门电路课件数字电路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,V,CC,0V,第二章 门 电 路,第一节 概述,门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。,门电路的两种输入，输出电平：高电平、低电平。它们分别对应逻辑电路的1,0状态。,正逻辑：1代表高电平；0代表低电平。,负逻辑：0代表高电平；1代表低电平。,V,CC,0V,低电平,V,CC,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,。,首先介绍晶体管和场效应管的,开关特性,。,然后介绍两类门电路。,注意：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2.1】（b），【题2.5】 ，【题2.10】，,【题2.16】，【题2.18】，【题2.19】，,【题2.21】，【题2.22】。,2,第二节 半导体二极管和三极管的开关特性,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。,V,CC,3,第一种,第三种,+,-,0.5V,第二种,V,ON,0.7V,4,3.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。,t,re,这段时间用,t,re,表示，称为,反向恢复时间,。,输入信号快变化时的特性。,D,R,L,i,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。,5,二、半导体三极管的开关特性,（一）双极型三极管的开关特性,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,6,条 件,特 点,BE结,BC结,截止,导通,放大,饱和,V,ON,(0.7V),I,b,i,BS,三极管深饱和，,=V,CE(sat),0V。,i,B,=i,1, i,2,18,第四节 TTL门电路,一、TTL反相器的电路结构和工作原理,1961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MOS电路。,TTL (Transistor-Transistor Logic):三极管三极管逻辑电路。,19,1.电路结构（以,74系列,非门为例）,2.工作原理,输入级,中间级,输出级,推拉式（push-pull）、,图腾柱（totem-pole）输出电路,V,CC,=5V,V,IH,=3.4V,V,IL,=0.2V,T,1,导通，深饱和,T,2,T,5,截止。因为T,5,有漏电流，可等效为大电阻。,T,4,导通，忽略R,2,压降，可求出,=3.6V=V,OH,=V,IH,:,=V,IL,:,0.9,0.3,0.7,1.4,2.1,4.1?,3.4,0.2,T,1,的BE结截止、BC结导通；T,2,、T,5,导通。,T,4,截止，因此T,5,饱和。,T,2,: I,CS,=4V/1.6K=2.5mA;,i,B,=2.9v/4k=0.72mA,=20 所以，T,2,饱和。,=0.2V,1.0,20,二、TTL反相器的静态特性,（一） 电压传输特性,CD段中点的输入电压称为,阈值电压,，用,V,TH,表示。,B点： =0.6V，,AB段称为,截止区,；,C点： =1.3V，BC段称为,线性区,；,D点： =1.4V，CD段称为,转折区,；,DE段称为,饱和区,；,AB段,BC段,CD段,输出高电平,T,2,通、T,5,=未通,T,5,通，且逐渐饱和,DE段,输出低电平,21,输入端噪声容限,高电平噪声容限：,低电平噪声容限：,对于74系列门电路，V,NH,、V,NL,都不小于,0.4V,。,V,OH(min),V,OL(max),V,IL(max),V,IH(min),2.4V,0.4V,0.8V,2.0V,设定V,OH(min),求出V,IL(max),设定V,OL(max),求出V,IH(min),22,（二） 输入特性,I,IL,称为,输入低电平电流,。,I,IS,称为,输入短路电流,=0V的输入电流,。,I,IH,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。,I,IH,输入为,0.2V,时,输入为,3.4V,时,输入为其他电压时,I,IL,I,IS,输入电压小于0.6V时，计算I,IL,的公式仍然成立(把V,IL,换为 ），是一直线方程。,i,i,返回OC,23,（三）输入端负载特性,当 小于0.6V时,当 =1.4V时，T,2,、T,5,均已导通，T,1,基极电位被钳在2.1V而 不再随R,P,增加，因 此 也不再随R,P,增加。,当R,P,较小时，这是直线方程,返回,25,24,例：计算图中电阻R,P,取值范围。已知：V,OH,=3.4V,V,OL,=0.2V, V,IH(min),=2.0V, V,IL(max),=0.8V，I,IH,0.04mA。,解：,当 =V,OH,时，要求 V,IH(min),V,OH,-I,IH,R,P,V,IH(min),=V,OL,+ R,P,(V,CC,- V,BE, V,OL,)/(R,1,+R,P,),当 =V,OL,时，要求 V,IL(max),V,IL(max),R,P,0.69K,R,P,35K,对于74系列，当R,P,=2K 时， 就达到1.4V。,综合两种情况R,P,应按此式选取,式2.4.6,牢记：R,P,大于2K欧姆时，输入等效为高电平；小于0.7K欧姆时，输入等效为低电平。,25,（四）输出特性,1.高电平输出特性,T,4,饱和前，V,OH,基本不随i,L,变，T,4,饱和后，V,OH,将随负载电流增加线性下降，其斜率基本由R,4,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,。,T,5,饱和，c-e间等效电阻不超过10欧姆，因此直线斜率很小。,r,ce,26,例：计算G,1,能驱动的同类门的个数。设G,1,满足：V,OH,=3.2V, V,OL,=0.2V。,16,解：,N,1,=16/1 =16,G,1,输出低电平,G,1,输出高电平,G,1,输出高电平时，最大允许输出电流为0.4mA；,每个负载门输入电流为I,IH,不超过0.04mA;故：,N,2,= 0.4/0.04 =10,综合N,1,N,2,应取N=10,N,称为门的,扇出系数。,每个负载门电流,G,1,门电流,0.2V,27,三、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，电阻以及寄生电容等因素引起的。,t,PLH,往往比t,PHL,大。,经常用平均传输延迟时间t,PD,来表示：,t,PD,=(t,PLH,+t,PHL,)/2,2.交流噪声容限,干扰信号作用时间短到与t,PD,相近时的噪声容限。,此时，t,W,越小，允许的干扰信号幅值越大。,28,3.电源动态尖峰电流,静态电流：,I,CCL,=i,B1,+i,C2,=(5-2.1)/4+(5-1)/1.6=3.2mA,I,CCH,=i,B1,=(5-0.9)/4=1mA,在动态情况下，会出现T,4,和T,5,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噪声。,29,四、其他类型的TTL门电路,（一）其他逻辑功能的门电路,1.与非门,T,1,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：,(2) 输入有低时，输出高电平。,此时A,B两端并联，T,1,成为一个三极管，结论成立。,(1) 输入全高时，输出低电平。,设A端输入0.2V，则T,I,基极电位为0.9V,此时无论B端状态如何，都不会影响T,1,基极电位。因此输出为高电平。,0.2V,0.9V,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。,返回34,30,2.或非门,或非门的原理可从两方面分析：,(1)输入全低，输出为高,A端为低电平，使T,2,截止；,B端为低电平，使 截止；,从而使T,5,截止，输出为高电平。,(2)输入有高，输出为低,若A端为高电平，使T,2,导通，此时无论 为何状态，都不会使T,2,截止。因此T,5,一定导通，使输出为低电平。,31,3.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。,Y= AB + CD,32,4.异或门,红框中的电路控制T,7,的状态。因此，当T,7,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T,5,和T,4,使T,7,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，T,4,T,5,全截止，使T,7,导通，输出低电平。,0,0,1,1,1,1,0,1,1,1,1,0,0,1,0,0,AB,B,A,从右表可得出该电路为异或门。,33,（二）集电极开路门（电路）(OC),O,pen,C,ollector Gate,目的：将门的输出端并联，实现,线与,：,Z= AB CD,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：,R,L,逻辑符号,使用时需外接电阻R,L。,当输入有低电平使T,5,截止时，只有很小的漏电流流入门里的T,5,的集电极。可认为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。,返回R,L,计算,返回36,34,负载电阻,R,L,的计算,图中电阻R,L,以下连线称为,总线,。,这是用集电极开路门连成总线结构的典型电路。其中负载电阻R,L,只需用一个即可。,总线电位用 表示。,分 =V,OH,和 V,OL,两种情况讨论：,总线。其电位 ，,矩形框表示,线与,当 V,OH,时,I,OH,I,OH,I,OH,I,OH,I,IH,I,IH,I,IH,I,IH,I,RL,I,RL,= nI,OH,+mI,IH,用上式求出R,L,的最大值。,输入,特性,OC门,35,当 总线为低电平V,OL,时：,当 =V,OL,时,I,R,L,I,L,V,OL,I,IL,I,L,= I,RL,+ I,LM,I,IL,由上式求出R,L,的最小值。,R,L,在求出的范围内取值。取值偏大会降低工作速度；取值偏小会增加电源功耗。,为提高速度，就必须保持输出高电平时的低内阻特性。从而引出,三态输出门(TS),。,只有一个门输出低电平是最不利情况。,输入端34,36,（三）三态输出门电路（TS）,Three-State Output Gate,EN为使能端，,高电平有效,。,EN为高电平时:,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：,T,2,T,5,截止，二极管D导通,T,4,基极电位被钳在4.3V，T,4,导通，,输出高电平,，但电位为2.9V。,3.6V,4.3V,2.9V,4.3V,EN为低电平时:,T,5,截止；T,4,基极电位被钳在,1V,因此，T,4,截止。从而输出端出现,高阻状态,。,如EN端只有一个非门，则为,低电平有效。,0.3V,37,在总线传输方面的应用如图。,接成总线方式时，在n个EN端中，每次最多只能有一个有效。,双向总线,38,多余输入端如何处理：,以与非门为例，,欲实现Y=AB=A 方法有2,方法1：应使B=1，途径：,1.接高电平；,2.接V,CC,；,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。,方法2：B=A,39,四、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,。,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T,3,、T,4,，因此速度明显提高。但功耗增大更明显。,可参考表2.4.1。,40,（二）74S系列,又称为肖特基系列。,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；,41,有源泄放电路,T,6,和R,B,R,C,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T,2,T,5,由截止转入导通时，T,5,早于T,6,导通，加速T,5,导通；缩短t,PHL,。,当T,2,T,5,由导通转入截止时，处于饱和的T,6,为T,5,基极提供反向泄放电流，加速T,5,截止。缩短t,PLH,。,有源泄放电路还改善了电压传输特性，因为有了T,6,后，T,2,不再先于T,5,导通。,由于T,5,浅饱和，使输出低电平偏高，最大可达0.5V。,42,（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,T,1,改为,SBD,与门以提高速度；,增加,D,3,D,4,以提高速度。,缺点：,传输特性曲线转折区左移使,阈值电压V,TH,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。,43,第六节 CMOS门电路,一、反相器（非门）,（一）工作原理,N沟道管开启电压V,GS(th)N,记为V,TN,;,P沟道管开启电压V,GS(th)P,记为V,TP,;,要求满足V,DD,V,TN,+|V,TP,|;,输入低电平为0V；高电平为V,DD,;,（1）输入为低电平0V时；,（2）输入为高电平V,DD,时；,T,1,截止；T,2,导通。i,D,= 0， =0V;,输入与输出间是逻辑非关系。,Complementary-Symmetry MOS .互补对称式MOS电路。,要求两管特性完全一样,T,2,截止；T,1,导通。i,D,= 0， =V,DD,;,44,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，T,1,与T,2,轮流导通，即所谓,互补,状态。,CC4000系列CMOS电路的V,DD,可在318V之间选取。,45,（二）静态特性,1.电压传输特性,V,V,T2截止，T1导通,T1截止，T2导通,T1，T2都导通,阈值电压,转折区变化率大，特性更接近理想开关。,阈值电压为V,DD,的一半，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）,V,NH,=V,NL,=30%V,DD,特点：,46,2.电流传输特性,A,当T,1,T,2,都导通时，i,D,不为0；输入电压为V,DD,/2时，i,D,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；若有负载电容，动态功耗也会增加，这也成为限制电路扇出系数的主要因素。,47,3.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，从而输入电流不为0。,A,i,I,由曲线可看出，输入电压在0V,DD,间变化时，输入电流为0；当输入电压大于V,DD,时，二极管D,1,导通；当输入电压小于0V时，二极管D,2,导通。,二极管D,2,和电阻R,S,串联电路的特性,二极管D,1,的特性,48,4 .输出特性,(1) 输出低电平,0,V,DD,增加相当于T,2,的V,GS,增加,T,2,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V,DD,=5V时，I,OL,的最大值为0.51mA；而在74HC系列中，该值为4mA。,49,(2) 输出高电平,0,0,I,OH,V,DD,V,OH,V,OH,= + V,DD,与输出低电平类似，此时T,1,工作在可变电阻区；当负载电流增加时，T,1,的V,DS,加，导致输出下降。,此时，I,OH,的最大值，与输出低电平时相同。,50,（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V,DD,影响，所以，V,DD,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门的扇出系数就是受传输延迟时间和下面要介绍的动态功耗等动态特性限制的。,51,2. 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t,W,小于电路的传输延迟时间时，输入噪声容限V,NA,将随t,W,缩小而明显增大。,传输延迟时间与电源电压和负载电容有关，因此V,DD,和C,L,都对交流噪声容限有影响。,动态情况下，T,1,T,2,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P,C,的公式：,P,C,=C,L,fV,2,DD,负载电容经T1、T2充、放电，也会产生功耗。,52,二、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R,ON,、门电路的输出电阻为R,O,。,输出电阻随输入状态变化。,使用带缓冲级的门电路可以克服上述缺点。,2.,或非门,特点：P沟道管串联、N沟道管并联；,2R,ON,R,ON,/2,1,1,R,ON,R,0N,0,1,R,ON,R,ON,1,0,R,ON,/2 2R,0N,0,0,R,O,（与非) R,O,（或非）,B,A,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,53,（二）带缓冲级的CMOS门电路,1.与非门：,Y= AB = A + B = A + B,2.或非门,Y = A + B = A B = A B,特点：输出电阻恒为R,ON,；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。,54,（三）漏极开路门电路（OD）,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，因此可以按OC门的办法连成总线形式。,特点：,V,DD1,和V,DD2,可取不同值；,允许灌入电流较大。如： CC40107在V,OL,R,TG,则,C=0时，传输门截止；C=1,传输门导通。,C,56,V,GS(th)P,V,GS(th)N,V,DD,0V,N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。,57,2.模拟开关,将电压传输系数定义如下：,K,TG,= =,采用改进电路的CMOS四模拟开关CC4066在V,DD,=15V时，R,TG,值不大于240,。而且在 变化时，R,TG,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。,58,（五）三态输出的CMOS门电路,59,三、改进的CMOS门电路,1.高速CMOS电路,CMOS电路的优点是低功耗、高抗干扰能力。缺点是速度低。改进后的CMOS电路的,速度,已达到TTL电路的水平。,右图说明MOS管的寄生电容情况。,减小寄生电容是提高速度的关键。,关键措施是采用,短沟道硅栅自对准工艺,。,高速CMOS通用系列是54HC/,74HC,系列。,它们采用+5V电源，输出高低电平与TTL电路兼容。平均传输业延迟时间小于10nS。与TTL电路相当。,60,2.Bi-CMOS电路,双极型-CMOS电路的简称。Bipolar-CMOS。,逻辑部分采用CMOS电路，输出部分采用双极型三极管。因此，它兼有CMOS电路低功耗和双极型电路低输出内阻的特点。,目前，Bi-CMOS反相器的传输延迟时间可达到1nS以下。,61,四、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；,62,3.CMOS电路锁定效应的防护,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,。,63,返回H系列,返回S系列,返回LS系列,表中,dp积,是,延迟功耗积,（Delay-Power Product），可用于衡量门电路的综合指标。,64,G,I,输出低电平时：,G,I,输出高电平时：,解上述两式可得：,【题2.9】,1,R,B,R,C,5V,G,1,4.7K,65,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,P,N,+,-,回5,66,P,N,+,-,N,+,e,b,c,回8,67,