數電學習第2章

1、第第2 2章章 邏輯門電路邏輯門電路 門電路是用以實現邏輯關系的電子電路，與我們門電路是用以實現邏輯關系的電子電路，與我們所講過的基本邏輯關系相對應，門電路主要有：所講過的基本邏輯關系相對應，門電路主要有：與門與門、或門或門、與非門與非門、或非門或非門、異或門異或門等。等。在數字電路中，一般用高電平代表在數字電路中，一般用高電平代表1 1、低電平代表、低電平代表0 0，即所謂的即所謂的正邏輯系統(tǒng)正邏輯系統(tǒng)。100VVcc只要能判斷高只要能判斷高低電平即可低電平即可正邏輯正邏輯+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCCBAF 2 21 1 二極管的開關特性二極管的開關特

2、性 第第2 2章章 邏輯門電路邏輯門電路 數字集成電路絕大多數都是由雙極型二極管、三數字集成電路絕大多數都是由雙極型二極管、三極管或單極型場效應管組成。這些晶體管大部分工作在極管或單極型場效應管組成。這些晶體管大部分工作在導通和截止狀態(tài)，相當于開關的導通和截止狀態(tài)，相當于開關的“接通接通”和和“斷開斷開” 。2 21 11 1 晶體二極管的開關特性晶體二極管的開關特性 靜態(tài)開關特性靜態(tài)開關特性 ：什么條件下導通，什么條：什么條件下導通，什么條件下截止件下截止 動態(tài)開關特性動態(tài)開關特性 ：導通與截止兩種狀態(tài)之間導通與截止兩種狀態(tài)之間轉換過程的特性轉換過程的特性 2 21 1 雙極型晶體管的開關特

3、性及簡單門雙極型晶體管的開關特性及簡單門 2 21 11 1 晶體二極管的開關特性晶體二極管的開關特性 1 1、晶體二極管靜態(tài)開關特性、晶體二極管靜態(tài)開關特性 （1 1）二極管正向導通時的特點及導通條件）二極管正向導通時的特點及導通條件 V VONON ：門檻電壓或稱閾值電壓、開啟電壓門檻電壓或稱閾值電壓、開啟電壓 V VD D ：導導通壓降通壓降 VD =0.7V 視為硅二極管導通的條件視為硅二極管導通的條件二極管正向導通時的等效電路二極管正向導通時的等效電路 2 21 1 雙極型晶體管的開關特性及簡單門雙極型晶體管的開關特性及簡單門 2 21 11 1 晶體二極管的開關特性晶體二極管的開關

4、特性 1 1、晶體二極管靜態(tài)開關特性、晶體二極管靜態(tài)開關特性 （1 1）二極管正向導通時的特點及導通條件）二極管正向導通時的特點及導通條件 （2 2）二極管反向截止時的特點及截止條件）二極管反向截止時的特點及截止條件 A. 截止條件：截止條件：v vD D V VONON B. 實際：實際：v vD00，保證二極管可靠截止，保證二極管可靠截止 C. V VZ Z：二極管的反向擊穿電壓：二極管的反向擊穿電壓 二極管截止時的等效電路二極管截止時的等效電路 VIVonVon：閾值：閾值( (開啟開啟) )電壓電壓 硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.1V。V VD D: :導通壓降導通壓降 硅管硅管0.6

5、0.7V,鍺管鍺管0.20.3V。VZ: 反向反向擊穿電壓擊穿電壓PNIs: 反向反向飽和電流飽和電流靜態(tài)特性：靜態(tài)特性： + ui RL +uo D開關電路 IF 0.5 0.7iD(mA) uD(V)伏安特性UBR0 + ui=0V RL +uo Dui=0V時的等效電路 + + ui=5V RL +uo D 0.7Vui=5V 時的等效電路uououi0V時，二極管截止，時，二極管截止，如同開關斷開，如同開關斷開，uo0V。ui5V時，二極管導通，如時，二極管導通，如同同0.7V的電壓源，的電壓源，uo4.3V。Ui0.5V時，時，二極管導通二極管導通。2 21 11 1 晶體二極管的開

6、關特性晶體二極管的開關特性 2 2、晶體二極管動態(tài)開關特性、晶體二極管動態(tài)開關特性 動態(tài)過程（過渡過程）：二極管導通和截止之間轉換過程動態(tài)過程（過渡過程）：二極管導通和截止之間轉換過程。t re反向恢復時間：二極管反向恢復時間：二極管從導通到截止所需時間。從導通到截止所需時間。 若二極管兩端輸入電壓的若二極管兩端輸入電壓的頻率過高，會使輸入負電頻率過高，會使輸入負電壓的持續(xù)時間小于它的反壓的持續(xù)時間小于它的反向恢復時間，此時二極管向恢復時間，此時二極管將失去其單向導電性。將失去其單向導電性。 反向恢復時間：反向恢復時間：從導通到截止所需時間。從導通到截止所需時間。 tre= ts + ttV

7、IiV1V2I1I2tretIs: 反向反向飽和電流飽和電流0動態(tài)特性：動態(tài)特性：ttsttts存儲時間存儲時間 tt渡越時間渡越時間（由于（由于PN結電容中存有電荷結電容中存有電荷電荷存儲效應）電荷存儲效應）二極管開通時間很短二極管開通時間很短 , 可忽略不計。可忽略不計。二極管的反二極管的反向恢復時間向恢復時間限制了二極限制了二極管的開關速管的開關速度。度。2 22 2 雙極型晶體三極管雙極型晶體三極管(BJT)(BJT)的開關特性的開關特性 三極管具有飽和、放大和截止三種工作狀態(tài)，在三極管具有飽和、放大和截止三種工作狀態(tài)，在數字電路中，靜態(tài)主要工作于飽和和截止狀態(tài)數字電路中，靜態(tài)主要工作

8、于飽和和截止狀態(tài) 。NPN型硅三極管開關電路及其特性型硅三極管開關電路及其特性 2 22 2 雙極型晶體三極管的開關特性雙極型晶體三極管的開關特性 （1 1）三極管的截止狀態(tài)和可靠截止的條件）三極管的截止狀態(tài)和可靠截止的條件 當當v vI I很小，如很小，如v vI I0.5V0.5V時時 ：A.vA.vBEBE小于開啟電壓，小于開啟電壓，B BE E 間，間，C CE E間都截止間都截止 B.B.C.C.三極管工作在三極管工作在Q Q1 1點或點或Q Q1 1點以下位置，三極管的這點以下位置，三極管的這種工作狀態(tài)叫截止狀態(tài)種工作狀態(tài)叫截止狀態(tài) NPNNPN硅三極管截止的條件為硅三極管截止的條

9、件為v vBEBE0.5V0.5V，可靠截止的條件為，可靠截止的條件為v vBEBE0V0V。 2 22 2 雙極型晶體三極管的開關特性雙極型晶體三極管的開關特性 （2 2）三極管的放大狀態(tài)）三極管的放大狀態(tài) 當輸入電壓當輸入電壓v vI I0.7V0.7V時時 ：A. vA. vBEBE大于開啟電壓，大于開啟電壓，B BE E 間導通間導通 B. B. v vBEBE被鉗在約被鉗在約0.70.7V V， C.C.三極管工作在三極管工作在Q Q2 2點附近點附近, ,于于Q Q1 1和和Q Q3 3之間之間, ,三極管的三極管的 這種工作這種工作狀態(tài)稱為放大狀態(tài)。狀態(tài)稱為放大狀態(tài)。 2 22

10、2 雙極型晶體三極管的開關特性雙極型晶體三極管的開關特性 （3 3）三極管的飽和狀態(tài)和可靠飽和的條件）三極管的飽和狀態(tài)和可靠飽和的條件 當輸入電壓當輸入電壓v vI I增加增加 ：A. iA. iB B增加，工作點上移，當工作點上移至增加，工作點上移，當工作點上移至Q Q3 3點時，三點時，三極管進入臨界飽和狀態(tài)。極管進入臨界飽和狀態(tài)。 B. iB. iB B再增加，輸出再增加，輸出i iC C將不再明顯變化將不再明顯變化 。 C.C.工作點向上移至工作點向上移至Q Q3 3點以上，飽和深度增加，進入可靠點以上，飽和深度增加，進入可靠飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)。 V VCECE= =V VCESCES

11、0.3V0.3V 當輸入電壓當輸入電壓v vI I增加增加 ：三三極管的開關特性極管的開關特性 NPN型三極管截止、放大、飽和3 種工作狀態(tài)的特點工作狀態(tài)截 止放 大飽 和條 件iB00iBIBSiBIBS偏置情況發(fā)射結反偏集電結反偏uBE0，uBC0，uBC0，uBC0集電極電流iC0iCiBiCICSce間電壓uCEVCCuCEVCCiCRcuCEUCES0.3V工作特點ce間等效電阻很大，相當開關斷開可變很小，相當開關閉合Q2ui iB e Rb biC (mA) 直流負載線 VCC Rc 0+VCCiC uo工作原理電路輸出特性曲線80A60A40A20AiB=00 UCES VCC

12、uCE(V) 0 0.5 uBE(V)輸入特性曲線iB(A)Q1Q Rc cRbRc+VCCb ce截止狀態(tài)截止狀態(tài)飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)iBIBSui=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCb ce0.7V0.3V飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)放放大大區(qū)區(qū) 10k ui iB e Rb b +VCC=+5V iC uo Rc 1k c =50 ui=0.3V時，因為時，因為uBE0.5V，iB=0，三極管工作在截止狀，三極管工作在截止狀態(tài)，態(tài)，ic=0。因為。因為ic=0，所以輸，所以輸出電壓：出電壓：ui=1V時，三極管導通，基極電流：時，三極管導通，基極電流：因為因為

13、0iBIBS，三極管工作，三極管工作在飽和狀態(tài)。輸出電壓：在飽和狀態(tài)。輸出電壓：uoUCES0.3V2 22 2 雙極型晶體三極管的開關特性雙極型晶體三極管的開關特性 三極管的截止狀態(tài)三極管的截止狀態(tài)三極管的飽和狀態(tài)三極管的飽和狀態(tài)NPNNPN型硅三極管開關等效電路型硅三極管開關等效電路 三極管作為開關使用時只需要：飽和狀態(tài)和截止狀態(tài)三極管作為開關使用時只需要：飽和狀態(tài)和截止狀態(tài) 輸入信號為高電壓時，應使三極管可靠地飽和；輸入信號為高電壓時，應使三極管可靠地飽和； 輸入信號為低電壓時，應使三極管可靠地截止。輸入信號為低電壓時，應使三極管可靠地截止。 2 22 2 雙極型晶體三極管的開關特性雙極

14、型晶體三極管的開關特性 （4 4）三極管開關的過渡過程）三極管開關的過渡過程 ton = td +tr ton開通時間開通時間 toff = ts +tf toff關斷時間關斷時間 td：延遲時間，上升到延遲時間，上升到0.1Icmaxtr：上升時間，上升時間， 0.1Icmax到到0.9Icmaxts：存儲時間，下降到存儲時間，下降到0.9Icmaxtf：下降時間，下降到下降時間，下降到0.1Icmaxtd-延遲時間延遲時間(Delay time)，為從輸入信號正躍變，為從輸入信號正躍變瞬間到瞬間到iC 上升到上升到0.1ICmax所需的時間。所需的時間。 開通時間開通時間 ton :為從輸

15、入信號正躍變瞬間到為從輸入信號正躍變瞬間到iC 上升上升到最大值到最大值ICmax的的90所經歷的時間。所經歷的時間。ton = td +trtr-上升時間上升時間(Rise time)，是集電極電流，是集電極電流iC 從從0.1ICmax上升到上升到0.9ICmax所需的時間。所需的時間。ts-存儲時間存儲時間 (Storage time)：從輸入信號的負躍：從輸入信號的負躍變瞬間到變瞬間到iC 下降到下降到0.9ICmax所需的時間。所需的時間。關斷時間關斷時間toff ：從輸入信號負躍變的瞬間，到：從輸入信號負躍變的瞬間，到iC 下降到下降到0.1ICmax所經歷的時間。所經歷的時間。t

16、off = ts +tftf-下降時間下降時間(Fall time)：從：從0.9ICmax下降到下降到0.1ICmax所需的時間。所需的時間。 ton和和toff一般約在幾十納秒（一般約在幾十納秒（ns=10-9 s）范圍。）范圍。通常都有通常都有toff ton，而且，而且ts tf 。 ts 的大小是影響三極管速度的最主要因素，的大小是影響三極管速度的最主要因素，要提高三極管的開關速度就要設法縮短要提高三極管的開關速度就要設法縮短ton與與toff ，特別是要縮短特別是要縮短ts 。2 23 3 基本邏輯門電路基本邏輯門電路 2 23 31 1 二極管與門及或門電路二極管與門及或門電路

17、晶體管門電路晶體管門電路( (分立元件分立元件) ) 集成電路集成電路 ( (TTLTTL和和MOS)MOS)可編程邏輯器件可編程邏輯器件(CPLD、FPGA)數字數字電路電路1、二極管、二極管“與與”門電路門電路 D D1 1D D2 2導通導通D D1 1D D2 2導通導通D D1 1截止截止D D2 2導通導通D D1 1導通導通D D2 2截止截止2 2、二極管、二極管“或或”門電路門電路 BAYD D1 1D D2 2導通導通D D1 1D D2 2導通導通D D1 1截止截止D D2 2導通導通D D1 1導通導通D D2 2截止截止例：已知二極管三輸入與門和三輸入或門以及三個例

18、：已知二極管三輸入與門和三輸入或門以及三個輸入信號的波形，根據與邏輯和或邏輯的功能，對輸入信號的波形，根據與邏輯和或邏輯的功能，對應輸入信號分別畫出與門和或門的輸出信號波形。應輸入信號分別畫出與門和或門的輸出信號波形。 2 23 31 1 三極管非門三極管非門 R1DR2AF+12V +3V三極管非門三極管非門uA uF 3V 0.3 0V 3.7 鉗位二極管鉗位二極管AF T T導通導通T T截止截止R1DR2F+12V +3V三極管非門三極管非門D1D2AB+12V二極管與門二極管與門DTL與非門與非門ABP 例：例：由圖所示電路，根據輸入波形，畫出輸出由圖所示電路，根據輸入波形，畫出輸出

19、Y Y的波形。的波形。解：由圖可以看出，輸出解：由圖可以看出，輸出Y Y= =Y Y1 1+ +Y Y2 2= =ABAB+ +CDCD，根據，根據“與與”邏輯和邏輯和“或或”邏輯的性質，畫出輸出邏輯的性質，畫出輸出Y Y的波形的波形 2 24 4 TTLTTL門電路門電路晶體管門電路晶體管門電路( (分立元件分立元件) ) 集成電路集成電路 ( (TTLTTL和和MOS)MOS)可編程邏輯器件可編程邏輯器件(CPLD、FPGA)數字數字電路電路集成電路優(yōu)點集成電路優(yōu)點: :體積小、耗電少、重量輕、可靠性高等。體積小、耗電少、重量輕、可靠性高等。 RTL（Resister-Transistor

20、 Logic）電阻晶體管邏輯；）電阻晶體管邏輯；DTL（Diode-Transistor Logic）二極管晶體管邏輯；）二極管晶體管邏輯；HTL（High-Threshold Logic）高閾值邏輯；）高閾值邏輯；TTL（Transistor -Transistor Logic）晶體管晶體管邏輯）晶體管晶體管邏輯；ECL（Emitter Coupled Logic）發(fā)射極耦合邏輯；）發(fā)射極耦合邏輯；I2L（Integrated Injection Logic）集成注入邏輯）集成注入邏輯(IIL)。 常見的數字集成電路分為雙極型和單極型兩大工藝類常見的數字集成電路分為雙極型和單極型兩大工藝類

21、雙雙極極型型PMOS型型;NMOS型型;CMOS型型 單單極極型型2 24 4 TTLTTL門電路門電路2 24 41 TTL1 TTL與非門與非門 （1 1）輸入級）輸入級 1 1、TTLTTL與非門的電路結構與工作原理與非門的電路結構與工作原理 輸出級輸出級組成組成: : V V1 1和和R R1 1多發(fā)射極三多發(fā)射極三極管極管, ,實現實現與邏輯與邏輯 D D1 1D D2 2保護保護（2 2）分相級）分相級 輸入級輸入級組成組成: : V V2 2和和R R2 2、R R3 3（3 3）輸出級）輸出級 分相級分相級組成組成 ：V V3 3、V V4 4和和R R4 4、D D3 3T1

22、ABCB1C1ABCB1(a)(b) (1) 輸入級：由多發(fā)射極管輸入級：由多發(fā)射極管V1和電阻和電阻R1組成。作用是對輸入變量組成。作用是對輸入變量A、B、C實現與邏輯，實現與邏輯，V1可以等效為二極管與門的形式?？梢缘刃槎O管與門的形式。在流過在流過R R1 1的電流相同的電流相同的情況下，使輸出的情況下，使輸出管管V V4 4有更大的基極電有更大的基極電流，提高了帶負載流，提高了帶負載能力并提高了開關能力并提高了開關速度。速度。 (2) 中間級：由中間級：由V2、 R2和和R3組成。組成。V2的集電極和發(fā)射極輸的集電極和發(fā)射極輸出兩個相位相反的信號，作為出兩個相位相反的信號，作為V3和

23、和V5的驅動信號。的驅動信號。V V3 3和和V V4 4：推拉式電路。：推拉式電路?？偸且粋€導通而另一總是一個導通而另一個截止，有效地降低個截止，有效地降低了輸出級的靜態(tài)功耗，了輸出級的靜態(tài)功耗，提高了與非門的負載提高了與非門的負載能力。能力。(3) 輸出級：由輸出級：由V3、V4、D3和和R4組成，這種電路形式稱組成，這種電路形式稱為為推拉式電路（推挽式電路）推拉式電路（推挽式電路）。 1 1、任一輸入為低電平（、任一輸入為低電平（0.30.3V V）時）時“0”1.4V不足以讓不足以讓T2、T5導通導通三個三個PN結結導通需導通需2.1VTTL與非門的工作原理與非門的工作原理 “0”1.

24、4VvoVo=5-VR2-Vbe3-VD3 3.6V 輸出輸出高電平！高電平！1 1、任一輸入為低電平（、任一輸入為低電平（0.30.3V V）時）時TTL與非門的工作原理與非門的工作原理 2 2、輸入全為高電平（、輸入全為高電平（3.63.6V V）時）時“1”全導通全導通電位被鉗電位被鉗在在2.1V全反偏截止全反偏截止 1V截止截止TTL與非門的工作原理與非門的工作原理 2 2、輸入全為高電平（、輸入全為高電平（3.63.6V V）時）時TTL與非門的工作原理與非門的工作原理 全反偏全反偏“1”飽和飽和vo=0.3VABY Vo=0.3V 輸出輸出低電平！低電平！D D1 1D D2 2保

25、護保護- -0.7V2 24 4 TTLTTL門電路門電路2 24 41 TTL1 TTL與非門與非門 2 2、TTLTTL與非門的電氣特性及參數與非門的電氣特性及參數 TTLTTL與非門的電氣特性主要包括電壓傳輸特性、輸入輸出特性和動態(tài)特性。與非門的電氣特性主要包括電壓傳輸特性、輸入輸出特性和動態(tài)特性。 （1 1）電壓傳輸特性）電壓傳輸特性 v0(V)vi(V)123VOH(3.6V)VOL(0.3V)傳輸特性曲線傳輸特性曲線v0(V)vi(V)123VOH“1”VOL(0.3V)閾值閾值Vth=1.4V理想的傳輸特性理想的傳輸特性輸出高電平輸出高電平輸出低電平輸出低電平電壓傳輸特性電壓傳輸

26、特性截止區(qū)截止區(qū)線性區(qū)線性區(qū)轉折區(qū)轉折區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū) 空載時，輸出高電壓空載時，輸出高電壓VOH3.6V， 帶載后，其輸出電壓有所帶載后，其輸出電壓有所下降。下降。（a） 輸出高電壓輸出高電壓VOHTTL產品規(guī)定產品規(guī)定:標準值標準值VOSH=3V，下限值下限值VOH（min）=2.4V。VOH當輸入為低電壓當輸入為低電壓VIL時，輸時，輸出為高電壓出為高電壓VOH ?？蛰d時，空載時，T4工作于深飽和狀工作于深飽和狀態(tài)，輸出低電壓態(tài)，輸出低電壓VOL0，帶，帶負載后，負載后，T4的飽和程度降低的飽和程度降低，VOL隨之上升。隨之上升。（b）輸出低電壓）輸出低電壓VOL TTL產品規(guī)定產品規(guī)定:

27、標準值標準值VOSL=0.3V，上限值上限值VOL（max）=0.5V。VOL 當輸入全為高電壓當輸入全為高電壓VIH時，時，輸出為低電壓輸出為低電壓VOL。 傳輸特性曲線上轉折區(qū)中點傳輸特性曲線上轉折區(qū)中點所對應的輸入電壓，既是所對應的輸入電壓，既是T4截止截止和導通的分界線，也是輸出高、和導通的分界線，也是輸出高、低電平的分界線。稱此輸入電壓低電平的分界線。稱此輸入電壓為為閾值電壓或門坎電壓閾值電壓或門坎電壓Vth。（c）閾值電壓）閾值電壓 Vth Vth VBE2VBE40.70.71.4 V 在分析中，常將在分析中，常將Vth視為決定與非門工作狀視為決定與非門工作狀態(tài)的關鍵值態(tài)的關鍵值

28、(轉折點轉折點)。認為：。認為：當當VIVth時，與非門處于開門狀態(tài)，輸出為低時，與非門處于開門狀態(tài)，輸出為低電壓電壓VOL。當當VIVth時，與非門處于關門狀態(tài)，輸出為高時，與非門處于關門狀態(tài)，輸出為高電壓電壓VOH；&（d）噪聲容限）噪聲容限在保證輸出為高電平的條件下，在保證輸出為高電平的條件下，輸入端低電平上允許的最大干擾輸入端低電平上允許的最大干擾電壓為電壓為低電平噪聲容限低電平噪聲容限VNL在保證輸出為低電平的條件下，在保證輸出為低電平的條件下，輸入端高電平上允許的最大干擾輸入端高電平上允許的最大干擾電壓為電壓為高電平噪聲容限高電平噪聲容限VNHVNL越大，表明與非門輸入低越

29、大，表明與非門輸入低電平時，抗正向干擾的能力越電平時，抗正向干擾的能力越強。標準產品的噪聲容限為：強。標準產品的噪聲容限為：VNLVILVOL VNH越大，表明與非門輸入高越大，表明與非門輸入高電平時，抗負向干擾的能力越電平時，抗負向干擾的能力越強。標準產品的噪聲容限為：強。標準產品的噪聲容限為： VNHVOHVIH2 2、TTLTTL與非門的電氣特性及參數與非門的電氣特性及參數 （1 1）電壓傳輸特性）電壓傳輸特性 （2 2）輸入、輸出特性）輸入、輸出特性 &？前級輸出為高電平時前級輸出為高電平時前級前級后級后級流出前級流出前級電流電流I IOHOH（拉電流）（拉電流）R1v1+5V

30、前級輸出為低電平時前級輸出為低電平時R1T1+5V前級前級后級后級流入前級的電流流入前級的電流I IIL IL 約約 1 1.6mA.6mA ( (灌電流灌電流) )扇出系數與門電路輸出驅動同類門的個數扇出系數與門電路輸出驅動同類門的個數+5VR4R2V3V1前級前級V1V1IiH1IiH3IiH2IOH前級輸出為前級輸出為 高電平時高電平時后級后級+5VR2R14kV2R3T1V4b1c1前級前級IOLIiL1IiL2IiL3前級輸出為前級輸出為 低電平時低電平時扇出系數與門電路輸出驅動同類門的個數扇出系數與門電路輸出驅動同類門的個數輸出低電平時，流入前級的電流（灌電流）：輸出低電平時，流入

31、前級的電流（灌電流）： 2iL1iLOLIII輸出高電平時，流出前級的電流（拉電流）：輸出高電平時，流出前級的電流（拉電流）： 2iH1iHOHIII標準標準TTL系列器件，系列器件，規(guī)范值為規(guī)范值為NO8 。I IOLOL（maxmax）越大越大, ,帶灌電流負載能力越強帶灌電流負載能力越強; ; I IOHOH（maxmax）越大越大, ,帶拉電流負載能力越強。帶拉電流負載能力越強。 （3 3）、平均傳輸延遲時間）、平均傳輸延遲時間tviotvoo50%50%tPLHtPHL平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間)(21PHLPLHpdttt輸出波形相對輸入波形的滯后時間稱為傳輸延遲時間輸出波形

32、相對輸入波形的滯后時間稱為傳輸延遲時間 tpd集成電路的平均傳輸延集成電路的平均傳輸延遲時間的單位是納秒遲時間的單位是納秒（3-403-40nsns）。）。 空載功耗是指與非門空載時電源總電流空載功耗是指與非門空載時電源總電流ICC與電源與電源電壓電壓VCC的乘積。的乘積。（4）、空載功耗）、空載功耗標準標準TTL門，空載導通功耗門，空載導通功耗PON 32mW。輸出高電平時的功耗稱為輸出高電平時的功耗稱為空載截止功耗空載截止功耗POFF ，輸出低電平時的功耗稱為輸出低電平時的功耗稱為空載導通功耗空載導通功耗PON 。POFF VCCICCH，PON VCCICCL，顯然，顯然，PONPOFF

33、。Rvi“1”,“0”？注意：懸空的輸入端注意：懸空的輸入端?？R R較小時較小時v vi iV0時時VGS足夠大時足夠大時（VGSVT），），電子導電為主電子導電為主N型導電溝道。型導電溝道。感應出電子感應出電子VT稱為閾值電壓稱為閾值電壓PNNGSDVDSVGSVGS較小時，較小時，導電溝道相當導電溝道相當于電阻將于電阻將D-S連接起來，連接起來，VGS越大此電越大此電阻越小。阻越小。PNNGSDVDSVGS當當VDS不太大不太大時，導電溝時，導電溝道在兩個道在兩個N區(qū)區(qū)間是均勻的。間是均勻的。當當VDS較較大時，靠大時，靠近近D區(qū)的區(qū)的導電溝道導電溝道變窄。變窄。PNNGSDVDSVGS

34、VDS增加，增加，VGD=VT時，時，靠近靠近D端的溝端的溝道被夾斷，道被夾斷，稱為予夾斷。稱為予夾斷。夾斷后夾斷后ID呈呈恒流特性。恒流特性。ID1. NMOS管的開關特性管的開關特性轉移特性曲線轉移特性曲線 輸出特性曲線輸出特性曲線 符號符號 當當vGS VT ，且，且vDS0，若，若vGD VT ，且，且vDS0，若，若vGDVT時，時， D-S間有間有導通溝道，呈低阻狀態(tài)，導通溝道，呈低阻狀態(tài)， iD隨隨vDS增大線性上升，則增大線性上升，則MOS管工作于線性區(qū)，管工作于線性區(qū)，vGS不同，斜率不同。不同，斜率不同。vGS 越大，曲線越越大，曲線越陡，陡，D-S之間的等效電阻越小。之間

35、的等效電阻越小。rDS(on)一般在一般在1k以下。線以下。線性區(qū)也稱為可變電阻區(qū)、未飽和區(qū)，相當于雙極型三極管性區(qū)也稱為可變電阻區(qū)、未飽和區(qū)，相當于雙極型三極管的飽和區(qū)。的飽和區(qū)。（3）線性區(qū)：）線性區(qū)：（4）NMOS管的開關特性管的開關特性（a）當）當vIvGS 109），），傳輸門處于截止傳輸門處于截止（斷開）狀態(tài)。（斷開）狀態(tài)。1C當當C = 0， 時，時，若若0VIVDDVTN，則，則TN導通；導通；若若|VTP|VIVDD，則，則TP導通。導通。因此，當因此，當vI在在0 VDD之間變化時，之間變化時，TN和和 TP必有一個導必有一個導通，使通，使vI與與vO間呈低阻態(tài)（間呈低阻態(tài)

36、（1k），），傳輸門處于導通傳輸門處于導通（傳輸）狀態(tài)。（傳輸）狀態(tài)。0C當當C = 1， 時時 最簡單的三態(tài)輸出的電路即是在邏輯門的輸出最簡單的三態(tài)輸出的電路即是在邏輯門的輸出端串接一個傳輸門，用使能端控制傳輸門的傳輸控端串接一個傳輸門，用使能端控制傳輸門的傳輸控制端，那么輸出端就有邏輯制端，那么輸出端就有邏輯1、邏輯、邏輯0和高阻三種狀和高阻三種狀態(tài)了。態(tài)了。 4、CMOS三態(tài)門三態(tài)門 從邏輯功能和應用的角度上講，從邏輯功能和應用的角度上講，CMOS三態(tài)門和三態(tài)門和TTL三態(tài)門沒什么區(qū)別。但在電路結構上，三態(tài)門沒什么區(qū)別。但在電路結構上，CMOS三三態(tài)門電路要簡單得多。態(tài)門電路要簡單得多。

37、EN=1,Y高阻高阻EN=0,Y=A如如 O C 門 那 樣 ，門 那 樣 ，CMOS輸出電路也輸出電路也可以做成漏極開路可以做成漏極開路的形式。這種結構的形式。這種結構常用在輸出緩沖常用在輸出緩沖驅動器中，或用于驅動器中，或用于電平轉換電平轉換。此外也。此外也可用于實現可用于實現“線與線與”邏輯。邏輯。5、CMOS漏極開路門（漏極開路門（OD門）門）6、CMOS集成電路使用注意事項集成電路使用注意事項 （1）注意檢查）注意檢查電源電壓電源電壓應在允許范圍內應在允許范圍內 （2）負載適配問題（）負載適配問題（帶載能力帶載能力） （3）連線連線應盡可能短（信號畸變、相互干擾）應盡可能短（信號畸變

38、、相互干擾） （4）如果）如果環(huán)境溫度環(huán)境溫度變化劇烈，應選用溫度性能優(yōu)良的變化劇烈，應選用溫度性能優(yōu)良的器件器件 （5）防靜電防靜電（感應電勢會將柵極擊穿）（感應電勢會將柵極擊穿） （6）焊接焊接（接地、防過熱、防時間過長）（接地、防過熱、防時間過長）（7）輸入輸出端：）輸入輸出端：CMOS電路不用的輸入端，不電路不用的輸入端，不允許懸空，必須按邏輯要求接允許懸空，必須按邏輯要求接VDD 或或VSS 。 輸出端不允許直接與輸出端不允許直接與VDD 或或VSS 連接，否則將導致連接，否則將導致器件損壞。器件損壞。（8）電源：）電源： VDD 接電源正極，接電源正極，VSS 接電源負極接電源負極

39、 （通常接地），不允許反接，嚴禁帶電操作。通常接地），不允許反接，嚴禁帶電操作。（9）輸入信號：）輸入信號： 輸入信號輸入信號vI不允許超出電源電壓范不允許超出電源電壓范圍（圍（VDDVSS ），輸入端的電流不得超過），輸入端的電流不得超過10mA。 先接電源，再接信號源，先接電源，再接信號源，（10）接地：）接地： 所有測試儀器，外殼必須有良好的接所有測試儀器，外殼必須有良好的接地。地。晶體管門電路晶體管門電路( (分立元件分立元件) ) 集成電路集成電路 (TTL(TTL和和MOS)(MOS)(單極型和雙極型）單極型和雙極型）可編程邏輯器件可編程邏輯器件(CPLD、FPGA)數字數字電路電

40、路2 22 2 晶體管晶體管- -晶體管邏輯門晶體管邏輯門( (TTL)TTL) 2 22 23 TTL3 TTL集成電路的系列產品集成電路的系列產品 2 23 3 其他類型雙極型數字集成電路其他類型雙極型數字集成電路 2 24 MOS4 MOS集成門電路集成門電路 PMOS型型;NMOS型型;CMOS型型 單單極極型型2 24 MOS4 MOS集成門電路集成門電路 2 24 41 1 NMOS NMOS管和管和PMOSPMOS管管 1 1、NMOSNMOS管的開關特性管的開關特性 G G：柵極或稱控制極：柵極或稱控制極D D：漏極：漏極S S：源極：源極B B：襯底：襯底晶體管的三個區(qū)：截止

41、區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)晶體管的三個區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)MOS管的三個區(qū)：管的三個區(qū)：截止區(qū)截止區(qū)、恒流區(qū)和、恒流區(qū)和線性區(qū)線性區(qū)V VT T：開啟電壓，也叫閾值電壓，一般為（：開啟電壓，也叫閾值電壓，一般為（2 23 3V V） 1 1、NMOSNMOS管的開關特性管的開關特性 特性曲線特性曲線（1 1）當）當v vI Iv vGSGS V VT T時，截止區(qū)時，截止區(qū)i iD D0mA0mA，v vO O V VDDDDi iD D R RD DV VDDDDR RDSDS（offoff）極大，約為極大，約為10109 9以上以上（2 2）當）當v vI Iv vGSGSV VT T時，恒

42、流區(qū)時，恒流區(qū) （3 3）當）當v vI Iv vm m時，線性區(qū)時，線性區(qū) v vO O0V0V，i iD D很大，很大，等效電阻等效電阻R RDSDS（onon）很小，約為幾百歐姆很小，約為幾百歐姆 2 2、PMOSPMOS管的開關特性管的開關特性 （1 1）當）當v vI I= =0V0V，v vSG SG = -= -v vI I=0V-=0V-= 10V-V VT T，線性區(qū)，線性區(qū) )(onDSDRRVvO0VVvDDO10RDS（off）2 24 MOS4 MOS集成門電路集成門電路 2 24 41 1 NMOS NMOS管和管和PMOSPMOS管管 2 24 42 2 CMOS

43、CMOS集成邏輯門集成邏輯門 1 1、CMOSCMOS反相器反相器 CMOS CMOS反相器是由反相器是由NMOSNMOS管管T T1 1和和PMOSPMOS管管T T2 2組成的組成的互補式電路互補式電路。通常。通常以以PMOSPMOS管作負載管管作負載管，NMOSNMOS管作驅動管作驅動管管。采用單一正電源供電。采用單一正電源供電。 T T1 1和和T T2 2的的柵極柵極G G并聯并聯為反相器為反相器的的輸入端輸入端，漏極漏極D D并聯并聯作為反相器作為反相器的的輸出端輸出端。工作時，。工作時，T T2 2的源極接的源極接電源正極電源正極，T T1 1的源極接地的源極接地。 （1 1）電

44、路結構）電路結構 1 1、CMOSCMOS反相器反相器 （2 2）工作原理）工作原理 A.A.當輸入信號當輸入信號V VI I= =V VILIL=0V=0V時時NMOSNMOS管的柵源電壓管的柵源電壓v vGS1GS1=0=0V VT1T1，所以，所以T T1 1管截止管截止, ,內阻高達內阻高達10108 8；PMOSPMOS管的柵源電壓管的柵源電壓v vGS2GS2= -= -V VDDDDV VT2T2，即即| |v vGS2GS2|V VT2T2| |，T T2 2管導通管導通，導通，導通電阻電阻小于小于1 1kk。V VOHOHV VDDDDB.B.當輸入信號當輸入信號v vI I

45、= =V VIHIH= =V VDDDD時時NMOSNMOS管的柵源電壓管的柵源電壓v vGS1GS1= =V VDDDD V VT1 T1 ，所，所以以T T1 1管導通管導通, ,導通電阻導通電阻小于小于1 1k k ；PMOSPMOS管的柵源電壓管的柵源電壓| |v vGS2GS2|=0|=010109 9）。（3 3）當）當C C = =1 1， 時時, ,0CA.A.若若0 0V VI IV VDDDDV VT1T1，則，則T T1 1導通導通；B.B.若若| |V VT2T2|V VI IV VDDDD， 則則T T2 2導通導通。 CMOS電路電路的優(yōu)點的優(yōu)點、靜態(tài)功耗小。、靜態(tài)

46、功耗小。、允許電源電壓范圍寬（、允許電源電壓范圍寬（3 18V）。）。3、扇出系數大，抗噪容限大。、扇出系數大，抗噪容限大。CMOS電路電路的注意：的注意： CMOS CMOS電路不用的輸入端，電路不用的輸入端，不允許懸空不允許懸空，必須按邏輯要求接必須按邏輯要求接V VDD DD 或或V VSS SS 。 7、CMOS集成電路系列產品集成電路系列產品 （1）4000/4500系列系列 （2）54/74HC系列系列 54 HC /74 HC MOS系列系列（簡稱簡稱54/74 HC）是高速）是高速CMOS系列集系列集成電路，具有成電路，具有54/74LS系列的工作速度系列的工作速度和和CMOS

47、固有的低功耗及工作電壓范圍固有的低功耗及工作電壓范圍寬的特點。寬的特點。 2.5邏輯門電路使用中的幾個問題邏輯門電路使用中的幾個問題1、TTL驅動驅動CMOS：&CMOS采用采用+5V電源時，可以直接驅動：電源時，可以直接驅動：&TTLCMOSCMOS電源較高時，不能直接驅動：電源較高時，不能直接驅動：&+VDD（318V）&TTLOC門門CMOSR普通普通TTL可采用電平轉換器可采用電平轉換器二、二、CMOS驅動驅動TTL：&CMOS采用采用+5V電源時，可以直接驅動電源時，可以直接驅動TTL：&TTLCMOSCMOS電源較高時，不能直接驅動電

48、源較高時，不能直接驅動TTL，可，可采用電平轉換器。采用電平轉換器。三、三、TTL和和CMOS驅動負載驅動負載：&1?？梢灾苯域寗有‰娏髫撦d：?？梢灾苯域寗有‰娏髫撦d：TTL或或CMOS+5V220 2。大電流負載可以加驅動電路：。大電流負載可以加驅動電路：3。多余輸入端的處理：。多余輸入端的處理：TTL門電路：門電路：懸空的輸入端相當于接高電平，為懸空的輸入端相當于接高電平，為了防止干擾，可將懸空的輸入端接高電平。了防止干擾，可將懸空的輸入端接高電平。CMOS電路：電路：多余多余輸入端不能懸空，必須相應地輸入端不能懸空，必須相應地接高電平或低電平。接高電平或低電平。1、二極管具有單向

49、導電性，可作為開關使用。、二極管具有單向導電性，可作為開關使用。硅二極管導通壓降約硅二極管導通壓降約0.7V，鍺二極管約為鍺二極管約為0.3V。若忽略導通壓降，可近似看作理想開關。若忽略導通壓降，可近似看作理想開關。小結小結PN2、三極管是雙極型、電流控制元件，輸出特性曲線、三極管是雙極型、電流控制元件，輸出特性曲線有三個區(qū)，截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。有三個區(qū)，截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。NPN型三極管，當型三極管，當vBE0.5V時，截止，時，截止，iB0，iC0，C-E之間相當于斷開的開關。之間相當于斷開的開關。當當vBE0.5V，且，且iBIBS時，飽和，時，飽和，vBE=VBES0.7V，vCE=VCES0.3V，C-E之間相當于閉合的開關。之間相當于閉合的開關。當當vBE0.5V，且，且iBIBS時，放大狀態(tài)，時，放大狀態(tài)，vBE=0.50.7V，iC=iB， vCE=VCC-iCRC。數字電路中，三極管主要工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。