3-集成逻辑门电路

上页下页返回数字电子技术基础3集成逻辑门电路3.1二、三极管开关特性3.2TTL集成逻辑门3.3CMOS集成门电路3.4逻辑门电路使用中的几个实际问题上页下页返回数字电子技术基础3.1二、三极管开关特性3.1.1二极管的开关特性1.二极管的开关特性二极管最重要的特性是单向导电性，即正向导通，反向截止。二极管相当于一个受电压控制的开关。上页下页返回数字电子技术基础iDuD+_UOiDOuDUOkaiDuD+－iDOka忽略导通电压二极管的模型恒压模型理想模型上页下页返回数字电子技术基础iDuD+－iDOka理想模型理想二极管的开关特性:开关接通时，电阻为零；断开时，电阻为无穷大。上页下页返回数字电子技术基础FURU1ttOFIRItiOSttR1.0IuuRDitt—渡越时间，反向恢复时间。ts—存储时间tre=ts+tt—反向恢复时间上页下页返回数字电子技术基础二极管的实际开关特性:开关时间:一般为几十到几百纳秒。FURU1ttOFIRItiOSttR1.0Iu上页下页返回数字电子技术基础(1)二极管与门uIARuIB+VccDADBuO低低低高低高低高低低高高uOuIBuIA输出输入二极管与门电平表2.二极管逻辑电路上页下页返回数字电子技术基础(2)二极管或门uIAuIBRuODADB低高高高低高低高低低高高uOuIBuIA输出输入二极管或门电平表上页下页返回数字电子技术基础3.1.2三极管的开关特性1.动态开关特性三极管这种在外加电压作用下，截止和饱和后的稳态模型，它反映了三极管的静态开关特性。如果三极管只工作在截止状态，管子截止相当于开关断开。如果三极管只工作在饱和状态，管子饱和相当于开关接通。(1)静态开关特性上页下页返回数字电子技术基础(2)动态开关特性a.三极管开关电路图RcVccRBV11VV22VuO10k+－1kuI+－S5V上页下页返回数字电子技术基础b.三极管开关电路波形图ooouoiCICS0.9ICS0.1ICSVCCtontoffV2V1tttuIa)开关时间延迟时间td——从uI上跳开始到iC上升到0.1ICS所需要的时间。上页下页返回数字电子技术基础上升时间tr——iC从0.1ICS上升到0.9ICS的时间。接通时间ton——td与tr之和。ooouoiCICS0.9ICS0.1ICSVCCtontoffV2V1tttuI上页下页返回数字电子技术基础存储时间tS——iC从ICS下降到0.9ICS的时间。关断时间toff——ts与tf之和。下降时间tf——iC从0.9ICS下降到0.1ICS的时间。ooouoiCICS0.9ICS0.1ICSVCCtontoffV2V1tttuI上页下页返回数字电子技术基础开关时间——三极管的接通时间ton、关断时间toff，统称为开关时间。开关时间越短，开关速度也就越高。管子的结构工艺，外加输入电压的极性及大小。b)影响开关时间的因素c)提高开关速度的途径制造开关时间较小的管子；设计合理的外电路。上页下页返回数字电子技术基础通常toffton、tstf。因此控制三极管的饱和深度，减小ts是缩短开关时间、提高开关速度的一个主要途径。给三极管的集电结并联一个肖特基二极管(高速、低压降)，可以限制三极管的饱和深度，从而使开断时间大大缩短。将三极管和肖特基二极管制作在一起，构成肖特基晶体管，可以提高电路的开关速度。(a)电路图；(b)电路符号上页下页返回数字电子技术基础2.晶体管逻辑电路RB1uo6.8k+－(A)(L)uI+－RC330RB222kVBB5V+VCC(+5V)反相器电路图(1)反相器(非门)工作原理：a.当uI高电平时，晶体管饱和导通，输出uO0b.当uI低电平时晶体管截止，输出uOVCC上页下页返回数字电子技术基础BJT工作状态uIuO低截止高高饱和低非门电平表RB1uo6.8k+－(A)(L)uI+－RC330RB222kVBB5V+VCC(+5V)反相器电路图反相器的输出与输入关系可表示为上页下页返回数字电子技术基础(2)与非门将二极管与门和晶体管非门复合在一起可构成与非门。&ABL1&ABABL与非门逻辑图上页下页返回数字电子技术基础RB1uo6.8k+－(A)(L)uI+－RC330RB222kVBB5V+VCC(+5V)反相器电路图uIARuIB+VccDADB上页下页返回数字电子技术基础同理，可将二极管或门和非门复合在一起可构成或非门。(3)或非门1ABL11ABABL或非门逻辑图上页下页返回数字电子技术基础3.1.3场效应管的开关特性1.MOS场效应管(MOSFET)的开关特性数字电路中普遍采用增强型的MOSFET。当漏源电压uDS较高时：当uGS大于UT，MOSFET工作在变阻状态，相当于开关接通。栅源电压uGS小于开启电压UT时，MOSFET处于截止状态，相当于开关断开；上页下页返回数字电子技术基础MOSFET的开关模型uGSUTuGSUTgsdb截止状态uGS+_gdssuGS+_gdss变阻状态MOS场效应管的开关速度往往比双极型管低，但随着工艺的改进，集成CMOS电路的速度已和TTL电路不差上下。上页下页返回数字电子技术基础2.MOS管开关电路电阻负载反相器电路a.当u1UT，T截止uI+－RD3.3k+VCC(+5V)uo+－TuO=VDD(为高电平)b.当u1为高电平时，T导通。输出为低电平上页下页返回数字电子技术基础3.2TTL集成逻辑门1.集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)集成电路就是把电路中的半导体器件、电阻、电容及导线制作在一块半导体基片(芯片)上，并封装在一个壳体内所构成的完整电路。数字集成电路就是用来处理数字信号的集成电路。与分立元件电路相比，集成电路具有重量轻、体积小、功耗低、成本低、可靠性高和工作速度高等优点。2.集成电路的特点上页下页返回数字电子技术基础3.数字集成电路的分类：(1)按电路内部有源器件的不同可分为a.双极型晶体管集成电路:(a)晶体管—晶体管逻辑(TTL-TransistorTransistorLogic)(b)射极耦合逻辑(ECL-EmitterCoupledLogic)(c)集成注入逻辑(I2L-IntegratedInjectionLogic)主要有:上页下页返回数字电子技术基础b.MOS(MetalOxideSemiconductor)集成电路主要有：NMOS、PMOS和CMOS等几种类型。目前已生产了BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优势，缺点是制造工艺复杂。TTL和CMOS集成电路的特点：(a)TTL集成电路工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低；(b)MOS集成电路集成度高、功耗低，但工作速度略低，超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路。上页下页返回数字电子技术基础(2)按集成度可分为a.小规模集成电路(SSI-SmallScaleIntegration)，每片组件内包含10~100个元件(或10~20个等效门)。b.中规模集成电路(MSI-MediumScaleIntegration)，每片组件内含100~1000个元件(或20~100个等效门)。逻辑门和触发器是目前常用的SSI。译码器、数据选择器、加法器、计数器、移位寄存器等组件是常用的MSI。上页下页返回数字电子技术基础c.大规模集成电路(LSI-LargeScaleIntegration)，每片组件内含1000~100000个元件(或100~1000个等效门)。d.超大规模集成电路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)，每片组件内含100000个元件(或1000个以上等效门)。常见的LSI、VLSI有只读存储器、随机存取存储器、微处理器、单片微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用和专用数字信号处理器等。此外还有专用集成电路ASIC，如可编程逻辑器件PLD。PLD是近十几年来迅速发展的新型数字器件，目前应用十分广泛，上页下页返回数字电子技术基础4.集成逻辑门集成逻辑门是最基本的数字集成电路，是组成数字逻辑的基础。常用的集成门电路，大多采用双列直插式封装（Dual-In-linePackage，缩写成DIP）。集成门电路外形图上页下页返回数字电子技术基础槽口1233467141312111098管脚编号集成芯片表面有一个缺口（引脚编号的参考标志），如果将芯片插在实验板上且缺口朝左边，则引脚的排列规律为：左下管脚为1引脚，其余以逆时针方向从小到大顺序排列。一般引脚数为：14、16、20等。上页下页返回数字电子技术基础槽口1233467141312111098管脚编号绝大多数情况下，电源从芯片左上角的引脚接入，地接右下引脚。一块芯片中可集成若干个（1、2、4、6等）同样功能但又各自独立的门电路，每个门电路则具有若干个（1、2、3等）输入端。输入端数有时称为扇入（Fan-in）数。上页下页返回数字电子技术基础(a)7404(六反相器)(b)7400(四2输入与非门)上页下页返回数字电子技术基础3.2.1TTL与非门的内部结构及工作原理+VCC(+5V)R4100T4DFABR14kR21kR31kT2T1T3输入级输出级中间级1.TTL与非门的内部结构上页下页返回数字电子技术基础输入级由多发射极晶体管T1和基极电组R1组成，它实现了输入变量A、B的与运算。(1)输入级+VCC(+5V)R4100T4DFABR14kR21kR31kT2T1T3输入级输出级中间级上页下页返回数字电子技术基础多射极晶体管的等效电路+VCC(+5V)R4100T4DFABR14kR21kR31kT2T1T3输入级输出级中间级上页下页返回数字电子技术基础中间级是放大级，由T2、R2和R3组成，T2的集电极C2和发射极E2可以分提供两个相位相反的电压信号，以满足输出级的需要。(2)中间级+VCC(+5V)R4100T4DFABR14kR21kR31kT2T1T3输入级输出级中间级上页下页返回数字电子技术基础输出级由T3、T4、D和R4组成，其中其中D、T4作为由T3组成的反相器的有源负载。T3与T4组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。(3)输出级+VCC(+5V)R4100T4DFABR14kR21kR31kT2T1T3输入级输出级中间级上页下页返回数字电子技术基础2.TTL与非门的功能分析(1)输入端至少有一个为低电平(UIL=0.3V)接低电平的发射结正向导通。则T1的基极电位:UB1=UBE1+UIL=0.7+0.3=1V+VCC(+5V)R4100T4DFABR14kR21kR31kT2T1T3输入级输出级中间级上页下页返回数字电子技术基础为使T1的集电结及T2和T3的发射结同时导通，UB1至少应当等于UB1=UBC1+UBE2+UBE3=2.1VT2和T3必然截止。因此有+VCC(+5V)R4100T4DFABR14kR21kR31kT2T1T3输入级输出级中间级上页下页返回数字电子技术基础UC25V该电压使T4和D处于良好的导通状态。输出电压UO=UOH=UC2-UBE4-UD5-0.7-0.7=3.6V等于高电平(3.6V)当UO=UOH时，称与非门处于关闭状态。+VCC(+5V)R4100T4DFABR14kR21kR31kT2T1T3输入级输出级中间级上页下页返回数字电子技术基础UB1=UBC1+UBE2+UBE3=2.1VT2和T3处于饱和状态因此(2)输入端全部接高电平(UIH=3.6V)T1的集电结及T2和T3的发射结会同时导通T1的所有发射结均截止+VCC(+5V)R4100T4DFABR14kR21kR31kT2T1T3输入级输出级中间级上页下页返回数字电子技术基础T2的集电极电位为：UC2=UCES2+UBE3≈0.3+0.7=1VT4和D截止。输出电压UO为：