第三章_邏輯門電路基礎-2011.ppt

1、第三章邏輯門電路基礎, 門電路概述 半導體二極管的開關特性 半導體三極管的開關特性 半導體MOS 管的開關特性 TTL 門電路 CMOS 門電路 TTL 電路與CMOS 電路的接口,3.1 概述,門電路：實現(xiàn)基本運算、復合運算的單元 電路，如: 與門、與非門、或,門電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1和0,獲得高、低電 平的基本原理,高/低電平都允許有一定的變化范圍,正邏輯：高電平表示1，低電平表示0負邏輯：高電平表示0，低電平表示1,3.2半導體二極管門電路半導體二極管的結構和外特性（Diode）,VI=VIH D截止VO=VOH=VCC VI=VIL D導通VO=VOL=0.7V,高電平：V

2、IH=VCC 低電平：VIL=0,輸入VI,輸出Vo,3.2.1 二極管的開關特性：,二極管的開關等效電路：,二極管的動態(tài)電流波形：,對二極管開關電路可得下列等效電路，如圖3-1-3(a)(b)(c)。內(nèi)阻rD，導通壓降VON忽略rD忽略rD及VON,設VCC = 5V VIH=3V;VIL=0V 二極管導通時VDF=0.6V,規(guī)定2.4V以上 為邏輯“1”,0.8V以下 為邏輯“0”,3.2.2 二極管與門,3.2.3 二極管或門,VCC=5V VIH=3V;VIL=0V 二極管導通時VDF=0.6V,規(guī)定2.4V以上 為邏輯“1”,規(guī)定0.8V以下 為邏輯“0”,3.3 TTL門電路3.3

3、.1 半導體三極管的開關特性,雙極型三極管的開關特性（BJT, Bipolar Junction Transistor）,一、雙極型三極管的結構 管芯 + 三個引出電極 + 外殼,基區(qū)薄 低摻雜,集電區(qū)低摻雜,發(fā)射區(qū)高摻雜,以NPN為例說明工作原理：,當VCC VBB be 結正偏, bc結反偏 e區(qū)發(fā)射大量的電子 b區(qū)薄，只有少量的空穴 bc反偏，大量電子形成IC,二、三極管的輸入特性和輸出特性,VON ：開啟電壓 硅管，0.5 0.7V 鍺管，0.2 0.3V 近似認為: VBE VON iB = 0 VBE VON iB 的大 小由外電路電壓， 電阻決定,三極管的輸出特性,固定一個IB值

4、，即得一條曲線，在 VCE 0.7V 以后，基本為水平直線,特性曲線分三個部分 放大區(qū)：條件VCE 0.7V, iB 0, iC隨iB成正比變化， iC=iB。 飽和區(qū)：條件VCE 0, VCE 很低，iC 隨iB增加變緩，趨于“飽和”。 截止區(qū)：條件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce間“斷開” 。,仿真見NPN.EWB,三、雙極型三極管的基本開關電路,當：VI=VIL時，T截止，VO=VOH 當：VI=VIH時，T導通，VO=VOL,i） 當VI VON時，三極管導通；基極電流iB,當三極管處于飽和狀態(tài)時的基極飽和電流為：,為保證 三極管 處于飽 和應使：,*注意：處于

5、飽和時小于處于線性放大區(qū)的值。 等效電路：,圖解分析法：,四、三極管的開關等效電路,截止狀態(tài),飽和導通狀態(tài),五、動態(tài)開關特性,從二極管已知，PN結存在電容效應。 在飽和與截止兩個狀態(tài)之間轉換時，iC 的變化將滯后于VI ，則VO的變化也滯后于VI。,六 、三極管反相器,三極管的基本開關電路就是非門實際應用中， 為保證VI=VIL時T可靠截止， 常在輸入接入負壓。,當：VI=VIL時，T截止，VO=VOH 當：VI=VIH時，T導通，VO=VOL,例3.4.1：計算參數(shù)設計是否合理,VIH=5V VIL=0V,=20；VCE(sat) = 0.1V,VEE=-8V,10K,3.3K,1K,Vcc

6、=5V,仿真見單管反相器-例.EWB,將發(fā)射極外接電路化為等效的VB與RB電路,當：,當：,又：,因此，參數(shù)設計合理,3.4 TTL反相器的電路結構和工作原理 一、電路結構，設,二、電壓傳輸特性,需要說明的幾個問題：,三、輸入噪聲容限,3.4.2 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,輸入特性,輸出特性,T5導通；T4截止。,2）輸出為低電平特性,* 當iL增大時，VOL線性增大，但斜率很小，iL 16mA。,例：扇出系數(shù)（Fan-out）， 試計算門G1能驅動多少個同樣的門電路負載。,一、傳輸延遲時間 1、現(xiàn)象,3.4.3 TTL反相器的動態(tài)特性,二、交流噪聲容限,當輸入信號為窄脈沖，且接近

7、于tpd時，輸出變化跟不上，變化很小，因此交流噪聲容限遠大于直流噪聲容限。,（b）負脈沖 噪聲容限,（a）正脈沖 噪聲容限,三、電源的動態(tài)尖峰電流,1.兩種靜態(tài)下的電源負載電流不等空載條件下：,*Vo=Vol時，T2,5導通，T4截至,*Vo=VoH時，僅T1導通，,2、動態(tài)尖峰電流,3.5其他類型的TTL門電路,一、其他邏輯功能的門電路 1. 與非門,2. 或非門,3.與或非門,4. 異或門,二、集電極開路的門電路,1、推拉式輸出電路結構的局限性 輸出電平不可調 負載能力不強，尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用 OC門,2.OC邏輯門的特點及應用,. 由于采用另外一組供電電源VCC，且一般

8、 VCC VCC ，故可以提高輸出邏輯高電平的電 壓值。 . 由于采用集電極開路輸出,具有較大的電流 驅動能力,而且可以輸出端并聯(lián)進一步增加電流 輸出能力. . 構成外部邏輯”線與”.,3、OC門的結構特點,OC門實現(xiàn)的線與,4、外接負載電阻RL的計算,三、三態(tài)輸出門（Three state Output Gate ,TS）,三態(tài)門的用途,3.5.4 TTL電路的改進系列 （改進指標： ),一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 1.電路的改進 (1)輸出級采用復合管（減小輸出電阻Ro） (2)減少各電阻值 2. 性能特點 速度提高 的同時功耗也 增加,二、肖特基系列74

9、S/54S（Schottky TTL）,1.電路改進 采用抗飽和三極管 用有源泄放電路代替74H系列中的R3 減小電阻值 2. 性能特點 速度進一步提高，電壓傳輸特性沒有線性區(qū)，功耗增大,三、低功耗肖特基系列74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL） 2.5 其他類型的雙極型數(shù)字集成電路* DTL：輸入為二極管門電路，速度低，已經(jīng)不用 HTL：電源電壓高，Vth高，抗干擾性好，已被CMOS替代 ECL：非飽和邏輯，速度快，用于高速系統(tǒng) I2L：屬飽和邏輯，電路簡單，用于LSI

10、內(nèi)部電路 ,3.6.1 CMOS門電路一.MOS管的開關特性,1、MOS管的結構,S (Source)：源極 G (Gate)：柵極 D (Drain)：漏極 B (Substrate):襯底,金屬層,氧化物層,半導體層,PN結,N溝道增強型：當加+VDS時，且VGS VGS (th)N D-S間形成導電溝道（N型層）, V GS (th)N 0,N型開啟電壓,P溝道增強型：當加-VDS時，且VGS VGS (th)P D-S間形成導電溝道（P型層）, V GS (th)P 0,P型開啟電壓,2、MOS管的基本開關電路,N型,3、等效電路,OFF ，截止狀態(tài) ON，導通狀態(tài),4、MOS管的四種

11、類型,增強型 耗盡型,大量正離子,導電溝道,3.6.2 CMOS反相器的電路結構和工作原理,一、工作原理,1、當Vi=VIL=0， 由于T2（N 型）,VGS2VGS（th）N，T2截止; 而T1（P ）,VGS1=-VDD VGS（th）P，T1導通。 輸出VO=VOH VDD,2、當Vi=VIH=VDD， 由于T2（N 型）,VGS2=VDD VGS2（th）N，T2導通; 而T1（P 型）,VGS1=0 VGS1（th）P，T1截止。 輸出VO=VOL0,N型,P型,二、電壓、電流傳輸特性,三、輸入噪聲容限,結論：可以通過提高VDD來提高噪聲容限,3.6.3 CMOS 反相器的靜態(tài)輸入和

12、輸出特性,一、輸入特性,二、輸出特性,3.6.4 CMOS反相器的動態(tài)特性,一、傳輸延遲時間,二、交流噪聲容限 三、動態(tài)功耗,3.7.1 其他類型的CMOS門電路,一、其他邏輯功能的門電路,帶緩沖極的CMOS門,1、與非門,帶緩沖極的CMOS門,2.解決方法,二、漏極開路的門電路（OD門）,N型,三、 CMOS傳輸門及雙向模擬開關,1. 傳輸門,N型,P型,2. 雙向模擬開關,四、三態(tài)輸出門,N型,P型,三態(tài)門的用途,3.8.1 TTL與CMOS電路的接口,* 驅動和負載門的關系,無論是用TTL電路驅動CMOS電路還是用CMOS電路驅動TTL電路，驅動門必須能為負載門提供合乎標準的高、低電平和

13、足夠的驅動電流，也就是必須同時滿足下列各式,驅動門 負載門,CMOS驅 動TTL,其中n和m分別為負載電流中IIH、IIL的格個數(shù)。,TTL驅動 CMOS,當TTL驅動CMOS電路時： TTL電路的VOH(min) 2.4V CMOS電路VIH(min) 3.5V。 當CMOS驅動TTL電路時： CMOS電路IOL(max) 0.5mA TTL電路 IIL(max) -1mA-1.6mA。,解決的方法有： a. 外接上拉電阻Ru，提高TTL輸出高電平值VOH(min)；,b. 用電平轉移的門電路 如CC40109轉換電平；,c. 用CMOS并聯(lián)；用CMOS驅動門；通過 三極管放大器。,例3.6.1 用TTL驅動CMOS(采用上拉電阻RU)。解： VOH = VDD - RU(IOH + IIH)，IOH 、IIH為高電平輸出電流。,和OC門同樣處理，因為當VA 3.4V時，一般TTL輸出T4截止，與OC門同樣。,例3.6.3 用CMOS + 電流放大（驅動）驅動TTL。,iB =