清华大学数电3门电路.ppt

1 第三章门电路 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 高电平 低电平 2 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 3 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 4 第三种 第二种 VON0 7V 第一种 0 5V 5 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 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 6 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 0V VA VB 0V D1 D2导通 VY 0 7V VA VB 3V D1 D2导通 VY 3 7V VA 3V VB 0V D2导通 D1截止 VY 0 7V VA 0V VB 3V D1导通 D2截止 VY 0 7V 缺点 1 电平偏移 2 负载能力差 7 三 二极管或门 D1 D2截止 D1 D2导通 D1截止 D2导通 D1导通 D2截止 8 一 MOS管的开关特性 1 MOS管的工作原理 Metal Oxide SemiconductorField EffectTransistor 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 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 第三节CMOS门电路 9 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 10 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 11 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 12 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 13 5 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 14 请参阅79页 表3 3 1 15 1961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路 英文IntegratedCircuit 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 SmallScaleIntegration 中规模集成电路MSI MediumScaleIntegration 大规模集成电路LSI LargeScaleIntegration 超大规模集成电路VLSI VeryLargeScaleIntegration 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 SymmetryMOS 互补对称式MOS电路 16 一 CMOS反相器的电路结构 N沟道管开启电压VGS th N记为VTN P沟道管开启电压VGS th P记为VTP 要求满足VDDVTN 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 17 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3 18V之间选取 其他系列以后介绍 可参阅表3 3 2 在106页 18 1 电压传输特性 T2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80 86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 19 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 20 2 电流传输特性 当T1 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 21 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 从而输入电流不总为0 由曲线可看出 输入电压在0 VDD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 22 4 输出特性 1 输出低电平 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 23 2 输出高电平 VOH 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 24 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VDD影响 所以 VDD也影响传输延迟时间 3 CMOS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 25 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 26 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 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 27 3 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 28 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VOL 0 5V的条件下 允许灌入的最大电流可达50mA 符号 A B Y 内部逻辑可以变化 二 漏极开路门电路 OD 29 负载电阻RL的计算 见95页 图中电阻RL以下连线称为总线 这是用漏极开路门连成总线结构的典型电路 其中负载电阻RL只需用一个即可 总线电位用表示 分 VOH和 VOL两种情况讨论 总线 其电位 与门符号表示线与 当 VOH时 IRL IRL nIOH mIIH 用上式求出RL的最大值 30 当总线为低电平VOL时 IRL IOL VOL IIL IOL IRL m IIL IOLmax 由上式求出RL的最小值 RL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 见96页例3 3 2 31 三 CMOS传输门 1 传输门 功能 可控制传输0V VDD间的模拟电压值 其逻辑符号如右 设 传输门的导通电阻为RTG 管T1和T2的导通电阻分别为RON1和RON2 则 RTG RON1 RON2 RL RTG RL 若满足RL RTG则 C 0时 传输门截止 C 1时 传输门导通 传输门可双向传输 32 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 33 将电压传输系数定义如下 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 模拟开关 组成逻辑电路 例如 异或门 见98页图3 3 37 2 传输门的应用 34 四 三态输出的CMOS门电路 35 三态门在总线方面的应用 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 36 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 37 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 38 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2 6V 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 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3 3 2 39 tpd 3 8ns 负载能力为24mA 3V电源 左右 电源电压1 65 3 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74ALVC系列 70 71页表 40 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 41 VON 0 7V ib IBS ic ICEO 0 iB 0 ic iB VCE sat 0 3V0V 反 反 反 正 正 正 IbIBS ICS VCC iCRCs 开关特性可归纳为下表 也是 特点 的一部分 42 2 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 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 43 3 三极管反相器 非门 例3 5 1 计算参数设计是否合理 原理 求基极回路的等效电路 44 45 1 电路结构 以74系列非门为例 2 工作原理 VCC 5V VIH 3 4V VIL 0 2V T1导通 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 9 0 3 0 2 二 TTL反相器的电路结构 工作原理和特性 TTL Transistor TransistorLogic 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 5 3 6 一 结构和原理 46 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 2V 0 7 1 4 2 1 4 1 3 4 1 0 也可以认为T5 倒置 c和e极交换 47 1 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 48 2 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 输入为其他电压时 IIL IIS 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 49 3 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 50 例3 5 2 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 16 G1输出低电平 G1输出高电平 G1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IIH 不超过0 04mA 故 N2 0 4 0 04 10 综合N1 N2 应取N 10 N即门的扇出系数 每个负载门电流 G1门电流 0 2V IIH 51 4 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 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 52 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 max 0 8V 解 当 VOH时 要求VIH min VOH IIHRPVIH min VOL RP VCC VBE VOL R1 RP 当 VOL时 要求VIL max VIL max RP0 69K RP35K 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3 5 9 上页 此时门2的输入电流为IIH 53 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 tPLH往往比tPHL大 经常用平均传输延迟时间tPD来表示 tPD tPLH tPHL 2 2 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 54 3 电源动态尖峰电流 静态电流 ICCL iB1 iC2 5 2 1 4 5 1 1 6 3 2mA ICCH 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噪声 55 三 其他类型的TTL门电路 3 5 5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 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 56 2 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 57 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 58 4 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 从右表可得出该电路为异或门 59 使用时需外接电阻RL 二 集电极开路门 电路 OC OpenCollectorGate 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 60 三 三态输出门电路 TS Three StateOutputGate EN 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 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 6V 4 3V 2 9V EN 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 3V 61 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 T4 因此速度明显提高 但功耗增大更明显 可参考表3 5 1 138页 表中延迟 功耗积pd Delay PowerProduct 可用于衡量门电路的综合性能 62 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 SchottkeyBarrerDiode 简称SBD 2 采用有源泄放电路 SBD特点 导通压降0 4 0 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 63 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 64 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 powerSchottky 低功耗肖特基系列 65 四 74AS系列 AdvancedSchottky 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 AdvancedLow powerSchottky 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 FastTTL 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3 5 1 66 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 67 74H 74S 74LS 74AS 68 回5 69 回41 70 71 回38页 回39页 72