第3章 门电路 福州大学课件数字电子技术基础

第3章门电路数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版目录：•3.1概述•3.2半导体二极管门电路•3.3CMOS门电路•3.5TTL门电路数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版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数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版获得高、低电平的基本原理开关二极管、三极管、MOS管数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版正逻辑：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高/低电平都允许有一定的变化范围数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版数字电路的分类•分立元件门电路•集成电路–按集成度分为：•SSI－SmallScaleIntegration（1－10门/片）•MSI－MediumScaleIntegration（10－100门/片）•LSI－LargeScaleIntegration（100－10000门/片）•VLSI－VeryLargeScaleIntegration（10000门/片）数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版集成电路–双极型——二极管、三极管特点：功耗大、速度高、集成度低–单极型——MOS管特点：功耗低、速度高、集成度高数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.2半导体二极管门电路3.2.1二极管的开关特性：1.二极管的伏安特性（单向导电性）VON—二极管的开启电压数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版2.二极管的开关等效电路：数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.二极管的动态电流波形：反向恢复时间trens级数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.2.2二极管与门设VCC=5V，加到A,B：VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000010100111规定2V以上为10.8V以下为00.7V0.7V0.7V3.7V数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.2.3二极管或门ABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000011101111规定2V以上为10.8V以下为00V2.3V2.3V2.3V设加到A,B：VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7V数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版二极管构成的门电路的缺点：•电平有偏移•带负载能力差•只用于IC电路内部的基础单元数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.3CMOS门电路3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版以N沟道增强型为例：当VGS＝0时，MOS截止；当VGSVGS（th）时，MOS导通，电流iD从D（漏极）流向S（源极）。开启电压数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版(1)VIL=0时，D-S间不导通，MOS管截止，ROFF109Ω，开关断开(2)加上足够高的+VIH，且大于VGS（th），D-S间形成n型导电沟道，MOS管导通，RON1KΩ，开关接通D-S间相当于是一个受VI控制的开关二、N沟道增强型MOS管的开关状态数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版三、MOS管的开关等效电路OFF—截止状态ON—导通状态几pF数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版四、MOS管的四种类型N沟道增强型P沟道增强型N沟道耗尽型P沟道耗尽型开启电压：VGS（th）0开启电压：VGS（th）0夹断电压：VGS（off）0夹断电压：VGS（off）0数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构互补输出结构数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设：VIH=5V，VIL=0V，且VDD|VTN|+|VTP|–当VIL＝0时，T1截止，T2导通，Vo＝VDD；–当VIH＝VDD时，T2截止，T1导通，Vo＝0。T1、T2轮流工作，功耗低数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版二、电压、电流传输特性•AB段：VIVGS(th)N,•CD段：VIVDD-|VGS(th)P|,•BC段：VGS(th)NVIVDD-|VGS(th)P|特点：开关特性近似于理想开关特性，噪声容限大。阈值电压VTH1、电压传输特性数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版二、电压、电流传输特性2、电流传输特性•AB和CD段：ID≈0•BC段：电流变化大•VTH附近电流最大Note：尽量使CMOS管工作时避开BC段，预防功耗过大而损坏。数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版三、输入端噪声容限IIHILOVVVV在偏离和的一定范围内，基本不变；在输出变化允许范围内，允许输入的变化范围称为输入噪声容限(min)(min)NHOHIHVVV(max)(max)NLILOLVVV高电平噪声容限：低电平噪声容限：数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版•结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限噪声容限与VDD的关系：数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.3.3CMOS反相器的静态输入和输出特性一、输入特性输入特性：iI＝f（VI）Note：MOS管本身是VGS控制电流iD，无输入特性，由于MOS管的栅极和衬底之间的绝缘层SiO2非常薄，极易被击穿（耐压约100V），所以必须在CMOS电路的输入端加保护电路。数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版一、输入特性分布式二极管0.70.7IDDVVVV数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版二、输出特性结论：VDD越大，则RO越小，VOL变化也越小1、低电平输出特性VOL＝f（IOL）数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版二、输出特性2、高电平输出特性VOH＝f（IOH）结论：VDD越大，则RO越小，VOH变化也越小数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间（tpd）1.原因：2.指标：3.改进措施：减小CL和RON，即减小CL并增大VDD和VIH。寄生电容和负载电容的充放电，与RON（VDD）有关；74HC04的tpd约9ns；74AHC04的tpd约5ns。数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版三、动态功耗定义：当CMOS反相器从一种稳定工作状态转变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加功耗。来源：•一部分是因为T1和T2在短时间内同时导通所产生的瞬时导通功耗PT；•另一部分是对负载电容充电、放电所消耗的功率PC。数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版三、动态功耗1.充放电功耗PC2CLDDPCfV数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版三、动态功耗2.导通功耗PT2TPDDDPCfV总动态功耗PD：DCTPPP静态功耗可以忽略不计。数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版总结：VDD对性能的影响VDD越大，则：–噪声容限越大－抗干扰性强–输出特性好－驱动能力强–tpd小－速度快–功耗大数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.3.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门2.或非门数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版与非门的特点：值不同对应的达到开启电压时，的、使也更高越高，输入端越多，端数目的影响输出的高低电平受输入则则则则受输入状态影响输出电阻存在的缺点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR4231314232011021002111)()(,,//,,:)(数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.带缓冲极的CMOS门—在输入和输出端各增设一级反相器带缓冲极的CMOS与非门数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.带缓冲极的CMOS门带缓冲极的CMOS或非门数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版二、漏极开路的门电路（OD-OpenDrain门）低电平输出时为低电阻输出表OD输出结构1.OD门的结构与逻辑符号Note：OD门使用时需要上拉电阻和电源数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版2.OD门的应用•负载大•线与•电平转换数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版线与线与符号12='''YYY=CDAB+CD(AB)数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.OD门外接电阻RL的计算方法输出高电平时：'(max)DDOHLOHIHVVRnImI'()DDOHIHLOHVnImIRV负载门高电平输入端个数OD门个数数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.OD门外接电阻RL的计算方法输出低电平时：'(min)'(max)DDOLLOLILVVRImI''(max)DDOLLILOLVVRmII对CMOS负载：m＝m’负载门低电平输入端个数数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.OD门外接电阻RL的计算方法''(min)(max)'(max)DDDDOLOHLLLOLILOHIHVVVVRRRImInImIOD门个数负载门低电平输入端个数负载门高电平输入端个数数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版三、CMOS传输门（TG门）•1.TG（TransmissionGate）结构数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版三、CMOS传输门（TG门）2.TG原理当C=1、C’=0时，若VI在０～VDD之间，传输门导通；当C=0、C’=1时，若VI在０～VDD之间，传输门截止。1001数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版三、CMOS传输门（TG门）•3.TG的应用①组成其它复杂的逻辑电路，如异或门、MUX、计数器、寄存器等；②双向模拟开关数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版四、三态输出门（TS门）)(高阻时，时，ZYNEAYNE10结论：输出端有三种可能出现的状态：高阻态、高电平、低电平，故称三态门。三态标记A010AA10101数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版三态门的用途——总线结构单向总线双向传输数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版3.3.6CMOS电路的正确使用•问题：一、输入电路的静电防护–由于CMOS电路输入端的保护电路所能承受的静电电荷和脉冲功率均有一定的限度。–在储存和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化工织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。–组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。–不用的输入端不应悬空。•方案：静电防护数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版二、输入电路的过流保护•问题：•由于输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限，一般为1mA，所以在可能出现较大电流的场合必须在输入端接入保护电阻来限制输入端电流。•输入端接低内阻信号源时•输入端接大电容时•输入端接长线时（1千欧/10米）•场合：数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版三、CMOS电路锁定效应的防护•锁定效应是CMOS电路中一个特有的问题。由于要在同一片衬底上同时制作P沟道和N沟道两种类型的MOS管，在众多的P型和N型半导体之间会形成寄生三极管。这些寄生三极管和电路中的电阻、电源会形成正反馈电路，当满足一定的条件时会在电源和地之间产生较大的电流，并且除非切断电源或将电源电压降至很低，这一电流会一直保持下去。这种现象叫做CMOS电路的锁定效应。来源：结果：持续锁定效应会引发器件的永久性损坏。数字电路第3章《数字电子技术基础》第五版•为防止发生锁定效应，在CMOS电路工作时应保证VI、VO、VDD的数值符合如下规定：措施：端的击穿电压）DD)BR(DDDDFDDOFFDDIFV(VVVVVVVVVV