数字电路课件第3章.ppt

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1、,3.1 二极管的开关特性,3.3 基本逻辑门电路,3.4 TTL逻辑门电路,3.2 BJT的开关特性,3.7 逻辑门电路使用中的几个实际问题,3.6 正负逻辑问题,3.5 CMOS逻辑门电路,3 逻辑门电路,教学基本要求,1、了解半导体器件的开关特性。2、掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或门）、三态门、OC门的逻辑功能。3、学会逻辑电路逻辑功能分析。4、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的 接口问题。,3 逻辑门电路,实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。,1 逻辑门电路：,2 逻辑门电路的分类：,二极管门电路,三极管门电路,TTL门电路,MOS门电路,PMOS门,CMOS门,逻辑门

2、电路,分立,集成,NMOS门,TTL-三极管-三极管,HTL 高阈值,ECL 射极耦合,I2L 集成注入,概 述,构成数字逻辑电路的基本元件,3 高、低电平产生的原理,当S闭合，vO=,当S断开，vO=,概 述,0 V,+5 V,(低电平),(高电平),理想的开关应具有两个工作状态：,接通状态：,断开状态：,要求阻抗越小越好，相当于短路（导通）,要求阻抗越大越好，相当于开路（截止）,end,概 述,3.1 二极管的开关特性,一、数字电路中，二极管工作在开关状态：,二极管正向导通时：导通电阻很小，两端相当于短路；,二极管反向截止时：等效电阻很大，两端相当于开路。,当脉冲信号的频率很高时，开关状态

3、的变化速度很快，每秒可达百万次，这就要求器件的开关转换速度要在微秒甚至纳秒内完成。,二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止状态之间的转换过程（即动态特性）：,二、二极管的动态特性,在0t1期间，vi VF时，D导通，电路中有电流流过：,1.二极管从正向导通到反向截止的过程,二、二极管的动态特性,1.二极管从正向导通到反向截止的过程,：,通常将二极管从导通转为截止所需的时间称为反向恢复时间:tre=ts+tt,存储时间,渡越时间,在t1 时，突然I VR时，电路中电流 i=?,反向恢复时间一般在纳秒数量级。,1.二极管从正向导通到反向截止的过程,二、二极管的动态特性,正向（饱和）电流愈大，电荷

4、的浓度分布梯度愈大，存储的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。,产生反向恢复的过程的原因：存储电荷消散需要时间,1.二极管从反向截止到正向导通的过程,二、二极管的动态特性,结论：二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，可以忽略不计。二极管的动态特性主要考虑反向恢复时间。,二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。,原因是：PN结加正偏电压时，其正向压降很小，比VF小得多，故电路中的正向电流IF VF/RL。主要由外电路参数决定。,end,11,3.2 BJT的开关特性,1.BJT的开关作用,2.BJT的开关时间,12,3.2 BJT的开关特性,1.BJT的开关作用,IBS=VCC/Rc

5、ICS=VCC/Rc CEVCES0.2V,-VB1,+VB1,13,1.BJT的开关作用,3.2 BJT的开关特性,14,iCICS,2.NPN 型 BJT 截止、放大、饱和三种工作状态的特点,15,3.BJT的开关时间,开通时间 ton=td+trtd 延迟时间 tr 上升时间,关闭时间 toFF=ts+tfts存储时间 tf-下降时间,开关时间随管子类型的不同而不同，一般为几十几百纳秒。开关时间越短，开关速度越高。一般可用改进管子内部构造和外电路的方法来提高三极管的开关速度。,end,16,3.3 基本逻辑门电路,2.3.1 二极管与门电路,2.3.2 二极管或门电路,2.3.3 非门电

6、路 三极管反相器,17,3.3.1 二极管与门电路,二极管与门电路,与逻辑符号,18,0 v,若输入端中有任意一个为0V,另两个为+5V,输入与输出电压关系,3.3.1 二极管与门电路,19,5 v,A、B、C三个都输入高电平+5V,3.3.1 二极管与门电路,真 值 表,20,二极管或门电路,二极管或门电路,21,输入端A、B、C都为0V,0 V,或逻辑真值表,二极管或门电路,22,输入端中有任意一个为+5V,或逻辑真值表,二极管或门电路,5 V,23,三极管反相电路,3.3.3 非门电路 三极管反相器,反相器传输特性,24,当输入为逻辑0时:,0,vcc,1,非逻辑真值表,非逻辑真值表,3

7、.3.3 非门电路 三极管反相器,0,1,25,当输入为逻辑1时:,1,0.3v,0,非逻辑真值表,3.3.3 非门电路 三极管反相器,end,0,1,1,0,26,3.4 TTL逻辑门电路,3.4.7 改进型TTL门电路抗饱和TTL电路,3.4.1 基本的BJT反相器的动态性能,3.4.2 TTL反相器的基本电路,3.4.3 TTL反相器的传输特性,3.4.4 TTL与非门电路,3.4.5 TTL与非门的技术参数,3.4.6 TTL或非门、集电极开路门和,三态门电路,27,3.4.1 基本的BJT反相器的动态性能,TTL反相器的产生:,若考虑基本反相器负载电容CL的影响，在反相器输出电压O由

8、低向高过渡时，电路由VCC通过Rc对CL充电。,vcc,Rc,T,CL,反之，当O由高向低过渡时，CL又将通过BJT放电。CL的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压O波形的上升时间和下降时间，导致基本的BJT反相器的开关速度不高。故需寻求更为实用的TTL电路结构。,28,1.TTL反相器的基本电路,2.TTL反相器的工作原理,3.采用输入级以提高工作速度,4.采用推拉式输出级以提高开关速度,和带负载能力,3.4.2 TTL反相器,29,1.TTL反相器的基本电路,输入级,中间级,输出级,3.4.2 TTL反相器,30,2.TTL反相器的工作原理,（1）当输入为低电平（I=0.2

9、V）,0.9V,0.2V,OVCCVBE4VD 50.70.7=3.6V,3.4.2 TTL反相器,31,2.TTL反相器的工作原理,当输入为高电平（I=3.6 V）,3.6V,4.3V,2.1V,1.4V,0.2V,3.4.2 TTL反相器,32,3.采用输入级以提高工作速度,（1）当TTL反相器I由3.6V变0.2V的瞬间,0.9V,1.4V,T1管的变化先于T2、T3管的变化；,T1管Je正偏、Jc反偏，T1工作在放大状态。,T1管射极电流1 iB1很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷,从而加速了状态转换。,3.4.2 TTL反相器,33,4.采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力,

10、当输出为低电平时，T3处于深度饱和状态，T4截止，T3的集电极电流可以全部用来驱动负载。,输出为高电平时，T3截止，T4组成的电压跟随器的输出电阻很小，所以输出高电平稳定，带负载能力也较强。,3.4.2 TTL反相器,波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后，CL很快放电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。,输出端接有负载电容CL时，在 输出由低到高跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小，使输出,34,I很低，T1的发射结为正向偏置。T1饱和使T2、T3截止，同时T4和D导通。O=3.6V。,I=B，T1仍维持饱和。但B2=C1增大使T2的发射结刚好正偏。B2=I+VCES，I(B)=VFVCES=

11、0.6V0.2V0.4V,CD段：当I的值继续增加C点后，使T3饱和导通，O0.2V I(D)=BE3+BE2CES1=(0.7+0.70.2)V=1.2V,当I的值从D点再继续增加时，T1将进入倒置放大状态，保持O=0.2V,B2=I，BC段的斜率为dO/dI=Rc2/Re2=1.6。,I B时，由T1的集电极供给T2的基极电流，但T1仍保持为饱和状态。在BC段内，T2对I的增量作线性放大:,*3.4.3 TTL反相器的传输特性,35,3.4.4 TTL与非门,1.TTL与非门电路,多发射极BJT,36,2.TTL与非门电路的工作原理,任一输入端为低电平时:T1的发射结正向偏置而导通，T2截

12、止。输出为高电平。,TTL与非门各级工作状态,只有当全部输入端为高电平时：T1将转入倒置放大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。,3.4.4 TTL与非门,37,各种类型的TTL门电路，其传输特性大同小异。,VOHVO(A)3.6V,VOLVCES 0.2V,VIL VI(B)0.4V,VIH VI(D)1.2V,1、TTL与非门传输特性,2、输入、输出的高、低电压,3.4.5 TTL与非门的技术参数,38,3.TTL与非门噪声容限,输入噪声容限:,输入高电平的噪声容限为 VNH=VOH(min)VIH(min),输入低电平的噪声容限为 VNL=VIL(max)VOL(max),当电路受到干

13、扰时，在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。,3.4.5 TTL与非门的技术参数,39,4.扇入与扇出系数,扇入数:取决于门的输入端的个数,扇出数:带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:,负载门,驱动门,0,当负载门的个数增加时，总的灌电流IIL将增加,引起输出低电压VOL的升高。,带灌电流负载：输出低电平时。,IIL,IOL,3.4.5 TTL与非门的技术参数,40,4.扇入与扇出系数,扇入数:取决于门的输入端的个数,扇出数:带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:,负载门,驱动门,1,3.4.5 TTL与非门的技术参数,0,1,带拉电流负载

14、：门输出高电平时,当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低。,IIH,IOH,41,例 查得基本的TTL与非门7410的参数如下：IOL16mA，IIL1.6mA，IOH0.4mA，IIH0.04mA.试计算其带同类门时的扇出数。解：(1)低电平输出时的扇出数,(2)高电平输出时的扇出数,若NOLNOH，则取较小的作为电路的扇出数。,例题：扇出数计算举例,3.4.5 TTL与非门的技术参数,42,电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。,5.传输延迟时间,平均传输延迟时间 tPd,tPLH 为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间;tPHL为由高电平转换

15、到低电平所经历的时间。,(tPLHtPHL)/2,表征门电路开关速度的参数,43,6.功耗与延时功耗积,1、功耗分为:,静态功耗：,动态功耗：,对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。,2、延时功耗积,DP=tpdPD,3.4.5 TTL与非门的技术参数,指的是当电路没有状态转换时的功耗,是在门的状态转换的瞬间的功耗。,是一综合性的指标，用DP表示，其单位为焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。,44,1.TTL或非门,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,45,1.TTL或非门,TTL或非门的逻辑电路,若二输入端为低电平,0.9 v,0.2 v,0.2 v,0.9 v,3.

16、6V,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,46,1.TTL或非门,若A、B两输入端都为高电平,2.1 v,3.6 v,3.6v,2.1 v,0.3V,问题：若A、B两输入端中有一个为高电平，输出L=?,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,47,2.集电极开路门(Open Collector Gate),vOH,vOL,X,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,48,2.集电极开路门,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,49,集电极开路门上拉电阻Rp 的计算,在极限情况，上拉电阻Rp具有限制电流的作用。以保证IOL不超过额定值IOL(max)，故必须合理选用

17、Rp的值。,另一方面，Rp的大小影响OC门的开关速度，Rp的值愈大，因而开关速度愈慢,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,50,集电极开路门上拉电阻Rp 的计算举例,例2.4.2 设TTL与非门74LS01(OC)驱动八个74LS04(反相器)，试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设VCC5V。,解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL=400A，VIH(min)=2V，IIH=20A。,IIL(total)=400A8=3.2mA,得,VCC=5V，IIH(total)=20A8=0.16mA。,Rp的值可在985至18.75k,

18、之间选择,可选1k的电阻器为宜。,所以,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,51,集电极开路门的缺点：,由于OC门输出不是推拉式(Totem)结构，电路的上升延迟很大，这是因为：T3退出饱和状态很慢；对输出负载电容的充电电流只能通过外接的RL来提供。因此，输出波形的上升沿时间很大。,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,52,3.三态与非门(TSL),三态钳位电路,3.6V,1.4V,0.7V,当CS=1时,三态与非门真值表,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,53,当CS=0时,0.2V,0.9V,低电平,0.9V,开路,3.三态与非门(TSL),三态与非门真值表

19、,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,54,另一种形式的三态与非门：,3.三态与非门(TSL),三态与非门真值表,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,55,三态与非门的应用：两个三态门和总线相连,电路1、2只能有一个处于正常态,若要求D1向BUS传送，则应有：,若要求D2向BUS传送，则应有：,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,56,三态与非门的应用：双向传输,当CS=0时，门1工作，门2禁止，数据从A送到B；,当CS=1时，门1禁止，门2工作，数据从B送到A。,3.4.6 TTL或非门、OC门和三态门电路,57,3.6 CMOS逻辑门电路,3.6.1 CMOS

20、反相器,3.6.2 CMOS门电路,3.6.3 BiCMOS门电路,3.6.4 CMOS传输门,3.6.5 CMOS逻辑门电路的技术参数,3.6.0 复习MOS管的有关知识,58,3.6.0 复习MOS管的有关知识,大规模集成芯片集成度高，所以要求体积小，而TTL系列不可能做得很小，但MOS管的结构和制造工艺对高密度制作较之TTL相对容易，下面我们介绍MOS器件。,与双极性电路比较，MOS管的优点是功耗低，可达0.01mw，缺点是开关速度稍低。在大规模的集成电路中，主要采用的CMOS电路。,59,3.6.0 复习MOS管的有关知识,1.N沟道MOS管的结构,P型衬底,沟道区域,绝缘层,60,V

21、GS=0时，则D、S之间相当于两个PN结背向的串联，D、S之间不通，iD0。,3.6.0 复习MOS管的有关知识,2.工作原理,反型层（导电沟道）,当G、S间加上正电压，且VGSVT时，栅极与衬底之间形成电场，吸引衬底中的电子到栅极下面的衬底表面，形成一个N型的反型层构成D、S之间的导电沟道。,VT被称为MOS管的开启电压。,由于VGS 0时，无导电沟道，在增强VGS 电压后形成导电沟道，所以称这类MOS管为增强型MOS管。,P型衬底,61,3.6.0 复习MOS管的有关知识,2.工作原理,反型层（导电沟道）,P型衬底,N沟道增强型MOS管具有以下特点：,当VGSVT 时，管子导通，导通电阻很

22、小，相当于开关闭合。,当VGSVT 时，管子截止，相当于开关断开；,同样，对P沟道增强型MOS管来说：,当|VGS|VT|时，管子截止，相当于开关断开；,当|VGS|VT|时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。,62,3.6.1 CMOS反相器,1.CMOS反相器的工作原理2.CMOS反相器的特点3.CMOS反相器的传输特性4.CMOS反相器的工作速度,63,1.CMOS反相器的工作原理,64,当vI=0 V时,VDD,1.CMOS反相器的工作原理,VGSN=0 VTN,TN管截止；,|VGSP|=VDDVTP,电路中电流近似为零（忽略TN的截止漏电流）,VDD主要降落在TN上，输出为高

23、电平VOH,TP管导通。,VDD,65,当vI=VOH=VDD时,1.CMOS反相器的工作原理,VGSN=VDD VTN,TN管导通；,|VGSP|=0 VTP,TP管截止。,此时，VDD主要降在TP管上，输出为高电平VOL:,66,2.CMOS反相器的特点,因而CMOS反相器的静态功耗极小（微瓦数量级）。,T1和T2只有一个是工作的，,67,3.CMOS反相器的工作速度,在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。,平均延迟时间：10ns,小,小,68,CMOS 门电路,1、与非门,二输入“与非”门电路结构如图,当A和B为高电平时:,1,0,1,0,1,

24、1,当A和B有一个或一个以上为低电平时:,电路输出高电平,输出低电平,电路实现“与非”逻辑功能,69,2.或非门电路,1,当A、B全为低电平时,3.6.2 CMOS 门电路,输出为高电平时,70,2.或非门电路,当输入端A、B都为高电平时，,当A、B全为低电平时，,3.6.2 CMOS 门电路,当A、B中有一个为高电平时,0,1,1,输出为高电平时,输出为低电平时,输出必为低电平时,71,3.异或门电路,由或非门和与或非门组成,72,3.4.4 CMOS传输门,1.CMOS传输门电路(TG),是一种传输信号的可控开关，截止电阻107，导通电阻几百，所以是一个理想的开关。,结构对称，其漏极和源极

25、可互换，它们的开启电压|VT|=2V。,它广泛地用于采样保持电路、斩波电路、模数和数模转换电路等。,73,2、CMOS传输门电路的工作原理,设TP和TN的开启电压|VT|=2V，且输入模拟信号的变化范围为5V到+5V。,当c端接低电压5V时,5V,+5V,5V+5V,开关断开,当 c端接高电压+5V,+5V,5V,I3V,I+3V,3V+3V,一管导通程度愈深，另一管导通愈浅，导通电阻近似为一常数。,74,3.CMOS逻辑门电路的技术参数,CMOS门电路的性能比较,75,3.8 正负逻辑问题,1、正负逻辑规定,在逻辑电路中，输入和输出一般都用电平来表示。若用H和L分别表示高、低电平，则门电路的

26、功能可用如图所示的电平表来描述。,正逻辑与非门,负逻辑或非门,二、正负逻辑的等效变换,与非,或非，,或，,非,非,与,3.9 逻辑门电路使用中的几个实际问题,一、TTL与CMOS门电路之间的接口技术,1、TTL驱动CMOS,-电平匹配问题,采用0C门,3.9 逻辑门电路使用中的几个实际问题,一、TTL与CMOS门电路之间的接口技术,1、TTL驱动CMOS,-电平匹配问题,采用专用电平移动器40109,3.9 逻辑门电路使用中的几个实际问题,2、CMOS驱动TTL,-增加驱动电流问题,采用三极管反相器作接口,3.9 逻辑门电路使用中的几个实际问题,2、CMOS驱动TTL,-增加驱动电流问题,采用专用器件作接口,2,10,3.9 逻辑门电路使用中的几个实际问题,二、TTL与CMOS门电路外接负载问题,三、抗干扰措施,自学,1、多余输入端的处理措施,2、去耦合电容每个芯片加接0.1F电容滤除开关噪声，同时将10-100F的电容与直流电源并联，滤除不需要的频率成分,3、接地及安装工艺,