长线。(2)操作时使用的电烙铁等，要妥善接地；第35页/共72页363.CMOS电路锁定效应的防护

17、 产生锁定效应将造成CMOS电路永久失效。可在输入、输出端接入钳位保护电路，在电源输入端加去偶电路。应确保CMOS电路先通电、后断电。第36页/共72页37五、CMOS数字电路的各种系列各种系列的电路基本相同,主要在工艺上有改进.改进的目的主要有两点:一是提高速度,二是减小功耗.1.4000系列:速度低,负载能力差,处在被取代阶段.2.74HC/HCT系列:高速系列。tpd=9-10ns,负载能力为4mA左 右。74HC系列:电源电压26V，功耗随电压增大。74HCT系列:电源电压5V，输入输出电平等均与TTL电路兼容。因此二者可混合使用。3.74AHC/AHCT系列:改进的高速系列。tpd=

18、5.3ns,负载能力为 8mA左右，是目前应用最广的CMOS器件。以上为美国TI公司的产品，而VHC/VHCT系列为其他公司产品，其性能与74AHC/AHCT系列相当。4.74LVC/ALVC系列:90年代的新产品（低压系列）。表第37页/共72页38 tpd=3.8ns,负载能力为24mA（3V电源）左右。电源电压1.653.3V。可输入5V电平信号，也可将3.3V以下信号转换为5V输出信号74ALVC系列进一步提高速度，tpd=2ns，负载能力没变。因此是最好的CMOS系列。74系列工作环境温度范围是-40+85度；54系列工作环境温度范围是-55+125度；对于74LVC系列：对于74A

19、LVC系列：70.71页表第38页/共72页39一、双极型三极管（BJT)的开关特性1.静态特性可用输入输出特性来描述。基本开关电路如图：可用图解法分析电路：输入特性输出特性第四节 TTL门电路（教材上为第五节）第39页/共72页40 条条 件件 特特 点点BE结结 BC结结截截止止导导通通放放大大饱饱和和VON (0.7V)ibIBSic=ICEO(=0),iB=0ic=iB=VCE(sat)=0.3V 0V反反反正正正Ib IBS=ICS/=VCC-iCRCs开关特性可归纳为下表：也是“特点”的一部分第40页/共72页412.动态特性 当输入信号使三极管在截止和饱和两种状态之间迅速转换时，

20、三极管内部电荷的建立和消散都需要时间，因而集电极电流的变化将滞后于输入电压的变化。从而导致输出电压滞后于输入电压的变化。也可以理解为三极管的结电容起作用。注意：三极管饱和越深，由饱和到截止的延迟时间越长。饱和时截止时等效电路第41页/共72页423.三极管反相器（非门）例：计算参数设计是否合理（原理）求基极回路的等效电路：VCC=5V,VEE=8V,R1=3.3K ,R2=10K Rc=1K=20,VCE(sat)=0.1V,VIH=5V,VIL=0V第42页/共72页43第43页/共72页441.电路结构（以74系列非门为例）2.工作原理VCC=5V,VIH=3.4V,VIL=0.2VT1导

21、通，深饱和T2,T5截止。因为T5有漏电流，可等效为大电阻。T4导通，忽略R2压降，可求出=3.6V=VOH =VIL:0.90.30.2二、TTL反相器的电路结构、工作原理和特性TTL (Transistor-Transistor Logic):晶体管晶体管逻辑电路。推拉式（push-pull）、图腾柱（totem-pole）输出电路输出级中间级输入级53.6（一）结构和原理第44页/共72页45 =VIH:T1的BE结截止、BC结导通；T2、T5导通。T4截止，因此T5饱和。T2:ICS=4V/1.6K=2.5mA;iB=2.9v/4k=0.72mA =20 所以，T2饱和。=0.2V0.

22、71.42.14.1?3.41.0也可以认为T5“倒置”（c和e极交换。）第45页/共72页461.电压传输特性CD段中点的输入电压即为阈值电压VTH（1.4V）。DE段称为饱和区；对于74系列门电路，VNH、VNL都不小于0.4V。噪声容限：（二）TTL反相器的静态特性(117页）AB段称为截止区；B点：=0.6V，BC段称为线性区；C点：=1.3V，CD段称为转折区；D点：=1.4V，第46页/共72页472.输入特性IIL称为输入低电平电流。IIS称为输入短路电流 =0V的输入电流。IIH称为输入漏电流。输入电压为负时，基本是保护二极管的伏安特性。IIH输入为0.2V时输入为3.4V时输

23、入为其他电压时IILIIS 输入电压小于0.6V时，计算IIL的公式仍然成立(把VIL换为 ），是一直线方程。ii第47页/共72页483.输出特性(1)高电平输出特性 T4饱和前，VOH基本不随iL变，T4饱和后，VOH将随负载电流增加线性下降，其斜率基本由R4决定。(2)低电平输出特性 受功耗限制，74系列门输出高电平时最大负载电流不超过0.4mA。T5饱和，c-e间等效电阻不超过10欧姆，因此直线斜率很小。rce第48页/共72页49例：计算G1能驱动的同类门的个数。设G1满足：VOH=3.2V,VOL=0.2V。16解：N1=16/1=16G1输出低电平G1输出高电平 G1输出高电平时

24、，最大允许输出电流为0.4mA；每个负载门输入电流为IIH,不超过0.04mA;故：N2=0.4/0.04=10综合N1,N2,应取N=10N即门的扇出系数。每个负载门电流G1门电流0.2VIIH第49页/共72页504.输入端负载特性当 小于0.6V时当 =1.4V时，T2、T5均已导通，T1基极电位被钳在2.1V而 不再随RP增加，因 此 也不再随RP增加。当RP较小时，这是直线方程返回RP输入电阻对输入电压的影响。1.4V可认为RP为2K时，I已达到1.4V。第50页/共72页51例：计算图中电阻RP取值范围。已知：VOH=3.4V,VOL=0.2V,VIH(min)=2.0V,VIL(

25、max)=0.8V。解：当 =VOH时，要求 VIH(min)VOH-IIHRP VIH(min)=VOL+RP(VCC-VBE VOL)/(R1+RP)当 =VOL时，要求 VIL(max)VIL(max)RP 0.69KRP 35K对于74系列，当RP=2K 时，就达到1.4V。综合两种情况RP应按此式选取式牢记：若RP大于2K，则 等效为高电平；若小于0.7K，则 等效为低电平（74系列）。当 =VOL时，当 =VOH，要求 ，才为高电平。RP 35K上页此时门2的输入电流为IIH第51页/共72页52(三)TTL反相器的动态特性1.传输延迟时间 延迟作用是由晶体管的延迟时间，电阻以及寄

26、生电容等因素引起的。tPLH往往比tPHL大。经常用平均传输延迟时间tPD来表示：tPD=(tPLH+tPHL)/22.交流噪声容限 干扰信号作用时间短到与tPD相近时的噪声容限。此时，tW越小，允许的干扰信号幅值越大。第52页/共72页533.电源动态尖峰电流静态电流：ICCL=iB1+iC2=(5-2.1)/4+(5-1)/1.6=3.2mAICCH=iB1=(5-0.9)/4=1mA 在动态情况下，会出现T4和T5同时导通的情况，特别是输出由低电平跳变为高电平时。使电源电流出现尖峰脉冲。此电流最大可达30多mA.电源尖峰电流的不利影响：1.使电源平均电流增加；2.通过电源线和地线产生内部

27、噪声。第53页/共72页54三.其他类型的TTL门电路节）（一）其他逻辑功能的门电路1.与非门 T1为多发射极管。可等效为两个三极管。其工作原理可从两方面分析：b.输入有低时，输出高电平。此时A,B两端并联，T1成为一个三极管，结论成立。a.输入全高时，输出低电平。设A端输入0.2V，则TI基极电位为0.9V,此时无论B端状态如何，都不会影响T1基极电位。因此输出为高电平。0.2V0.9V 如果输入全悬空，输出为低电平。因此输入悬空等效为输入高电平。第54页/共72页552.或非门 或非门的原理可从两方面分析：a.输入全低，输出为高 A端为低电平，使T2截止；B端为低电平，使 截止；从而使T5

28、截止，输出为高电平。b.输入有高，输出为低 若A端为高电平，使T2导通，此时无论 为何状态，都不会使T2截止。因此T5一定导通，使输出为低电平。第55页/共72页563.与或非门 在或非门的基础上，增加与输入端，从而实现与或非逻辑。第56页/共72页574.异或门 红框中的电路控制T7的状态。因此，当T7截止时，电路就是以A,B为输入的与非门。A,B两输入端的高电平分别通过T5和T4使T7截止。说明输入A,B有高电平，就按与非门分析；当A,B全低时，T4,T5全截止，使T7导通，输出低电平。0011110111100100ABBA从右表可得出该电路为异或门。第57页/共72页58使用时需外接电

29、阻RL（二）集电极开路门（电路）(OC)Open Collector Gate 目的：将门的输出端并联，实现线与：普通TTL门输出端并联时，将产生过大的输出电流导致器件损坏。(此电流可达30多毫安。）电路原理：逻辑符号当输入有低电平使T5截止时，显然此时门的输出端处于高阻状态。电阻可接到其他电源，用 表示。如SN7407可接30V电压 很容易验证这是一个二输入端与非门。RL第58页/共72页59（三）三态输出门电路（TS）Three-State Output GateEN为使能端，低电平有效。EN为低电平时:若A,B都为高电平：二极管D截止，对电路无影响，输出为低电平；若A,B中有低电平：T2

30、,T5截止，二极管D导通,T4基极电位被钳在4.3V，T4导通，输出高电平，但电位为2.9V。3.6V4.3V2.9VEN为高电平时:T5截止；T4基极电位被钳在1V,因此，T4截止。从而输出端出现高阻状态。如EN端有两个非门，则为高电平有效。0.3VENABYENABY第59页/共72页60四.TTL电路的改进系列（一）74H系列 除了74系列外，TTL电路还有74H、74S、74LS、74AS和74ALS等系列。又称为高速系列。High-speed 各改进系列都围绕提高速度和降低功耗两点进行。减小电阻值可提高速度，但是会明显增加功耗。可见其各电阻值明显小于74系列。加上采用了复合管T3、T

31、4，因此速度明显提高。但功耗增大更明显。可参考表。138页 表中延迟功耗积pd（Delay-Power Product），可用于衡量门电路的综合性能。第60页/共72页61又称为肖特基系列。Schottky与74H系列比，有两点改进：1.使用肖特基势垒二极管(Schottkey Barrer Diode)简称SBD;2.采用有源泄放电路。SBD特点：导通压降0.40.5V；无电荷存储；工艺与TTL兼容。使用SBD后，三极管不会进入深饱和状态，从而提高速度；（二）74S系列第61页/共72页62有源泄放电路 T6和RB,RC构成有源泄放电路。其作用有二：提高速度；改善电压传输特性。当T2,T5由

32、截止转入导通时，T5早于T6导通，加速T5导通；缩短tPHL。当T2,T5由导通转入截止时，处于饱和的T6为T5基极提供反向泄放电流，加速T5截止。缩短tPLH。有源泄放电路还改善了电压传输特性，因为有了T6后，T2不再先于T5导通。由于T5 浅饱和，使输出低电平偏高，最大可达0.5V。第62页/共72页63（三）74LS系列特点：增加电阻值以减小功耗；使用SBD以提高速度；采用有源泄放电路以提高速度；将T1改为SBD与门以提高速度；增加D3,D4以提高速度。缺点：传输特性曲线转折区左移使阈值电压VTH降为1.1V左右；与74S系列类似，输出低电平偏高，最大可达0.5V。Low-power S

33、chottky-低功耗肖特基系列第63页/共72页64（四）74AS系列Advanced Schottky-先进肖特基系列。特点：速度提高tpd=1.7ns,功耗增加8mW.（五）74ALS系列Advanced Low-power Schottky-先进低功耗肖特基系列。特点：与74AS系列比，速度降低tpd=4ns,功耗减小1.2mW.但延迟-功耗积最小，因此最有发展前途。（六）74F系列-Fast TTL特点：性能介于先进肖特基系列和先进低功耗肖特基系列之间：tpd=3ns,功耗4mW.据预测，74ALS系列将取代74LS系列而成为TTL系列的主流产品。表第64页/共72页65多余输入端如何处理：以与非门为例，欲实现Y=(AB)=A显然应使B=1，方法有：1.接高电平；2.接VCC；3.悬空；4.接大电阻，大于2K欧姆；5.与A端并联。若为或非门，情况则不同。当然也可使B=A,方法:第65页/共72页6674H74S74LS74AS第66页/共72页67+-PN+-回5第67页/共72页68PN+-N+ebc回41第68页/共72页69第69页/共72页70回38页回39页第70页/共72页71第71页/共72页72感谢您的观看！第72页/共72页