1、第三章 門電路,3.1 概述,一.門電路 實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算的單元電路 如與門、與非門、或門 ,門電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0,二.電平信號(hào),1.電壓范圍 輸入：VIH 、 VIL 輸出：VOH 、 VOL,常用TTL器件,若MOS器件，高低電平界限不同,2.獲得高、低電平信號(hào)的方法,開關(guān)S,理想開關(guān)S,合：,開：,S開關(guān)可用VI信號(hào)控制,門電路中器件：二極管和三極管可作開關(guān),負(fù)邏輯：高電平表示0，低電平表示1,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0,三 正、負(fù)邏輯,3.2 半導(dǎo)體二極管門電路,二極管的結(jié)構(gòu)： PN結(jié) + 引線 + 封裝構(gòu)成,P,N,

2、二極管的伏安特性,正向?qū)▍^(qū),反向截止區(qū),反向擊穿區(qū),3.2.1二極管的開關(guān)特性：,高電平：VIH=VCC 低電平：VIL=0,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V,二極管特性：加正向向電壓導(dǎo)通 加反向電壓截止,可作開關(guān),二極管的開關(guān)等效電路：,二極管的動(dòng)態(tài)電流波形：,反向恢復(fù)時(shí)間tre,二極管作開關(guān) 缺點(diǎn)： 有0.7V壓降（硅管） 有延遲,3.2.2 二極管與門,設(shè)VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7V,3.7V,3V,3V,0.7V,0V,3V,0.7V,3V,0V,0.7V,0V,0V

3、,Y,B,A,1,1,1,0,0,1,0,1,0,0,0,0,Y,B,A,規(guī)定3V以上為1,0.7V以下為0,與邏輯電平關(guān)系,與邏輯真值表,缺點(diǎn)：,當(dāng)VIL=0.3V時(shí)， Vo=1V.（無法確定高低電平），應(yīng)避免 輸入與輸出差0.7v，若多級(jí)會(huì)電平偏移,3.2.3 二極管或門,設(shè)VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7V,2.3V,3V,3V,2.3V,0V,3V,2.3V,3V,0V,0V,0V,0V,Y,B,A,規(guī)定2.3V以上為1,0V以下為0,二極管構(gòu)成的門電路的缺點(diǎn),電平有偏移 帶負(fù)載能力差 只用于IC內(nèi)部電路,雙極型三極管的開關(guān)特性

4、（BJT, Bipolar Junction Transistor）,3.5 TTL門電路3.5.1 半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性,一、雙極型三極管的基本開關(guān)電路,只要參數(shù)合理： VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOH VI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL,工作狀態(tài)分析：,工作狀態(tài)分析：,二、三極管的開關(guān)等效電路,截止?fàn)顟B(tài),飽和導(dǎo)通狀態(tài),三、三極管反相器,三極管的基本開關(guān)電路就是非門 實(shí)際應(yīng)用中，為保證VI=VIL時(shí) T可靠截止，常在輸入接入負(fù)壓。,參數(shù)合理？ VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOH VI=VIH時(shí)，T截止，VO=VOL,例3.5.1：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理,5V,-8V,3.3K,10K

5、,1K,=20 VCE(sat) = 0.1V,VIH=5V VIL=0V,例3.5.1：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理,將發(fā)射極外接電路化為等效的VB與RB電路,因此，參數(shù)設(shè)計(jì)合理,數(shù)字集成電路,數(shù)字集成電路分為雙極型、單極型和混合型。,簡稱IC,數(shù)字集成電路從集成度上分小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI） 。,TTL型與CMOS型。,3.5.2 TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理 一、電路結(jié)構(gòu) 設(shè),推拉式電路,二、電壓傳輸特性,二、電壓傳輸特性,二、電壓傳輸特性,需要說明的幾個(gè)問題：,三、輸入噪聲容限,一、輸入特性,3.5.3 TT

6、L反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,輸入端的等效電路如圖所示,輸入低電平電流,輸入端為高電平時(shí)，T1管處于倒置狀態(tài)， 這時(shí)的輸入電流只是be結(jié)的反向電流，Im很小，40微安以下。,一、輸入特性,3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,輸入電流隨輸入電壓變化的曲線輸入特性曲線如圖所示。,1.輸入伏安特性,2.輸入負(fù)載特性,1 2 3,1.4,1, ，相當(dāng)于接0, ，相當(dāng)于接1,3.輸入端懸空，相當(dāng)于接1,二、輸出特性,1、高電平輸出特性,輸出高電平時(shí)，輸出 端等效電路如圖所示：,在負(fù)載電流較小的范圍內(nèi)，負(fù)載電流的變化對(duì)VOH影響很??；隨著負(fù)載電流的絕對(duì)值增大，T4管進(jìn)入飽和狀態(tài)，VOH隨

7、負(fù)載電流線性下降，如圖所示：,IOH0.4mA,2、低電平輸出特性,低電平輸出端等效電路 如圖所示：,T5飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降很低，負(fù)載電流增加時(shí)，低電平VOL僅稍有升高。輸出特性曲線如圖所示：,3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性,例：扇出系數(shù)（Fan-out）， 試計(jì)算門G1能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門電路負(fù)載。,扇出系數(shù)N=,IO（驅(qū)動(dòng)門）,II（負(fù)載門）,解：G1的負(fù)載電流是所有負(fù)載門輸入電流之和；對(duì)于低電平，由輸入特性可知，當(dāng)VI=0.2V時(shí)每個(gè)門的輸入電流iI=-1mA。,對(duì)于高電平，由輸入特性可知，每個(gè)門的輸入電流為40微安。,取N=10。,3.5.5其他類型的TTL門電路,一

8、、其他邏輯功能的門電路 1. 與非門,二、集電極開路的門電路,1、推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性 輸出電平不可調(diào) 負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用 OC門,2、OC門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),OC門實(shí)現(xiàn)的線與,3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算,3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算,3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算,三、三態(tài)輸出門（Three state Output Gate ,TS）,三態(tài)門的用途,1.總線結(jié)構(gòu),2.雙向數(shù)據(jù)傳輸,輸入特性：直流電流為0，看進(jìn)去有一個(gè)輸入電容CI，對(duì)動(dòng)態(tài)有影響。 輸出特性： iD = f (VDS) 對(duì)應(yīng)不同的VGS下得一族曲線 。,3.3 CMOS門電路 MOS管的開關(guān)特性,一

9、輸入特性和輸出特性,漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）,截止區(qū) 恒流區(qū) 可變電阻區(qū),截止區(qū),恒流區(qū),可變電阻區(qū),三、MOS管的基本開關(guān)電路,四、等效電路,OFF ，截止?fàn)顟B(tài) ON，導(dǎo)通狀態(tài),3.3.2 CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理,一、電路結(jié)構(gòu),T1管：P溝道增強(qiáng)型MOS管 T2管：N溝道增強(qiáng)型MOS管,二、電壓、電流傳輸特性,無論VI高低電平，T1和T2管總是一個(gè)導(dǎo)通一個(gè)截止的互補(bǔ)狀態(tài)。 該電路稱為互補(bǔ)對(duì)稱式金屬氧化物-半導(dǎo)體電路（CMOS電路） 優(yōu)點(diǎn)：靜態(tài)電流極小，功耗極小,3.3.3 CMOS 反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性,一、輸入特性,二、輸出特性,二、輸出特性,3.3.5 其他類型的CM

10、OS門電路,一、其他邏輯功能的門電路,1. 與非門 2.或非門,二、漏極開路的門電路（OD門）,OD門輸出端截止、輸出高電平時(shí)，為保證輸出高電平不低于規(guī)定的數(shù)值，RL不能取值太大。,OD門輸出低電平時(shí)，為保證負(fù)載電流不超過MOS管允許的最大電流，RL不能取值太小。,三、 CMOS傳輸門,1. 傳輸門,2. 雙向模擬開關(guān),四、三態(tài)輸出門,3.3.6 COMS電路的正確使用,一、輸入電路的靜電防護(hù),（1）儲(chǔ)存、運(yùn)輸COMS器件時(shí)，不使用易產(chǎn)生靜電的材料包裝。,（2）組裝、調(diào)試時(shí)，使用的工具要很好的接地。,（3）不用的輸入端不應(yīng)懸空。,3.3.6 COMS電路的正確使用,二、輸入電路的過流保護(hù),（1

11、）輸入端接低內(nèi)阻信號(hào)源時(shí)，應(yīng)在輸入端與信號(hào)源之間傳入保護(hù)電阻。,（2）輸入端接有大電阻時(shí)，也應(yīng)在輸入端與信號(hào)源之間接入保護(hù)電阻。,（3）輸入端接長線時(shí)，也應(yīng)在輸入端接入保護(hù)電阻。,3.3.7CMOS數(shù)字集成電路的各種系列,標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的產(chǎn)品有4000系列、HC/HCT系列、AHC/AHCT系列、VHC/VHCT、LVC系列、ALVC系列等。,最早的COMS集成電路是有4000系列。電壓范圍較寬，傳輸延遲時(shí)間較長，帶負(fù)載能力較弱。,HC/HCT是高速COMS邏輯系列的簡稱。它的傳輸延遲時(shí)間縮短，帶負(fù)載能力提高。HC系列電壓范圍在2-6V之間；HCT系列工作電壓為單一的5V，可與TTL電路匹配。

12、,AHC/AHCT是改進(jìn)的高速COMS邏輯系列的簡稱。工作速度提高一倍，帶負(fù)載能力提高近一倍。AHC/AHCT又能與HC/HCT系列產(chǎn)品兼容，為系統(tǒng)更新帶來方便。兩者的區(qū)別在工作范圍電壓和對(duì)輸入電平的要求不同上。,與TI公司的 AHC/AHCT系列性能相近的有VHC/VHCT系列，是其他公司產(chǎn)品。,LVC是TI公司近年推出的低壓COMS邏輯系列的簡稱，工作在1.65-3.3V的低壓范圍，傳輸時(shí)間也縮短至3.8ns，負(fù)載能力增強(qiáng)。,ALVC是改進(jìn)的低壓COMS邏輯系列的簡稱，在移動(dòng)式便攜電子設(shè)備上，LVC和ALVC優(yōu)勢(shì)明顯。,一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 電路的改進(jìn) (1)輸出級(jí)采用復(fù)合管（減小輸出電阻Ro） (2)減少各電阻值 2. 性能特點(diǎn) 速度提高 的同時(shí)功耗也增加,3.5.6 TTL電路的改進(jìn)系列,二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,電路改進(jìn) 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(diǎn) 速度進(jìn)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 74L