《数字电子技术基础》第五版 阎石 第3章 课件PPT.ppt 130页

'门电路第三章 本章总的要求：熟练掌握TTL和CMOS集成门电路输出与输入间的逻辑关系、外部电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性和动态特性等；掌握各类集成电子器件正确的使用方法。重点：TTL电路与CMOS电路的结构与特点. 3.1概述门电路是用以实现逻辑运算的电子电路，与已经讲过的逻辑运算相对应。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。正逻辑：高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0。负逻辑：高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1。获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。 3.2半导体二极管门电路§3.2.1半导体二极管的开关特性Ui>0.5V时，二极管导通。Ui<0.5V时，二极管截止，iD=0。 ui＝0V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。 ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝4.3V。 当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电场的作用下，形成较大的反向电流。经过ts后，存储电荷显著减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。当外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向电流的建立稍微滞后一点。反向恢复时间（几纳秒内） 反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，它远大于正向导通所需要的时间。这就是说，二极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响很小，以致可以忽略不计。因此，影响二极管的开关时间主要是反向恢复时间，而不是开通时间。 §3.2.2二极管与门Y=A·BABY §3.2.3二极管或门Y=A+B 3.3CMOS门电路§3.3.1MOS管的开关特性在CMOS集成电路中，以金属－氧化物－半导体场效应管（MOS管)作为开关器件。一、MOS管的结构和工作原理PNNGSD金属铝两个N区SiO2绝缘层P型衬底导电沟道 GSDN沟道增强型源极栅极漏极 vGS=0时PNNGSDvGSvDSiD=0D、S间相当于两个背靠背的PN结SDB不论D、S间有无电压，均无法导通，不能导电。 PNNGSDVDSVGSvGS>0时vGS足够大时（vGS>VGS(th)），形成电场G—B,把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余的电子在上表面形成了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沟道可以通过改变vGS的大小来控制iD的大小。 二、MOS管的输入、输出特性对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为零。输出特性曲线（漏极特性曲线） 夹断区（截止区）用途：做无触点的、断开状态的电子开关。条件：整个沟道都夹断特点： 可变电阻区特点:(1)当vGS为定值时,iD是vDS的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受vGS控制。（2）管压降vDS很小。用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。条件：源端与漏端沟道都不夹断 恒流区：(又称饱和区或放大区）特点:(1)受控性：输入电压vGS控制输出电流(2)恒流性：输出电流iD基本上不受输出电压vDS的影响。条件:(1)源端沟道未夹断(2)漏端沟道予夹断用途:可做放大器和恒流源。 三、MOS管的基本开关电路当vI=vGSVGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合的开关,vO≈0。 四、MOS管的四种基本类型GSDN沟道耗尽型GSDN沟道增强型 GSDP沟道增强型GSDP沟道耗尽型在数字电路中，多采用增强型。 §3.3.2CMOS反相器工作原理PMOS管NMOS管CMOS电路VDDT1T2vIvO一、电路结构当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。 VDDTPTNvIvOvI=0截止vo=“１”导通 vI=1VDDT1T2vIvO导通vo=“０”截止静态下，无论vI是高电平还是低电平，T1、T2总有一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。 二、电压传输特性和电流传输特性电压传输特性阈值电压VTHT1导通T2截止T2导通T1截止T1T2同时导通 电流传输特性T2截止T1截止CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。 输入低电平时噪声容限：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称为输入端噪声容限。输入高电平时噪声容限：三、输入端噪声容限 噪声容限－－衡量门电路的抗干扰能力。噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL＝30％VDD，且随VDD的增加而加大。 因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。§3.3.3CMOS反相器的静态输入输出特性一、输入特性 iI(mA)-0.70VDD+0.7vI(V)在正常的输入信号范围内，即–0.7V0.7V,vI<1.3V,T2导通，T5截止，T2工作在放大区。（线性区）二、电压传输特性 CD段：vI≈1.4V,vB1≈2.1V,T2、T5同时导通，T4截止，输出电位急剧下降为低电平。（转折区）二、电压传输特性 DE段：vI>1.4V,vI继续升高,vo不再变化，保持低电平0.3V。（饱和区）二、电压传输特性 输出高电平VOH、输出低电平VOLVOH2.4VVOL0.4V便认为合格。典型值VOH=3.4VVOL0.3V。阈值电压VTH(门槛电压)vIVTH时，认为vI是高电平。VTH=1.4V 输入低电平时噪声容限：输入高电平时噪声容限：三、输入端噪声容限 一.输入特性:§3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性输入短路电流IIS(IIL)高电平输入电流IIH 二.输出特性TTL反相器高电平输出特性由于受到功耗的限制手册上给出的高电平输出电流的最大值要比5mA小得多。74系列IOH(max)=0.4mA 二.输出特性TTL反相器低电平输出特性IOL(max) 前后级之间电流的联系？ 前级输出为高电平时前级（驱动门）后级（负载门）前级流出电流IOH（拉电流）1发射结反偏,输入电流IIH很小(几十μA) 前级输出为低电平时前级（驱动门）后级（负载门）0流入前级的电流IOL(灌电流)输入低电平时的输入电流IIL，大约为－1mA。 扇出系数－－驱动同类门的个数。灌电流工作时：拉电流工作时：扇出系数NO取NOL、NOH中较小的一个。扇出系数－－衡量门电路的带负载能力。IILIOLIIHIOH 例3.5.2解：VOL=0.2V时，驱动门输出电流IOL=16mA,每个负载门的输入电流为IIL=－1mA。VOH=3.2V时，驱动门输出电流IOH=－7.5mA,但手册规定|IOH|<0.4mA,故取|IOH|=0.4mA;每个负载门的输入电流为IIH=40μA。扇出系数NO=10 输入端“1”,“0”？三.输入端负载特性 在一定范围内，uI随RP的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1=2.1V，RP增大，由于uB1不变，故uI=1.4V也不变。这时T2和T5饱和导通，输出为低电平。1.4开门电阻RON(2KΩ左右） (1)关门电阻ROFF——在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RP的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈0.7kΩ。(2)开门电阻RON——在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RP的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON≈2kΩ。数字电路中要求输入负载电阻RP≥RON或RP≤ROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令ROFF≤RP≤RON使电路处于转折区。 10KΩ例：判断如图TTL电路输出为何状态？Y0=010Y1=1Y01110ΩY1Y2=010VCCY210KΩ 1.悬空的输入端相当于接高电平。2.为了防止干扰，一般应将悬空的输入端接高电平。说明 例3.5.3解：vO1=VOH、vI2≥VIH(min)时应满足：VOH－IIHRP≥VIH(min)vO1=VOL、vI2≤VIL(max)时因此，RP不应大于690Ω.G1G2RPvO1vI2 §3.5.4TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间tviotvoo50%50%tpdHLtpdLH平均传输时间平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。 二.功耗：有静态功耗和动态功耗。静态功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗;动态功耗只发生在状态转换的瞬间。对于TTL电路静态功耗是主要的，用PD表示。 §3.5.5其他类型的TTL门电路一.其他逻辑功能的门电路输入端改成多发射极三极管1.与非门 TTL集成门电路的封装：双列直插式如：TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00)地GND外形管脚电源VCC（+5V） 74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。 例：如图电路，已知74S00门电路GP参数为：IOH/IOL=-1.0mA/20mAIIH/IIL=50μA/-1.43mA试求门GP能驱动多少同类门？若将电路中的芯片改为74S20，其门电路参数同74S00，问此时GP能驱动多少同类门？GPG1Gn 门GP输出低电平时，设可带同类门数为NOL：解：门GP输出的高电平时，设可带同类门数为NOH：扇出系数=10由于与非门的输入端为多发射极，当前一级门输出低电平时，负载门只要一个输入端为低电平，T2、T5就截止。 74S20为4输入与非门，所以门GP输出低电平时，设可带同类门数为NOL：门GP输出高电平时，设可带同类门数为NOH：扇出系数No=5 两方框中电路相同A为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。B为高电平时，T2′、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。A、B都为低电平时，T2、T2′同时截止，T5截止，T4导通，输出Y为高电平。2.或非门 或非门与或非门 3.与或非门 4.异或门若A、B同时为高电平，T6、T9导通，T8截止，输出低电平；A、B同时为低电平，T4、T5同时截止，使T7、T9导通，T8截止，输出也为低电平。A、B不同时，T1正向饱和导通，T6截止；T4、T5中必有一个导通，从而使T7截止。T6、T7同时截止，使得T8导通，T9截止，输出为高电平。 74LS86 二.集电极开路门（OC门）为什么需要OC门？普通与非门输出不能直接连在一起实现“线与”！10产生一个很大的电流ABYCD 集电极悬空ABYOC门输出端可直接连接实现线与。 VCCVILVILVILRLRL的选择：IOHIIHn个m个VOH负载门输入端个数 VIHVILVILVCCRLVOLm′个IOLIIL负载门个数由于与非门的输入端为多发射极，当前一级门输出低电平时，负载门只要一个输入端为低电平，T2、T5就截止。若为或非门，m′是输入端的个数，而不是负载门的数目。例3.5.5 三.三态门（TS门)三态输出门(Three-StateOutputGate)是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的。ENAYBEN′AYB 0截止 1导通截止截止高阻态 §3.5.6TTL数字集成电路的各种系列74H系列：高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代价换取的，效果不够理想。从提高工作速度、降低功耗两方面考虑进行改进。74S系列：肖特基系列。采用抗饱和三极管，提高了工作速度，但电路功耗加大，并且输出的低电平升高。74LS系列：低功耗肖特基系列。兼顾功耗和速度两个方面，得到更小的延迟－功耗积。 74AS系列：电路结构与74LS系列相似，采用低阻值，提高了工作速度，但功耗较大。74ALS系列：其延迟－功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种。54、54H、54S、54LS系列：54系列与74系列电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。54系列工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。74系列：温度0～70℃，电源电压5V±5%;54系列:温度-55～+125℃，电源电压5V±10%。 型号名称主要功能74LS00四2输入与非门74LS02四2输入或非门74LS04六反相器74LS05六反相器OC门74LS08四2输入与门74LS13双4输入与非门施密特触发74LS308输入与非门74LS32四2输入或门74LS644-2-3-2输入与或非门74LS13313输入与非门74LS136四异或门OC输出74LS365六总线驱动器同相、三态、公共控制74LS368六总线驱动器反相、三态、两组控制TTL集成门电路系列 CMOS电路与TTL电路比较：（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个μW，中规模集成电路的功耗也不会超过100μW。 （5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。CMOS电路与TTL电路比较： 多余输入端的处理措施处理原则：不能影响输入与输出之间的逻辑关系。数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。 对于TTL门，一般可将多余的输入端通过上拉电阻（1~3K）接电源正端；也可利用反相器将其输入端接地;通过大电阻接地（逻辑1的处理）。直接把多余端接地（逻辑0的处理）。对于CMOS电路，对于输入端可根据需要直接接地（逻辑0的处理）；或直接接VDD（逻辑1的处理）。 要实现Y=A，输入端B应如何连接？B=0时可实现Y=A，B端应接低电平(接地）。要实现Y=A，输入端B应如何连接？′B=1时可实现Y=A，B端应接高电平（接电源）。′ 本章小结门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。本章介绍了目前应用最广泛的TTL和CMOS两类集成逻辑门电路。在学习这些集成电路时，应把重点放在它们的外部特性上。外部特性包含两个内容，一个是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理，但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解，以便更好地利用这些器件。'