数字电路(精)

第1页第三章门电路第三章门电路§3.2半导体二极管和三极管的开关特性§3.3最简单的与、或、非门电路§3.4TTL门电路§3.1概述§3.6CMOS门电路§3.7其他类型的MOS门电路*§3.8TTL电路与CMOS电路的接口*§3.5其他类型的双极型数字集成电路*第2页第三章门电路§3.1概述•门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门······门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1、0获得高、低电平的基本原理高/低电平都允许有一定的变化范围第3页第三章门电路正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1第4页第三章门电路根据制造工艺不同可分为单极型和双极型两大类。门电路中晶体管均工作在开关状态。首先介绍晶体管和场效应管的开关特性。然后介绍两类门电路。注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握；而各种门电路的外部特性和应用是要求重点。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。第5页数字电路第三章门电路§3.2半导体二极管和三极管的开关特性一、半导体二极管（Diode）的结构和外特性二极管的结构：PN结+引线+封装构成PN第6页数字电路第三章门电路在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结图PN结的形成一、PN结的形成PN结第7页第三章门电路二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0•VI=VIHD截止，VO=VOH=VCC•VI=VILD导通，VO=VOL=0.7V第8页第三章门电路1.开关电路举例2.静态特性•伏安特性•等效电路在数字电路中重点在判断二极管开关状态，因此必须把特性曲线简化。（见右侧电路图）有三种简化方法：输入信号慢变化时的特性。第9页第三章门电路二极管的开关等效电路：第10页第三章门电路3.动态特性当外加电压突然由正向变为反向时，二极管会短时间导通。tre这段时间用tre表示，称为反向恢复时间。输入信号快变化时的特性。DRLi它是由于二极管正向导通时PN结两侧的多数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的。第11页第三章门电路1、N沟道增强型MOS场效应管结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图3.3.1N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图SGDB二、MOS的开关特性第12页第三章门电路1.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。2.工作原理分析(1)UGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD第13页第三章门电路导电沟道(反型层)源极Source漏极Drain栅极Gate称为N沟道增强型场效应管导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在D,S间加电压，将形成漏极电流iD。DS当大于VGS(th)时，将出现导电沟道。VGS(th)称为开启电压，与管子构造有关。GS显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若不变，就可控制漏极电流iD。DSGS因此，把MOS管称为电压控制器件。SDB第14页第三章门电路①输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。②输出特性：对应不同的VGS下得一族曲线。2、输入特性和输出特性DSDVfi第15页第三章门电路输出特性曲线（漏极特性曲线：分三个区域）a)截止区：VGSVGS(th)，iD=0,ROFF109Ω•恒流区：iD基本上由VGS决定，与VDS关系不大221GSDthGSGSthGSGSDSDViVVVVIi下，当)()()(常数（电阻）DDSiVa)截止区：VGSVGS(th)，iD=0,ROFF109Ω•恒流区：iD基本上由VGS决定，与VDS关系不大•可变电阻区：当VDS较低（近似为0），VGS一定时，这个电阻受VGS控制、可变。第16页第三章门电路3、MOS管的基本开关电路控制的开关。间相当于一个受管所以导通当截止当则：只要因为IOLOGSIHIDDOHOGSILIOFFDONONOFFVSDMOSVVTthVVVVVVTthVVVRRRKRR0)()(,1,109第17页第三章门电路4、MOS管的开关等效电路OFF截止状态ON导通状态第18页第三章门电路5、MOS管的四种类型增强型耗尽型大量正离子导电沟道第19页第三章门电路P沟道增强型MOS管的漏极特性P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)0当UGSUGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。第20页第三章门电路一、反向器（非门）（一）工作原理N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN;P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP;要求满足VDDVTN+|VTP|;输入低电平为0V；高电平为VDD;（1）输入为低电平0V时；T2截止；T1导通。iD=0，=VDD;O（2）输入为高电平VDD时；T1截止；T2导通。iD=0，=0V;O输入与输出间是逻辑非关系。§3.3.2CMOS反相器的电路和工作原理第21页第三章门电路特点：静态功耗近似为0；电源电压可在很宽的范围内选取。在正常工作状态，T1与T2轮流导通，即所谓互补状态。CC4000系列CMOS电路的VDD可在3－18V之间选取。第22页第三章门电路1.电压传输特性VVT2截止，T1导通T1截止，T2导通T1，T2都导通阈值电压转折区变化率大，特性更接近理想开关。阈值电压为VDD的一半，特性对称，因而输入端噪声容限较大。CC4000系列CMOS电路的噪声容限为：（允许输出电压变化百分之十）VNH=VNL=30%VDD特点：第23页第三章门电路2.电流传输特性A当T1,T2都导通时，iD不为0；输入电压为VDD/2时，iD较大，因此不应使其长期工作在BC段。在动态情况下，电路的状态会通过BC段，使动态功耗不为0；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出系数的主要因素。第24页第三章门电路(二)静态特性1.输入特性由于MOS管栅极绝缘，输入电流恒为0，但CMOS门输入端接有保护电路，从而输入电流不为0。AiII由曲线可看出，输入电压在0－VDD间变化时，输入电流为0；当输入电压大于VDD时，二极管D1导通；当输入电压小于0V时，二极管D2导通。二极管D2和电阻RS串联电路的特性二极管D1的特性第25页第三章门电路2.输出特性(1)输出低电平DSDi0VDD增加相当于T2的VGS增加T2工作在可变电阻区，有较小的导通电阻，当负载电流增加时，该电阻上的压降将缓慢增加。对于CC4000系列门电路，当VDD=5V时，IOL的最大值为0.51mA；而在74HC系列中，该值为4mA。第26页第三章门电路(2)输出高电平DSDSDi00IOHVDDVOHVOH=+VDDDS与输出低电平类似，此时T1工作在可变电阻区；当负载电流增加时，T1的VDS增加，导致输出下降。此时，IOH的最大值，与输出低电平时相同。第27页第三章门电路（三）动态特性1.传输延迟时间(1)MOS管在开关过程中无电荷存储，有利于缩短延迟时间；(2)MOS管的导通电阻比TTL电路大的多，所以其内部电容和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受VDD影响，所以，VDD也影响传输延迟时间；(3)CMOS门的输入电容比TTL电路大的多，因此负载个数越多，延迟时间越大；CMOS门的扇出系数就是受传输延迟时间和下面要介绍的动态功耗等动态特性限制的。第28页第三章门电路2.交流噪声容限3.动态功耗与TTL电路类似，当噪声电压作用时间tW小于电路的传输延迟时间时，输入噪声容限VNA将随tW缩小而明显增大。传输延迟时间与电源电压和负载电容有关，因此VDD和CL都对输入噪声容限有影响。动态情况下，T1,T2会短时同时导通，产生附加功耗，其值随输入信号频率增加而增加。定量估算可得动态功耗PC的公式：PC=CLfV2DD负载电容经T1、T2充、放电，也会产生功耗。第29页第三章门电路二、其他类型的CMOS门电路1.其他逻辑功能的门电路与非门或非门第30页第三章门电路设：MOS管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为RO。2RONRON/211RONR0N01RONRON10RON/22R0N00RO（与非)RO（或非）BA输出高电平偏低输出低电平偏高与非门特点：N沟道管串联、P沟道管并联；输出电阻随输入状态变化。第31页第三章门电路3.带缓冲级的CMOS门电路与非门缓冲器或非门特点：输出电阻恒为RON；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。第32页第三章门电路3.漏极开路的门电路（OD门）门类似的计算方法与可以不等于使用时允许外接器或用作电平转换、驱动现线与可将输出并联使用，实OCRVVVRLDDDDDDL321)(,普通CMOS门不能接成线与形式。线与是指具有高阻输出的器件（各类门电路），直接连接，自动完成与逻辑的功能的连接方式。第33页第三章门电路（三）漏极开路门电路（OD）普通CMOS门不能接成线与形式。OD门输出端只是一个N沟道管，因此可以按OC门的办法连成总线形式。特点：VDD1和VDD2可取不同值；允许灌入电流较大。如：CC40107在VOL0.5V的条件下，允许灌入的最大电流可达50mA。第34页第三章门电路CMOS传输门（TG）栅极控制电压为互补信号，如C=0，C=VDD工作原理：当C=0V，C=VDD时TN和TP均截止，VI由0～VDD变化时，传输门呈现高阻状态，相当于开关断开，CL上的电平保持不变，这种状态称为传输门保存信息当C=VDD，C=0V时，VI在VT～VDD范围变化时TP导通即VI在0～VDD范围变化时，TN、TP中至少有一只管子导通，使VO=VI，这相当于开关接通，这种状态称为传输门传输信息VI由0～（VDD-VT）范围变化时TN导通返回CMOS电路第35页第三章门电路CMOS传输门（TG）工作原理：1、当C为低电平时，TN、TP截止传输门相当于开关断开，传输门保存信息2、当C为高电平时，TN、TP中至少有一只管子导通，使VO=VI，这相当于开关接通，传输门传输信息由此可见传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关逻辑符号输入输出门控制信号返回CMOS电路第36页第三章门电路VGS(th)PVGS(th)NVDD0VIN沟道管导通P沟道管导通分析原理。先分析只有一个管时的情况：单管工作的缺点是：1.有死区；2.导通电阻随输入电压变化很大。采用双管可克服这些缺点。第37页第三章门电路双向模拟开关第38页第三章门电路5.三态输出门)(ZYENAYEN高阻时，时，10)(ZYENAYEN高阻时，时，01第39页第三章门电路三、双极型三极管的开关特性双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳第40页第三章门电路基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂第41页第三章门电路beceRcRbIEpICBOICIBIEnIBnICn以NPN为例说明工作原理：•当VCCVBB•be结正偏,bc结反偏•e区发射大量的电子•b区薄，只有少量的空穴•bc反偏，大量电子形成IC发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充。集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn。其能量来自外接电源VCC。第42页第三章门电路1、三极管的输入特性曲线（NPN）•VON：开启电压•硅管，0.5~0.7V•锗管，0.2~0.3V•近似认为:•VBEVONiB=0•VBE≥VONiB的大小由外电路电压，电阻决定bBEBBBRVVi第43页第三章门电路2、三极管的输出特性（NPN）)V(fiCEC•固定一个IB