1.数字集成电路-简介

1数字集成电路2数字集成电路•教材《数字集成电路》李冰•参考书《CMOS数字集成电路》Sung-MoKangol，电子工业出版社《数字电子技术基础》阎石，高等教育出版社3主要内容简介4数字集成电路种类•BJT（双极工艺）–PNP、NPN•MOS工艺–CMOS•Bi-MOS工艺10kΩuiiBeRbb+VCC=+5ViCuoRc1kΩcβ=40OutInVDDPMOSNMOS5678BJT•CMOS工艺中的bjt管是寄生的，没有专门的工艺层。P+作发射极，N-well做基极，P-sub做集电极。寄生bit管很少用作放大管，一般都改接成二极管用。•若在CMOS工艺中一定要用到bjt管，可以用deep-well来实现。PSubNwellPdeepwellPSubNwellP9BJT•常用规格5v5/10v10/20v20•通常做成1：8或者1：24效果最好1011数字电路的实现•双极型：–TTL（晶体管-晶体管逻辑）–ECL（发射级耦合逻辑）–I2L•MOS型：–NMOS–CMOS12END131.6门电路1.6.1半导体器件的开关特性1.6.2分立元件门电路1.6.3TTL集成门电路1.6.4CMOS集成门电路14获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。1.6.1半导体器件的开关特性1、二极管的开关特性逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。二极管符号：正极负极＋uD－15+uiRL－+uo－D开关电路IF0.50.7iD(mA)uD(V)伏安特性UBR0+ui=0VRL－+uo－Dui=0V时的等效电路++－ui=5VRL－+uo－D0.7Vui=5V时的等效电路uououi＝0V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝4.3V。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。Ui0.5V时，二极管截止，iD=0。Ui0.5V时，二极管导通。162、三极管的开关特性NPN型三极管截止、放大、饱和3种工作状态的特点工作状态截止放大饱和条件iB＝00＜iB＜IBSiB＞IBS偏置情况发射结反偏集电结反偏uBE0，uBC0发射结正偏集电结反偏uBE0，uBC0发射结正偏集电结正偏uBE0，uBC0集电极电流iC＝0iC＝βiBiC＝ICSce间电压uCE＝VCCuCE＝VCC－iCRcuCE＝UCES＝0.3V工作特点ce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合17Q2uiiBeRbbiC(mA)直流负载线VCCRc0+VCCiCuo工作原理电路输出特性曲线80μA60μA40μA20μAiB=00UCESVCCuCE(V)00.5uBE(V)输入特性曲线iB(μA)Q1QRcc＋－RbRc+VCCbce＋－截止状态饱和状态iB≥IBSui=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V饱和区截止区放大区1810kΩuiiBeRbb+VCC=+5ViCuoRc1kΩcβ=40②ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：①ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0iBIBS，三极管工作在放大状态。iC=βiB=50×0.03=1.5mA，输出电压：mA03.0mA107.01bBEiBRuui三极管临界饱和时的基极电流：mA094.0mA1503.05cCESiBSRuuIuo=uCE=UCC-iCRc=5-1.5×1=3.5Vuo=VCC=5V③ui＝3V时，三极管导通，基极电流：mA23.0mA107.03Bi而mA094.0BSI因为iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uo＝UCES＝0.3V193、场效应管的开关特性iD(mA)0uDS(V)0UTuGS(V)iD(mA)uGS=10V8V6V4V2V工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态uiUTuo=+VDD导通状态uiUTuo≈0201.6.2分立元件门电路1、二极管与门+VCC(+5V)R3kΩYD1AD2B5V0VABY&uAuBuYD1D20V0V0V5V5V0V5V5V0.7V0.7V0.7V5V导通导通导通截止截止导通截止截止ABY000110110001Y=AB21AD1BD25V0VYR3kΩ2、二极管或门ABY≥1uAuBuYD1D20V0V0V5V5V0V5V5V0V4.3V4.3V4.3V截止截止截止导通导通截止导通导通ABY000110110111Y=A+B22Aβ=40+5VY电路图1逻辑符号AY1kΩ4.3kΩ3、三极管非门①uA＝0V时，三极管截止，iB＝0，iC＝0，输出电压uY＝VCC＝5V②uA＝5V时，三极管导通。基极电流为：iB＞IBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uY＝UCES＝0.3V。mA1mA3.47.05Bi三极管临界饱和时的基极电流为：mA16.01303.05BSIAY0110AY23AA1电路图逻辑符号YYGSDB+VDD+10VRD20kΩ①当uA＝0V时，由于uGS＝uA＝0V，小于开启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uY＝VDD＝10V。②当uA＝10V时，由于uGS＝uA＝10V，大于开启电压UT，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uY≈0V。AY24T4+VCC(+5V)b1ABR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCC(+5V)T5ABTTL与非门电路T1的等效电路D3c1R13kΩR2750ΩR3360ΩR53kΩD1D21.6.3TTL集成门电路1、TTL与非门25①输入信号不全为1：如uA=0.3V，uB=3.6VR4100ΩT4ABR13kΩT3T2T1Y+VCC(+5V)T5R2750ΩR3360ΩR53kΩ0.7V0.7V++--3.6V0.3V1V则uB1=0.3+0.7=1V，T2、T5截止，T3、T4导通忽略iB3，输出端的电位为：输出Y为高电平。uY≈5―0.7―0.7＝3.6V26T4ABR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCC(+5V)T5R2750ΩR3360ΩR53kΩ0.7V0.7V++--+-0.3V+-0.3V3.6V3.6V②输入信号全为1：如uA=uB=3.6V2.1V则uB1=2.1V，T2、T5导通，T3、T4截止输出端的电位为：uY=UCES＝0.3V输出Y为低电平。27BAYuAuBuY0.3V0.3V0.3V3.6V3.6V0.3V3.6V3.6V3.6V3.6V3.6V0.3VABY000110111110功能表真值表逻辑表达式输入有低，输出为高；输入全高，输出为低。2874LS00的引脚排列图VCC3A3B3Y4A4B4Y1A1B1Y2A2B2YGND14131211109874LS201234567VCC2A2BNC2C2D2Y1A1BNC1C1D1YGND74LS20的引脚排列图14131211109874LS00123456774LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。292、TTL非门、或非门、与或非门、与门、或门及异或门14131211109874LS041234567VCC4A4Y5A5Y6A6Y1A1Y2A2Y3A3YGND6反相器74LS04的引脚排列图T4AR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCCT5R2750ΩR3360ΩR53kΩTTL反相器电路①A=0时，T2、T5截止，T3、T4导通，Y=1。②A=1时，T2、T5导通，T3、T4截止，Y=0。AYTTL非门3014131211109874LS021234567VCC3Y3B3A4Y4B4A1Y1B1A2Y2B3AGND74LS02的引脚排列图T4ABR1T3T2T1YR4+VCCT5R2R3R5T'2T'1R'1TTL或非门电路①A、B中只要有一个为1，即高电平，如A＝1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y＝0。②A＝B＝0时，iB1、i'B1均分别流入T1、T'1发射极，使T2、T'2、T5均截止，T3、T4导通，输出为高电平，即Y＝1。BAYTTL或非门3114131211109874LS511234567VCC2B2C2D2E2F2Y2A1A1B1C1D1YGND74LS51的引脚排列图T4ABCDR1T3T2T1YR4+VCCT5R2R3R5T'2T'1R'1TTL与或非门电路①A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T‘2导通）时，T5饱和导通、T4截止，输出Y=0。②A和B不全为高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T‘2同时截止）时，T5截止、T4饱和导通，输出Y=1。DCBAYTTL与或非门32与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B≥11或门AB≥1YY=A+B=A+B异或门AB&≥1≥1YBABABABABABABABABAY))(()(AB=1Y333、OC门及TSL门OC与非门的电路结构AB+VCCYRYABCD&&OC门线与图+VCCRY1Y2T1T2T3uB1问题的提出：为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。①A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接电阻R后：②A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。BAY外接电阻R的取值范围为：ILOLOLCCmIIUVmaxIHOHOHCCmInIUVmin≤R≤OC门34TSL门国标符号T4AR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCC(+5V)T5R2750ΩR3360ΩR53kΩAE&ENYED电路结构①E＝0时，二极管D导通，T1基极和T2基极均被钳制在低电平，因而T2～T5均截止，输出端开路，电路处于高阻状态。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。②E＝1时，二极管D截止，TSL门的输出状态完全取决于输入信号A的状态，电路输出与输入的逻辑关系和一般反相器相同，即：Y=A，A＝0时Y＝1，为高电平；A＝1时Y＝0，为低电平。35TSL门的应用：G1总线ABE1ENY1EN1AE1ENB1EN11ENE1A11ENE2A21ENEnAn…(a)多路开关(b)双向传输(c)单向总线G1G2G1G2G2Gn①作多路开关：E=0时，门G1使能，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2使能，G1禁止，Y=B。②信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。③构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余TSL门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TSL门的输出。364、TTL系列集成电路及主要参数TTL系列集成电路①74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝10ns，平均功耗P＝10mW。②74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝6ns，平均功耗P＝22mW。③74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝3ns，平均功耗P＝19mW。④74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝9ns，平均功耗P＝2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。37TTL与非门主要参数（1）输出高电平UOH：TTL与非门的