第3章邏輯門電路ppt課件

1、第三章第三章 門電路門電路3.1 概述概述3.2 基本邏輯門電路基本邏輯門電路3.3 TTL邏輯門邏輯門3.4 其它類型的其它類型的TTL門電路門電路3.5 MOS門電路門電路13.1 概述概述門電路的作用：是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電門電路的作用：是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路，與基本邏輯關(guān)系相對(duì)應(yīng)。路，與基本邏輯關(guān)系相對(duì)應(yīng)。門電路的主要類型：與門、或門、與非門、或門電路的主要類型：與門、或門、與非門、或非門、異或門等。非門、異或門等。門電路的輸出狀態(tài)與賦值對(duì)應(yīng)關(guān)系：門電路的輸出狀態(tài)與賦值對(duì)應(yīng)關(guān)系：正邏輯：高電位對(duì)應(yīng)正邏輯：高電位對(duì)應(yīng)“1”；低電位對(duì)應(yīng)；低電位對(duì)應(yīng)“0”?；旌线壿嫞狠斎胗谜壿?、

2、輸出用負(fù)邏輯；或者輸混合邏輯：輸入用正邏輯、輸出用負(fù)邏輯；或者輸入用負(fù)邏輯、輸出用正邏輯。入用負(fù)邏輯、輸出用正邏輯。一般采用一般采用正邏輯正邏輯負(fù)邏輯：高電位對(duì)應(yīng)負(fù)邏輯：高電位對(duì)應(yīng)“0”；低電位對(duì)應(yīng)；低電位對(duì)應(yīng)“1”。2100VVcc在數(shù)字電路中，對(duì)電壓值為多少并不重要，在數(shù)字電路中，對(duì)電壓值為多少并不重要，只要能判斷高低電平即可。只要能判斷高低電平即可。K開開-VO輸出高電平，對(duì)應(yīng)輸出高電平，對(duì)應(yīng)“1” 。K合合-VO輸出低電平，對(duì)應(yīng)輸出低電平，對(duì)應(yīng)“0” 。VOKVccR V V3門門(電子開關(guān)電子開關(guān))滿足一定條件時(shí)，電路允滿足一定條件時(shí)，電路允 許信號(hào)通過許信號(hào)通過 開關(guān)接通開關(guān)接通

3、。開門狀態(tài)：開門狀態(tài)：關(guān)門狀態(tài)：關(guān)門狀態(tài)：條件不滿足時(shí)，信號(hào)通不條件不滿足時(shí)，信號(hào)通不過過 開關(guān)斷開開關(guān)斷開 。4開關(guān)開關(guān)作用作用二極管二極管反向截止：反向截止：開關(guān)接通開關(guān)接通開關(guān)斷開開關(guān)斷開三極管三極管C,E)飽和區(qū)：飽和區(qū)： 截止區(qū)：截止區(qū)：開關(guān)接通開關(guān)接通CEB開關(guān)斷開開關(guān)斷開 正向?qū)ǎ赫驅(qū)ǎ?CEB53.2半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路3.2.1二極管的開關(guān)特性二極管的開關(guān)特性 1.二極管開關(guān)原理二極管開關(guān)原理 由于半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦?，即外加正向由于半?dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦?，即外加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，外加反向電壓時(shí)截止，所以它相當(dāng)于電壓時(shí)導(dǎo)通，外加反向電壓時(shí)截止，所

4、以它相當(dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制的開關(guān)。一個(gè)受外加電壓極性控制的開關(guān)。DRVCCvivo+-二極管開關(guān)電路二極管開關(guān)電路0tv二極管伏安特性二極管伏安特性二極管伏安特性方程二極管伏安特性方程 ： i=IseV/VT-1）62.二極管的近似伏安特性和對(duì)應(yīng)的等效電路二極管的近似伏安特性和對(duì)應(yīng)的等效電路 由二極管伏安特性方程和曲線可以看出，半導(dǎo)由二極管伏安特性方程和曲線可以看出，半導(dǎo)體二極管反向電阻不是無(wú)窮大，正向電阻也不是體二極管反向電阻不是無(wú)窮大，正向電阻也不是0。而且，電壓和電流之間是非線性關(guān)系。此外，由而且，電壓和電流之間是非線性關(guān)系。此外，由于存在著于存在著PN結(jié)表面的漏電阻以及半導(dǎo)體的體

5、電阻，結(jié)表面的漏電阻以及半導(dǎo)體的體電阻，所以真正的二極管的伏安特性與上面給出的還略所以真正的二極管的伏安特性與上面給出的還略有差別。有差別。 因而，在分析二極管組成的電路時(shí)，通常需要通因而，在分析二極管組成的電路時(shí)，通常需要通過近似的分析來(lái)判斷二極管的開關(guān)狀態(tài)。為此，過近似的分析來(lái)判斷二極管的開關(guān)狀態(tài)。為此，必須利用近似的簡(jiǎn)化特性或電路模型，以簡(jiǎn)化分必須利用近似的簡(jiǎn)化特性或電路模型，以簡(jiǎn)化分析和計(jì)算過程。析和計(jì)算過程。7a.當(dāng)外加電源當(dāng)外加電源電壓和電阻相電壓和電阻相對(duì)二極管的導(dǎo)對(duì)二極管的導(dǎo)通電壓和正向通電壓和正向電阻均在同一電阻均在同一數(shù)量級(jí)時(shí)的等數(shù)量級(jí)時(shí)的等效。效。b.當(dāng)正向電壓不能忽略時(shí)

6、的等效當(dāng)正向電壓不能忽略時(shí)的等效c.當(dāng)正向電壓和導(dǎo)通電阻均可忽略時(shí)的等效當(dāng)正向電壓和導(dǎo)通電阻均可忽略時(shí)的等效83.二極管的開關(guān)時(shí)間：二極管的開關(guān)時(shí)間：加于二極管上的電壓波形加于二極管上的電壓波形二極管上產(chǎn)生的相應(yīng)電流波形二極管上產(chǎn)生的相應(yīng)電流波形二極管由截止到飽和二極管由截止到飽和二極管由飽和到二極管由飽和到截止截止93.2.2 二極管與門電路二極管與門電路 FD1D2AB+12VuAuBuF0V0V0.3V0V3V0.3V3V0V0.3V3V3V3.3V邏輯變量邏輯變量邏輯函數(shù)邏輯函數(shù)( uD=0.3V )10uAuBuF0V0V0.3V0V3V0.3V3V0V0.3V3V3V3.3V0 0

7、 00 1 0 A B F1 0 01 1 1邏輯式：邏輯式：F=A B邏輯符號(hào)：邏輯符號(hào)：&ABF113.2.3二極管或門二極管或門uAuBuF0V0V-0.3V0V3V2.7V3V0V2.7V3V3V2.7VFD1D2AB-12V12uAuBuF0V0V-0.3V0V3V2.7V3V0V2.7V3V3V2.7V0 0 00 1 1 A B F1 0 11 1 1邏輯式：邏輯式：F=A+B邏輯符號(hào)：邏輯符號(hào)： ABF133.5 TTL門電路門電路P109）數(shù)字集成電路：在一塊半導(dǎo)體基片上制作出一個(gè)數(shù)字集成電路：在一塊半導(dǎo)體基片上制作出一個(gè)完整的邏輯電路所需要的全部元件和連線。完整的邏

8、輯電路所需要的全部元件和連線。使用時(shí)接：電源、輸入和輸出。數(shù)字集成電使用時(shí)接：電源、輸入和輸出。數(shù)字集成電路具有體積小、可靠性高、速度快、而且價(jià)路具有體積小、可靠性高、速度快、而且價(jià)格便宜的特點(diǎn)。格便宜的特點(diǎn)。TTL型電路：輸入和輸出端結(jié)構(gòu)都采用了半導(dǎo)體晶型電路：輸入和輸出端結(jié)構(gòu)都采用了半導(dǎo)體晶體管，稱之為體管，稱之為: Transistor Transistor Logic。14uFt0.3VtruAt-VB1+VB2R1R2AF+ucc+ucc3.5.1雙極型三極管的開關(guān)特性雙極型三極管的開關(guān)特性P109）iCttdtftsIcs0.9Ics三極管三極管截止截止飽和飽和基極臨界飽和電流基極

9、臨界飽和電流 IBS=Vcc/Rc集電極飽和電流集電極飽和電流Ics=Vcc/Rc一、三極管的開關(guān)特性一、三極管的開關(guān)特性15R1DR2AF+12V +3V二、三極管反相器二、三極管反相器uAuF3V0.30V3.3鉗位二極管鉗位二極管16uAuF3V0.30V3.3AF0110邏輯式：邏輯式：AF 邏輯符號(hào)：邏輯符號(hào)：1AF17R1DR2F+12V +3V三極管非門三極管非門D1D2AB+12V二極管與門二極管與門三、二極管、三極管電路與非門三、二極管、三極管電路與非門邏輯式：邏輯式：BAF &ABF邏輯符號(hào)：邏輯符號(hào)：18CBAF 3.5.2TTL與非門的電路結(jié)構(gòu)和工作原理與非門的

10、電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、構(gòu)造一、構(gòu)造TTL與非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k75010019輸入級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)中間級(jí)+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5T1 多發(fā)射極多發(fā)射極晶體管：實(shí)現(xiàn)晶體管：實(shí)現(xiàn)“與運(yùn)算。與運(yùn)算。20+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5“非非”復(fù)合管形式復(fù)合管形式與非門與非門輸出級(jí)輸出級(jí)“與與”211. 任一輸入為低電平任一輸入為低電平0.3V時(shí)時(shí)“0”0.7V不足以讓不足以讓T2、T5導(dǎo)通導(dǎo)通+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1A

11、BC3603k750100三個(gè)三個(gè)PN結(jié)結(jié)導(dǎo)通需導(dǎo)通需2.1V22+5VFR4R2R13kR5R3T3T4T1T5b1c1ABC0.7V“0”uouo=5-uR2-ube3-ube43.4V 高高電平！電平！邏輯關(guān)系：任邏輯關(guān)系：任0則則1。23+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC“1”全導(dǎo)通全導(dǎo)通電位被鉗電位被鉗在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止2. 輸入全為高電平輸入全為高電平3.4V時(shí)時(shí)24+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏全反偏“1”飽和飽和uF =0.3VABCF 輸入、輸出的邏輯關(guān)系式：輸入、輸出的邏輯關(guān)系式：邏輯關(guān)系：全邏輯

12、關(guān)系：全1則則0。25二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性測(cè)試電路測(cè)試電路&+5Vuiuo26uo(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)傳輸特性曲線傳輸特性曲線uo(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)閾值閾值UT=1.4V理想的傳輸特性理想的傳輸特性輸出高電平輸出高電平輸出低電平輸出低電平UOHmin）（2.4V）UILmax），），（2V）UOLmax）UIHmin）VNLVNHUOL(max)UOH(min)271. 輸出高電平輸出高電平UOH、輸出低電平、輸出低電平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便認(rèn)為合格。便認(rèn)為合格。 典型值典型值UO

13、H=3.4V UOL=0.3V 。 2. 閾值電壓閾值電壓UTuiUT時(shí)，認(rèn)為時(shí)，認(rèn)為ui是高電平。是高電平。UT =1.4V28三、輸入端的噪聲容限三、輸入端的噪聲容限從電壓傳輸特性上可以看到，當(dāng)輸入信號(hào)偏離正從電壓傳輸特性上可以看到，當(dāng)輸入信號(hào)偏離正常的低電平常的低電平0.3V而升高時(shí)，輸出的高電平并而升高時(shí)，輸出的高電平并不立刻改變；同樣，當(dāng)輸入高電平偏離正常值不立刻改變；同樣，當(dāng)輸入高電平偏離正常值3.4V而下降時(shí)，輸出低電平也不會(huì)馬上改變。而下降時(shí)，輸出低電平也不會(huì)馬上改變。因而，允許的高低電平信號(hào)各有一個(gè)波動(dòng)范圍。因而，允許的高低電平信號(hào)各有一個(gè)波動(dòng)范圍。 輸入端噪聲容限：輸入端噪

14、聲容限： 在保證輸出高、低電平基本不變的條件在保證輸出高、低電平基本不變的條件下，輸入電平的允許波動(dòng)范圍。下，輸入電平的允許波動(dòng)范圍。 在由許多門電路互相連接組成的數(shù)字系在由許多門電路互相連接組成的數(shù)字系統(tǒng)中，往往前一級(jí)門電路的輸出就是后一統(tǒng)中，往往前一級(jí)門電路的輸出就是后一級(jí)門電路的輸入。所以輸入端的噪聲容限級(jí)門電路的輸入。所以輸入端的噪聲容限可用下圖示意。可用下圖示意。29圖中先確定工作門輸出高圖中先確定工作門輸出高電平的最小值電平的最小值VOHmin）（TTL為為2.4V），最大輸），最大輸出低電平出低電平VOLmax）（TTL為為0.4V）。）。然后可根據(jù)然后可根據(jù)VOHmin從電壓傳

15、輸特性上定出輸從電壓傳輸特性上定出輸入低電平的上限入低電平的上限VILmax），并根據(jù)），并根據(jù)VOLmax定出輸入高電平定出輸入高電平的下限的下限VIHmin）。）。 輸入高電平噪聲容限：輸入高電平噪聲容限：VNH= VOHmin）- VIHmin）輸入低電平噪聲容限：輸入低電平噪聲容限：VNL= VILmax）- VOLmax）74系列門的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)：系列門的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)：VOHmin）=2.4 V， VOLmax）=0.4V， VIHmin）=2V ，VILmax）=0.8V，故可得，故可得VNH=0.4V， VNL=0.4V。 303.5.3TTL反相器的輸入、輸出特性反相器的輸入、輸出特性

16、 （P119）一、輸入特性一、輸入特性31二、輸出特性二、輸出特性1.高電平輸出特性高電平輸出特性vOH(MIN)32162.低電平輸出特性低電平輸出特性33名稱及符號(hào)名稱及符號(hào)含義含義輸入低電平電流輸入低電平電流 IiL輸入為低電平時(shí)流入輸輸入為低電平時(shí)流入輸入端的電流入端的電流 -1 .4mA。輸入高電平電流輸入高電平電流 IiH輸入為高電平時(shí)流入輸輸入為高電平時(shí)流入輸入端的電流入端的電流幾十幾十A。IOL及其極限及其極限 IOL（max）當(dāng)當(dāng) IOL IOL(max)時(shí)，輸入時(shí)，輸入不再是低電平。不再是低電平。IOH及其極限及其極限 IOH (max)當(dāng)當(dāng) IOH IOH(max)時(shí)，輸

17、出時(shí)，輸出不再是高電平。不再是高電平。有關(guān)電流的技術(shù)參數(shù)有關(guān)電流的技術(shù)參數(shù)34T1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前級(jí)前級(jí)IOLIiL1IiL2IiL321iLiLOLIII灌灌電電流流 扇出系數(shù)扇出系數(shù)扇出系數(shù)：與非門電路輸出能驅(qū)動(dòng)同類門的個(gè)數(shù)扇出系數(shù)：與非門電路輸出能驅(qū)動(dòng)同類門的個(gè)數(shù)N。35例例3.5.2在圖在圖3.5.17所示的電路中，試計(jì)所示的電路中，試計(jì)算門算門G1最多可以驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門最多可以驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門電路負(fù)載。這些門電路的輸入特性和電路負(fù)載。這些門電路的輸入特性和輸出特性分別由圖輸出特性分別由圖3.5.12、圖、圖3.5.14和和圖圖3.5.16給出

18、。要求給出。要求G1輸出的高、低輸出的高、低電平滿足電平滿足V OH3.2V，VOL0.2V。解：先計(jì)算保證解：先計(jì)算保證VOL0.2V時(shí)可以驅(qū)動(dòng)的電路數(shù)時(shí)可以驅(qū)動(dòng)的電路數(shù)目目N1由圖由圖3.5.16查到，查到， VOL=0.2V時(shí)的負(fù)載電流時(shí)的負(fù)載電流iL=16mA；由圖；由圖3.5.12查到查到VOL=0.2V時(shí)每時(shí)每個(gè)負(fù)載門的輸入電流個(gè)負(fù)載門的輸入電流iIL=-1mA，所以有，所以有N1iIL iL161161ILLiiN36計(jì)算保證計(jì)算保證VOH3.2V時(shí)能驅(qū)動(dòng)的負(fù)載門數(shù)目時(shí)能驅(qū)動(dòng)的負(fù)載門數(shù)目N2。由圖。由圖3.5.14高電平輸出特性上查到，高電平輸出特性上查到， VOH=3.2V時(shí)，

19、對(duì)應(yīng)的時(shí)，對(duì)應(yīng)的iL為為-7.5mA。但手冊(cè)上規(guī)定。但手冊(cè)上規(guī)定TTL的）的） IOH 0.4mA，故應(yīng)，故應(yīng)取取0.4mA計(jì)算。又由圖計(jì)算。又由圖3.5.12輸入特性可知，每個(gè)輸入端的輸入特性可知，每個(gè)輸入端的高電平輸入電流高電平輸入電流IIH=40A，故可得：，故可得： N2IIH IL 1004.04.02IHlIiN 綜合以上兩種情況可得出結(jié)論：在給定條件下，綜合以上兩種情況可得出結(jié)論：在給定條件下，TTL74系列門電路最多可以驅(qū)動(dòng)系列門電路最多可以驅(qū)動(dòng)10個(gè)同類門。（產(chǎn)品規(guī)定個(gè)同類門。（產(chǎn)品規(guī)定8個(gè)）個(gè)）373. 輸入端的負(fù)載特性輸入端的負(fù)載特性在具體使用門電路時(shí)，有時(shí)需要在輸入端與

20、地之間或者輸在具體使用門電路時(shí)，有時(shí)需要在輸入端與地之間或者輸入端與信號(hào)的低電平之間接入電阻入端與信號(hào)的低電平之間接入電阻RP，如圖，如圖3.5.18所示。所示。38RPRRPVRPRRP1.4V=be=-1113 . 4)5( 由圖可知，因?yàn)檩斎腚娏髁鬟^由圖可知，因?yàn)檩斎腚娏髁鬟^RP上產(chǎn)生壓降而形成輸入電位上產(chǎn)生壓降而形成輸入電位Vi。而且，。而且， RP越大越大Vi也越高。實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖也越高。實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖3.5.19所示。所示。 曲線表明，當(dāng)電阻曲線表明，當(dāng)電阻RP較小時(shí)，輸入電壓較小時(shí)，輸入電壓Vi基本上基本上呈線性增長(zhǎng)，而當(dāng)呈線性增長(zhǎng)，而當(dāng)RP大到使大到使Vi接近接近1.4V后

21、基本不再后基本不再隨隨RP變化。這是因?yàn)樽兓?。這是因?yàn)閂i接近接近1.4V后，后，T1基極電位已基極電位已接近接近2.1V，它足以使門電路的，它足以使門電路的T2和和T5導(dǎo)通，并將導(dǎo)通，并將T1基極電位鉗位?；鶚O電位鉗位。RP的臨界值可計(jì)算如下：的臨界值可計(jì)算如下：RP=1.4KR1=3K 為安全起見，如要求輸入為安全起見，如要求輸入等效為低電平時(shí)，對(duì)等效為低電平時(shí)，對(duì)TTL門電路應(yīng)使門電路應(yīng)使RP小于小于1 K ；如要求輸入等效為高電平時(shí)，對(duì)如要求輸入等效為高電平時(shí)，對(duì)TTL門電路應(yīng)使門電路應(yīng)使RP大于大于2K 。39例例3.5.3 在圖在圖3.5.20所示的電路中，為保證門所示的電路中，為

22、保證門G1輸出的高、低電平輸出的高、低電平能正確地傳送到門能正確地傳送到門G2的輸入端，要求的輸入端，要求vo1=VOH時(shí)時(shí)vI2VIHmin），），vO1=VOL時(shí)，時(shí)， vI2VILmax），試計(jì)算），試計(jì)算RP的最大允的最大允許值是多少？已知許值是多少？已知G1和和G2均為均為74系列反相器，系列反相器，VCC=5V， VOH=3.4V， VOL=0.2V，VIHmin）=2.0V， VILmax）=0.8V。 G1和和G2的輸入特性和輸出特性見圖的輸入特性和輸出特性見圖3.5.12和圖和圖3.5.14、圖、圖3.5.16。當(dāng)當(dāng)vo1=VOH時(shí)，接入時(shí)，接入RP后應(yīng)保證有后應(yīng)保證有vI2

23、VIHmin），所以可得），所以可得VOH-IIH RPVIHmin）-kIVVRIHIHOHP351004. 00 . 24 . 33(min)從圖從圖3.5.12輸入特性曲輸入特性曲線上查到線上查到vI =VIHmin）=2.0V時(shí)的輸入電流時(shí)的輸入電流IIH=0.04mA當(dāng)當(dāng)vO1=VOL時(shí)，接入時(shí)，接入RP后應(yīng)保證有后應(yīng)保證有vI2VILmax） ，所以可得，所以可得-KKRVvVVVRVVRRVvVILBECCOLILPOLILPILBECC68.048 .07 .052 .08 .0,1(max)1(max)(max)1(max)1綜合以上兩種情況，應(yīng)取綜合以上兩種情況，應(yīng)取RP

24、0.68K也就是說也就是說G1和和G2之間的串聯(lián)電阻應(yīng)小于之間的串聯(lián)電阻應(yīng)小于680，否則當(dāng)，否則當(dāng)vO1=VOL時(shí)可能超過時(shí)可能超過VILmax）40一、一、 平均傳輸時(shí)間平均傳輸時(shí)間tui0tuo050%50%tpd1tpd2)(2121pdpdpdttt典型值：典型值：3 10 ns3.5.4TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性反相器的動(dòng)態(tài)特性41二、交流噪聲容限二、交流噪聲容限對(duì)窄脈沖的噪聲容限對(duì)窄脈沖的噪聲容限 由于由于TTL門電路中存在三門電路中存在三極管的開關(guān)時(shí)間和分布電容極管的開關(guān)時(shí)間和分布電容的充放電過程，因而輸入信的充放電過程，因而輸入信號(hào)狀態(tài)變化時(shí)必須有足夠的號(hào)狀態(tài)變化時(shí)必須有足夠的變

25、化幅度和作用時(shí)間才能使變化幅度和作用時(shí)間才能使輸出狀態(tài)變化。當(dāng)輸入信號(hào)輸出狀態(tài)變化。當(dāng)輸入信號(hào)為窄脈沖，而且脈沖寬度接為窄脈沖，而且脈沖寬度接近于門電路傳輸時(shí)間的情況近于門電路傳輸時(shí)間的情況下，為使輸出狀態(tài)改變所需下，為使輸出狀態(tài)改變所需要的脈沖幅度將遠(yuǎn)大于信號(hào)要的脈沖幅度將遠(yuǎn)大于信號(hào)為直流時(shí)所需要的信號(hào)變化為直流時(shí)所需要的信號(hào)變化幅度。幅度。（a正脈沖噪聲容限正脈沖噪聲容限（b負(fù)脈沖噪聲容限負(fù)脈沖噪聲容限TTL門電路的傳輸延遲時(shí)間通常門電路的傳輸延遲時(shí)間通常在在50ns以內(nèi)，所以當(dāng)輸入脈沖的以內(nèi)，所以當(dāng)輸入脈沖的寬度達(dá)到微妙數(shù)量級(jí)時(shí)，可將輸寬度達(dá)到微妙數(shù)量級(jí)時(shí)，可將輸入信號(hào)按直流信號(hào)處理。入

26、信號(hào)按直流信號(hào)處理。42三、電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流三、電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流TTL門電路在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出電平不同時(shí)它門電路在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出電平不同時(shí)它從電源所取的電流也不一樣。從電源所取的電流也不一樣。43VCC-vB1 VCC-vC2R2R1ICCL=iB1+iC2=+3.4mAVo=VOL時(shí)從電源所取電流：時(shí)從電源所取電流：Vo=VOH時(shí)從電源所取電流：時(shí)從電源所取電流：VCC-vB1R1ICCH=iB1=1mA 動(dòng)態(tài)情況下，特別是當(dāng)輸動(dòng)態(tài)情況下，特別是當(dāng)輸出電壓由低電平跳變?yōu)楦唠姵鲭妷河傻碗娖教優(yōu)楦唠娖綍r(shí)，由于平時(shí)，由于T5原來(lái)工作在深原來(lái)工作在深度飽和狀態(tài)，所以度飽和狀態(tài)，所以T4的導(dǎo)通

27、的導(dǎo)通先于先于T5的截止，使的截止，使T4 和和T5同時(shí)導(dǎo)通，使電源電流出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通，使電源電流出現(xiàn)尖峰脈沖。尖峰脈沖。44 在在Vi從高電平跳到從高電平跳到低電平瞬間低電平瞬間T5尚未脫尚未脫離飽和導(dǎo)通狀態(tài)而離飽和導(dǎo)通狀態(tài)而T4已飽和導(dǎo)通，這時(shí)電已飽和導(dǎo)通，這時(shí)電源電流的最大瞬時(shí)值源電流的最大瞬時(shí)值可計(jì)算如下：可計(jì)算如下：ICCM=iC4+iB4+iB1=VCC- VCEsat4-vD2-VCEsat5R4+VCC-v BE4 -vD2-VCEsat5R1VCC-vb1+R2=34.7mA45電源尖峰電流帶來(lái)的影響主要有兩個(gè)方面；電源尖峰電流帶來(lái)的影響主要有兩個(gè)方面； 1、使電源的平均電流增

28、加。而且信號(hào)的重復(fù)頻、使電源的平均電流增加。而且信號(hào)的重復(fù)頻率越高、門電路的傳輸延遲時(shí)間率越高、門電路的傳輸延遲時(shí)間tPLH越長(zhǎng)，電流越長(zhǎng)，電流平均值增加越多。在計(jì)算系統(tǒng)電源容量時(shí)必須注平均值增加越多。在計(jì)算系統(tǒng)電源容量時(shí)必須注意這一點(diǎn)。意這一點(diǎn)。 2、當(dāng)系統(tǒng)中有許多門電路同時(shí)轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)、當(dāng)系統(tǒng)中有許多門電路同時(shí)轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)時(shí)，電源的瞬時(shí)尖峰電流數(shù)值很大，這個(gè)尖峰時(shí)，電源的瞬時(shí)尖峰電流數(shù)值很大，這個(gè)尖峰電流將通過電源線和地線以及電源的內(nèi)阻形成電流將通過電源線和地線以及電源的內(nèi)阻形成一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲源。因而，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲源。因而，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效的措施將這個(gè)噪聲抑制在允

29、許的限度采取有效的措施將這個(gè)噪聲抑制在允許的限度內(nèi)。內(nèi)。46為便于計(jì)算尖峰電流的平均值，可以近似地把電為便于計(jì)算尖峰電流的平均值，可以近似地把電源的尖峰電流視為三角波，并認(rèn)為尖峰電流的持源的尖峰電流視為三角波，并認(rèn)為尖峰電流的持續(xù)時(shí)間等于傳輸延遲時(shí)間續(xù)時(shí)間等于傳輸延遲時(shí)間tPLH ，如圖，如圖3.5.24所示。所示。一個(gè)周期內(nèi)尖峰脈沖的平均一個(gè)周期內(nèi)尖峰脈沖的平均值為：值為：IPAV=（ICCM-ICCLtPLHT若用重復(fù)頻率表示為：若用重復(fù)頻率表示為：IPAV=（ICCM-ICCLftPLH 如果每個(gè)周期中輸出高、低電平的持續(xù)時(shí)間相等，如果每個(gè)周期中輸出高、低電平的持續(xù)時(shí)間相等，在考慮電源動(dòng)

30、態(tài)尖峰電流的影響后，電源電流的平在考慮電源動(dòng)態(tài)尖峰電流的影響后，電源電流的平均值將為：均值將為：ICCAV=1/2ICCH+ICCL）+1/2ftPLH（ICCM-ICCL）47各種邏輯門的相互轉(zhuǎn)換各種邏輯門的相互轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換方法：采用反演定理。轉(zhuǎn)換方法：采用反演定理。例：與非門可以轉(zhuǎn)換成其他各種邏輯門。例：與非門可以轉(zhuǎn)換成其他各種邏輯門。BABABA BABABABABABABA 把與非門的輸入端連接在一起，就轉(zhuǎn)換成非門。把與非門的輸入端連接在一起，就轉(zhuǎn)換成非門。BABABABABABABA 顯然，與非門、或非門等也很容易得到。顯然，與非門、或非門等也很容易得到。48 3.5.5 其它類型的其它

31、類型的TTL門電路門電路二、二、 集電極開路的與非門集電極開路的與非門OC門）門）1、 問題的提出問題的提出標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)TTL與非門進(jìn)行與運(yùn)算與非門進(jìn)行與運(yùn)算:&ABEF&CD&G1&ABEF&CDG 能否能否“線與線與”？（Open Collector)ABCDEFEFCDABFEG 49+5VR4R2T3T4T5R3TTL與非門的輸出電阻與非門的輸出電阻很低。這時(shí)，直接線與很低。這時(shí)，直接線與會(huì)使電流會(huì)使電流 i 劇烈增加。劇烈增加。i功耗功耗T4熱擊穿熱擊穿UOL 與非門與非門2：不允許直接不允許直接“線與線與”與非門與非門1 截止截止與非門與非門2

32、導(dǎo)通導(dǎo)通UOHUOL與非門與非門1：i+5VR4R2T3T4T5R3問題：?jiǎn)栴}：TTL與非門能否直接線與？與非門能否直接線與？50RLUCC集電極懸空集電極懸空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符號(hào)符號(hào)應(yīng)用時(shí)輸出端要接一上拉負(fù)載電阻應(yīng)用時(shí)輸出端要接一上拉負(fù)載電阻 RL 。2、OC門結(jié)構(gòu)門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：特點(diǎn)：RL 和和UCC 可以外接?？梢酝饨?。F = ABC&513、 OC門可以實(shí)現(xiàn)門可以實(shí)現(xiàn)“線與功能。線與功能。Y=Y1Y2=ABCD5253 負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL和電源和電源 UCC可以根據(jù)情況選擇?？梢愿鶕?jù)情況選擇。 如何確定上拉電阻如何確定上拉電阻RL?RL

33、(min)=Vcc VOLmax）IOL(max) -mIIL式中式中IOLmax為驅(qū)動(dòng)門能承受的最大灌電流，為驅(qū)動(dòng)門能承受的最大灌電流，IiL為負(fù)載門可提供的灌電流，其值為負(fù)數(shù)，為負(fù)載門可提供的灌電流，其值為負(fù)數(shù)， m為門的個(gè)為門的個(gè)數(shù)。數(shù)?？紤]最壞的情況只有一考慮最壞的情況只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)門工作。個(gè)驅(qū)動(dòng)門工作。RLmax）=Vcc VOHmin）nIOH+mIIH固定固定固定固定式中式中nIOH為所有驅(qū)動(dòng)門的漏為所有驅(qū)動(dòng)門的漏電流，電流，mIiH為所有負(fù)載門的為所有負(fù)載門的高電平輸入電流，高電平輸入電流，m為輸入為輸入端數(shù)。端數(shù)。RLIRLIOL m IIL設(shè)設(shè)n=8，m=6，m=12，VCC

34、=5V，VOLmax=0.4V，VOHmin=3V，又由前面的討論，又由前面的討論可知可知IOLmax=16mA，IIL=1mA，IOH=200A，可算得：，可算得：Rlmin=（5-0.4）/（16-61）=0.46K，Rlmax=（5-3）/（8 0.2+12 0.04）=0.96K故選擇故選擇RL應(yīng)小于應(yīng)小于0.96K 大于大于0.46K 。54計(jì)算負(fù)載電阻計(jì)算負(fù)載電阻RL的公式：的公式：RL(min)=Vcc VOLmax）IOL(max) -mIILRLmax）=Vcc VOHmin）nIOH+mIIHRL式中式中IIL為負(fù)載門低電平輸入電流的絕對(duì)值，為負(fù)載門低電平輸入電流的絕對(duì)值，

35、m為負(fù)載門的為負(fù)載門的輸入端數(shù)，輸入端數(shù)，m為負(fù)載門的個(gè)數(shù)。為負(fù)載門的個(gè)數(shù)。n為驅(qū)動(dòng)門的個(gè)數(shù)，為驅(qū)動(dòng)門的個(gè)數(shù)，IOH為為驅(qū)動(dòng)門截止時(shí)的漏電流，驅(qū)動(dòng)門截止時(shí)的漏電流，IOLmax為單個(gè)驅(qū)動(dòng)門能承受為單個(gè)驅(qū)動(dòng)門能承受的最大低電平負(fù)載電流。的最大低電平負(fù)載電流。IIL=（VCC-VBE1-VIL）/R1=（5-0.7-0.3）/4=1mA是以門為單位計(jì)算的。是以門為單位計(jì)算的。IIH=（VCC-VB1）/R1=（5-2.1）/4）0.050.035mA=35A以單個(gè)輸入端來(lái)計(jì)算的。以單個(gè)輸入端來(lái)計(jì)算的。55三、三、 三態(tài)輸出門電路三態(tài)輸出門電路E 控制端控制端DEER1+5VFR4R23kT2R5R

36、3T3T4T1T5b1c1AB1、構(gòu)造、構(gòu)造56+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDEE2、工作原理、工作原理1） 控制端控制端E=0時(shí)的工作情況：時(shí)的工作情況：01截止截止ABF 57+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDEE2） 控制端控制端E=1時(shí)的工作情況：時(shí)的工作情況：10導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止高阻態(tài)高阻態(tài)58&ABFE符號(hào)符號(hào)輸輸出出高高阻阻0E 1E ABF 功能表功能表3、三態(tài)門的符號(hào)及功能表、三態(tài)門的符號(hào)及功能表&ABFE符號(hào)符號(hào)輸輸出出高高阻阻1E0EABF 功能表功能表使能端使能端高電平高電平起作

37、用起作用使能端使能端低電平低電平起作用起作用59E1E2E3公用總線公用總線三態(tài)門主要作為三態(tài)門主要作為TTL電路與總線間的接口電路。電路與總線間的接口電路。4、三態(tài)門的用途、三態(tài)門的用途工作時(shí)，工作時(shí)，E1、E2、E3分時(shí)接入高電分時(shí)接入高電平。平。603.5.6 TTL電路的各種系列電路的各種系列 為滿足用戶在提高工作速度和降低功耗這兩方為滿足用戶在提高工作速度和降低功耗這兩方面的要求，繼上述面的要求，繼上述74系列后，又生產(chǎn)了系列后，又生產(chǎn)了74H系列、系列、74S系列、系列、74LS系列、系列、74AS系列和系列和74ALS系列等改系列等改進(jìn)的進(jìn)的TTL電路。電路。一、一、74H系列系

38、列高速系列高速系列對(duì)應(yīng)國(guó)產(chǎn)對(duì)應(yīng)國(guó)產(chǎn)CT2000系列，系列，和和1000系列比主要減小系列比主要減小了電阻的阻值。了電阻的阻值。61二、二、74S系列系列肖特基系列肖特基系列CT3000）思路：使三極管避免進(jìn)入深度飽和以減小傳輸延遲思路：使三極管避免進(jìn)入深度飽和以減小傳輸延遲時(shí)間。為此采用了抗飽和三極管時(shí)間。為此采用了抗飽和三極管肖特基三極管。肖特基三極管。 肖特基三極管是由普通三極管和肖特基勢(shì)壘二極管肖特基三極管是由普通三極管和肖特基勢(shì)壘二極管Schottky Barrier Diode組合而成的。組合而成的。 由于由于SBD的開啟電壓為的開啟電壓為0.30.4V，當(dāng)三，當(dāng)三極管的極管的b-c

39、結(jié)正結(jié)正向偏置后，向偏置后，SBD首先導(dǎo)通，并將首先導(dǎo)通，并將b-c結(jié)的正向電結(jié)的正向電壓鉗在壓鉗在0.30.4V。62使從基極注入的過驅(qū)使從基極注入的過驅(qū)動(dòng)電流從動(dòng)電流從SBD流走，流走，從而有效地制止了三從而有效地制止了三極管進(jìn)入深度飽和狀極管進(jìn)入深度飽和狀態(tài)。能加快狀態(tài)轉(zhuǎn)換，態(tài)。能加快狀態(tài)轉(zhuǎn)換，縮短門電路的傳輸時(shí)縮短門電路的傳輸時(shí)間。間。 電路的另一個(gè)改進(jìn)措施是用電路的另一個(gè)改進(jìn)措施是用T6、RB和和RC組成的有組成的有源電路代替了源電路代替了74H系列中的電阻系列中的電阻R3，為，為T5管的發(fā)射管的發(fā)射結(jié)提供了一個(gè)有源瀉放回路。從而也縮短了門電路的結(jié)提供了一個(gè)有源瀉放回路。從而也縮短了

40、門電路的傳輸時(shí)間。傳輸時(shí)間。63 關(guān)于有源瀉放的說明：關(guān)于有源瀉放的說明： 當(dāng)當(dāng)T2由截止變?yōu)閷?dǎo)通的瞬間，由于由截止變?yōu)閷?dǎo)通的瞬間，由于T6的基極回路的基極回路中串接了電阻中串接了電阻RB，所以，所以T5必然先于必然先于T6導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使T2發(fā)射極的電流全部流入發(fā)射極的電流全部流入T5的基極，從而加速了的基極，從而加速了T5的的導(dǎo)通過程。而在穩(wěn)態(tài)下，由于導(dǎo)通過程。而在穩(wěn)態(tài)下，由于T6導(dǎo)通后產(chǎn)生的分流導(dǎo)通后產(chǎn)生的分流作用，減少了作用，減少了T5的基極電流，也就減輕了的基極電流，也就減輕了T5的飽和的飽和程度，這又有利于加快程度，這又有利于加快T5從導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟倪^程。從導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟倪^程。 當(dāng)

41、當(dāng)T2從導(dǎo)通變?yōu)榻刂购螅驗(yàn)閺膶?dǎo)通變?yōu)榻刂购?，因?yàn)門6仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，為為T5的基極提供了一個(gè)瞬間的低內(nèi)阻瀉放回路，使的基極提供了一個(gè)瞬間的低內(nèi)阻瀉放回路，使T5得以迅速截止。因而，有源瀉放回路的存在縮短得以迅速截止。因而，有源瀉放回路的存在縮短了門電路的傳輸時(shí)間。了門電路的傳輸時(shí)間。 抗飽和電路帶來(lái)的缺點(diǎn)：輸出低電平增抗飽和電路帶來(lái)的缺點(diǎn)：輸出低電平增高。高。64三、三、74LS系列系列低功耗肖特基系列低功耗肖特基系列CT4000）1、為了降低功耗大幅度、為了降低功耗大幅度提高了電路中個(gè)電阻的提高了電路中個(gè)電阻的阻值；阻值；改進(jìn)措施：改進(jìn)措施： 2、將、將R5原來(lái)接地一端改原

42、來(lái)接地一端改接到輸出端，以減小接到輸出端，以減小T3導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)，通時(shí)，R5上的功耗。上的功耗。（74LS系列的功耗僅為系列的功耗僅為74系列的系列的五分之一，五分之一，74H系列的十分之一）系列的十分之一） 3、為了縮短傳輸延遲時(shí)間，除了使用抗飽和三極管、為了縮短傳輸延遲時(shí)間，除了使用抗飽和三極管和有源瀉放外，還將多發(fā)射三極管換成了和有源瀉放外，還將多發(fā)射三極管換成了SBD，因?yàn)椋驗(yàn)镾BD沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。65四、四、74AS和和74ALS系列系列 74AS系列是為進(jìn)一步縮短傳輸延遲時(shí)間而設(shè)計(jì)的系列是為進(jìn)一步縮短傳輸延遲時(shí)間而設(shè)計(jì)的改進(jìn)系列。它的電路結(jié)構(gòu)與改進(jìn)系列。它的電路結(jié)

43、構(gòu)與74LS系列相似，但電系列相似，但電路中電阻阻值很低。它的缺點(diǎn)是功耗較大，比路中電阻阻值很低。它的缺點(diǎn)是功耗較大，比74S略大一些。略大一些。 74ALS系列是為了獲得更小的延遲系列是為了獲得更小的延遲功耗積而功耗積而改進(jìn)設(shè)計(jì)的，它的延遲改進(jìn)設(shè)計(jì)的，它的延遲功耗積是功耗積是TTL電路所有電路所有系列中最小的。為了降低功耗，電路中采用了較系列中最小的。為了降低功耗，電路中采用了較大的電阻阻值，同時(shí)，通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝縮小了大的電阻阻值，同時(shí)，通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝縮小了內(nèi)部各個(gè)器件的尺寸，獲得了降低功耗和縮短延內(nèi)部各個(gè)器件的尺寸，獲得了降低功耗和縮短延遲時(shí)間的雙重收效。遲時(shí)間的雙重收效。66五、五、

44、54、54H、54LS系列系列54系列的系列的TTL電路和電路和74系列電路具有完全相同的電系列電路具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)。所不同的是路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)。所不同的是54系列比系列比74系系列的工作溫度范圍更寬，電源允許的工作范圍更大。列的工作溫度范圍更寬，電源允許的工作范圍更大。 74系列的工作環(huán)境溫度規(guī)定系列的工作環(huán)境溫度規(guī)定070，電源電壓為，電源電壓為5V5%；而；而54系列工作環(huán)境溫度規(guī)定系列工作環(huán)境溫度規(guī)定-55+125，電源電壓為電源電壓為5V 10% 在不同系列的在不同系列的TTL器件中，只要器件型號(hào)的后幾器件中，只要器件型號(hào)的后幾位數(shù)碼一樣，則它們的邏輯功能、外

45、形尺寸、引腳位數(shù)碼一樣，則它們的邏輯功能、外形尺寸、引腳排列就完全相同。排列就完全相同。67表表3.5.1各種系列各種系列TTL電路電路74XX00特性參數(shù)比較特性參數(shù)比較P138）參數(shù)名稱系列7474S74LS74AS74ALS74FVIL（max）0.8V0.80.8VOL（max）0.4V0.50.5VIH（min）2.0V2.02.02.02.02.0VOH（min）2.4V2.72.7IIL（max）-1.0mA-2.0-0.4-0.5-0.2-0.6IOL（max）16mA20820820IOH（max）-0.4mA-1.0-0

46、.4-2.0-0.4-1.0IIH（max）40A5020202020tpd9ns39.51.743功耗10mW19281.24延遲功耗積90571913.64.812683.3 CMOS門電路門電路MOS電路的特點(diǎn)：電路的特點(diǎn)：2. 是電壓控制元件，靜態(tài)功耗小。是電壓控制元件，靜態(tài)功耗小。3. 允許電源電壓范圍寬允許電源電壓范圍寬318V）。）。4. 扇出系數(shù)大，抗噪聲容限大。扇出系數(shù)大，抗噪聲容限大。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1. 工藝簡(jiǎn)單，集成度高。工藝簡(jiǎn)單，集成度高。缺點(diǎn)：工作速度比缺點(diǎn)：工作速度比TTL低低 。693.3.1MOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性一、一、MOSMetal-Oxide-Semic

47、onductor-Field-Effect-Transistor管的結(jié)構(gòu)管的結(jié)構(gòu)DGS簡(jiǎn)化符號(hào)簡(jiǎn)化符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)70二、二、MOS管的輸出特性與轉(zhuǎn)移特性管的輸出特性與轉(zhuǎn)移特性RONvDS=0=12KvGS-VGSth）2)()1(-thGSGSDSDVvIi式中式中IDS是是vGS=2VGSth時(shí)時(shí)的的iD值值上式表明，在上式表明，在vGS大大于大大于VGSth時(shí)，時(shí)，RON近似與近似與vGS成成反比。反比。71三、三、MOS管的基本開關(guān)電路管的基本開關(guān)電路(NMOS反相器）反相器）72四、四、 MOS管的開關(guān)等效電路管的開關(guān)等效電路 由于由于ROFF非常大，截止?fàn)顟B(tài)等效為開關(guān)斷開；而非

48、常大，截止?fàn)顟B(tài)等效為開關(guān)斷開；而RON約約在在1K以內(nèi)，且與以內(nèi)，且與vGS的數(shù)值有關(guān)，有時(shí)這個(gè)電阻阻值不能的數(shù)值有關(guān)，有時(shí)這個(gè)電阻阻值不能忽略，故在圖中用忽略，故在圖中用RON表示。表示。圖中圖中CI代表代表柵極的輸入柵極的輸入電容，數(shù)值電容，數(shù)值約為幾皮法。約為幾皮法。73vGS0VGSth）iDP溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS的轉(zhuǎn)移特性的轉(zhuǎn)移特性五、五、MOS管的其它三種類型管的其它三種類型DGS簡(jiǎn)化符號(hào)簡(jiǎn)化符號(hào)7475標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)DGS簡(jiǎn)化符號(hào)簡(jiǎn)化符號(hào)76DGS簡(jiǎn)化符號(hào)簡(jiǎn)化符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)773.3.2 CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理理0UDSID負(fù)載線

49、負(fù)載線ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”UDDuiuoNMOS反相器電路反相器電路RD78T1負(fù)載管代替負(fù)載管代替RDVIT2T1VO0止 通 11通 通 0當(dāng)當(dāng)VI=1時(shí)：時(shí)：VO=RON2RON1+RON2VDD要使輸出電壓要使輸出電壓VO比較低，必須保證比較低，必須保證RON1足夠大，又反相器足夠大，又反相器后面不可避免的要帶負(fù)載電容后面不可避免的要帶負(fù)載電容CL，這顯然影響工作速度。，這顯然影響工作速度。79 一、一、CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)反相器的電路結(jié)構(gòu)Complementary -Symmetry MOS互補(bǔ)對(duì)稱式互補(bǔ)對(duì)稱式MOST1 : ONT2: OFFOFFO

50、N設(shè)設(shè)VDDVGSthN+ VGSthP當(dāng)當(dāng)vI=VIL=0時(shí)，有時(shí)，有vGS1=VDD VGSthPvGS2=0 VGSthN即，即，T1通，通，T2止止vGS2=VDD VGSthNvGS1=0 VGSthP即，即， T2通，通，T1止止80二、二、CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性設(shè)設(shè)VDDVGSthN+ VGSthPVGSthN= VGSthPT1和和T2具有同樣的導(dǎo)通電阻具有同樣的導(dǎo)通電阻RON和截止電阻和截止電阻ROFF，則，則電壓傳輸特性如圖所示。電壓傳輸特性如圖所示。AB段：段：T1通、通、T2止；止； CD段：段： T2通、通、T1止

51、；止；BC段：段： T1T2均導(dǎo)通。均導(dǎo)通。 反相器的閾值電壓反相器的閾值電壓threshold voltage）：電壓傳輸特性轉(zhuǎn)折區(qū)）：電壓傳輸特性轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓，用中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓，用VTH（=1/2VDD，參數(shù)對(duì)稱表示。，參數(shù)對(duì)稱表示。81電流電流/電壓電壓iD/vI轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性同樣可分三個(gè)工作區(qū)。同樣可分三個(gè)工作區(qū)。AB段：因段：因T2截止，幾乎無(wú)電流；截止，幾乎無(wú)電流；CD段：因段：因T1截止，幾乎無(wú)電流；截止，幾乎無(wú)電流；BC段：段：T1和和T2同時(shí)導(dǎo)通，有電同時(shí)導(dǎo)通，有電流流iD流過流過T1和和T2，而且，而且vI=1/2VDD附近附近iD最大。最大。 故在使

52、用時(shí)盡量避免使故在使用時(shí)盡量避免使器件長(zhǎng)期工作在這一區(qū)間，器件長(zhǎng)期工作在這一區(qū)間，以免因功耗過大而損壞。以免因功耗過大而損壞。82三、輸入端的噪聲容限三、輸入端的噪聲容限從電壓傳輸特性上可以看到，當(dāng)輸入信號(hào)偏離正從電壓傳輸特性上可以看到，當(dāng)輸入信號(hào)偏離正常的低電平常的低電平VOL0V而升高時(shí)，輸出的高電而升高時(shí)，輸出的高電平并不立刻改變；同樣，當(dāng)輸入高電平偏離正常平并不立刻改變；同樣，當(dāng)輸入高電平偏離正常值值VOHVDD而下降時(shí)，輸出低電平也不會(huì)而下降時(shí)，輸出低電平也不會(huì)馬上改變。因而，允許的高低電平信號(hào)各有一個(gè)馬上改變。因而，允許的高低電平信號(hào)各有一個(gè)波動(dòng)范圍。波動(dòng)范圍。 輸入端噪聲容限：輸

53、入端噪聲容限： 在保證輸出高、低電平基本不變的條件在保證輸出高、低電平基本不變的條件下，輸入電平的允許波動(dòng)范圍。下，輸入電平的允許波動(dòng)范圍。 在由許多門電路互相連接組成的數(shù)字系在由許多門電路互相連接組成的數(shù)字系統(tǒng)中，往往前一級(jí)門電路的輸出就是后一統(tǒng)中，往往前一級(jí)門電路的輸出就是后一級(jí)門電路的輸入。所以輸入端的噪聲容限級(jí)門電路的輸入。所以輸入端的噪聲容限可用下圖示意?？捎孟聢D示意。83 輸入噪聲容限包括：低電平輸入噪聲容限包括：低電平輸入噪聲容限輸入噪聲容限VNL和高電平和高電平輸入噪聲容限輸入噪聲容限VNH兩個(gè)方面。兩個(gè)方面。VNH=VOHmin）-VIHmin）VNL=VILmax）-VOL

54、max）在在CMOS門電路中，當(dāng)負(fù)載為另外的同類門的情況下負(fù)載門電路中，當(dāng)負(fù)載為另外的同類門的情況下負(fù)載電流幾乎等于零），故規(guī)定電流幾乎等于零），故規(guī)定V0H （min） =VDD-0.1V，VOL （max） =VSS+0.1V。VSS表示表示N溝道溝道MOS管的源極電位。源管的源極電位。源極接地時(shí)極接地時(shí)VOL （max） =0.1V。84（bVNH、VNL與與VDD的關(guān)的關(guān)系系 測(cè)試結(jié)果表明，在輸出高、低電平的變化不大于限定的測(cè)試結(jié)果表明，在輸出高、低電平的變化不大于限定的10%VDD情情況下，輸入信號(hào)高、低電平允許的變化量大于況下，輸入信號(hào)高、低電平允許的變化量大于30%。因此得到。因

55、此得到VNL=VNH=30%VDD?？梢??？梢奀MOS門電路的輸入噪聲容限和門電路的輸入噪聲容限和VDD有關(guān)。有關(guān)。853.3.3COMS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性一、輸入特性一、輸入特性輸入特性：從反相器輸入端看進(jìn)去的輸入電壓與輸入電流的關(guān)系輸入特性：從反相器輸入端看進(jìn)去的輸入電壓與輸入電流的關(guān)系 MOS管的柵極和襯底之間存在著以管的柵極和襯底之間存在著以SiO2為介質(zhì)的輸入電容，而為介質(zhì)的輸入電容，而絕緣介質(zhì)又非常薄約絕緣介質(zhì)又非常薄約1000），極易被擊穿耐壓約），極易被擊穿耐壓約100V），），所以必須采用保護(hù)措施。所以必須采用保護(hù)措施。86二、輸出特

56、性二、輸出特性從反相器輸出端看進(jìn)去的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系從反相器輸出端看進(jìn)去的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系871.低電平輸出特性低電平輸出特性當(dāng)輸出低電平時(shí)，反相器當(dāng)輸出低電平時(shí)，反相器的的P溝道管截止，溝道管截止，N溝道溝道管導(dǎo)通，工作狀態(tài)如下圖管導(dǎo)通，工作狀態(tài)如下圖所示。所示。圖圖3.3.19實(shí)際上就是實(shí)際上就是T2漏極特性曲線，它說明漏極特性曲線，它說明VGS（=VDD越大導(dǎo)越大導(dǎo)通內(nèi)阻越小，輸出低電通內(nèi)阻越小，輸出低電平越小。平越小。IV882.高電平輸出特性高電平輸出特性T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2截止截止曲線說明：在同樣曲線說明：在同樣的負(fù)載電流的負(fù)載電流IOH下下VDD越高，則越高，則T

57、1導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)通時(shí)vGS越負(fù)，它的越負(fù)，它的導(dǎo)通內(nèi)阻越小，導(dǎo)通內(nèi)阻越小，VOH下降得越少。下降得越少。893.3.4COMS反相器的動(dòng)態(tài)特性反相器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性討論的是電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中動(dòng)態(tài)特性討論的是電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中所表現(xiàn)出來(lái)的特性。所表現(xiàn)出來(lái)的特性。一、傳輸延遲時(shí)間一、傳輸延遲時(shí)間tPHL 、tPLH由于由于MOS管的電極之間以及管的電極之間以及電極與襯底之間都存在寄生電電極與襯底之間都存在寄生電容、尤其在反相器的輸出端更容、尤其在反相器的輸出端更不可避免存在負(fù)載電容，當(dāng)輸不可避免存在負(fù)載電容，當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，輸出電壓變化入信號(hào)變化時(shí)，輸出電壓變化必然滯后于輸入電壓的變化。必然滯后于輸

58、入電壓的變化。這一滯后時(shí)間就稱著傳輸延遲這一滯后時(shí)間就稱著傳輸延遲時(shí)間。時(shí)間。90二、交流噪聲容限二、交流噪聲容限所謂交流噪聲容限是指門電路對(duì)窄脈沖噪聲的承受能力。所謂交流噪聲容限是指門電路對(duì)窄脈沖噪聲的承受能力。 由于負(fù)載電容和由于負(fù)載電容和MOS管寄管寄生電容的存在，輸入信號(hào)狀生電容的存在，輸入信號(hào)狀態(tài)變化必須有足夠的變化幅態(tài)變化必須有足夠的變化幅度和作用時(shí)間才能使輸出改度和作用時(shí)間才能使輸出改變狀態(tài)。這也就是說，當(dāng)輸變狀態(tài)。這也就是說，當(dāng)輸入信號(hào)為窄脈沖這里實(shí)際入信號(hào)為窄脈沖這里實(shí)際就是指輸入端的噪聲），而就是指輸入端的噪聲），而且脈沖寬度接近于門電路的且脈沖寬度接近于門電路的傳輸延遲時(shí)

59、間的情況下，為傳輸延遲時(shí)間的情況下，為使輸出狀態(tài)改變，所需要的使輸出狀態(tài)改變，所需要的脈沖信號(hào)幅度將遠(yuǎn)大于直流脈沖信號(hào)幅度將遠(yuǎn)大于直流輸入信號(hào)的幅度。因而，反輸入信號(hào)的幅度。因而，反相器對(duì)這類窄脈沖的噪聲容相器對(duì)這類窄脈沖的噪聲容限限交流噪聲容限遠(yuǎn)高于交流噪聲容限遠(yuǎn)高于前面所介紹過的直流噪聲容前面所介紹過的直流噪聲容限。而且，門電路的傳輸延限。而且，門電路的傳輸延遲時(shí)間越長(zhǎng)或噪聲作用時(shí)遲時(shí)間越長(zhǎng)或噪聲作用時(shí)間越短），交流噪聲容限也間越短），交流噪聲容限也越大。越大。tW為噪聲為噪聲作用時(shí)間作用時(shí)間91三、動(dòng)態(tài)功耗三、動(dòng)態(tài)功耗 CMOS反相器從一種穩(wěn)定工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的反相器從一種穩(wěn)

60、定工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，所產(chǎn)生的附加功耗過程中，所產(chǎn)生的附加功耗動(dòng)態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗包括兩個(gè)部分：一部分是對(duì)負(fù)載電容充、放電所消動(dòng)態(tài)功耗包括兩個(gè)部分：一部分是對(duì)負(fù)載電容充、放電所消耗的功率耗的功率PC，另一部分是于兩個(gè)，另一部分是于兩個(gè)MOS管管T1和和T2在短時(shí)間內(nèi)在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通所消耗的瞬時(shí)功耗同時(shí)導(dǎo)通所消耗的瞬時(shí)功耗PT。圖中電容圖中電容CL表示接到反表示接到反相器輸出端的所有電容，相器輸出端的所有電容，其中包括下一級(jí)門電路其中包括下一級(jí)門電路的輸入電容、接線電容的輸入電容、接線電容和其他負(fù)載電容。和其他負(fù)載電容。92下面先計(jì)算下面先計(jì)算PC：-TTODDPTONdtvVidtvi2/2/0c(T1p）而其中而其中dtdvCiOLN-dtvVdCdtdv