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1、2.12.1 概概 述述第第 2 章门电路章门电路2.2 2.2 半导体管的开关特性半导体管的开关特性2.3 2.3 简单的与、或、非门电路简单的与、或、非门电路2.7 cmos2.7 cmos门电路门电路2.4 ttl2.4 ttl集成门电路集成门电路继续 本章介绍两种类型：本章介绍两种类型：ttl和和mos门电门电路的路的内部结构内部结构、工作原理工作原理、逻辑功能逻辑功能、电气特性、主要参数等。电气特性、主要参数等。继续 ttl 即即 transistor-transistor logic cmos 即即 complementary metal-oxide-semiconductor t
2、tl 集成门电路集成门电路 cmos 集成门电路集成门电路 输输入入端端和和输输出出端端都都用用三极管的逻辑门电路。三极管的逻辑门电路。 用互补对称用互补对称 mos 管构成的逻辑门电路。管构成的逻辑门电路。 ttl电路的致命缺点是：功耗大，只能制造电路的致命缺点是：功耗大，只能制造ssi，msi，而无法制作，而无法制作lsi和和vlsi。cmos电路的突出电路的突出优点优点是：是：功耗极低功耗极低，非常适合，非常适合制作制作vlsi。随着其工艺不断进步，无论在。随着其工艺不断进步，无论在工作工作速度速度还是还是驱动能力驱动能力上，都已不比上，都已不比ttl逊色。逊色。cmos已经取代已经取代
3、ttl，成为，成为ic的主导技术的主导技术不过现有的旧设备中，有的仍在用不过现有的旧设备中，有的仍在用ttl，因此了，因此了解解ttl的某些知识仍有必要。的某些知识仍有必要。条条件件开开关关输入信号满足一定条件时，门开启，输入信号满足一定条件时，门开启，允许信号通过允许信号通过 。开门状态：开门状态：关门状态：关门状态：输入信号条件不满足，门关闭，输入信号条件不满足，门关闭，信号通不过信号通不过 。一、什么是门电路？一、什么是门电路？用来实现用来实现基本基本逻辑运算和逻辑运算和复合复合逻辑运算的单元电路。逻辑运算的单元电路。与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。与门、或门、非门
4、、与非门、或非门、与或非门、异或门等。门门（门电路是数字电路最为基本的逻辑单元）（门电路是数字电路最为基本的逻辑单元）2.1 2.1 概述概述概述概述输出和输入输出和输入之间存在着一定的之间存在着一定的逻辑关系逻辑关系。不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：超大规模超大规模大规模大规模小规模小规模中规模中规模二、数字二、数字ic的分类的分类1.1.按集成度区分：按集成度区分：(ssi-small scale integration)， 每片组件每片组件 内包含内包含10-100个元件个元件(或或10-20个等效门个等效门)。(msi
5、-medium scale integration)，每片组件，每片组件 内含内含100-1000个元件个元件(或或20-100个等效门个等效门)。(lsi-large scale integration)， 每片组件内每片组件内 含含1000-100 000个元件个元件(或或100-1000个等效门个等效门)。(vlsi-very large scale integration)， 内内含含100 000个元件个元件(或或1000个以上等效门个以上等效门)。 逻辑门逻辑门触发器触发器编码器、译码器、编码器、译码器、 数据选择器、加法器、数据选择器、加法器、 计数器、计数器、 移位寄存器移位寄
6、存器只读存储器、只读存储器、 随机存取存随机存取存储器、储器、 微处理器微处理器、专用专用数字信号处理器数字信号处理器2.2.按数字系统设计方法分：按数字系统设计方法分：（1）通用型中规模（）通用型中规模（msi），小规模（），小规模（ssi）集成逻辑件）集成逻辑件。（2）微处理器产品，如微处理器、单片机、通用和专用数）微处理器产品，如微处理器、单片机、通用和专用数 字信号处理器等。字信号处理器等。（3）专用集成电路）专用集成电路asic全定制全定制半定制半定制pldpromplapalgalcpldfpga三、集成门的一般特性三、集成门的一般特性1、电源电压是多少？、电源电压是多少？2、输入
7、和输出的高、低电平对应的电压范围是多少？、输入和输出的高、低电平对应的电压范围是多少？3、抗干扰能力如何？噪声容限、抗干扰能力如何？噪声容限4、工作速度快不快？传输延迟时间、工作速度快不快？传输延迟时间5、功耗大不大？、功耗大不大？6、带负载能力是否强？扇入数和扇出数、带负载能力是否强？扇入数和扇出数1、电源特性：、电源特性：ttl: （15）5v;cmos : (318）v2、输入和输出的高、低电平：、输入和输出的高、低电平：ttl高电平高电平低电平低电平2.4v5v，典型值，典型值:3.6v0v0.4v，典型值，典型值:0.3vcmos74hc: 0.7vdd74hc: 0.3vdd数据手
8、册一般给出四种逻辑电平参数：数据手册一般给出四种逻辑电平参数：输入高电平的下限值：输入高电平的下限值：vih(min)输入低电平的上限值：输入低电平的上限值：vil(max)输出高电平的下限值：输出高电平的下限值：voh(min)低电平的上限值：低电平的上限值：vol(max)vi lmaxvohminvihminvolmax输输入入输输出出vi lmaxvohminvihminvolmax输入输入输出输出3、噪声容限：、噪声容限： 定量说明集成电路抗干扰能力的参数定量说明集成电路抗干扰能力的参数 在数字电路中，即使有噪声电压叠加在输入信号的高、低电在数字电路中，即使有噪声电压叠加在输入信号的
9、高、低电平上，只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，输出端的逻辑平上，只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，输出端的逻辑状态就不会受到影响状态就不会受到影响;通常通常把这个不允许超过的界限叫做噪声容限把这个不允许超过的界限叫做噪声容限。电路噪声。电路噪声容限越大，抗干扰能力越强。容限越大，抗干扰能力越强。ay1&by2& （1）高电平噪声容限：）高电平噪声容限：vnh= vohmin- -vihminvnhvnl（2）低电平噪声容限：）低电平噪声容限：vnl= vilmax- -volmax数字电路中，无论是对数字电路中，无论是对元、器件参数元、器件参数精度精度的要求，还是对供电的要求，还是对供电
10、电源稳定度电源稳定度的要求，都比模拟电路要低一些。的要求，都比模拟电路要低一些。而提高数字电路的运算精度，可以通而提高数字电路的运算精度，可以通过增加过增加数字信号的位数数字信号的位数达到。达到。4、传输延迟时间：、传输延迟时间： 表征门电路开关速度的参数。表征门电路开关速度的参数。输入输入twtr10p�%tftr：上升时间：上升时间tf：下降时间：下降时间tw：脉冲宽度：脉冲宽度输出输出tphltplh上升沿上升沿下降沿下降沿tphl：导通传输时间：导通传输时间tplh：截止传输时间：截止传输时间 平均传输延迟时间平均传输延迟时间（propagation delay)tpd=tph
11、l tplh2015、功耗：、功耗：静态功耗：电路的输出没有状态转换时的功耗。静态功耗：电路的输出没有状态转换时的功耗。动态功耗：电路在输出发生状态转换时的功耗。动态功耗：电路在输出发生状态转换时的功耗。延时功耗积延时功耗积:6、扇入数和扇出数：、扇入数和扇出数：扇入数：门电路输入端的数目。（通常为扇入数：门电路输入端的数目。（通常为28）扇出数：门电路在正常工作情况下，所能带同类门电路的扇出数：门电路在正常工作情况下，所能带同类门电路的 最大数目。最大数目。受最大输出电流受最大输出电流iohmax、iolmax的限制。的限制。（1）拉电流工作情况：）拉电流工作情况：&iohii hii h
12、（2）灌电流工作情况：）灌电流工作情况：&iolii lii l理想二极管在加正压导通，加负压截止。理想二极管在加正压导通，加负压截止。可作为理想开关使用。可作为理想开关使用。实际实际pn结电荷有结电荷有建立、存储和消散建立、存储和消散过程。过程。2.2 二、二、三极管的开关特性三极管的开关特性继续数字电路中，二、三极管等器件的开关特性，数字电路中，二、三极管等器件的开关特性，实质是其实质是其导通和截止导通和截止之间的之间的转化转化问题问题当脉冲信号频率很高时，当脉冲信号频率很高时，开关状态转化开关状态转化速度速度非常快，百万次非常快，百万次/秒，这就要求器件的导通和秒，这就要求器件的导通和截
13、止状态转换要在截止状态转换要在ns数量级的时间内完成数量级的时间内完成那么，是什么在影响（阻止）器件状态转换那么，是什么在影响（阻止）器件状态转换？怎样才能加快器件的转换速度？怎样才能加快器件的转换速度？继续（1）加正向电压）加正向电压uf时，二极管导通，忽略管压降。二极管时，二极管导通，忽略管压降。二极管相当于一个闭合的开关。相当于一个闭合的开关。一、二极管的开关特性一、二极管的开关特性1 1二极管的静态特性二极管的静态特性drlffuifkfruli继续 综合：二极管表现为一个综合：二极管表现为一个受外加电压受外加电压ui控制的开关控制的开关。 当当外外加加电电压压v vi i为为脉脉冲冲
14、信信号号时时，二二极极管管将将随随脉脉冲冲的的变变化化在在“开开”态与态与“关关”态之间转换：态之间转换：动态特性动态特性。（2）加反向电压时，二极管截止，忽略反向电流）加反向电压时，二极管截止，忽略反向电流is。二极。二极管相当于一个断开的开关。管相当于一个断开的开关。dlrusrilkurr继续2.2.二极管开关的动态特性二极管开关的动态特性 给二极管电路加入一个脉给二极管电路加入一个脉冲信号，电流的波形怎样呢？冲信号，电流的波形怎样呢？ts为存储时间，为存储时间，tt称为渡越时间。称为渡越时间。trets十十tt称为反向恢复时间称为反向恢复时间 dliruiuiufur t1t0 i t
15、1t0 if istrtsiftii0.1t0irt1继续 反向恢复时间反向恢复时间即即存储电荷消失所需要的时存储电荷消失所需要的时间间，远大于正向导通所需要的时间。，远大于正向导通所需要的时间。 即：二极管的开通时间很短，对开关速度即：二极管的开通时间很短，对开关速度的影响很小，以致可忽略不计。的影响很小，以致可忽略不计。 因此，影响二极管的开关特性因此，影响二极管的开关特性主要是反向恢复时间主要是反向恢复时间，而不是开通时间。，而不是开通时间。bjt2.2.2 ttl的开关特性的开关特性一、双极型三极管的结构一、双极型三极管的结构 becnnp基极基极 发射极发射极集电极集电极becnpn
16、型三极管型三极管pnp集电极集电极 基极基极 发射极发射极 bcebecpnp型三极管型三极管二、双极型三极管的输入特性和输出特性二、双极型三极管的输入特性和输出特性 ic(ma )1234uce(v)36912ib=020 a40 a60 a80 a100 aib( a)ube(v)204060800.40.8输入特性曲线输入特性曲线输出特性曲线输出特性曲线开启电压开启电压饱饱和和区区截止区截止区放大区放大区三、双极型三极管的基本开关电路三、双极型三极管的基本开关电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和饱和和和截止截止两种开关状态，放
17、大区只是极短暂的过渡状态。两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。三极管临界饱和三极管临界饱和时的基极电流：时的基极电流：ui=1v时，三极管导通，基极电流：时，三极管导通，基极电流：uo=uce=vcc-icrc=5-0.03501=3.5v对应下图，分别求出对应下图，分别求出ui分别为分别为1v，0.3v，3v时的时的uo值值ibs，未饱和，未饱和ui= =0.3v时，因为时，因为ube 0.5v，ib=0=0，三极管工作在，三极管工作在 截止状态，截止状态，ic=0=0。因为。因为ic=0=0，所以输出电压：，所以输出电压：uo=vcc=5v 截止状态截止状态ui=uilibs，饱和，
18、饱和ttl开关等效电路开关等效电路 开关等效电路开关等效电路(1) 截止状态 条件：发射结反偏特点：电流约为0 (2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：ubes=0.7v，uces=0.3v/硅三极管开关等效电路(a) 截止时 (b) 饱和时uituot vcc0.3vttl动态开关特性动态开关特性 bjtbjt的开关时间：的开关时间：是指是指bjtbjt管由管由截止到饱和截止到饱和导通导通 或者由或者由饱和导通到截止饱和导通到截止所需要的时间。所需要的时间。延迟时间延迟时间td从从 vb2加到集电加到集电极电流极电流ic上升到上升到0.10.1ics所需要所需要的时间；的时间；
19、上升时间上升时间tric从从0.10.1ics到到0.90.9ics所需要的时间；所需要的时间； 开通时间开通时间t tonon= =t td d t tr r就是建立基区电荷时间就是建立基区电荷时间存储时间存储时间ts从输入信号降从输入信号降到到- -vb1到到ic降到降到0.90.9ics 所需所需要的时间；要的时间； 下降时间下降时间tfic从从0.90.9ics降到降到0.10.1ics所需要的时间。所需要的时间。 关闭时间关闭时间toff=ts tf就是就是存储电荷消散的时间存储电荷消散的时间 2 mos管的开关特性 cmos-ic中，以中，以mos管作为开关器件管作为开关器件一
20、、mos管的结构和工作原理管的结构和工作原理pnngsd金属铝金属铝两个两个n区区sio2绝缘层绝缘层p型衬底型衬底导电沟道导电沟道gsdn沟道增强型沟道增强型源极源极栅极栅极漏极漏极vgs=0时时pnngsdvgsvdsid=0d、s间相间相当于两个当于两个背靠背的背靠背的pn结结sdb不论不论d、s间有无电压间有无电压,均均无法导通无法导通导电导电pnngsdvdsvgsvgs0时时vgsvgs(th)后形成电后形成电场场gb,把衬底中的把衬底中的电子吸引到上表面，电子吸引到上表面，除复合外，剩余电除复合外，剩余电子在上表面形成子在上表面形成n型型层（反型层）为层（反型层）为d、s间的间的
21、导通导通提供了提供了通通道道。vgs(th)称为阈值电压称为阈值电压(开启电压）开启电压）源极与源极与衬底接衬底接在一起在一起n沟道沟道vgs增大，增大，id增大增大二、mos管的输入、输出特性管的输入、输出特性栅极电流为零，无输入特性栅极电流为零，无输入特性输出特性曲线输出特性曲线（漏极特性曲线）（漏极特性曲线）夹断区（截止区） 用途：断开状态的电子开关电子开关。特点:d-s间电阻roff达千m欧以上可变电阻区特点特点: :(1)(1)当vgs 为定值,id 是 vds 的线性函数，管子的d-s间呈现为线性电阻，其阻值受 vgs 控制： vgs越大， d-s导通电阻越小。ron=51k （2
22、）管压降vds 很小。用途：用途：做压控线性电阻和闭合状态的电子开关电子开关。问：问：如果希望开关在闭合时更如果希望开关在闭合时更“理想理想”？如何选取？如何选取vgs？恒流恒流区:(饱和区或放大区）饱和区或放大区）特点特点: (1)受控性：受控性： 输入输入电压电压vgs控制输出电流控制输出电流id(2)恒流性：恒流性：输出电流输出电流id 不受输出电压不受输出电压vds影响影响用途用途:可做可做放大器放大器和和恒流源恒流源。问：问：从特点从特点(1)中能否看出特点中能否看出特点(2) ？三、nmos管的基本开关电路管的基本开关电路当当vi=vgsvgs(th)且且vi继续升高时，继续升高时
23、，mos管工作在可变电管工作在可变电阻区。阻区。ron很小，很小，d-s间相当于闭合的开关间相当于闭合的开关,vo0。rd的范围：的范围：ron rd roff四、mos管的四种基本类型管的四种基本类型gsdn 沟道耗尽型沟道耗尽型gsdn沟道增强型沟道增强型gsdp 沟道增强型沟道增强型gsdp 沟道耗尽型沟道耗尽型在数字电路中，多采用增强型。在数字电路中，多采用增强型。mos管另外二种常用符号管另外二种常用符号栅极(gate)源极(source)漏极 (drain)vgsn沟道沟道mos管管 -继续栅极源极漏极vgsp沟道沟道mos管管 -pmos管的基本开关电路管的基本开关电路1、pmo
24、s的的vgs(th)为负，越负，漏极电流越大为负，越负，漏极电流越大2、当、当vi= 0，mos管截止，输出为低管截止，输出为低. vol - vdd 3、当当vi=vgs vgs(th)，mos管导通，输出为高；管导通，输出为高； voh 0；对漏极电阻对漏极电阻rd的阻值要求？的阻值要求？总结mos开关的动态特性开关的动态特性v开关状态下开关状态下，只有一种载流子参与导电，没，只有一种载流子参与导电，没有大量存储电荷问题，有大量存储电荷问题，影响开关速度影响开关速度、频率、频率的主要是的主要是栅源栅源电容电容、漏极电容、负载电容等、漏极电容、负载电容等vmos管导通电阻大于管导通电阻大于ttl饱和导通电阻，而饱和导通电阻，而且且rd大于大于rc，因此，因此mos管对电容充放电时管对电容充放电时间长一些，即：间长一些，即：mos管开关速度小于管开关速度小于ttl