1、 第三章 邏輯器件(門電路)概述3.1 PN結(jié)3.2 晶體管開關(guān)特性3.3 晶體管反相器3.4 分立元件門電路3.5 TTL門電路3.6 其它類型的TTL門3.7 MOS集成門電路TTL: VCC=+5V; VL=0.2V; VH=3.6V常用的邏輯器件有三種系列:雙值電路 “ VL” “ VH”符號 “ 0” “ 1”前面介紹了邏輯變量是雙值變量概述ECL: VEE=-5.2V； VL=-1.6V； VH=-0.8VCMOS: VDD=+3V+18V； VL=0V; VH= VDD工程上：用“0”表示VL，用“1”表示VH稱正邏輯。用“0”表示VH，用 “1”表示VL稱負(fù)邏輯。3.1 PN結(jié)

2、一、PN結(jié)內(nèi)部載流子的運動P型半導(dǎo)體（空穴是多子，電子是少子）和N型半半導(dǎo)體（電子是多子，空穴是少子）結(jié)合在一起時，由于交界處多子和少子的濃度有很大的差別，N區(qū)的電子向P區(qū)運動（擴(kuò)散運動），擴(kuò)散到P區(qū)的電子因在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型（Negative)半導(dǎo)體，另一邊形成P型(Positive)半導(dǎo)體，那么就在兩種半導(dǎo)體的交界面附近形成了PN結(jié)與空穴復(fù)合而消失。同樣P區(qū)的空穴也向N區(qū)擴(kuò)散，且與N區(qū)中的電子復(fù)合。這樣在交界面就出現(xiàn)了不能移動的帶電離子組成的空間電荷區(qū)。耗盡層負(fù)離子正離子電子空穴P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場平衡狀態(tài)下的PN結(jié)二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦约诱螂妷簳r（

3、正偏），多子被推向耗盡層，結(jié)果耗盡層變窄，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。多子的擴(kuò)散電流通過回路形成正向電流。在外電場的作用下，耗盡層兩端的電位差變?。泓c幾伏），所以不大的正向電壓就可以產(chǎn)生相當(dāng)大的電流。耗盡層URI內(nèi)電場外電場+-P區(qū)N區(qū)耗盡層URIS內(nèi)電場外電場-+PN結(jié)加反向電壓時，也稱反偏。此時外電場使耗盡層變寬，加強(qiáng)了內(nèi)電場。結(jié)果阻止了多子的擴(kuò)散，促使了少子的漂移，在回路中形成反向電流IS。由于少子的濃度很低，并且溫度一定時少子的濃度不變，所以反向電流不但很小，且基本不隨外加電壓的增加而增加，故稱為反向飽和電流IS。P區(qū)N區(qū)總之，PN結(jié)加正向電壓時，形成較大的正向電流；而在加反

4、向電壓時，反向電流很小，這種特性稱為單向?qū)щ娦浴?.2.1半導(dǎo)體二極管（Diode)一、基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線就構(gòu)成了二極管。PNP 陽極N 陰極二、伏安特性UDID死區(qū)電壓：硅管 0.5V鍺管 0.2V。反向擊穿電壓V(BR)導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。反向飽和電流（很小，A級）UDIDRDUiUottRLUiUO二極管半波整流例：硅二極管：死區(qū)電壓（0.5V），正向壓降（0.7V）理想二極管：死區(qū)電壓（0V），正向壓降（0V）3.2.2晶體二極管開關(guān)特性 ABURt動態(tài)特性: t 0( 斷開 閉合)斷開 RAB=靜態(tài)特性閉合 RAB=0開關(guān)電路見右圖一、理想開

5、關(guān)二極管開關(guān)電路及特性曲線如圖所示:1、靜態(tài)特性二、二極管開關(guān)UDIDRA B UD IDVTHVBR1/rDIS為反向飽和電流，與晶體管材料及制作工藝有關(guān)。UD為外加電壓，VT在常溫下26mV。當(dāng)晶體管加正向電壓，且VD大于VT幾倍時式中的1可以忽略，故流過二極管的電流與電壓呈指數(shù)關(guān)系。二極管分區(qū)等效電路UD+-IDKUBRUTHISrDr0rZ 近似特性。 二極管導(dǎo)通時，可以根據(jù)使用情況選用以下的一般在工程上我們都做近似處理，以簡化分析。 電壓和電流之間是指數(shù)關(guān)系而不是線性關(guān)系。但從二極管的伏安特性看實際的二極管并非理想開關(guān)，它的正向?qū)娮鑢D不是0(約為數(shù)十歐)，反向截止電阻r0也不是

6、無窮大(數(shù)百千歐)。AB0.7VAB0.7V rD UD IDVTHUBR1/rD1/r0AB UD IDrD=0r0= 0二極管反向截止時，仍有反向漏(飽和)電流is(少數(shù)載流子漂移形成的電流，和溫度有關(guān)。一般為0.2A左右。)，但理想化后可忽略is。isBBAARD2、動態(tài)特性當(dāng)外加電壓由反向突然變?yōu)檎驎r，須等待PN結(jié)內(nèi)部建立起足夠的電荷濃度梯度才會有擴(kuò)散電流形成，因而ID滯后于VD的跳變。當(dāng)外加電壓突然由正向變成反向時，由于PN結(jié)內(nèi)部尚有一定數(shù)量的存儲電荷，因而瞬間有較大的反向電流，此后以指數(shù)規(guī)律趨于0。(實際有反向漏電流is)。ttUDIDt1t2ID=UD/R由圖可見,反向恢復(fù)時間

7、t2 t1。影響二極管開關(guān)速度的主要是t2。例：試分析下列電路。設(shè)電路參數(shù)滿足條件：1=RCT ， 2=rDC0(e結(jié)正偏)Ubc0(c結(jié)反偏)RCVCC- Uces飽和條件: IbIbs=ICS飽和時, Ubes=0.7V Uces0.3V(Ibs稱為臨界飽和基極電流)2、飽和狀態(tài)(等效開關(guān)接通)Ubes UcesbceecbeUbesb c 結(jié)果: IC=0截止條件:Ube0(工程上0.5V)Icbobecceb3、截止?fàn)顟B(tài)二、動態(tài)特性在動態(tài)情況下，由于三極管內(nèi)部電荷的建立和消散過程均需要一定的時間，故IC和UO的變化均滯后于Ui的變化。UiICUOtontoffttt 3.2 晶體管反相

8、器 Rb1UiRCVCCUO+3VRb2 CVbb CO1、飽和條件、截止條件如前所述2、波形改善(1) 采用加速電容C(2) 采用鉗位電路當(dāng)Ui由“1”變?yōu)椤?”時，三極管T應(yīng)該馬上截止，但由于CO的存在，故輸出電壓UO不能馬上變?yōu)楦唠娖健Ｐ栌蒝CC經(jīng)RC對CO充電，但由于RC和CO是定值， Rb1UiRCVCCUO+3VRb2 CVbb CO(1) 灌電流負(fù)載3、反相器的負(fù)載能力為了不至于使UO抬高，故加入了鉗位電路。故只有通過提高電源電壓來加快UO的上升速度。但工作在飽和狀態(tài)，應(yīng)滿足ICS= IRC+ IOLIb。（因當(dāng)T飽和時， ICS= IRC+ IOL。為了保證T穩(wěn)定的為飽和條件為

9、IbIbs= ICS） Rb1UiRCVCC+3VRb2 CVbb IRC RLVCCIOLICS Rb1UiRCVCC+3VRb2 CVbb IRC RLVCCIOLICS顯然，晶體管飽和越深，允許的灌電流越大，負(fù)載能力也越強(qiáng)。但集電極電流必須滿足限制條件。ICSIb。(2) 拉電流負(fù)載 Rb1UiLRCVCC+3VRb2 CVbb IRC RLIOHIQ當(dāng)T截止時, IRC =IQ+ IOH Rb1UiLRCVCC+3VRb2 CVbb IRC RLIOHIQ由于VCC和RC一定的情況下，反相器提供的IRC是一定的。若IOH增加，則IQ 勢必減小。當(dāng)IQ減為0時，鉗位電路失去鉗位作用，輸出

10、高電平將隨負(fù)載電阻的減小而降低，甚至?xí)茐囊?guī)定的輸出電平。顯然，反相器所允許的最大拉電流，以鉗位電路不失去鉗位作用為條件。3.3 分立元件門電路 ABF&1、二極管與門真 值 表A B F0 0 00 1 01 0 01 1 1A B F0V 0V 0V0V 5V 0V5V 0V 0V5V 5V 5V功 能 表 VCCABF=ABR真 值 表A B F0 0 00 1 11 0 11 1 1功 能 表A B F0V 0V 0V0V 5V 5V5V 0V 5V5V 5V 5V2、二極管或門ABF1 ABF=A+BR ABF&真值表A B F0 0 10 1 11 0 11 1 0 3、與非門AB

11、 Rb1RCRb2 VbbVCCFABF1真 值 表A B F0 0 10 1 01 0 01 1 04、或非門VCCAB Rb1RCRb2 VbbF=A+B3.4.1 TTL與非門電路結(jié)構(gòu)及工作原理1、電路結(jié)構(gòu)R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K1303.4.1 TTL與非門電路結(jié)構(gòu)及工作原理1、電路結(jié)構(gòu)R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K1300.3V0.3V1V0.3V5V0V4.3V3.6V3.4.1 TTL與非門電路結(jié)構(gòu)及工作原理1、電路結(jié)構(gòu)R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K130

12、3.6V3.6V2.1V1.4V0.7V1V0.3VA、B中任一個為“0”或均為“0”T1通（深飽和）、T2截止T4通 、D3通T5截止 、輸出“1”R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K1300.3V0.3V1V0.3V5V0V4.3V3.6VR1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K1303.6V3.6V2.1V1.4V0.7V1V0.3VA、B均為“1”T1反向?qū)?、T2飽和導(dǎo)通T4截止 、D3截止T5通（深飽和）、輸出“0” 3.4.2 參數(shù)與指標(biāo)Ui Uo VT Ui Uo&1、電壓傳輸特性閾值電壓VT=1.4V1.6VR

13、1 T14KUiVCCVbe2Vbe5IiLUiLIiHUiH2、輸入特性流IiH40A。狀態(tài)。倒置情況下，1 0； Ube IiL1mA。 IOH3、輸出特性R4D3T4T5VOH130RLVCCR21.6K射極跟隨狀態(tài)(能提供較大的驅(qū)動電流)。(1) VO= VOH時， T4、 D3導(dǎo)通； T5截止； T4工作在 若輸出高電平電流IOH隨RL的下降而增加，使R4上的壓降增加導(dǎo)至T4(b-c結(jié)正偏)飽和，失去射極跟隨作用，VOH隨IOH的增加而迅速下降。 IOHR4D3T4T5VOH130RLVCCR21.6K工程上規(guī)定:IOH=0.4mA時 VOH2.8VIOL(2) VO= VOL時，

14、T4、 D3截止， T5飽和導(dǎo)通。若RL下降使Ibs上升導(dǎo)致Ib5K 等效的Ui=“ 1 ”工程上： Ri0.9K 等效的Ui=“ 0 ”1.4VUi4.3VRi可見，隨著Ri的增加，使等效的Ui上升。其趨向值是: 5V-0.7V=4.3V。但由于T2和T5 be結(jié)的導(dǎo)通，使T1的基極電位箝在2.1V。故Ui箝于1.4V。因為ICCH1.1mA所以空載截止功耗PH= ICCH VCC5.5mW所以空載導(dǎo)通功耗PL= ICCL VCC17mW因為ICCL3.4mA6、功耗VCCICCHVOH&VCC“1”ICCLVOL&7、尖峰(浪涌)電流由于T5導(dǎo)通時處于深飽和狀態(tài)，故輸出在從“0”轉(zhuǎn)換為“1

15、”過程中， T4 的導(dǎo)通出現(xiàn)在T5截止之前。故瞬間會出現(xiàn)T4和T5同時導(dǎo)通的情況，此時流過輸出管的電流稱尖峰電流ICCM。R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5VCCF4K1.6K 1K1303.6V3.6V2.1V1.4V0.7V1V0.3VVCC-Vbe4- VD3- Vces5ICCM =VCC-Vce4-VD3-Vces5+R4R2=33.7mAVCC&1000.1由于尖峰電流的影響，平均功耗會大于PH+PL/2且隨頻率的增加而上升。這將會引起系統(tǒng)中電源的波動。解決的辦法是在門電路的電源和地之間加去耦電容。AF&21tpd= (tPHL+ tPLH)tPHLtPLHAF8、平均延

16、遲時間tpd A&BCAA B Ctpd0tpd1tpd0tpd01tpd0tpd工程上平均延遲時間的測試方法:tpd1tpd10T T = 6tpd tpd= T/69、輸入端噪聲容限（2）UOL：典型值0.3V。產(chǎn)品規(guī)定最大值為UOLMAX=0.4V。即不允許超過的噪聲界線稱為噪聲容限。電路的噪聲容限越大，其抗干擾的能力越強(qiáng)。與噪聲容限有關(guān)的參數(shù)如下：（1）UOH ：典型值3.6V。產(chǎn)品規(guī)定最小值為UOHmin=2.4V。(3) UIH：典型值3.6V。產(chǎn)品規(guī)定最小值為UIHmin=2V(常稱為開門電平)并記為UON ，它是保證門導(dǎo)通時(T5飽和導(dǎo)通）允許的輸入最小值。 UON 越小，在輸

17、入高電平時的抗干擾力越強(qiáng)。(4) UIL：典型值0.3V。產(chǎn)品規(guī)定最大值為UILMAX=0.8V。(常稱為關(guān)門電平)并記為UOFF ，它是保證門處于截止?fàn)顟B(tài)時（T5截止）允許的輸入最大值。UOFF 越大，在輸入低電平時的抗干擾力越強(qiáng)。11UOHmin2.4VUIHmin(UON)2VUOLMAX0.4VUILMAX(UOFF)0.8VG1G2門G2輸入為高電平時的噪聲容限:UNH= UOHmin UIHmin=2.4V-2V=0.4V門G2輸入為低電平時的噪聲容限:UNL= UILMAX UOLMAX=0.8V-0.4V=0.4V11UOHmin2.4VUIHmin(UON)2VUOLMAX0

18、.4VUILMAX(UOFF)0.8VG1G2 3.5 其它類型的TTL門 3.5.1 按系列分低功耗肖特基(tpd=9nS) T4000 74LS肖特基(tpd =3nS) T3000 74S高速(tpd =6nS) T2000 74H典型 (tpd =10nS) T1000 74國標(biāo) 國際標(biāo)準(zhǔn) 3.5.2 按邏輯功能分與門 或門 與非門 或非門 與或非門非門 異或門 3.5.3 按輸出電路形式分 1、推拉輸出(圖騰柱輸出) 2、集電極開路輸出(OC) 3、三態(tài)輸出(TS)VCCVCC 130 13038mAT4T4 T5 T5 先來看看推拉輸出結(jié)構(gòu)的輸出等效電路:F1F2電流會燒壞邏輯門.

19、出端都不能短接在一起做“線與”連接,因為38mA的 由推拉輸出等效電路可知,任何兩個邏輯門的輸F&F1F2FR1R2R3 A BT1T2T5VCCF4K1.6K 1K RL下面討論OC門:T5F1F2FT5 RLVCCVCCA&FF1F2BDC RL上拉電阻的選擇：VCC“0”&nILm& RLICBOICBOICBOIiHIiHIiH“0”“0”IL=mICBO+nIiHVOH=VCC-ILRL =VCC-(mICBO+nIiH)RL先討論RLmax由上式可見，RL越大則VOH越低，若規(guī)定VOH的下限值為2.8V則ICBO約為250AVCC&nILm& RLIOLIiLIiLIiL“0”“0

20、”再討論RLmin顯然，RL越小，IOL越大，輸出電平也越高，故RL不能選得太小。OC門的特點:(1) 必須外接上拉電阻RL。(2) 多個OC門的輸出可以連接在一起“線與”。(3) “線與”后的輸出為各邏輯門輸出值相“與”。(4) OC門可實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 下面介紹TS門R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5F4K1.6K 1K130VCCENP M HG11 (工作態(tài))。所至，即H門的輸出管T5截止，故M點仍為5V，故 EN=“1”使P點為“1”，由于P點的1是H門輸出為“1”R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5F4K1.6K 1K130VCCENP M HG11EN=“0”時，

21、M點為0.9V，Vb5=0V，故T4、T5均截止。輸出為高阻態(tài)(三態(tài))。R1R2R4R3 A BD3T1T2T4T5F4K1.6K 1K130VCCENP M HG11(1) 三態(tài)門可以把多個門的輸出連接在一起，作為總線輸出形式。但任一時刻只允許一個門處于工作態(tài)，其余的必須處于高阻態(tài)。(2) TS門不需外接上拉電阻.&BAENF&BAENFA1&F1FnB1BnAnENnEN1總線TTL門閑置輸入端的處理.&ABF處理原則:不影響信號端的正常邏輯運算與門、與非門:(1)接“1”(VCC)。優(yōu)點是不會增加信號端的驅(qū)動電流(2) 與信號端并接使用。優(yōu)點是能提高邏輯可靠性但使信號端要提供的驅(qū)動電流增

22、大。(3)閑置。(TTL門輸入端閑置等效輸入為“1”)(1) 接“0”(地)。(2) 與信號端并接使用。或門、或非門:3.6.1 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種:N溝道P溝道耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型 MOS絕緣柵場效應(yīng)管（N溝道）（1） 結(jié)構(gòu)PGSDP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層金屬鋁N導(dǎo)電溝道未預(yù)留 N溝道增強(qiáng)型預(yù)留 N溝道耗盡型NN（2） 符號P溝道增強(qiáng)型GSDGSDN溝道增強(qiáng)型柵極漏極源極NMOSFET：VGS VTN(+2V)，形成溝道，等效開關(guān)接通。VGS VTN(+2V)，溝道夾斷，等效開關(guān)斷開。GSDVDDPMOSFET:VGS VTP(2V)，形成溝道,等效開關(guān)接通。VGS VTP(2V)，溝道夾斷，等效開關(guān)斷開。溝道導(dǎo)通內(nèi)阻小于1K，相對于外電路可以忽略。GSDVDD3.6.2 CMOS門電路一、CMOS非門T1T2UOUiGSDVDDGSD(1) 若Ui=0VGS1=0 VTN