第2章门电路

1第二章门电路★主要内容1、MOS管的开关特性。2、CMOS集成门电路。3、TTL集成门电路、OC门、三态门的电路结构和特性参数。4、门电路的VHDL描述及其仿真★教学目的和要求逻辑门电路是数字逻辑电路的基本单元电路。1、了解CMOS逻辑门的工作特点，正确理解CMOS反相器、与非门、或非门、异或门、传输门的结构及工作原理，熟练掌握其构图规则。2、正确理解TTL与非门的集成电路结构及工作原理，会估算两种稳态下的输出电平；正确理解TTL与非门的电压传输特性及主要参数的含义；掌握负载能力和抗干扰能力的概念；熟练掌握三态门及0C门的逻辑功能特点及0C门负载电阻的计算。3、正确理解正负逻辑的规定；了解正负逻辑变化的三条规则；了解不同门电路之间的接口技术，门电路的外接负载以及门电路输入端的处理措施。4、了解射极耦合逻辑门电路（ECL）和集成注入逻辑门电路的电路结构和工作特点5、理解门电路的VHDL描述例子，会利用MAX+PLUSⅡ软件对门电路功能进行仿真，能根据仿真结果波形理解门电路的功能。★学时数：6学时★重难点重点：TTL、CMOS门电路的电气特性难点：集成门电路工作原理分析不同门电路之间的接口技术2第二章门电路门电路是数字电路的最基本单元，本章在三种最基本逻辑门的基础上，着重讲解集成门电路――CMOS与TTL门。数字集成电路分类：1、按集成度大小分：SSI：小规模集成电路，1－10门/片（10－100元件/片），构成逻辑单元MSI：中规模集成电路，10－100门/片，构成逻辑功能部件。如：译码器、数据选择器、读数器、寄存器、比较器等LSI：大规模集成电路，100－1000门/片，构成逻辑系统部件。如：CPU、存储器、串并行接口电路等VLSI：超大规模集成电路，1000门/片以上，可构成一个完整的数字系统2、按构成电路的半导体分：双极型和单极型单极型：以MOS管为开关元件，如CMOS门双极型：以二极管和三极管为开关元件，如TTL门3、按电路有无记忆功能分：组合逻辑电路和时序逻辑电路。§2.1——§2.2（略）半导体二极管、三极管的开关特性，分立元件与、或、非门电路，前面已介绍。§2.1.4MOS管的开关特性先介绍MOS管的开关特性（§2.1.4）M—metal，O—Oxide，S—Semicondutor[ktdnemiks``]场效应管分为绝缘栅型和结型两大类，MOS管为绝缘栅型，MOS（M金属－O氧化物－S半导体）由这三种材料构成的三层器件，它是依靠半导体表面外加电场的变化来控制器件的导电能力，是单极型晶体管（由于只有一种极性的载流子参与导电），以下仅以NMOS增强型场效应管的结构为例，说明Mos管的开关特性。1、基本结构和工作原理如图示：NMOS管，在P型衬底上扩散两个高浓度的N区并引出极S，D具对称性可调换使用。同时在D、S之间镀上SiO2绝缘层，也引出一个电极，称为G极，B为基极，如图符号。3①uGS＝0，D、S间相当于两背靠背的PN结，此时，D、S间不可能导通，处于截止状态。②加上正电压uGS→SiO2层产生指向半导体表面的电场，由于绝缘层很薄（0.1μm），电场很强→这个强电场将电子拉到P型半导体表面，形成一条N型导电沟道（表面场效应）→D、S之间处于低阻导通状态→加uDS形成iD电流，相当于D、S间开关闭合。③NMOS、PMOS管的符号：NMOS加正电源，uGS0，uDS0PMOS加正电源，uGS0，uDS02、NMOS管的几个主要参数①开启电压VT：形成导电沟道所需的最小电压uGS，VTN＝+2V，VTP＝-2V②跨导常数DSUGSDmUIg，gm表明MOS管的输入电压控制电流的能力。③输入阻抗高。由于SiO2绝缘性好，栅极几乎不取用电流，输入阻抗高（1010Ω）；由于SiO2层厚度仅0.1μm，栅极有一定大小的输入电容（可达几个pF），而且由于栅极输入电阻很大，这个电容上电荷能够较长时间保存下来，利用这一特点，把信号暂存到MOS管的输入电容上，组成各种动态逻辑电路。但是栅极电容的电荷不易泄漏掉，容易由于外界静电感应积累电荷，在栅极产生较高的电压，造成栅极氧化层击穿，损坏MOS管。为了避免这类事故发生，在数字集成电路中，一般都在输入端加上保护电路。如图在GS间加保护二极管DZ，当静电压超过一定限度后，二极管击穿导通，使静电荷泄放保护氧化层不被击穿。§2.3CMOS集成门电路CMOS门电路，是用NMOS和PMOS管按互补对称形式连接起来构成的，称为互补MOS电路，简称CMOS电路，这种电路具有电压控制，功耗极低，连接方便等优点，是目前应用最广泛的数字集成电路之一。一、CMOS反相器（一）CMOS反相器电路组成和工作原理1、电路组成：由一对互补的MOS管串接；TN工作管（NMOS），B1、S1接地（低电平），TP负载管（PMOS），B2、S2接VDD（高电平）；栅极连在一起作为输入端，工作管和负载管漏极联在一起作为输出端。CMOS开启电压典型数据：VTN＝+2V，VTP＝-2V，VDD＝+10V42、工作原理（逻辑功能分析）①uI＝为0V，uGS1＝0VTN截止；UGS2＝-10V，负载管导通，电源几乎全部落在TN管上，输出电压u0＝VDD＝+10V，输出高电平。②uI＝10VUGS1＝10VTN导通；UGS2＝0V，T2截止，uo＝0V输出低电平，因此这是一个反相器电路，而且T1、T2总有一个管子处于截止状态，功耗很低。3、输入端保护电路MOS管的输入电阻很高，在1010Ω以上，输入电容有几个pF，而栅极的二氧化硅绝缘层厚度在10-2μm左右，其耐压约在80~100V，即使很小的感应电荷，也可以使电荷迅速积累起来，形成高电压，使介质击穿，从而使电路遭到永久性损坏。所以实际生产的CMOS反相器，在输入端都设置有二极管保护网络，其具体电路见P68图2.3.2所示。图中D1、D2、D3格Rs组成二极管保护网络。一般二极管的正向导通压降uDF=0.5~0.7V，反向击穿电压为30V左右，RS＝1.5~2.5K，C1、C2为MOS管栅源间的等效输入电容。在正常工作时，由于uA只在0~VDD之间，保护二极管均处于截止状态，所以不影响电路功能。当输入端电压高于VDD＋UDF或低于－UDF（-0.5V）时，保护二极管就会导通，从而把TN、TP栅极电位限制在－UDF~VDD＋UDF之间，因此不会发生SiO2介质被击穿的现象。（二）CMOS反相器的静态特性1、输入特性：iI＝f（uI）的曲线，称之。在正常工作电压情况下，由于MOS管输入电阻很高，iI≈0；当uI＞VDD＋uDF时，保护二极管D3导通，电流急剧增加；当uI-uDF时，D1导通，i1经D1、RS流出，见P69图2.3.3（c）2、输出特性：指出输出电压uo与输出io的关系成uo=f(io)。二个概念：当输出uo为高电平时，CMOS反相器中，PMOS管T2导通，NMOS管T1截止。Io从VDD经TP流出，供给负载RL。由于这时负载RL是向反相器索取电流，所以常常形象地称之为拉电流负载，并把反相器能够输出的最大电流IOH，叫带拉电流负载的能力。当uo为低电平时，CMOS反相器中，NMOS管导通，PMOS截止，电流i。经负载流入反相器，常称为带灌电流负载，并把反相器允许灌入的最大电流IOL叫做带灌电流负载的能力。53、电压传输特性：指输出电压uo与输入电压uI的变化关系。即uo=f(uI)，理论和实验都可得到如下曲线，曲线可分五段进行分析。①AB段：uIUTN（2V），TN截止、TP导通，uo=10V②BC段：2VuI5V，TN、TP导通，VuGS51,VuGS52，TP导通更历害，随uI↑，uo↓③CD段：uI在0.5VDD=5V附近时，TN、TP均导通，且电流最大。uI↑，uo↓急剧下降。uI=0.5VDD=5V叫CMOS反相器的转折电压或阈值电压，用UTH表示。④DE段：5VuI8V，TN、TP均导通，但TN导通程度增大、TP导通程度减小,VDS1VDS2，输出电压下降缓慢下来。⑤EP段：uI8V，TN导通，TP截止，输出电压uo=0几个参数：①阀值电压UTH：电压传输特性转折区所对应的输入电压。②输入端的噪声容限：在uo为规定值时，允许uI波动的最大范围。输入低电平噪声容限UNL：输入为低电平时，输出为高电平，保证输出高电平不低于额定值的90%时，所允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压。输入高电平噪声容限UNH：输入为高电平时，输出为低电平，保证输出为低电平的前提下，所允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压。CMOS反相器：UNL＝1/2VDD＝5V，UNH＝VDD-1/2VDD＝5V。（三）动态特性：传输延迟时间：传输延迟时间反映了门电路工作速度的重要参数。理论和实验都可分析，如果把一个理想的矩形波加到CMOS反相器输入端，在输出端得到输出电压uo的变化总是滞后于输入电压uI的变化，如图示，这是因为输入、输出端存在电容引起。两个参数：tPHL：从uI上升沿中点到uo下降沿中点所经历的时间称为导通延迟时间。tPLH：从uI下降沿到uo上升沿中点所经历的时间，称为截止传输时间。trd＝(tPHL+tPLH)/2，称为平均延迟时间。（四）CMOS反相器的主要参数和常用型号（见P73页）二、CMOS与非门、或非门、与门和或门1、CMOS与非门→TN导通增加，TP导通减弱6CMOS门接成原则：CMOS电路中，NMOS和PMOS管成对出现，二个工作管就要有两个负载管，同一对NMOS和PMOS管栅极应接在一起作输入端，NMOS管的基极B接地，PMOS的基极B极接电源。与非门：二个工作管TN1，TN2相串，二个负载管PMOS相并联，如图示功能分析：Y=AB2、CMOS或非，与或非，或门，与门等电路的构图原则以上介绍了CMOS非门，与非门，此外，CMOS电路还可构成“或非，与或非，或门，与门”等电路，其构图的几个原则是（应记忆）。①工作管（NMOS）与负载管（PMOS）要成对出现。同一对NMOS、PMOS管栅极接在一起作为输入端；NMOS管的B极均接地，PMOS管的B极均接电源②工作管相串，相应的负载管应相并；工作管相并相应的负载管相串。③工作管先串后并，则负载管应先并后串，工作管先并后串，则负载管先串后并。④工作管相串为“与”，相并为“或”，由工作管组与负载管组联接点引出则倒相。例1：画出Y＝BA的CMOS电路解：工作管应相并联，负载管相串，电路组成如右图。例2：与门：Y＝ABAB先画出与非，再非。复习：一、CMOS非门1、由一对NMOS和PMOS管组成，N为工作管，P为MOS管，栅级连在一起为输入端。2、静态特性：IOH、IOL、IIS3、动态特性：VNL、VNH二、CMOS集成门构图原则ABTN1TN2TP1TP2Y→VDDY→地Y00断断通通通断101断通通断通断110通断断通通断111通断通断断通07三、CMOS传输门，三态门和漏极开路门（一）、CMOS传真输门CMOS传输门也是构成各种复杂的CMOS电路的一种基本单元电路，其电路由一对互补的MOS管组成，两管栅极作为控制极，加上互为反相的控制电压，NMOS的B极接地，PMOS的B极接正电源，符号如图所示。原理分析：（1）开启条件：c=“1”(10V)，c=“0”(0V)信号传向uI=0~10V的信号传向输出端。（2）关闭条件：c=“0”，c=“1”，输入和输出间呈高阻状态因为：ui=0~10V，当c=“1”(10V)，c=“0”(0V)时，uI=0~8V的信号，uGSN=10~2V，TN导通；uI=2~10V的信号，uGSP=－2~－10V，TP导通。因此，uI=0~10V的输入信号，可由uo传送出去。当c=“0”，c=“1”时，uGSN≤0V，uGSP≥0，TN、TP均截止，输入和输出呈高阻状态。由于MOS漏、源极结构对称，可以互换，故传输门可以作双向开关，即入产，即入端和出端可以互换使用。(二)CMOS三态门1、电路组成和符号如图电路，是三态门的电路图。A是信号