集成邏輯門電路-read說課材料

1、集成邏輯門電路-Read概述概述基本邏輯門電路基本邏輯門電路TTL 集成邏輯門電路集成邏輯門電路*CMOS 集成邏輯門電路集成邏輯門電路*TTL 電路和電路和 CMOS 電路的接口電路的接口本章小結本章小結3.1 概述概述主要要求：主要要求： 了解邏輯門電路的作用和常用類型。了解邏輯門電路的作用和常用類型。 理解高電平信號和低電平信號的含義。理解高電平信號和低電平信號的含義。 n一些知識概念：一些知識概念：n脈沖（脈動和短促）脈沖（脈動和短促）n脈沖信號及其廣義的定義脈沖信號及其廣義的定義n脈沖電路：脈沖電路： 1、惰性元件（電阻、電容、電感）組成的、惰性元件（電阻、電容、電感）組成的線性網絡

2、：控制暫態(tài)過程的形狀和快慢。線性網絡：控制暫態(tài)過程的形狀和快慢。 2、開關元件（二、三極管、開關元件（二、三極管、MOS管）組成：管）組成：接通和斷開狀態(tài)：破壞電路的穩(wěn)態(tài)，使之接通和斷開狀態(tài)：破壞電路的穩(wěn)態(tài)，使之產生暫態(tài)過程。產生暫態(tài)過程。 TTL 即即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 一、門電路的作用和常用類型一、門電路的作用和常用類型 按功能特點不同分按功能特點不同分 普通門普通門( (推拉式輸出推拉式輸出) ) CMOS傳輸門傳輸門 輸出輸出開路門開路門 三態(tài)門三態(tài)門

3、門電路門電路 (Gate Circuit) 指用以實現基本邏輯關系和指用以實現基本邏輯關系和常用復合邏輯關系的電子電路。常用復合邏輯關系的電子電路。是構成數字電路的基本單元之一是構成數字電路的基本單元之一按邏輯功能不同分按邏輯功能不同分 與門與門 或門或門 非門非門 異或門異或門 與非門與非門 或非門或非門 與或非門與或非門 按電路結構不同分按電路結構不同分 TTL 集成門電路集成門電路 CMOS 集成門電路集成門電路 輸入端和輸出端都用輸入端和輸出端都用三極管的邏輯門電路。三極管的邏輯門電路。 用互補對稱用互補對稱 MOS 管構成的邏輯門電路。管構成的邏輯門電路。 高電平和低電平為某高電平和

4、低電平為某規(guī)定范圍規(guī)定范圍的電位值，而非一固定值。的電位值，而非一固定值。 高電平信號是多大的信號？低高電平信號是多大的信號？低電平信號又是多大的信號？電平信號又是多大的信號？10高電平高電平低電平低電平01高電平高電平低電平低電平正邏輯體制正邏輯體制負邏輯體制負邏輯體制由門電路種類等決定由門電路種類等決定 主要要求：主要要求： 理解理解二極管的開關特性。二極管的開關特性。 掌握三極管的開關特性。掌握三極管的開關特性。 3.2基本邏輯電路基本邏輯電路了解了解MOS管的開關特性。管的開關特性。 3.2.1 3.2.1 晶體二極管的開關特性晶體二極管的開關特性正向導通狀態(tài)正向導通狀態(tài)-導通電阻很小

5、，兩端相當于短路導通電阻很小，兩端相當于短路反向截止狀態(tài)反向截止狀態(tài)-等效電阻很大，兩端相當于開路等效電阻很大，兩端相當于開路1. 1. 二極管的大信號穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）工作二極管的大信號穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）工作理想開關理想開關 PN結是半導體器件的核心環(huán)節(jié)。模擬電路中已討論了二極管的物理結構、工作原理、特性曲線和主要參數以及二極管的基本電路及其分析方法與應用。P型半導體中，多數載流子是空穴，N型半導體中，多數載流子是電子。擴散電流：由于PN結兩邊載流子的濃度差別，載流子會從濃度高的一方向濃度低的一方運動，稱為擴散運動，它產生擴散電流。漂移電流：由于電位差的存在，載流子在電場的作用下產生的運動，稱為漂移運動

6、，它產生漂移電流。 電位差來自外加電壓和電荷積累構成的內電場。P型區(qū)N型區(qū) 空間電荷區(qū)一、二極管的靜態(tài)開關特性一、二極管的靜態(tài)開關特性 當輸入當輸入 uI 為低電平為低電平 U UILIL，二極，二極管反向截止。管反向截止。 二極管關斷的條件和等效電路二極管關斷的條件和等效電路 當輸入當輸入 uI 為高電平為高電平 U UIHIH，二極，二極管正向導通。管正向導通。 二極二極管管伏安伏安特性特性二、二極管的動態(tài)開關特性二、二極管的動態(tài)開關特性 P 區(qū)區(qū) N 區(qū)區(qū) 勢壘區(qū)勢壘區(qū) + - P 區(qū)的電子區(qū)的電子濃度分布濃度分布 N 區(qū)的空穴區(qū)的空穴濃度分布濃度分布 產生反向恢復過程的物理機制產生反向

7、恢復過程的物理機制存儲電荷消散需要時間存儲電荷消散需要時間 用載流子濃度梯度解釋：正向用載流子濃度梯度解釋：正向電流愈大，電荷的濃度分布梯度電流愈大，電荷的濃度分布梯度愈大，轉換為截止時的濃度分布愈大，轉換為截止時的濃度分布梯度所需的時間也愈長。梯度所需的時間也愈長。 用電容的概念理解：正偏時擴用電容的概念理解：正偏時擴散電容較大，存儲的電荷也較多，散電容較大，存儲的電荷也較多，電荷消散所需的時間也較長。電荷消散所需的時間也較長。三極管為什么能用作開關？三極管為什么能用作開關？怎樣控制它的開和關？怎樣控制它的開和關？ 當輸入當輸入 uI 為低電平，使為低電平，使 uBE Uth時，三極管截止。

8、時，三極管截止。 iB 0，iC 0，C、E 間相當間相當于開關斷開。于開關斷開。 三極管關斷的條件和等效電路三極管關斷的條件和等效電路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS負載線負載線臨界飽和線臨界飽和線 飽飽和和區(qū)區(qū)放大區(qū)放大區(qū)二、三極管的開關特性二、三極管的開關特性 截止區(qū)截止區(qū)uBE UthBEC三極管三極管截止狀態(tài)截止狀態(tài)等效電路等效電路uI=UILuBE+ +- -Uth為門限電壓為門限電壓( (一一) ) 三極管的靜態(tài)開關特性三極管的靜態(tài)開關特性IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS臨界飽和線臨界飽和線 飽飽和和區(qū)區(qū)放大

9、區(qū)放大區(qū)二、三極管的開關特性二、三極管的開關特性 uI 增大增大使使 iB 增大，增大，從而工作點上移，從而工作點上移， iC 增增大，大，uCE 減小。減小。截止區(qū)截止區(qū)uBE Uth時，三極管開始導通，時，三極管開始導通，iB 0，三極管工作于放大，三極管工作于放大導通狀態(tài)。導通狀態(tài)。IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS臨界飽和線臨界飽和線 飽飽和和區(qū)區(qū)放大區(qū)放大區(qū)二、三極管的開關特性二、三極管的開關特性 截止區(qū)截止區(qū)uBE IB(sat)因為因為 iB =IHB 0.7 VURBBV .92V 7 . 06 . 3RR CCCB(sat)RVI mA 1

10、. 0k 150V 5 所以求得所以求得 RB ton( (二二) )三極管的動態(tài)開關特性三極管的動態(tài)開關特性 開關時間主要由于開關時間主要由于電電荷存儲效應荷存儲效應引起，要提高引起，要提高開關速度，必須降低三極開關速度，必須降低三極管飽和深度，加速基區(qū)存管飽和深度，加速基區(qū)存儲電荷的消散。儲電荷的消散。C E B SBD B C E 在普通三極管的基極和集電極之間并在普通三極管的基極和集電極之間并接一個肖特基勢壘二極管接一個肖特基勢壘二極管( (簡稱簡稱 SBD) ) 。BCSBD抗飽和三極管的開關速度高抗飽和三極管的開關速度高 沒有電荷存儲效應沒有電荷存儲效應 SBD 的導通電壓只有的導

11、通電壓只有 0.4 V 而非而非 0.7 V， 因此因此 UBC = 0.4 V 時，時，SBD 便導通，使便導通，使 UBC 鉗在鉗在 0.4 V 上，降低了飽和深度。上，降低了飽和深度。( (三三) )抗飽和三極管抗飽和三極管3.2.3MOS管的開關特性MOS管的動態(tài)特性：3.2.4 分立元件門電路分立元件門電路1 1、二極管與門二極管與門 +VCC(+5V) R 3k L D1 A D2 B 5V 0V A B L & uA uB uL D1 D2 0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V 0.7V 0.7V 0.7V 5V 導通 導通 導通 截止 截止 導通 截止 截止

12、A B L 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 L=AB 0V A D1 B D2 5V L R 3k 2 2、二極管或門二極管或門 A B L 1 uA uB uL D1 D2 0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V 0V 4.3V 4.3V 4.3V 截止 截止 截止 導通 導通 截止 導通 導通 A B L 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 L=A+B A =40 +5V L 電路圖 1 邏輯符號 A L 1k 4.3k 3 3、非門電路非門電路BJT反相器反相器uA0V時，三極管截止，iB0，iC0，輸出電壓uYVCC5VuA5V時，三極管導通?；鶚O電流：iBIBS，三極管工作在飽和狀態(tài)。輸出電壓uLUCES0.3V。mA1mA3 . 47 . 05Bi三極管臨界飽和時的基極電流為：mA12. 0140