《数字电子线路～》PPT课件.ppt

2.1 概 述,第 2 章门电路,2.2 半导体管的开关特性,2.3 简单的与、或、非门电路,2.7 CMOS门电路,2.4 TTL集成门电路,继续,本章介绍两种类型：TTL和MOS门电路的内部结构、工作原理、逻辑功能、电气特性、主要参数等。,继续,TTL 即 Transistor-Transistor Logic,CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。,用互补对称 MOS 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SSI，MSI，而无法制作LSI和VLSI。CMOS电路的突出优点是：功耗极低，非常适合制作VLSI。随着其工艺不断进步，无论在工作速度还是驱动能力上，都已不比TTL逊色。CMOS已经取代TTL，成为IC的主导技术不过现有的旧设备中，有的仍在用TTL，因此了解TTL的某些知识仍有必要。,条件开关,输入信号满足一定条件时，门开启，允许信号通过。,开门状态：,关门状态：,输入信号条件不满足，门关闭，信号通不过。,一、什么是门电路？,用来实现基本逻辑运算和复合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。,门,（门电路是数字电路最为基本的逻辑单元）,2.1 概述,输出和输入之间存在着一定的逻辑关系。不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：,二、数字IC的分类,1.按集成度区分：,(SSI-Small Scale Integration)，每片组件 内包含10-100个元件(或10-20个等效门)。,(MSI-Medium Scale Integration)，每片组件 内含100-1000个元件(或20-100个等效门)。,(LSI-Large Scale Integration)，每片组件内 含1000-100 000个元件(或100-1000个等效门)。,(VLSI-Very Large Scale Integration)，内含100 000个元件(或1000个以上等效门)。,逻辑门触发器,编码器、译码器、数据选择器、加法器、计数器、移位寄存器,只读存储器、随机存取存储器、微处理器、专用数字信号处理器,2.按数字系统设计方法分：,（1）通用型中规模（MSI），小规模（SSI）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 字信号处理器等。,三、集成门的一般特性,1、电源电压是多少？,2、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,4、工作速度快不快？传输延迟时间,5、功耗大不大？,6、带负载能力是否强？扇入数和扇出数,1、电源特性：,TTL:（15）5V;,CMOS:(318）V,2、输入和输出的高、低电平：,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：VIH(min),输入低电平的上限值：VIL(max),输出高电平的下限值：VOH(min),低电平的上限值：VOL(max),VI Lmax,VOHmin,VIHmin,VOLmax,VI Lmax,VOHmin,VIHmin,VOLmax,输入,输出,3、噪声容限：,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;通常把这个不允许超过的界限叫做噪声容限。电路噪声容限越大，抗干扰能力越强。,（1）高电平噪声容限：,VNH=VOHmin-VIHmin,VNH,VNL,（2）低电平噪声容限：,VNL=VILmax-VOLmax,数字电路中，无论是对元、器件参数精度的要求，还是对供电电源稳定度的要求，都比模拟电路要低一些。而提高数字电路的运算精度，可以通过增加数字信号的位数达到。,4、传输延迟时间：,表征门电路开关速度的参数。,tr：上升时间,tf：下降时间,tw：脉冲宽度,上升沿,下降沿,tPHL：导通传输时间,tPLH：截止传输时间,平均传输延迟时间（Propagation delay),0,1,5、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。,延时功耗积:,6、扇入数和扇出数：,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 最大数目。,受最大输出电流IOHmax、IOLmax的限制。,（1）拉电流工作情况：,（2）灌电流工作情况：,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。实际PN结电荷有建立、存储和消散过程。,2.2 二、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，实质是其导通和截止之间的转化问题当脉冲信号频率很高时，开关状态转化速度非常快，百万次/秒，这就要求器件的导通和截止状态转换要在ns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？怎样才能加快器件的转换速度？,继续,（1）加正向电压UF时，二极管导通，忽略管压降。二极管相当于一个闭合的开关。,一、二极管的开关特性,1二极管的静态特性,继续,综合：二极管表现为一个受外加电压ui控制的开关。当外加电压vi为脉冲信号时，二极管将随脉冲的变化在“开”态与“关”态之间转换：动态特性。,（2）加反向电压时，二极管截止，忽略反向电流IS。二极管相当于一个断开的开关。,继续,2.二极管开关的动态特性,给二极管电路加入一个脉冲信号，电流的波形怎样呢？,ts为存储时间，tt称为渡越时间。trets十tt称为反向恢复时间,继续,正通反止,tt,ts,tre,vi,t,VF,-VR,IF,i,t,0.1IR,-IR,t1,反向过程为:,0t，二极管导通，则,t时，vI突变，二极管并不立即截止，而是电流由正向的IF变为一大的反向电流IR=VR/RL，维持时间ts后，经过tt，下降到0.1IR，此时二极管才进入反向截止,继续,PN结正向偏置,P,N,+,扩散长度LP,+,-,（2）产生ts的原因-电荷存储效应,继续,PN结改为反向偏置,由于电荷存储效应，反向电流大(ts),P,N,扩散长度LP,-,+,继续,N,P,+,_,内电场加强，使扩散停止，有少量漂移，反向电流很小,反向饱和电流很小，A级,继续,所以：产生ts的原因-电荷存储效应,总结：当外加正压，P区空穴向N扩散，N 区电子向P区扩散；P区存储了电子，N区存储了空穴，它们都是非平衡少数载流子。这一过程称为:电荷存储效应,继续,反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，远大于正向导通所需要的时间。即：二极管的开通时间很短，对开关速度的影响很小，以致可忽略不计。,因此，影响二极管的开关特性主要是反向恢复时间，而不是开通时间。,bjt,2.2.2 TTL的开关特性,一、双极型三极管的结构,二、双极型三极管的输入特性和输出特性,输出特性曲线,开启电压,饱和区,截止区,放大区,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，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。,三极管临界饱和时的基极电流：,ui=1V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ui分别为1V，0.3V，3V时的uo值,IBS，未饱和,ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在 截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：,uo=VCC=5V,截止状态,ui=UIL0.5V,uo=+VCC,ui3V时，三极管导通，基极电流：,uoUCES0.3V,饱和状态,iBIBS,ui=UIH,uo=0.3V,IBS，饱和,TTL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,+Vcc,0.3V,TTL动态开关特性,BJT的开关时间：是指BJT管由截止到饱和导通 或者由饱和导通到截止所需要的时间。,延迟时间td从+VB2加到集电极电流ic上升到0.1ICS所需要的时间；,上升时间tric从0.1ICS到0.9ICS所需要的时间；,开通时间ton=td+tr就是建立基区电荷时间,存储时间ts从输入信号降到-VB1到ic降到0.9ICS 所需要的时间；,下降时间tfic从0.9ICS降到0.1ICS所需要的时间。,关闭时间toff=ts+tf就是存储电荷消散的时间,2 MOS管的开关特性,CMOS-IC中，以MOS管作为开关器件,一、MOS管的结构和工作原理,金属铝,两个N区,SiO2绝缘层,P型衬底,导电沟道,N沟道增强型,源极,栅极,漏极,vGS=0时,D、S间相当于两个背靠背的PN结,不论D、S间有无电压,均无法导通导电,vGS0时,vGSVGS(th)后形成电场GB,把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余电子在上表面形成N型层（反型层）为D、S间的导通提供了通道。,VGS(th)称为阈值电压(开启电压）,源极与衬底接在一起,N沟道,vGS增大，iD增大,二、MOS管的输入、输出特性,栅极电流为零，无输入特性,输出特性曲线（漏极特性曲线）,夹断区（截止区）,用途：断开状态的电子开关。,特点:,D-S间电阻ROFF达千M欧以上,可变电阻区,特点:(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）管压降vDS 很小。,用途：做压控线性电阻和闭合状态的电子开关。,问：如果希望开关在闭合时更“理想”？如何选取vGS？,恒流区:(饱和区或放大区）,特点:(1)受控性：输入电压vGS控制输出电流iD,(2)恒流性：输出电流iD 不受输出电压vDS影响,用途:可做放大器和恒流源。,问：从特点(1)中能否看出特点(2)？,三、NMOS管的基本开关电路,当vI=vGSVGS(th)时，MOS管截止。D-S间相当于断开的开关，vOvDD,当vIVGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变电阻区。RON很小，D-S间相当于闭合的开关,vO0。,RD的范围：RON RD ROFF,四、MOS管的四种基本类型,在数字电路中，多采用增强型。,MOS管另外二种常用符号,栅极(gate),源极(source),漏极(drain),Vgs,N沟道MOS管,+,-,继续,栅极,源极,漏极,Vgs,P沟道MOS管,+,-,PMOS管的基本开关电路,1、PMOS的VGS(th)为负，越负，漏极电流越大2、当vI=0，MOS管截止，输出为低.VOL-VDD 3、当vI=vGS VGS(th)，MOS管导通，输出为高；VOH 0；,对漏极电阻RD的阻值要求？,总结,MOS开关的动态特性,开关状态下，只有一种载流子参与导电，没有大量存储电荷问题，影响开关速度、频率的主要是栅源电容、漏极电容、负载电容等MOS管导通电阻大于TTL饱和导通电阻，而且RD大于RC，因此MOS管对电容充放电时间长一些，即：MOS管开关速度小于TTL,