《数字电子技术基础》第五版-阎石-第3章-课件PPT

本章总的要求：熟练掌握TTL和CMOS集成门电路输出与输入间的逻辑关系、外部电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性和动态特性等；掌握各类集成电子器件正确的使用方法。重点：TTL电路与CMOS电路的结构与特点.3.1概述门电路是用以实现逻辑运算的电子电路，与已经讲过的逻辑运算相对应。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。正逻辑：高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0。负逻辑：高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1。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。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IF0.50.7iD(mA)uD(V)伏安特性UBR0Ui0.5V时，二极管导通。Ui0.5V时，二极管截止，iD=0。+uiRL－+uo－D开关电路+ui=0VRL－+uo－Dui=0V时的等效电路ui＝0V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。+uiRL－+uo－D开关电路++－ui=5VRL－+uo－D0.7Vui=5V时的等效电路ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝4.3V。当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电场的作用下，形成较大的反向电流。经过ts后，存储电荷显著减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。当外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向电流的建立稍微滞后一点。反向恢复时间（几纳秒内）反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，它远大于正向导通所需要的时间。这就是说，二极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响很小，以致可以忽略不计。因此，影响二极管的开关时间主要是反向恢复时间，而不是开通时间。+VCC(+5V)RYD1AD2B3V0V§3.2.2二极管与门uAuBuY0V0V0V3V3V0V3V3V0.7V0.7V0.7V3.7VABY000110110001Y=A·BABY§3.2.3二极管或门uAuBuY0V0V0V3V3V0V3V3V0V2.3V2.3V2.3VABY000110110111Y=A+B3.3CMOS门电路§3.3.1MOS管的开关特性在CMOS集成电路中，以金属－氧化物－半导体场效应管（MOS管)作为开关器件。一、MOS管的结构和工作原理PNNGSD金属铝两个N区SiO2绝缘层P型衬底导电沟道GSDN沟道增强型源极栅极漏极vGS=0时PNNGSDvGSvDSiD=0D、S间相当于两个背靠背的PN结SDB不论D、S间有无电压，均无法导通，不能导电。PNNGSDVDSVGSvGS0时vGS足够大时（vGSVGS(th)），形成电场G—B,把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余的电子在上表面形成了N型层（反型层）为D、S间的导通提供了通道。VGS(th)称为阈值电压(开启电压）源极与衬底接在一起N沟道可以通过改变vGS的大小来控制iD的大小。二、MOS管的输入、输出特性对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为零。输出特性曲线（漏极特性曲线）夹断区（截止区）用途：做无触点的、断开状态的电子开关。条件：整个沟道都夹断)(thGSGSvv0Di特点：可变电阻区特点:(1)当vGS为定值时,iD是vDS的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受vGS控制。（2）管压降vDS很小。用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。条件：源端与漏端沟道都不夹断恒流区：(又称饱和区或放大区）特点:(1)受控性：输入电压vGS控制输出电流2)(1thGSGSDSDVvIi(2)恒流性：输出电流iD基本上不受输出电压vDS的影响。条件:(1)源端沟道未夹断(2)漏端沟道予夹断用途:可做放大器和恒流源。三、MOS管的基本开关电路当vI=vGSVGS(th)时，MOS管工作在截止区。D-S间相当于断开的开关，vO≈vDD.当vIVGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合的开关,vO≈0。四、MOS管的四种基本类型GSDN沟道耗尽型GSDN沟道增强型GSDP沟道增强型GSDP沟道耗尽型在数字电路中，多采用增强型。§3.3.2CMOS反相器工作原理PMOS管NMOS管CMOS电路VDDT1T2vIvO一、电路结构当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。VDDTPTNvIvOvI=0截止vo=“１”导通vI=1VDDT1T2vIvO导通vo=“０”截止静态下，无论vI是高电平还是低电平，T1、T2总有一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。二、电压传输特性和电流传输特性电压传输特性阈值电压VTHT1导通T2截止T2导通T1截止T1T2同时导通电流传输特性T2截止T1截止CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。(max)(max)OLILNLVVV输入低电平时噪声容限：在保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。(min)(min)IHOHNHVVV输入高电平时噪声容限：三、输入端噪声容限噪声容限－－衡量门电路的抗干扰能力。噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL＝30％VDD，且随VDD的增加而加大。因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。§3.3.3CMOS反相器的静态输入输出特性一、输入特性iI(mA)-0.70VDD+0.7vI(V)在正常的输入信号范围内，即–0.7VvI(VDD+0.7)V时输入电流iI≈0。(因为CMOS门电路的GS间有一层绝缘的SiO2薄层。)在–0.7V～(VDD+0.7)V以外的区域，iI从零开始增大，并随vI增加急剧上升，原因是保护电路中的二极管已进入导通状态。注意：由于门电路输入端的绝缘层使输入的阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入端产生不定的电位，故CMOS门电路的输入端不允许悬空。二、输出特性低电平输出特性高电平输出特性VOL≈0VOH≈VDD§3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间tviotvoo50%50%tpdHLtpdLH平均传输时间)(21pHLpLHpdttt二、交流噪声容限噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。三、动态功耗反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。动态功耗包括：负载电容充放电所消耗的功率PC和PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT。在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗要比静态功耗大得多，静态功耗可忽略不计。§3.3.5其他类型CMOS门电路1.与非门)(BAY一、其他逻辑功能的CMOS门电路任一输入端为低，设vA=0vA=0断开导通vO=1输入全为高电平vA=1vB=1导通断开vO=02.或非门)(BAY任一输入端为高，设vA=1vA=1导通断开vO=0输入端全为低vA=0vB=0断开导通vO=13.带缓冲级的CMOS门电路)())((BABAY)())((BABAY带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及电压传输特性将不受输入端状态的影响。电压传输特性的转折区也变得更陡。二、漏极开路输出门电路（OD门）为什么需要OD门？普通与非门输出不能直接连在一起实现“线与”！ABYCD)()(CDABY10产生一个很大的电流需将一个MOS管的漏极开路构成OD门。需加一上拉电阻)(BAYABYOD输出与非门的逻辑符号及函数式OD门输出端可直接连接实现线与。)()()(21CDABCDABYYYABYCDVDDRLRL的选择：(max)LIHOHOHDDLRmInIVVRIOHIIHn个m个OHLIHOHDDVRmInIV)(VDDVILVILVILRLVOHn是并联OD门的数目，m是负载门电路高电平输入电流的数目。VIHVILVILVDDRLVOLm′个IOLIIL(max)/)(OLILLOLDDIImRVV(min)(max)||LILOLOLDDLRImIVVR例3.3.2m′是负载门电路低电平输入电流的数目。在负载门为CMOS门电路的情况下，m和m′相等。①C＝0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（＋VDD）时，T1和T2都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样，呈高阻态。1CC三、CMOS传输门②C＝1、，即C端为高电平（＋VDD）、端为低电平（0V）时，T1和T2至少有一个导通，输入和输出之间相当于开关接通一样，呈低阻态，vo＝vi。0CCTG1TG2ABYA=1、B=0时，TG1截止，TG2导通，Y=B=1;′TG1TG2ABYA=0、B=1时，TG2截止，TG1导通，Y=B=1;TG1TG2ABYA=0、B=0时，TG2截止，TG1导通，Y=B=0;TG1TG2ABYA=1、B=1时，TG1截止，TG2导通，Y=B=0;′BAY双向模拟开关1NE,G4输出高电平，G5输出低电平，T1、T2同时截止，输出呈高阻态；四、三态门AYEN′逻辑符号101100NEAYAYEN′逻辑符号0101110若A=1，则G4、G5输出均为高电平，T1截止、T2导通，Y=0；若A=0，则G4、G5输出均为低电平，T1导通、T2截止，Y=1；0001AYEN′AYEN低电平有效)1()0(NEZNEAY高电平有效)0()1(ENZENAY三态门有三种状态:高电平、低电平、高阻态。§3.3.6CMOS电路的特点CMOS电路的优点1.静态功耗小。2.允许电源电压范围宽(318V）。3.扇出系数大，噪声容限大。1．输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：CMOS电路的正确使用（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。2．多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。3．输入电路需过流保护3.5TTL门电路§3.5.1双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的结构BECNNP基极发射极集电极BECNPN型三极管PNP集电极基极发射极BCEBECPNP型三极管二、双极型三极管的输入特性和输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AIB(A)UBE(V)204060800.40.8输入特性曲线输出特性曲线开启电压饱和区截止区放大区三、双极型三极管的基本开关电路在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。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，相当开关闭合三极管临界饱和时的基极电流：mA094.0mA1503.05cCESCCBSRUVI①ui=1V时，三极管导通，基