31-32河北科技大学数字电子技术基础

数字电子技术基础信息科学与工程学院·基础电子教研室第三章门电路内容提要：本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元－－门电路，有TTL逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二极管和三极管及场效应管的开关特性基础上，讲解它们的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等等，为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点讨论TTL门电路和CMOS门电路。本章主要内容3.1概述3.2半导体二极管门电路3.3CMOS门电路3.4*其他类型的MOS集成门电路3.5TTL门电路3.6*其他类型的双极型集成门电路3.8*TTL门电路与CMOS门电路的接口3.1概述1.门电路：实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或门、与或非门等(1)正逻辑：在二值逻辑中，如果用高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”，在这种规定下的逻辑关系称为正逻辑，如图3.1.1所示2.正负逻辑系统图3.1.1正负逻辑示意图(2)负逻辑：在二值逻辑中，如果用高电平表示逻辑“0”，低电平表示逻辑“1”，在这种规定下的逻辑关系称为负逻辑，如图3.1.1所示。3.高低电平的实现在数字电路中，输入输出都是二值逻辑，其高低电平用“0”和“1”表示。其高低电平的获得是通过开关电路来实现。图3.1.2高低电平实现原理电路其原理为：当开关S断开时，输出电压vo＝Vcc，为高电平“1”；当开关闭合时，输出电压vo＝0V，为低电平“0”；若开关由三极管构成，则控制三级管工作在截止和饱和状态，就相当开关S的断开和闭合。如二极管或三极管电路组成。图3.1.2高低电平实现原理电路3.1概述单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路（如CMOS门电路），即用一个管子代替图3.1.2中的电阻，如图3.1.3所示VccIvovS1S2输入信号输出信号图3.1.3互补开关电路互补开关电路的原理为VccIvovS1S2输入信号输出信号图3.1.3互补开关电路3.1概述开关S1和S2受同一输入信号vI的控制，而且导通和断开的状态相反。当S1闭合时，S2断开，输出为高电平“1”；相反当S1断开时，S2闭合，输出为高电平“0”。互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的，流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字电路中得到广泛的应用4.数字电路的概述（1）优点：图3.1.1正负逻辑示意图在数字电路中由于采用高低电平，并且高低电平都有一个允许的范围，如图3.1.1所示，故对元器件的精度和电源的稳定性的要求都比模拟电路要低，抗干扰能力也强。(2)分类：3.1概述可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路：分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工艺集成在很小的半导体芯片上。数字集成电路根据规模可分为）－超大规模（－大规模（中规模（）－小规模（所含元器件数）按规模分（每片nIntegratioScaleLargeVeryVLSIn)IntegratioScaleLargeLSIn)IntegratioScaleMedium-MSInIntegratioScalemallSSIICS≤100/片（100～1000）/片103~105/片105以上/片按导电类型可分为）＋兼容型（）双极型（）单极型（按导电类型BJTFETBJTFET3.1概述数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因此本章先介绍TTL和CMOS数字集成逻辑门的结构、工作原理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1.稳态开关特性图3.2.1二极管的开关电路图3.1.2高低电平实现原理电路将图3.1.2中的开关用二极管代替，则可得到图3.2.1所示的半导体二极管开关电路对于图3.2.1所示二极管开关电路，由于二极管具有单向导电性，故它可相当受外加电压控制的开关。设vi的高电平为VIH＝VCC，vi的低电平为VIL＝0，且D为理想元件，即正向导通电阻为0，反向电阻无穷大，则稳态时当vI＝VIH＝VCC时，D截止，输出电压vD＝VOH＝VCC将电路处于相对稳定状态下，晶体二极管所呈现的开关特性称为稳态开关特性图3.2.1二极管的开关电路3.2.1半导体二极管的开关特性VCC0当vI＝VIL＝0时，D导通，输出电压vo＝VOL＝0图3.2.1二极管的开关电路即可以用输入电压vi的高低电平控制二极管的开关状态，并在输出端得到相应的高低电平3.2.1半导体二极管的开关特性2.二极管动态特性：当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关特性（简称动态特性）二极管的动态电流波形如图3.2.3所示3.2.1半导体二极管的开关特性图3.2.3二极管动态电流波形这是由于在输入电压转换状态的瞬间，二极管由反向截止到正向导通时，内电场的建立需要一定的时间，所以二极管电流的上升是缓慢的；当二极管由正向导通到反向截止时，二极管的电流迅速衰减并趋向饱和电流也需要一定的时间。由于时间很短，在示波器是无法看到的在输入信号频率较低时，二极管的导通和截止的转换时间可以认为是瞬间完成的。但在输入信号频率较高时，此时间就不能忽略了。3.2.1半导体二极管的开关特性将二极管由截止转向导通所需的时间称为正向恢复时间（开通时间）ton；二极管由导通转向截止所需的时间称为反向恢复时间（关断时间）tre，两者统称为二极管的开关时间，一般tontre图3.2.3二极管动态电流波形treton3.2.2二极管与门简单的二极管与门电路如图3.2.4所示图3.2.4二极管与门电路设VCC＝5V，输入端A、B的高低电平为VIH＝3V，VIL＝0V，二极管的正向导通压降为VDF＝0.7V，则：当A、B中有一个是低电平0V时，至少有一个二极管导通，使得输出Y的电压为0.7V，为低电平；只有A、B中都加高电平3V时，两个二极管同时导通，使得输出Y为3.7V，为高电平。其输入输出及真值表如表3.2.1和3.2.2所示3.2.2二极管与门规定3V以上为“1”0.7V以下为“0”3.7V3V3V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V0V0VYBA表3.2.1111001010000YBA表3.2.2BAY其输出Y和输入A、B是与的关系，即3.2.3二极管或门二极管或门电路如图3.2.5所示图3.2.5二极管或门电路设输入端A、B的高低电平为VIH＝3V，VIL＝0V，二极管的正向导通压降为VDF＝0.7V，则：当A、B中有一个是高电平3V时，至少有一个二极管导通，使得输出Y的电压为2.3V，为高电平；只有A、B中都加低电平0V时，两个二极管同时截止，使得输出Y为0V，为低电平。3.2.2二极管或门其输入输出及真值表如表3.2.3和3.2.4所示BAY其输出Y和输入A、B是或的关系，即图3.2.5二极管或门电路规定2.3V以上为10V以下为02.3V3V3V2.3V0V3V2.3V3V0V0V0V0VYBA表3.2.3111101110000YBA表3.2.4二极管构成的门电路的缺点:1.电平有偏移:输出的高低电平数值与输入的高低电平数值相差一个二极管的压降，如果多级二极管门电路连接，将出现高低电平偏移。2.带负载能力差：输出端接负载，负载变化输出电平会随负载的变化而变化。•只用于IC内部电路3.3CMOS门电路CMOS逻辑门电路是在TTL器件之后出现，是应用比较广泛的数字逻辑器件，在功耗、抗干扰、带负载能力上优于TTL逻辑门，所以超大规模器件几乎都采用CMOS门电路，如存储器ROM、可编程逻辑器件PLD等国产的CMOS器件有CC4000(国际CD4000/MC4000)、高速54HC/74HC系列（国际MC54HC/74HC),此外还有兼容型的74HCT和74BCT系列（BiCMOS）先介绍74系列的反相器和逻辑门，再简单介绍其它系列的逻辑门3.3CMOS门电路场效应（MOS）管分类结型场效应管耗尽型结型绝缘栅绝缘栅效应管增强型耗尽型N沟道N沟道P沟道P沟道P型衬底3.3CMOS门电路3.3.1MOS管的开关特性一、绝缘栅型场效应管（MOS管）漏极D源极S栅极GDSBGN沟道增强型场效应管衬底BGDSB(a)标准符号GDS(b)简化符号图3.3.1增强型NMOS管的符号UDS当UGS＝0且UDS0时，iD＝0。当UDS0且UGS0时，iD＝0,形成耗尽层。UGS形成反型层导电沟道，当iD＝10uA时,此时的UGS称为开启电压UGS(th)。耗尽层反型层导电沟道的形成iD3.3CMOS门电路二、结型场效应管的结构和工作原理N沟道P沟道工作原理1.UDS＝0，UGS对导电沟道的影响沟道变窄，当增大到一定值，耗尽层闭合。夹断电压GSUGSU)off(GSU当UDS＝0时，多子不会定向移动iD＝0当UDS0时，iD=02、当UGS(off)UGS0,UDS对iD的影响三、场效应管的主要参数直流参数2.夹断电压UGS(off):UDS一定时,使iD减小到规定的微小电流时所需的uGS值。1.开启电压UGS(th):当UDS一定时,使漏极电流iD=10μA时所需加的UGS值。3.饱和漏极电流IDSS：当UGS等于零,产生预夹断时对应的漏极电流。DSBGN沟道增强型场效应管NPN型三极管ecbG-------bD-------cS-------e与NPN三极管相似，NMOS管为电压控制器件，当UGSUGS(th)N，MOS管导通。场效应管与三极管的比较与PNP三极管相似，PMOS管为电压控制器件，当UGSUGS(th)P,MOS管导通。DSBGP沟道增强型场效应管ecbPNP型三极管P沟道增强型场效应管N沟道增强型场效应管MOS管导通。MOS管导通。DSBGDSBGUiUi)(thGSiUU＞当：)(thGSiUU＞当：DSBGUiiDDSBGUiiD3.3CMOS门电路P79NMCS管反相器设：1/2UDD＞UGS(th)当ui=0时,D、S之间断uo=UDD当ui=UDD时,D、S之间通uo=0希望RD的阻值越小越好希望RD的阻值越大越好3.3.2CMOS反相器的工作原理NMOS管PMOS管CMOS电路UDDST2DT1AF一、电路结构3.3.2CMOS反相器的工作原理UDDST2DT1uiuoui=0截止ugs2=UDD导通u０=１工作原理：S设：1/2UDD＞UGS(th)10UDDUDDST2DT1uiuoui=１导通截止u０=０工作原理：S10UDD电路特点1.无论Ui是高电平还是低电平，T1和T2管总是一个导通一个截止的工作状态，称为互补，这种电路结构CMOS电路；2.电路工作时，T1和T2总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过T1和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小。vOVvIVDDVDD21VDD21DD0二、CMOS反相器电压传输特性曲线UGS2UGS(th)N,|UGS1||UGS(th)P|T1截止，T2导通VDDST1DT2vivoVTHCMOS反相器传输特性曲线阈值电压输出电压随输入电压变化的曲线UGS2＜UGS(th)N,|UGS1|＞|UGS(th)P|T1导通，T2截止UGS2＞UGS(th)N，|UGS1|＞|UGS(th)P|T1导通，T2导通AB段：输入低电平0OLOVVNthGSthGSDDGSVVV)(GS2P)(0＜＞1DDOHOVVVT1管导通，T2截止，输出电压为高电平，即CD段：输入高电平GS(th)NGS2V＞＜P)TH(GSGSV1T1管截止，T2导通，输出电压为低电平，即P811、电压传输特性BC段：图3.3.11CMOS反相器的电压传输特性DDODDIVVVV2121时，当T1、T2的工作状态开始发生变化，1/2VDD时T1、T2同时导通，若T1、T2参数完全相同，则2.电流传输特性图3.3.12CMOS反相器的电流传输特性AB段：输入低电平NGSIVV)th(T1管导通，T2截止，输出漏极电流近似为零电流传输特性是反相器