第三章數(shù)字邏輯2012...ppt

1、1,第三章 集成門電路,3.1 PN結(jié),3.2 晶體管開關(guān)特性,3.3 晶體管反相器,3.4 分立元件門電路,3.5 TTL門電路,3.6 其他類型的TTL門,3.7 MOS集成門電路,2,TTL：VCC=+5V；VL=0.2V；VH=3.6V,常用的邏輯器件有三種系列:,第二章介紹了邏輯變量是雙值變量,ECL：VEE=-5.2V；VL=-1.6V；VH=-0.8V,CMOS：VDD=+3V+18V；VL=0V；VH= VDD,3,工程上：,用“0”表示VL，用“1”表示VH稱正邏輯。,用“0”表示VH，用“1”表示VL稱負(fù)邏輯。,4,3.1 PN結(jié),一、PN結(jié)內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng),在一塊完整的硅

2、片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型（Negative)半導(dǎo)體，另一邊形成P型(Positive)半導(dǎo)體，那么就在兩種半導(dǎo)體的交界面附近形成了PN結(jié)。,P型半導(dǎo)體（空穴是多子，電子是少子）,N型半導(dǎo)體（空穴是少子，電子是多子）,5,6,二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1、加正向電壓時(shí)（正偏）,7,2、加反向電壓時(shí)（反偏）,結(jié)論：PN結(jié)加正向電壓時(shí)形成較大的正向電流；而在加反向電壓時(shí)，反向電流很小，這種特性稱為單向?qū)щ娦浴?8,3.2.1 半導(dǎo)體二極管（Diode),一、基本結(jié)構(gòu),在PN結(jié)加上管殼和引線就構(gòu)成了二極管。,3.2 晶體管開關(guān)特性,9,二、伏安特性,10,硅二極管：死區(qū)電壓（0.5V） 正

3、向壓降（0.7V）,理想二極管：死區(qū)電壓（0V） 正向壓降（0V）,11,3.2.2 晶體二極管開關(guān)特性,開關(guān)電路見右圖,一、理想開關(guān),12,二極管開關(guān)電路及特性曲線如圖所示:,1、靜態(tài)特性,二、二極管開關(guān),13,其中，IS為反向飽和電流，與晶體管材料及制作工藝有關(guān)。UD為外加電壓，VT在常溫下26mV。,當(dāng)晶體管加正向電壓且VD大于VT幾倍時(shí)，式中的1可以忽略，故流過二極管的電流與電壓呈指數(shù)關(guān)系。,14,但一般在工程上我們都做近似處理，以簡(jiǎn)化分析。,從二極管的伏安特性看實(shí)際的二極管并非理想開關(guān)，它的正向?qū)娮鑢D不是0（約為數(shù)十歐），反向截止電阻r0也不是無窮大（數(shù)百千歐），電壓和電流之間

4、是指數(shù)關(guān)系，而不是線性關(guān)系。,15,（1）二極管導(dǎo)通時(shí)，可以根據(jù)使用情況選用以下的近似特性。,16,（2）二極管反向截止時(shí)，仍有反向漏(飽和)電流is(少數(shù)載流子漂移形成的電流，和溫度有關(guān)。一般為0.2A左右。)，但理想化后可忽略is。,17,2、動(dòng)態(tài)特性,當(dāng)外加電壓由反向突然變?yōu)檎驎r(shí)，須等待PN結(jié)內(nèi)部建立起足夠的電荷濃度梯度才會(huì)有擴(kuò)散電流形成，因而ID滯后于VD的跳變。,當(dāng)外加電壓突然由正向變成反向時(shí)，由于PN結(jié)內(nèi)部尚有一定數(shù)量的存儲(chǔ)電荷，因而瞬間有較大的反向電流，此后以指數(shù)規(guī)律趨于0。（實(shí)際有反向漏電流is）。,18,由圖可見，反向恢復(fù)時(shí)間t2 t1，而影響二極管開關(guān)速度的主要是t2。,

5、19,3.2.3 半導(dǎo)體三極管(Transistor),一、基本結(jié)構(gòu),20,三極管符號(hào),21,IB與UBE的關(guān)系曲線（同二極管）,輸入特性,死區(qū)電壓：硅管0.5V,工作壓降： 硅管UBE 0.7V,22,輸出特性(IC與UCE的關(guān)系曲線),23,3.2.4 雙極型晶體三極管開關(guān)特性,一、靜態(tài)特性,24,1、放大狀態(tài),Ube0.50.7V，IC=Ib ，Ie = IC +Ib,放大條件：Ube0(e結(jié)正偏)，Ubc0(c結(jié)反偏)。,飽和時(shí)，Ubes=0.7V，Uces0.3V。,(Ibs稱為臨界飽和基極電流),2、飽和狀態(tài)(等效開關(guān)接通),25,26,結(jié)果：IC=0,截止條件：Ube0(工程上0

6、.5V),3、截止?fàn)顟B(tài),27,二、動(dòng)態(tài)特性,在動(dòng)態(tài)情況下，由于三極管內(nèi)部電荷的建立和消散過程均需要一定的時(shí)間，故IC和UO的變化均滯后于Ui的變化。,28,29,3.3 晶體管反相器,一、工作原理,當(dāng)輸入為低電平時(shí)，三極管截止，輸出為高電平。,當(dāng)輸入為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。,結(jié)論：輸入與輸出反相。,30,二、工作條件,當(dāng)輸入為低電平時(shí)，三極管應(yīng)可靠截止；當(dāng)輸入為高電平時(shí)，三極管應(yīng)可靠飽和。,三極管的飽和條件、截止條件如前所述。,三、波形改善,(1) 采用加速電容C,(2) 采用鉗位電路,31,1、灌電流負(fù)載,四、反相器的負(fù)載能力,當(dāng)T飽和時(shí)， ICS= IRC+ IOL。為了

7、保證T穩(wěn)定的工作在飽和狀態(tài)，應(yīng)滿足ICS= IRC+ IOLIb,顯然，晶體管飽和越深，允許的灌電流越大，負(fù)載能力也越強(qiáng)。但集電極電流必須滿足限制條件：ICSIb。,32,2、拉電流負(fù)載,當(dāng)T截止時(shí)： IRC =IQ+ IOH,顯然，反相器所允許的最大拉電流，以鉗位電路不失去鉗位作用為條件。,33,3.4 分立元件門電路,1、二極管與門,34,2、二極管或門,35,3、與非門,36,37,4、或非門,38,39,3.5.1 TTL與非門電路結(jié)構(gòu)及工作原理,一、電路結(jié)構(gòu),3.5 TTL門電路,1、輸入級(jí),2、倒相級(jí),3、輸出級(jí),40,當(dāng)輸入A、B中任一個(gè)為低電平時(shí)，電源VCC經(jīng)R1流過向T1的發(fā)

8、射極，T1的集電極電流為0，所以T1處于深度飽和狀態(tài)，則T2和T5截止，電源VCC經(jīng)R2驅(qū)動(dòng)T3和T4導(dǎo)通，輸出F為高電平，TTL與非門處于截止?fàn)顟B(tài)。,二、工作原理,41,當(dāng)輸入A、B中均為高電平時(shí)，T1的發(fā)射極反偏，電源VCC經(jīng)R1和T1的集電結(jié)向T2提供基極電流，使T2飽和，則T2驅(qū)動(dòng)T5并使之飽和，輸出F為低電平，TTL與非門處于導(dǎo)通狀態(tài)。,42,三、輸出電路特點(diǎn),推拉輸出(圖騰柱輸出),結(jié)論：任何兩個(gè)推拉輸出的邏輯門的輸出端都不能短接在一起做“線與”連接，因?yàn)?8mA的電流會(huì)燒壞邏輯門。,43,3.5.2 參數(shù)與指標(biāo),2、輸出低電平UOL和輸出高電平UOH,輸出低電平UOL的典型值是0

9、.3V，產(chǎn)品規(guī)范為：UOL0.4V。,輸出高電平UOH的典型值是3.6V，產(chǎn)品規(guī)范為： UOH2.4V。,1、標(biāo)稱邏輯電平,U(0) = 0 V；U(1) = 5 V。,44,3、開門電平UON和關(guān)門電平UOFF,把表示邏輯“0”的最大低電平稱為關(guān)門電平UOFF。,把表示邏輯“1”的最小高電平稱為開門電平UON。,關(guān)門電平UOFF約為1V；開門電平UON約為1.4V。,關(guān)門電平UOFF反映了低電平抗干擾能力，開門電平UON反映了高電平抗干擾能力。,45,作為負(fù)載的門電路，當(dāng)某一輸入端接高電平時(shí)，流入該輸入端的電流稱為輸入高電平電流IIH，即拉出前級(jí)門電路輸出端的電流。,作為負(fù)載的門電路，當(dāng)某一

10、輸入端接低電平時(shí)，從該輸入端流出的電流稱為輸入低電平電流IIL，即灌入前級(jí)門電路輸出端的電流。,4、輸入低電平電流IIL和輸入高電平電流IIH,5、輸出高電平電流IOH和輸出低電平電流IOL,IOH指輸出高電平時(shí)流出輸出端的電流。,IOL指輸出低電平時(shí)灌入輸出端的電流。,46,一個(gè)門的輸出端所能連接的下一級(jí)門的個(gè)數(shù)，稱為扇出系數(shù)No。,門電路允許的輸入端數(shù)目，稱為該門電路的扇入系數(shù)Ni。,6、扇入系數(shù)Ni和扇出系數(shù)No,一般門電路的扇入系數(shù)為1到5，最多不超過8。,如有必要，可以用“與擴(kuò)展器”或“或擴(kuò)展器”來增加輸入端的數(shù)目，也可以用分級(jí)實(shí)現(xiàn)的方法減少對(duì)門電路輸入端數(shù)目的要求。,一般TTL門電

11、路的扇出系數(shù)為8，但驅(qū)動(dòng)門的扇出系數(shù)可達(dá)25。,47,7、平均延遲時(shí)間tpd,48,A B C,工程上平均延遲時(shí)間的測(cè)試方法:,49,T = 6tpd tpd= T/6,50,3.6 其它類型的TTL門,3.6.1 TTL門分類,一、按系列分類,51,二、按邏輯功能分類,與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門、同或門、,1、推拉輸出(圖騰柱輸出),2、集電極開路輸出(OC),3、三態(tài)輸出(TS),三、按輸出電路形式分類,52,3.6.2 集電極開路輸出門（OC門）,一、電路結(jié)構(gòu),53,二、OC門的邏輯符號(hào),三、OC門的特點(diǎn),(1)必須外接上拉電阻RL。,(2)改變上拉電阻RL連接的

12、電源可實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。,(3)多個(gè)OC門的輸出可以連接在一起“線與”，其輸出為各邏輯門的輸出值相“與”。,54,“線與”的結(jié)果：,55,3.6.3 三態(tài)輸出門（TS門）,一、電路結(jié)構(gòu),56,二、輸出狀態(tài),1、工作態(tài),EN為高電平時(shí)，P點(diǎn)為高電平，由于二極管的隔離作用，P點(diǎn)對(duì)電路沒有影響，電路輸出仍由輸入端A和B決定，因此電路處于工作態(tài)。,57,2、高阻態(tài)（三態(tài)）,EN為低電平時(shí)，P點(diǎn)為低電平，二極管使T3的基極為低電平，于是T3、T4、T5均截止，電路輸出呈高阻抗，因此電路處于高阻態(tài)（三態(tài)）。,58,四、TS門的特點(diǎn),(1)TS門不需外接上拉電阻。,(2)三態(tài)門可以把多個(gè)門的輸出連接在一起，作為

13、總線輸出形式。但任一時(shí)刻只允許一個(gè)門處于工作態(tài)，其余的必須處于高阻態(tài)。,三、TS門的邏輯符號(hào),59,60,3.6.4 TTL門閑置輸入端的處理,1、處理原則,不影響信號(hào)端的正常邏輯運(yùn)算。,2、對(duì)與門、與非門的處理,(1)接“1”(VCC),(2)與信號(hào)端并接使用,(3)閑置,優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)增加信號(hào)端的驅(qū)動(dòng)電流,等效為輸入“1”,優(yōu)點(diǎn)：能提高邏輯可靠性，但會(huì)使信號(hào)端提供的驅(qū)動(dòng)電流增大。,61,(1)接“0”(地),(2)與信號(hào)端并接使用,3、對(duì)或門、或非門的處理,62,3.7.1 NMOS和PMOS門電路,場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:,3.7 MOS集成門電路,場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫

14、度穩(wěn)定性好。,63,1、NMOS管的結(jié)構(gòu),P型基底,兩個(gè)N區(qū),SiO2絕緣層,金屬鋁,N導(dǎo)電溝道,64,2、邏輯符號(hào),65,3、NMOS管特性,VGS VTN(+2V)，形成溝道，等效開關(guān)接通。,VGS VTN(+2V)，溝道夾斷，等效開關(guān)斷開。,66,4、PMOS管特性,VGS VTP(2V)，形成溝道，等效開關(guān)接通。,VGS VTP(2V)，溝道夾斷，等效開關(guān)斷開。,67,3.6.2 CMOS門電路,一、CMOS非門（反相器）,(1)輸入低電平，即若Ui=0V,VGS1= 0V VTN，所以T1截止。,VGS2= -VDD VTP，所以T2導(dǎo)通。,UO=“1”=VDD，即輸出為高電平。,(

15、2)輸入高電平，即若Ui=+5V=VDD,VGS1=+5V VTN，所以T1導(dǎo)通。,VGS2= 0V VTP，所以T2截止。,UO=“0”，即輸出為低電平。,68,T1 T2 驅(qū)動(dòng)管串聯(lián)連接，T3 T4 負(fù)載管并聯(lián)連接。,二、CMOS與非門,0 0,0 1,1 0,1 1,OFF,OFF,ON,ON,1,ON,OFF,OFF,ON,1,OFF,ON,ON,OFF,1,ON,ON,OFF,OFF,0,69,三、CMOS或非門,結(jié)構(gòu)：驅(qū)動(dòng)管T1 T2并聯(lián)連接，負(fù)載管T3 T4串聯(lián)連接。,分析省略。圖見教材P36圖3-10,70,四、傳輸門(模擬開關(guān)),若C=1，Ui=1：T1(OFF)T2(ON)，開關(guān)ON，UO=Ui=1,Ui=0：T1(ON)T2(OFF)，開關(guān)ON，UO=Ui=0,71,若C=0，Ui=1：T1(OFF)T2(OFF)，開關(guān)OFF。,Ui=0：T1(OFF)T2(OFF)，開關(guān)OFF。,72,五、CMOS漏極開路輸出門(OD門),和OC門一樣