數(shù)字電路第二章門電路

1、數(shù)字電子技術基礎教學課件南京航空航天大學自動化學院 傅大豐E-mail： 補：半導體基礎知識半導體基礎知識（1）本征半導體：純凈的具有晶體結構的半導體。常用：硅Si，鍺Ge兩種載流子半導體基礎知識（2）雜質(zhì)半導體N型半導體多子：自由電子少子：空穴半導體基礎知識（2）雜質(zhì)半導體P型半導體多子：空穴少子：自由電子半導體基礎知識（3）PN結的形成空間電荷區(qū)（耗盡層）擴散和漂移半導體基礎知識（4）PN結的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷喊雽w基礎知識（4）PN結的單向?qū)щ娦酝饧臃聪螂妷喊雽w基礎知識（5）PN結的伏安特性正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)K:波爾茲曼常數(shù)T:熱力學溫度q: 電子電荷第二章 門電路2.

2、1 概述門電路：實現(xiàn)基本運算、復合運算的單元電路，如與門、與非門、或門 門電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0獲得高、低電平的基本原理高/低電平都允許有一定的變化范圍正邏輯：高電平表示1，低電平表示0負邏輯：高電平表示0，低電平表示12.2 半導體二極管和三極管的開關特性2.2.1 半導體二極管的結構和外特性2.2.2 半導體三極管的開關特性2.2.1 半導體二極管的結構和外特性（Diode）二極管的結構： PN結 + 引線 + 封裝構成PN二極管的開關特性：高電平：VIH=VCC低電平：VIL=0 VI=VIH, D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL, D導通，VO=VOL=0.7V二

3、極管的開關等效電路：二極管的動態(tài)電流波形：一、雙極型三極管的開關特性（BJT, Bipolar Junction Transistor）二、場效應管（ MOS管）的開關特性（ Field-Effect-Transistor ，Metal-Oxide-Semiconductor ）2.2.2 半導體三極管的開關特性（Transistor）雙極型三極管的結構管芯 + 三個引出電極 + 外殼基區(qū)薄低參雜發(fā)射區(qū)高參雜集電區(qū)低參雜以NPN為例說明工作原理：當VCC VBBbe 正偏, bc 反偏e區(qū)發(fā)射大量的電子b區(qū)薄，只有少量的空穴bc反偏，大量電子形成IC1、三極管的輸入特性曲線（NPN）VON ：

4、開啟電壓硅管，0.5 0.7V鍺管，0.2 0.3V近似認為:VBE 0.7V以后，基本為水平直線特性曲線分三個部分放大區(qū)：條件VCE 0.7V, iB 0, iC隨iB成正比變化， iC=iB飽和區(qū)：條件VCE 0, VCE 很低，iC 隨iB增加變緩，趨于“飽和”截止區(qū)：條件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce間“斷開” 3、雙極型三極管的基本開關電路：只要參數(shù)合理：VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T導通，VO=VOL工作狀態(tài)分析：圖解分析法：4、三極管的開關等效電路截止狀態(tài)飽和導通狀態(tài)5、動態(tài)開關特性：從二極管已知，PN結存在電容效應在飽和與截止兩

5、個狀態(tài)之間轉換時，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI二、MOS管的開關特性1、MOS管的結構S (Source)：源極G (Gate)：柵極D (Drain)：漏極B (Substrate):襯底金屬層氧化物層半導體層PN結以N溝道增強型為例：以N溝道增強型為例：當加+VDS時，VGS=0時，D-S間是兩個背向PN結串聯(lián)，iD=0加上+VGS，且足夠大至VGS VGS (th), D-S間形成導電溝道（N型層）開啟電壓2、輸入特性和輸出特性輸入特性：直流電流為0，看進去有一個輸入電容CI，對動態(tài)有影響輸出特性：iD = f (VDS) 對應不同的VGS下得一族曲線 漏極特性曲線（

6、分三個區(qū)域）截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性曲線（分三個區(qū)域）截止區(qū)：VGS 109漏極特性曲線（分三個區(qū)域）恒流區(qū)： iD 基本上由VGS決定，與VDS 關系不大漏極特性曲線（分三個區(qū)域）可變電阻區(qū)：當VDS 較低（近似為0）， VGS 一定時， 這個電阻受VGS 控制、可變。MOS管的基本開關電路開關等效電路OFF ，截止狀態(tài) ON，導通狀態(tài)5、MOS管的四種類型增強型耗盡型大量正離子導電溝道門(電子開關)滿足一定條件時，電路允 許信號通過 開關接通 。開門狀態(tài)：關門狀態(tài)：條件不滿足時，信號通不過 開關斷開 。開關作用二極管反向截止：開關接通開關斷開三極管（C,E)飽和區(qū)： 截止區(qū)：開關接通

7、CEB開關斷開 正向?qū)ǎ?CEB數(shù)字電路的輸入和輸出信號只有高電平（UIH和 U0H ）和低電平（ UIL和 U0L ）兩種狀態(tài)。關于高電平和低電平高電平和低電平是相對的，不是一個定值2.3 最簡單的與、或、非門電路分立元件門電路2.3.1 二極管與門設VCC = 5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二極管導通時 VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111規(guī)定3V以上為10.7V以下為0這種與門電路雖然很簡單，但存在著嚴重的缺點 輸出電平都比輸入電平高出0.7V電平偏離，如果將三個這種門級聯(lián)（前級的輸出作為后級

8、的輸入），UCC（5V）0V則最后一級的輸出低電平偏離到2.1V，已接近規(guī)定的輸入的高電平，會造成邏輯混亂。0.7V1.4V2.1VVD1VD2RVD1VD2RVD1VD2RVD1VD2RUCC（5V）RL=R3V3V3.7V2.5V當輸出端對地接上負載電阻（常稱為下拉負載）時，會使輸出高電平降低，即帶負載能力差，嚴重時會造成邏輯混亂。 2.3.2 二極管或門設VCC = 5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二極管導通時 VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111規(guī)定2.3V以上為10V以下為0二極管構成的門電路的缺

9、點電平有偏移帶負載能力差只用于IC內(nèi)部電路2.3.3 三極管非門（反相器）三極管的基本開關電路就是非門。實際應用中，為保證VI=VIL時T可靠截止，常在 輸入接入負壓 參數(shù)合理？VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T導通，VO=VOL例2.3.1：計算參數(shù)設計是否合理。5V- 8V3.3K10K1K=20VCE(sat) = 0.1VVIH=5VVIL=0V例2.3.1：計算參數(shù)設計是否合理將發(fā)射極外接電路化為等效的VB與RB電路當當又因此，參數(shù)設計合理。1. 體積大、工作不可靠。2. 需要不同電源。3. 各種門的輸入、輸出電平不匹配。分立元件門電路的缺點：采用類似的方法還可以

10、構成或非門、異或門等。1961年，TI公司制作了集成電路IC按規(guī)模分為SSI、MSI、LSI、VLSITTL電路：三極管三極管邏輯電路，種類繁多、譬如74系列TTL反相器74LS07 2.4 TTL門電路（Transistor-Transistor Logic）數(shù)字集成電路：在一塊半導體基片上制作出一個完整的邏輯電路所需要的全部元件和連線。使用時接：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、而且價格便宜的特點。TTL型電路：輸入和輸出端結構都采用了半導體晶體管，稱之為: Transistor Transistor Logic。 所有的TTL電路工作電壓都是5V。 電路集成門電

11、路的發(fā)展方向：高速、低功耗、高抗干擾能力、帶負載能力強。100個以下：小規(guī)模集成電路 ( Small Scale Integration :SSI ) 幾百個：中規(guī)模集成電路 （Medium Scale Integration :MSI ) 幾千個：大規(guī)模集成電路 （ Large Scale Integration :LSI ) 一萬個以上：超大規(guī)模集成電路 （ Very Large Scale Integration :VLSI ) 名稱一、TTL非門的電路結構T1是輸入級， T2是倒相級， T3 、 T4 是輸出級。2.4.1 TTL反相器的電路結構和工作原理D1起保護作用， D2起電平移

12、位UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA工作原理設 VIVILT1的e結導通VB10.9V T2的e結不會導通 T1工作在深飽和狀態(tài)（R1cR2Rcb2很大） VCE（sat）0 R1c很大 I1C很小 T2截止 VC2高電平、VE2低電平 T4導通、T5截止 VOVOH工作原理分析I VIVIHT1的e結導通VB14.1V(能堅持多久？視T2不存在) T2、T5的e結同時導通 VB12.1V VC2降低、VE2升高 T4截止 、T5導通 VOVOL Y A工作原理分析IIuI=UIH時UCCR1R2R4T4D2T5R3D1T1T2uouIYAuC2=UBE5+UCES20

13、.7+0.3=1V，迫使T4截止.可見輸出和輸入之間是反相關系，即 :空載輸出時約為0.3V3.4V1.4V1V0.7V0.3VuO=UOLuE1=3.4V，而T1的集電極被T2、 T5的發(fā)射結限幅，uC1=1.4V，此時T1集電結正向?qū)ǘl(fā)射結反偏（常稱為倒置工作狀態(tài)），可以簡單的認為發(fā)射結截止，可使T2、 T5飽和。2.1V需要說明的幾個問題： 二、電壓的傳輸特性二、電壓的傳輸特性二、電壓的傳輸特性UILmax uO/VuI/V055UOFF通常用抗干擾容限來表示抗干擾能力?！叭菹蕖笨衫斫猓鹤鳛橐粋€實用電路必須容許有干擾，但不能太大，是有限制的。1.關門電平UOFF 反相器輸出高電平（不

14、是空載時的5V，要比5V低一些，如3.4V）時，稱為關門或截止狀態(tài)保證反相器關門（輸出為高電平）的輸入低電平的最大值叫關門電平UOFF ，它比UILmax略大一點。3.4關門三、輸入噪聲容限2.開門電平UON 保證反相器開門（輸出為低電平）的輸入高電平的最小值叫開門電平UON，它基本上就是UIHmin。 UIHmin uO/VuI/V055UON開門反相器輸出低電平時，稱為開門或飽和狀態(tài)。UILUIHUOFF低電平噪聲容限 VNLVOFF-VOL（max）0.8V-0.4V0.4V高電平噪聲容限 VNHVOH（min）-VON2.4V-2.0V0.4V3.輸入噪聲容限TTL門電路的輸出高低電平

15、不是一個值，而是一個范圍。同樣，它的輸入高低電平也有一個范圍，即它的輸入信號允許一定的容差，稱為噪聲容限。四、TTL反相器的靜態(tài)輸入/輸出特性及其應用舉例 目的-為了正確地處理門電路與門電路、門電路與其他電路之間的連接。輸入特性之輸入低電平 當僅考慮輸入信號是高電平和低電平時，忽略T2、T5的C結反向電流以及R3對T5基極回路的影響，簡化如圖2.4.4 所示。VI=VIL=0.2V 圖2.4.4 TTL反相器的輸入端等效電路產(chǎn)品規(guī)定IIL1.6mA。 輸入特性之輸入高電平電流VI=VIH=3.4V時T1管處于倒置狀態(tài)，即vBC0、vBE0,c1、e1互換了 圖2.4.4 TTL反相器的輸入端等

16、效電路IIH=iIB1，i為倒置放大的電流放大系數(shù)。 由于i的值遠小于1，所以IIH的數(shù)值比較小，產(chǎn)品規(guī)定：IIH40uA。輸入特性曲線 當輸入端開路時，T1也沒有發(fā)射極電流，即:輸入端開路也相當于輸入高電平。 輸入電壓介于高、低電平之間的情況要復雜一些，但考慮到這種情況只發(fā)生在輸入信號電平轉換的短暫過程中，就不做詳細分析了 。輸入特性曲線輸入端的等效電路UCCR1T5R3D1T1uIT2iIIISuIiI0IIHuI=0時的輸入電流叫做輸入短路電流IIS顯然IIS的數(shù)值比IIL稍大一點。 輸出特性 高電平輸出特性 vo=VOH T4和D2導通、T5截止 ，輸出端簡化如圖2.4.6 所示。 總

17、體說，VOH隨IL變化小轉折點 圖2.4.6 TTL反相器高電平輸出等效電路 但考慮到門電路（主要是T4工作在放大狀態(tài)）的功耗限制，74LS系列規(guī)定IOH=0.4mA。射極輸出輸出特性 低電平輸出特性 vo=VOL T5飽和導通、T4截止 ，輸出端簡化如圖2.4.8 所示。 總體說，線性VoL隨iL增加略有增加 圖2.4.8 TTL反相器高電平輸出等效電路飽和導通的電阻10歐輸出低電平時，T4截止， T5飽和 當我們發(fā)現(xiàn)門電路的輸出電平不正常時，應從三個方面來考慮：1.輸入電平是否滿足要求；2.負載是否太重；3.門電路本身損壞 UCCR1R2R4T3D2T5R3D1T1T2uouIYA T5工

18、作在飽和狀態(tài)，輸出電阻很小（一般只有10左右），故灌電流IOL對輸出低電平影響也很小。輸出低電平時的等效電路等效RLUCCT5uoIOL 考慮到門電路的功耗（主要是T4）限制，74LS系列的IOL=8mA。輸入/出特性應用舉例例：扇出系數(shù)（Fan-out），試計算門G1能驅(qū)動多少個同樣的門電路負載輸入端負載特性 在使用具體門電路時，有時需要在輸入端與地之間或輸入端與信號的低電平之間接入電阻RP，如圖2.4.11所示。 RP大，vI大拐點vI1.4V，Roff=1.5k圖2.4.11 TTL反相器輸入端經(jīng)電阻接地 時的等效電路圖2.4.12 TTL反相器輸入端負載特性2.4.4 其他類型的TTL

19、門電路一、其他邏輯功能的門電路1. 與非門2. 或非門3.與或非4. 異或門二、集電極開路的門電路1、推拉式輸出電路結構的局限性 輸出電平不可調(diào)(Vcc固定，VOH就固定) 負載能力不強，尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用（一個輸出高電平，另外為低電平，右圖所示） OC門 2、OC門的結構特點OC門實現(xiàn)的線與3、外接負載電阻RL的計算3、外接負載電阻RL的計算3、外接負載電阻RL的計算三、三態(tài)輸出門（Three state Output Gate ,TS）三態(tài)門的用途 圖2.4.32 用三態(tài)輸出門接成總線結構圖2.4.33 用三態(tài)輸出門實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸三態(tài)門的典型應用 分時控制電路依次使三

20、態(tài)門G1、 G2 G7使能（且任意時刻使能一個） ，就將D1、 D2 D7（以反碼的形式）分時送到總線上 1EN 1EN 1EN分時控制電路D0D1D7G0G1G7在一些復雜的數(shù)字系統(tǒng)中（如計算機）為了減少各單元電路之間的連線，使用了“總線” 0 1 11 0 11 1 0總線雙向傳輸數(shù)據(jù)線當G1使能，G2高阻時當時G2使能，G1高阻 1EN1G1G21ENAB/BABAX數(shù)據(jù)從A到B數(shù)據(jù)從B到A X010174/54系列（標準系列）：如74 00器件的命名請參照書后的附錄SN 74 XX 00 C D 陶瓷封裝直插工作溫度范圍：070度器件系列和品種代號生產(chǎn)廠商一、高速系列74H/54H （

21、High-Speed TTL）電路的改進(1)輸出級采用復合管（減小輸出電阻Ro）(2)減少各電阻值2. 性能特點速度提高（ ）的同時功耗也增加（ ）2.4.5 TTL電路的改進系列（改進指標： )二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）電路改進采用抗飽和三極管用有源泄放電路代替74H系列中的R3減小電阻值2. 性能特點速度進一步提高，電壓傳輸特性沒有線性區(qū)，功耗增大三、低功耗肖特基系列74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL）四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL）。574LS系列為低功耗肖特基系列

22、。674AS系列為先進肖特基系列，它是74S系列的后繼產(chǎn)品。774ALS系列為先進低功耗肖特基系列，是74LS系列的后繼產(chǎn)品。TTL集成邏輯門電路系列簡介174系列為TTL集成電路的早期產(chǎn)品，屬中速TTL器件。274L系列為低功耗TTL系列，又稱LTTL系列。374H系列為高速TTL系列。474S系列為肖特基TTL系列，進一步提高了速度。如圖示。一、MOS管的開關特性（一）MOS管的基本開關電路 以增強型NMOS管基本開關電路為例 當uI UGS（TH） 時，溝道電阻變得很小，我們可以將MOS管看作是一個電壓控制的電子開關 TuIuOUDDRDDGSUGS(TH)UDSID0UGSID0輸出為

23、低電平，uO=UOL0V輸出即為高電平，uO=UOHUDDUGSUGS(TH)2.6 CMOS門電路（Complementary）（二）MOS管的開關等效電路 截止時漏源間的內(nèi)阻ROFF很大，可視為開路C表示柵極的輸入電容。數(shù)值約為幾個皮法因此這個電阻一般情況不能忽略不計導通時漏源間的內(nèi)阻RON約在1K以內(nèi)，且與UGS有關（ UGS RON ）開關電路的輸出端不可避免地會帶有一定的負載電容，所以在動態(tài)工作時，漏極電流ID和輸出電壓UO=UDS的變化會滯后于輸入電壓的變化，這一點和雙極型三極管是相似的。 DGSCDGSCRON導通時截止時UDSID0UGSUGS1UGS1RON2RON1ROFF

24、SDGIDUDSUGS特性曲線越陡，表示RON越小RON2UDD時，D1導通；uI5V時，且輸出電流不超過允許范圍時，VOH=0.95VDD,VOL109），傳輸門截止。輸入在0 UDD 之間T1、 T2 總有一個導通，輸入與輸出之間呈低阻態(tài)（RON1K），傳輸門導通。（0V）時，四、CMOS傳輸門及雙向模擬開關T1T2UDDCCuo/uiui/uoTGuo/uiui/uoCC利用傳輸門可以組合成各種復雜的邏輯電路 傳輸門的另一個重要用途是做模擬開關，用來傳輸連續(xù)變化的模擬電壓信號。模擬開關廣泛用于多路模擬信號的切換，如電視機的多路音頻、視頻切換。TGuo/uiui/uoC1C常用的模擬開關有CC4066四路雙向模擬開關，在UDD=15V時的導通電阻RON240，且基本不受輸入電壓的影響。這一點是無法用一般的邏輯門實現(xiàn)的，模擬開關的基本電路是由傳輸門和反相器組成的。目前精密的CMOS雙向模擬開關的RON10（如MAX312、313、314）。當 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。五CMOS三態(tài)門工作原理：當 時，TP2和TN2同時導通，為正常的非門，輸出附加管三態(tài)輸出門形式2圖2.6.29控制管控制管三態(tài)輸出門形式3傳輸門反相器2.6.5 改進的CMOS門電路一