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(jié)本章小結(jié)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(hào)和低電平信號(hào)的含義。理解高電平信號(hào)和低電平信號(hào)的含義。 n一些知識(shí)概念：一些知識(shí)概念：n脈沖（脈動(dòng)和短促）脈沖（脈動(dòng)和短促）n脈沖信號(hào)及其廣義的定義脈沖信號(hào)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(wǎng)絡(luò)

2、：控制暫態(tài)過程的形狀和快慢。線性網(wǎng)絡(luò)：控制暫態(tài)過程的形狀和快慢。 2、開關(guān)元件（二、三極管、開關(guān)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(chǎn)生暫態(tài)過程。產(chǎn)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(diǎn)不同分按功能特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)基本邏輯關(guān)系和指用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯關(guān)系和常用復(fù)合邏輯關(guān)系的電子電路。常用復(fù)合邏輯關(guān)系的電子電路。是構(gòu)成數(shù)字電路的基本單元之一是構(gòu)成數(shù)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(jié)構(gòu)不同分按電路結(jié)構(gòu)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(bǔ)對(duì)稱用互補(bǔ)對(duì)稱 MOS 管構(gòu)成的邏輯門電路。管構(gòu)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(hào)是多大的信號(hào)？低高電平信號(hào)是多大的信號(hào)？低電平信號(hào)又是多大的信號(hào)？電平信號(hào)又是多大的信號(hào)？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(fù)邏輯體制負(fù)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(guān)特性。二極管的開關(guān)特性。 掌握三極管的開關(guān)特性。掌握三極管的開關(guān)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(guān)特性。管的開關(guān)特性。 3.2.1 3.2.1 晶體二極管的開關(guān)特性晶體二極管的開關(guān)特性正向?qū)顟B(tài)正向?qū)顟B(tài)-導(dǎo)通電阻很小

5、，兩端相當(dāng)于短路導(dǎo)通電阻很小，兩端相當(dāng)于短路反向截止?fàn)顟B(tài)反向截止?fàn)顟B(tài)-等效電阻很大，兩端相當(dāng)于開路等效電阻很大，兩端相當(dāng)于開路1. 1. 二極管的大信號(hào)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）工作二極管的大信號(hào)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）工作理想開關(guān)理想開關(guān) PN結(jié)是半導(dǎo)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(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)以及二極管的基本電路及其分析方法與應(yīng)用。P型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，N型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是電子。擴(kuò)散電流：由于PN結(jié)兩邊載流子的濃度差別，載流子會(huì)從濃度高的一方向濃度低的一方運(yùn)動(dòng)，稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，它產(chǎn)生擴(kuò)散電流。漂移電流：由于電位差的存在，載流子在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，稱為漂移運(yùn)動(dòng)

6、，它產(chǎn)生漂移電流。 電位差來自外加電壓和電荷積累構(gòu)成的內(nèi)電場(chǎng)。P型區(qū)N型區(qū) 空間電荷區(qū)一、二極管的靜態(tài)開關(guān)特性一、二極管的靜態(tài)開關(guān)特性 當(dāng)輸入當(dāng)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(guān)斷的條件和等效電路二極管關(guān)斷的條件和等效電路 當(dāng)輸入當(dāng)輸入 uI 為高電平為高電平 U UIHIH，二極，二極管正向?qū)?。管正向?qū)ā?二極二極管管伏安伏安特性特性二、二極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性二、二極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性 P 區(qū)區(qū) N 區(qū)區(qū) 勢(shì)壘區(qū)勢(shì)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(chǎn)生反向恢復(fù)過程的物理機(jī)制產(chǎn)生反向

7、恢復(fù)過程的物理機(jī)制存儲(chǔ)電荷消散需要時(shí)間存儲(chǔ)電荷消散需要時(shí)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(zhuǎn)換為截止時(shí)的濃度分布愈大，轉(zhuǎn)換為截止時(shí)的濃度分布梯度所需的時(shí)間也愈長(zhǎng)。梯度所需的時(shí)間也愈長(zhǎng)。 用電容的概念理解：正偏時(shí)擴(kuò)用電容的概念理解：正偏時(shí)擴(kuò)散電容較大，存儲(chǔ)的電荷也較多，散電容較大，存儲(chǔ)的電荷也較多，電荷消散所需的時(shí)間也較長(zhǎng)。電荷消散所需的時(shí)間也較長(zhǎng)。三極管為什么能用作開關(guān)？三極管為什么能用作開關(guān)？怎樣控制它的開和關(guān)？怎樣控制它的開和關(guān)？ 當(dāng)輸入當(dāng)輸入 uI 為低電平，使為低電平，使 uBE Uth時(shí)，三極管截止。

8、時(shí)，三極管截止。 iB 0，iC 0，C、E 間相當(dāng)間相當(dāng)于開關(guān)斷開。于開關(guān)斷開。 三極管關(guān)斷的條件和等效電路三極管關(guān)斷的條件和等效電路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS負(fù)載線負(fù)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(guān)特性二、三極管的開關(guān)特性 截止區(qū)截止區(qū)uBE UthBEC三極管三極管截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(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(guān)特性三極管的靜態(tài)開關(guān)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(guān)特性二、三極管的開關(guān)特性 uI 增大增大使使 iB 增大，增大，從而工作點(diǎn)上移，從而工作點(diǎn)上移， iC 增增大，大，uCE 減小。減小。截止區(qū)截止區(qū)uBE Uth時(shí)，三極管開始導(dǎo)通，時(shí)，三極管開始導(dǎo)通，iB 0，三極管工作于放大，三極管工作于放大導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)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(guān)特性二、三極管的開關(guān)特性 截止區(qū)截止區(qū)uBE IB(sat)因?yàn)橐驗(yàn)?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(dòng)態(tài)開關(guān)特性三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性 開關(guān)時(shí)間主要由于開關(guān)時(shí)間主要由于電電荷存儲(chǔ)效應(yīng)荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起，要提高引起，要提高開關(guān)速度，必須降低三極開關(guān)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(chǔ)電荷的消散。儲(chǔ)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(gè)肖特基勢(shì)壘二極管接一個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 SBD) ) 。BCSBD抗飽和三極管的開關(guān)速度高抗飽和三極管的開關(guān)速度高 沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng) SBD 的導(dǎo)通電壓只有的導(dǎo)

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(shí)，時(shí)，SBD 便導(dǎo)通，使便導(dǎo)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(guān)特性MOS管的動(dòng)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(dǎo)通 導(dǎo)通 導(dǎo)通 截止 截止 導(dǎo)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(dǎo)通 導(dǎo)通 截止 導(dǎo)通 導(dǎo)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(hào) A L 1k 4.3k 3 3、非門電路非門電路BJT反相器反相器uA0V時(shí)，三極管截止，iB0，iC0，輸出電壓uYVCC5VuA5V時(shí)，三極管導(dǎo)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(shí)的基極電流為：mA12. 0140