第2章集成門電路

1、第2章 集成門電路2.1 概述2.2 CMOS門電路2.3 雙極型門電路2.4 BICMOS門電路2.5 集成門電路的應用舉例本 章 小 結第第2章章 集成門電路集成門電路 第第2章章 集成門電路集成門電路一. 集成門電路的幾種分類 集成門電路按其內部有源器件的不同可以分為三大類： 一類為雙極型晶體管集成門電路，包括TTL(晶體管晶體管邏輯電路)，ECL(射極耦合邏輯)電路和I2L(集成注入邏輯)電路等幾種類型 第二類為單極型MOS集成門電路，包括NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS、VVMOS、IGT等幾種類型。 第三類則是二者的組合BICMOS門電路。常用的是CMOS集成門電路。 2

2、.1概述第第2章章 集成門電路集成門電路二. 幾種集成門電路的特點1. TTL集成門電路工作速度高，驅動能力強，但功耗大，集成度低。 2. CMOS集成門電路功耗極低，成本低，電源電壓范圍寬，集成度高，抗干擾能力強，輸入阻抗高，扇出能力強。 三. 集成門電路按其集成度又可分為： SSI(小規(guī)模集成電路，每片組件包含1020個等效門)。MAI(中規(guī)模集成電路，每個組件包含20100個等效門)。LAI(大規(guī)模集成電路，每組件內含1001000個等效門)。VLSI(超大規(guī)模集成電路，每片組件內含1000個以上等效門) SSI 第第2章章 集成門電路集成門電路2.2 CMOS門電路1CMOS集成門電路

3、的外部特性和主要參數(shù) 1 COMS集成門電路的外部特性 CMOS門電路對外部呈現(xiàn)的電氣特性，主要包括輸入特性、輸出特性、傳輸特性等靜態(tài)特性和傳輸延遲時間、交流噪聲容限、動態(tài)功耗等動態(tài)特性。 第第2章章 集成門電路集成門電路2 COMS集成門電路主要參數(shù)的特點 （1）VOH（min）=0.9VDD； VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS門電路的邏輯擺幅（即高低電平之差）較大。（2）閾值電壓Vth約為VDD/2。（3）CMOS非門的關門電平VOFF為0.45VDD，開門電平VON為0.55VDD。因此，其高、低電平噪聲容限均達0.45VDD。（4）CMOS電路的功耗很小，一般小于1 mW

4、/門；（5）因CMOS電路有極高的輸入阻抗，故其扇出系數(shù)很大，可達50。2CMOS集成門電路邏輯電路結構 1CMOS與非門和或非門電路 （1）與非門LVABDDTP1TN1TN2P2TLVABP1TDDTN2P2TN1T（2）或非門第第2章章 集成門電路集成門電路第第2章章 集成門電路集成門電路（3）帶緩沖級的門電路 為了穩(wěn)定輸出高低電平，可在輸入輸出端分別加反相器作緩沖級。下圖所示為帶緩沖級的二輸入端與非門電路。BABAABLV8T6TT714T3T10T9TDDT2T5TL L= =第第2章章 集成門電路集成門電路2CMOS異或門電路由兩級組成，前級為或非門，輸出為后級為與或非門，經過邏輯

5、變換，可得：BAXBABABABABAXBALVL=AABDDXB+第第2章章 集成門電路集成門電路工作原理： 當EN=0時，TP2和TN2同時導通，為正常的非門，輸出 當EN=1時，TP2和TN2同時截止，輸出為高阻狀態(tài)。所以，這是一個低電平有效的三態(tài)門。LVAENDDP2TP1TTN2N1T11ENAL4 CMOS傳輸門第第2章章 集成門電路集成門電路工作原理：（設兩管的開啟電壓工作原理：（設兩管的開啟電壓VTN=|=|VTP| |）（1 1）當當C接高電平接高電平VDD， 接低電平接低電平0 0V時，若時，若Vi在在0 0VVDD的范圍變化，的范圍變化，至少有一管導通，相當于一閉合開至少

6、有一管導通，相當于一閉合開關，將輸入傳到輸出，即關，將輸入傳到輸出，即Vo= =Vi。（2 2）當當C接低電平接低電平0 0V， 接高電平接高電平VDD，Vi在在0 0VVDD的范圍變化時，的范圍變化時，TN和和TP都截止，輸出呈高阻狀態(tài)，都截止，輸出呈高阻狀態(tài)，相當于開關斷開。相當于開關斷開。VVCCV0VDDTNTPi/Voo/ViCCTGVi/VoVoV/i2.3 雙極型門電路第第2章章 集成門電路集成門電路一 LSTTL門電路的外部特性 1 LSTTL門電路的靜態(tài)輸入特性 LSTTL門電路的輸入特性iiVi如圖所示 第第2章章 集成門電路集成門電路2. LSTTL門電路的靜態(tài)輸出特性

7、LSTTL電路中的74LS125芯片有如圖所示三態(tài)輸出方式：0、1和高電阻。三態(tài)電路特別適合于總線結構系統(tǒng)和外圍電路，也適用于數(shù)字控制設備，數(shù)字儀表中一般邏輯電路間的連接。 (a)三態(tài)緩沖器三態(tài)緩沖器LS125的電路圖的電路圖 (b)電路符號電路符號第第2章章 集成門電路集成門電路3. LSTTL門電路的電壓傳輸特性 LSTTL與非門電路74LS00的電壓傳輸特性如圖所示 圖四圖四2輸入與非門輸入與非門74LS00的的電壓傳輸特性電壓傳輸特性4. LSTTL門電路的抗干擾特性噪聲容限VN 第第2章章 集成門電路集成門電路 LSTTL門電路的輸入低電平噪聲容限VNL=0.3V，輸入高電平噪聲容限

8、VNH=0.5V。如圖所示噪聲容限示意圖。 第第2章章 集成門電路集成門電路5. LSTTL門電路的動態(tài)特性 LSTTL門電路的平均傳輸延遲時間TP 由于二極管和三極管由導通到截止或者由截止到導通都需要間，且受到電路中的寄生電容和負載電容等的影響，電路的輸出形總是滯后于輸入波形 。 LSTTL門電路的動態(tài)尖峰電流 在電源電流脈沖的邊沿(主要是下降沿)產生了尖峰，這就是動態(tài) 尖峰電流。 6. LSTTL門電路的溫度特性 第第2章章 集成門電路集成門電路 溫度變化對LSTTL門電路電氣性能的影響比對CMOS門電路影響大得多，主要是：1. 輸入高電平通過圖2.30中D1、D2的漏電流I1H隨溫度升高

9、而增大。OC門輸出高電平或輸出高電阻狀態(tài)的漏電流IOZ會增大，電路的輸出驅動能力將下降。2. 輸出高電平VOHP隨溫度降低而降低。其原因是VOH=VCC2VBE，溫度降低導致VBE增大，故VOH減小。根據(jù)噪聲容限的概念，VOH的減小則系統(tǒng)的抗干擾能力降低。3. LSTTL門電路的閾值電壓VT主要取決于VD和VBE1，于是VT隨著溫度的升高而下降。因溫度每升高1，則PN結壓降低減小2mV，所以當溫度從55上升到+125時，VT將下降300mV以上。 第第2章章 集成門電路集成門電路二 各種集成門電路的主要參數(shù)3LSTTL門電路邏輯電路結 構1. LSTTL與非門電路。 第第2章章 集成門電路集成

10、門電路 LSTTL與非門電路如圖(c)所示。該電路可以看作由二極管D1、D2構成的與門、三極管T2構成的非門及用三極管T3、T4取代R3，T2的BE結取代RB的改進型與非門的組合。 LSTTL LSTTL與非門電路的構成與非門電路的構成第第2章章 集成門電路集成門電路2. LSTTL或非門電路 四重2輸入或非門74LS02內部電路如圖所示 第第2章章 集成門電路集成門電路2.4 BICMOS門電路一 BICMOS反相器的外部特性 1 BICMOS門電路反相器的輸入輸出特性 BICMOS門電路的輸入特性與CMOS門電路完全相同，如圖所示；因為輸入電路結構同CMOS電路。BICMOS電路用雙極型晶

11、體管作為輸出極，所以同樣具有很強的帶有負載能力。ABT系列的BICMOS緩沖/驅動器的 OH達32 。 IA2 BICMOS反相器的電壓傳輸特性 第第2章章 集成門電路集成門電路 BICMOS反相器圖2.45(a)在 DD=5V時的電壓傳輸特性如圖所示，從圖中看到 V BICMOSBICMOS反相器的電壓傳輸特性反相器的電壓傳輸特性第第2章章 集成門電路集成門電路3 BICMOS門電路的傳輸延遲時間 空載時BICMOS電路的傳輸延遲時間主要由電路內部的電容C內決定，在小電容負載時，BICMOS電路的開關特性比CMOS差，因為晶體管輸出級的加入給電路增加了結電容并 多了一級延遲。但當負載電容V0

12、0.1PF后，傳輸延遲時間明顯改善。BICMOS電路的開關速度提高幅度較大，明顯優(yōu)于CMOS電路，目前，0.6 的BICMOS最高工作頻率達到225MHZ，而該電路的低電壓性能仍不夠理想。m第第2章章 集成門電路集成門電路二 BICMOS門電路 1 BICMOS反相器 BICMOS反相器，如圖所示，在圖(a)中。N1和P1，N2和P2組成前、后級非門。 第第2章章 集成門電路集成門電路2. BICMOS或非門和與非門 BICMOS或非門如圖1(a)所示，N1、N2和P1、P2組成基本的CMOS或非門電路，BICMOS與非門如圖(b)所示 ( (a) BICMOSa) BICMOS或非門或非門

13、BICMOS BICMOS與非門與非門 2.5 集成門電路的應用舉例第第2章章 集成門電路集成門電路一 集成門電路的使用常識 1 存放CMOS集成電路時要屏蔽，一般放在金屬容器中，或用導電材料將引腳短路，不要放在易產生靜電高壓的化工材料或化纖織物中。 2 焊接CMOS電路時，一般用20W內熱式電烙鐵，而且烙鐵要有良好的接地線；也可以用電烙鐵斷電后的余熱快速焊接；禁止在電路通電情況下焊接。 為了防止輸入端保護二極管反向擊穿，輸入電壓必須處在Vdd和Vss之間，即VddViVss。 第第2章章 集成門電路集成門電路4 測試CMOS電路時，如果信號電源和電路供電采用2組電源，則在開機時應先接通電路供

14、電電源，后開信號電源。關機時，應先關信號電源，后關電路供電電源，即在CMOS電路本身沒有接通供電電源的情況下，不允許輸入端的信號輸入。 5 多余輸入端絕對不能懸空，否則容易接受外界干擾，破壞了正常的邏輯關系，甚至損壞。對于與門、與非門的多余輸入端應接Vdd或高電平或與使用的輸入端并聯(lián)，如圖2.48所示。對于或門、或非門多余的輸入端應接地或低電平或與使用的輸入端并聯(lián)。6 必須在其他元器件在印制電路板上安裝就緒后，再裝CMOS電路，避免CMOS電路輸入端懸空。CMOS電路從印制電路板上拔出時，務必先切斷印制板上的電源。 第第2章章 集成門電路集成門電路7 輸入端連線較長時，由于分布電容和分布電感的

15、影響，容易構成LC振蕩或損壞保護二極管，必須在輸入端串聯(lián)1個1020的電阻R。 8 防止CMOS電路輸入端噪聲干擾的方法是：在前一級和CMOS電路之間接入施密特觸發(fā)器整形電路，或加入濾波電容濾掉噪聲。 二 TTL、CMOS接口電路 所謂“接口電路”，就是用于不同類型邏輯門電路之間或邏輯門電路與外部電路之間，使二者有效連接，正常工作的中間電路。 第第2章章 集成門電路集成門電路1 常用數(shù)字集成電路技術參數(shù)比較表 第第2章章 集成門電路集成門電路2 CMOS電路驅動TTL電路 用CMOS電路去驅動TTL電路時，需要解決的問題是CMOS電路不能提供足夠大的驅動電流。CMOS電路允許的最大灌電流一般只

16、有0.4mA左右，而TTL電路的輸入短路電流Iis約為1.4M、1.4mA?？刹捎脠D（a）所示的接口電路。 第第2章章 集成門電路集成門電路3.TTL電路驅動CMOS電路 CMOS電路的電源電壓范圍寬（3V18V），往往高于TTL電路的5V電源，因此，用TTL電路去驅動CMOS電路時，必須將TTL的輸出高電平值升高。通過接口電路可達此目的。如圖所示。 3.TTL和CMOS門電路驅動其他負載 第第2章章 集成門電路集成門電路 在許多場合，往往需要用TTL或CMOS電路去驅動指示燈、LED（發(fā)光二極管）或其他顯示器、光電耦合器、繼電器、可控硅等不同的負載。 圖(a)為TTL驅動LED的標準接法。圖

17、(b)為TTL或CMOS與非門直接驅動直流繼電器。圖(c)為用TTL或CMOS門的輸出脈沖去控制晶閘管（雙向或單向晶閘管）。圖(d)所示的電路經兩級三極管的放大電路 第第2章章 集成門電路集成門電路本 章 小 結1 集成門電路按邏輯功能、輸出結構劃分有以下幾類： 輸出結構 推拉式輸出CMOS反相器輸出 三態(tài)(TS)輸出 OC輸出OD輸出 邏輯功能 非門 與門 或門 與非門 或非門 與或非門 異或門 同或門 OCOD 輸出的電路，能夠實現(xiàn)“線與”的邏輯功能，可用于電平轉換接口電路及驅動電路。三態(tài)(TS )輸出電路廣泛用數(shù)據(jù)總線上，實現(xiàn)多路信號在總線上分時傳送或雙向傳送，以提高總線的利用率。 第第

18、2章章 集成門電路集成門電路2 單極型MOS管在數(shù)字電路中，也起開關作用，按制造工藝劃分，有下面幾種類型： 單極型MOS管 CMOS電路 NMOS電路 PMOS電路 4000系列(4500系列) 54HC74HC系列 54AHC74AHC系列 54AC74ACT系列 其中，CMOS電路是目前發(fā)展最快，在電子和信息領域應用最廣泛的器件。在使用時，一定要注意掌握正確的使用方法，否則容易造成器件損壞。 3. 集成門電路的外部特性： 第第2章章 集成門電路集成門電路外部特性 電氣特性 邏輯功能 靜態(tài)特性 動態(tài)特性 輸入特性(輸入負載特性) 輸入特性(輸出負載能力) 電壓傳輸特性(輸入噪聲容限) 功耗特性 溫度特性 平均傳輸延遲時間 平均轉換時間 這些特性對設計，或使用數(shù)字系統(tǒng)有非常重要的作用。 第第2章章 集成門電路集成門電路4. 雙極型 門