门电路

2.1概述2.2半导体器件的开关特性2.3分立元件门电路2.4TTL集成门电路2.5CMOS集成门电路第二章门电路5V3V0V0.4VVHVL低电平高电平3.4V0.2V2.1概述一、高电平和低电平二、逻辑赋值方法VH-------1VL-------0正逻辑体系VH-------0VL-------1负逻辑体系VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。使用的实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件。VISVccVo三、高低电平获取方法•工艺分类–双极型门电路–MOS门电路–Bi-CMOS电路逻辑功能分类–与门、或门、非门–与非门、或非门、与或非门、同或、异或四、门电路的分类2.2半导体器件的开关特性理想开关•开关打开时：漏电流为零，关断电阻为无穷大•开关闭合时：导通电压为零，导通电阻为零I=0R=∞U=0，R=0•开关动作在瞬时完成机械开关电子开关在数字电路中,常将半导体二极管,三极管和场效应管作为开关元件使用。理想开关:接通时阻抗为零;断开时阻抗为无穷大;两状态之间的转换时间为零。实际半导体开关:导通时具有一定的内阻;截止时有一定的反向电流;两状态之间的转换需要时间。2.1.1半导体二极管的开关特性下面以硅二极管为例D(1)导通条件及导通时的特点ID(mA)VDVOn0.50硅二极管伏安特性D+-Vi0.7R电路图1.静态开关特性导通条件：VD≥0.7V导通特点：ID较大，VD≈0.7V，相当于开关闭合。+-Vi0.7RVD近似等效电路+-Vi0.7RK简化等效电路(2)截止条件及截止时的特点D+-Vi0.5R电路图+-Vi0.5RK简化等效电路截止条件：Vi＜0.5V截止特点：ID≈0，相当于开关断开。2.动态开关特性反向恢复时间tre是影响开关速度的主要因素，其原因在于PN结的电容效应。i+Vi-RLtVititretre＜10nS①开启时间:由反向截止转换为正向导通所需要的时间.二极管的开启时间很小,可忽略不计。②关断时间:由正向导通转换为反向截止所需要的时间。二极管的关断时间大约几纳秒。RCICRbIBViVoVcc三极管开关电路(1)饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件:IB≥IBS=ICSβ≈VCCβRC饱和导通时的特点:VBE≈0.7V，IC=ICS，VCE=VCES=0.1~0.3V，发射极和集电极之间如同闭合的开关。2.1.2半导体三极管的开关特性1.静态开关特性(2)截止条件及截止时的特点截止条件:VBE0.5V(硅三极管发射结导通电压)截止时的特点:发射结和集电结均为反向偏置,IB≈IC≈0,发射极和集电极之间如同断开的开关。+_+_0.7V0.1~0.3Vbce饱和时ecb截止时三极管开关的近似直流等效电路现象：存在开关时间。开启时间ton:三极管由截止到饱和所需要的时间,纳秒(ns)级。关断时间toff:三极管饱和由到截止所需要的时间,纳秒(ns)级,toffton。toff的大小与工作时三极管饱和导通的深度有关,饱和程度越深,toff越长,反之则越短。2.动态开关特性举例：例2.1(P49)2.1.3MOS管的开关特性GSDRDVCCMOS管的三个工作区：截止区；可变电阻区；恒流区。MOS管作开关使用时，通常工作在截止区和可变电阻区。数字集成电路中常用的MOS管为P沟道增强型和N沟道增强型。NMOS管开关电路(1)导通条件及导通时的特点(以NMOS管为例)1.静态开关特性导通条件:VGSVTN和VGDVTN(VTN为NMOS管的开启电压)导通时的特点:MOS管工作于可变电阻区，有导电沟道（无预夹断），RON＜1KΩ，D，S间相当于闭合的开关。(2)截止条件及截止时的特点截止条件:VGSVTN截止时的特点:MOS管工作在截止区，漏源之间无导电沟道,阻值一般为109~1010Ω,D,S间相当于断开的开关。NMOS管开关近似直流等效电路VDDRDRDSDGS(几百Ω)导通状态VDDRDDGS截止状态(3)开关时间MOS管本身的开关时间很小.组成开关电路时,由于管子间的寄生电容和布线电容的存在,加上MOS管的输入、输出阻抗较大,使输入、输出电路的充放电时间常数增加,影响了开关时间。2.3分立元件门电路对应三种基本逻辑运算，有三种基本门电路⒈二极管与门（D与门）⑴电路3VA0VBFRD1D2Vcc（5V）⑵原理VAVBVFD1D20V0V0.7V通通0V3V0.7V通止3V0V0.7V止通3V3V3.7V通通要分析输入的各种状态电位表：⒈二极管与门(续)VAVBVFD1D20V0V0.7V通通0V3V0.7V通止3V0V0.7V止通3V3V3.7V通通0→低电位1→高电位真值表:ABF000010100111实现了与逻辑功能实现了与逻辑功能⑶符号ABF&国标惯用国外ABFABF⒉二极管或门（D或门）⑴电路3VA0VBFRD1D2⑵原理VAVBVFD1D20V0V0V止止0V3V2.3V止通3V0V2.3V通止3V3V2.3V通通电位表：0→低电位1→高电位真值表:ABF000011101111实现了或逻辑功能实现了或逻辑功能⑶符号国标惯用国外FAB≥1ABF＋ABF（4）特点1）结构简单；2）输出存在电平偏移，带负载能力差；3）常用于LSI的内部单元。3.三极管非门电路工作原理(设三极管电流放大倍数β=30)（1）Vi=0V,则三极管基极电位VB0V,满足截止条件VBE0.5V,三极管截止,IC=0,VO=Vcc=3V,为高电平。RCR1ViVoVcc(3V)三极管非门电路1.5kΩR2VBB(-5V)10kΩ1kΩVB而三极管饱和时所需要的最小基极电流IBS=ICS/β=(Vcc－VCES)/(RC·β)=(3－0.3)/(1×30)=0.09mA（2）Vi=3V，三极管饱和。因为饱和时VB=0.7V,基极电流IB=(Vi－VB)/R1－(VB－VBB)/R2=(3－0.7)/1.5－(0.7－(－5))/10=0.96mARCR1ViVoVcc(3V)三极管非门电路1.5kΩR2VBB(-5V)10kΩ1kΩVB结论:由于IBIBS，所以三极管饱和。输出为低电平。VO=0.1~0.3V注意；分立元件门电路的输出电平存在偏移而且带负载能力较差,工作不稳定,可靠性差。4.逻辑电平及正、负逻辑门电路的输入、输出为二值信号,用“0”和“1”表示.这里的“0”、“1”一般用两个不同电平值来表示.若用高电平VH表示逻辑“1”,用低电平VL表示逻辑“0”,则称为正逻辑约定,简称正逻辑;若用高电平VH表示逻辑“0”,用低电平VL表示逻辑“1”,则称为负逻辑约定,简称负逻辑.在本课程中,如不作特殊说明,一般都采用正逻辑表示.VH和VL的具体值,由所使用的集成电路品种以及所加电源电压而定,有两种常用的集成电路:1)TTL电路,电源电压为5伏,VH约为3V左右,VL约为0.2伏左右;2)CMOS电路,电源电压范围较宽,CMOS4000系列的电源电压VDD为3~18伏.CMOS电路的VH约为0.9VDD,而VL约为0伏左右.对一个特定的逻辑门,采用不同的逻辑表示时,其门的名称也就不同.正负逻辑转换举例电平真值表正逻辑(与非门)负逻辑(或非门)Vi1Vi2VoABYABYVLVLVH001110VLVHVH011100VHVLVH101010VHVHVL1100012.4TTL集成门电路集成电路：把二极管、三极管、电阻和连线都制作在一块半导体基片上构成具有一定功能的电路。集成电路可分为模拟集成电路、数字集成电路、混合集成电路。数字集成电路可分为SSI、MSI、LSI、VLSI。SSI从功能可分为门电路、触发器门电路从集成工艺可分为双极型、MOS型双极型工艺可分为TTL、HTL、ECL、I2LMOS型工艺可分为NMOS、PMOS、CMOS2.4.1TTL与非门1.电路组成电路分三个部分:输入级、中间级、输出级。（一）TTL与非门典型电路及其工作原理R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5输入级中间级输出级D3（1）输入级：R1、T1、D1、D2T1为多发射极晶体管ABbcebcABe1e2R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5输入级中间级输出级D3D1、D2为钳位二极管，起保护T1管的作用。（2）中间级:R2、T2、R3倒相、放大作用（3）输出级:R4、T4、T5、D3输出级特点：静态功耗低，开关速度快，这种电路结构称为推拉式电路。R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5输入级中间级输出级D3设输入信号高低电平分别为ViH=3.4V;ViL=0.2VPN结正向导通电压为0.7V;三极管电流放大倍数β=20。(1)输入中有低电平T1管发射结导通,T1管饱和。R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5D30.2V0.9V1mA0mA0.3V5V3.6V由于T2基极电压仅为0.3V,故T2、T5均截止。T4、D3导通，输出约为3.6V(5-0.7-0.7=3.6).输出高电平1。2.工作原理(2)输入均为高电平T1管处于倒置工作状态(be结反偏,bc结正偏.);R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5D33.4V2.1V0.7mA0.78mA1.4V1V0.1V3.4V(40μA)(40μA)2.5mA0.7mA0.7V2.6mAT2管处于饱和工作状态;T4，D3管处于截止工作状态;T5管处于饱和工作状态;F输出为“0”。综合上面两种情况,该电路实现与非功能。F=AB（1）结构TTL反相器由三部分构成：输入级、中间级和输出级。3、TTL反相器的结构和原理A为高电平时，VB1≈2.1V，T1倒置，VB2≈1.4V，T2和T5饱和，T4和D3截止，Y为低电平。（2）原理A为低电平时，T1饱和，VB1≈0.9V，VB2≈0.3V，T2和T5截止，T4和D3导通，Y为高电平；（二）TTL门电气特性与参数ViVo&VVVCC一、电压传输特性：定义：输出电压VO随输入电压Vi变化的关系曲线，即VO=f(Vi)。测试电路传输特性曲线V0(V)Vi(V)1233.6VBCDE0.6V1.4V0A⒈电压传输特性分析电压传输特性分析V0(V)Vi(V)1233.6VBCDE0.6V1.4V0ABC段：线性区，当0.6V≤Vi≤1.3V，0.7V≤Vb2＜1.4V时，T2开始导通(放大区），T5仍截止，VC2随Vb2升高而下降，经T4构成的射极跟随器使VO线性下降。AB段：截止区,当VI≤0.6V，Vb2≤0.7V时，T2、T5截止，输出高电平VOH=3.6VCD段：转折区,Vi≈1.4V,T2、T5开始饱和。DE段：饱和区,Vi1.4V，T2,T5饱和，VO＝0.3V产品规范值:VOL≤0.4V典型值:VOL＝0.3V低电平上限:VOL(max)=0.4V产品规范值:VOH≥2.4V典型值:VOH＝3.5V高电平下限:VOH(min)=2.4V⒉相关参数VOH输出高电平：VOL输出低电平：与非门输入有低时，Vo＝VOH与非门输入全高时，Vo＝VOL1.VOH和VOL都是对具体门输出高、低电平电压值的要求。2.高电平表示一种状态，低电平表示另一种状态，一种状态对应一定的电压范围，而不是一个固定值。说明：0V5V2.4VVSLVSH0.4V相关参数（续）关门电平VOFF：开门电平VON：阈值电压(门坎电平)VT：与非门在保证输出为高电平时，允许的最大输入低电平值。VOFF＝VIL(max)=0.8V与非门在保证输出为低电平时，允许的最小输入高电平值。VON＝VIH(min)=2V此时输入有低此时输入全高VT≈1.4V⒊噪声容限VSHVONVOFFVSLVNHVNL1100定义：高电平噪声容限VNH＝VOH(m