数电第三章.

数字电路与逻辑设计第三章集成逻辑门第三章集成逻辑门目的与要求：了解半导体二极管、三级管和MOS的开关特性；掌握TTL门电路和CMOS门电路的基本工作原理和外特性；熟悉TTL门电路和CMOS门电路的主要参数，掌握门电路的正确使用。重点难点：TTL门电路和CMOS门电路的外特性。第三章集成逻辑门3.1晶体管的开关特性3.2TTL集成逻辑门3.3MOS逻辑门电路3.4CMOS电路3.1.1、晶体二极管的开关特性(a)二极管符号表示(b)二极管伏安特性二极管符号表示及伏安特性3.1晶体管的开关特性晶体二极管开关特性晶体二极管是由PN结构成，具有单向导电的特性。在近似的开关电路分析中，晶体二极管可以作为一个理想开关来分析；在严格的电路分析中或者在高速开关电路中，晶体二极管则不能当作一个理想开关。3.1晶体管的开关特性1．二极管的稳态开关特性(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。VRDRLISVRSRL（a）二极管正向导通电路（b）二极管正向导通等效电路外加正向电压的情况3.1晶体管的开关特性(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。DRLIsVRSRLVR（b）二极管反向截至等效电路可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压控制的开关。（a）二极管反向截至电路外加反向电压的情况3.1晶体管的开关特性2．二极管动态开关特性电路处于瞬变状态下晶体管的开关特性称为动态开关特性。vDRLvI-+IF导导vF0v-RvIt1t导导0iIFIR-tsIRt0.1tt二极管的反向恢复过程二极管的动态开关特性tS称为存储时间，tt称为渡越时间，tre=ts+tt称为反向恢复时间，反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。3.1晶体管的开关特性3.1.2晶体三极管开关特性1.三极管稳态开关特性（a）基本单管共射电路（b）单管共射电路传输特性基本单管共发射极电路晶体三极管工作于截止区时，内阻很大，相当于开关断开。工作于饱和区时，内阻很低，相当于开关接通状态。放大区：管子有放大能力，iC=βiB3.1晶体管的开关特性3.1晶体管的开关特性2．三极管瞬态开关特性晶体三极管截止和饱和两种工作状态之间的转换需要时间。1）晶体三极管的开启时间ton：三极管从截止向饱和状态转换的时间。由延迟时间td和上升时间tr组成，即ton=td+tr。2）晶体三极管的关闭时间toff：三极管从饱和向截止状态转换的时间。由存储时间ts与下降时间tf组成，即toff=ts+tf。3.1晶体管的开关特性t0tVIv1v2icICEOICEICS0.9ICSICS0.1（a）（b）（c）ttrtdtstf晶体管内部电荷建立和消失过程延迟时间td：从输入信号正跃变瞬间开始，到集电极电流ic上升到0.1Ics所需的时间。上升时间tr：集电极电流ic从0.1Ics开始，上升到0.9Ics所需的时间下降时间tf：晶体三极管的集电极电流ic从0.9Ics开始，下降到0.1Ics所需要的时间存储时间ts：从输入信号Vi负跳变瞬间开始，到集电极电流ic下降至0.9Ics所需的时间3.1晶体管开关特性3.1.3关于高低电平的概念及状态赋值1.关于高低电平的概念电位指绝对电压的大小，电平指一定的电压范围。高电平和低电平在数字电路中分别表示两段电压范围。例：电路中规定高电平为≥3V，低电平为≤0.7V。TTL电路中通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V，但从0V到0.8V都算做低电平。3.1晶体管开关特性2.逻辑状态赋值在数字电路中，用逻辑1和逻辑0分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。3.1晶体管开关特性3.2.1TTL逻辑门电路1.TTL与非门电路ABC导+5V导YT1T2T3T4R1R2R3D4R44KVcc1.6K130K1K输入级是由多发射极晶体管T1和电阻R1组成的一个与门，其功能是实现输入逻辑变量A、B、C的与运算。中间级是由T2、R2及R3组成的一个电压分相器，它在T2的发射极与集电极上分别得到两个相位相反的电压信号，用来控制输出级晶体管T3和T4的工作状态，使它们轮流导通。是由T3、D4、T4和R4构成的一个非门。输出级采用的推挽结构，使T3、T4轮流导通（13.2TTL集成逻辑门（2）功能分析①输入端至少有一个低电平(VIL=0.3V)ABC（+5V）YT1T2T3T4R1R2R3D4R44KVcc1.6K130K1KT1的基极电位vB1=vBE1+VIL=1VT2和T4处于截止状态T1处于深饱和状态，vC1=VIL+VCE（sat1）≈0.4VOHDbeccOVVVVVvvVv6.37.07.0543输出高电平，与非门处于关闭状态。T3和D4处于导通状态3.2TTL集成逻辑门T1管处于倒置工作状态。T2和T4处于饱和状态。②输入端全部接高电平(VIH=3.6V)输出电压vO为：VO=VCES4≈0.3V=VO输出低电平，与非门处于开门状态T3、D4处于截止状态。3.2TTL集成逻辑门ABC（+5V）YT1T2T3T4R1R2R3D4R44KVcc1.6K130K1K由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系。CBAF在两种工作状态下，各晶体管工作情况如表所示：TTL与非门各级工作状态输入T1T2T3D4T4输出与非门状态全部为高电位倒置工作饱和截止截止饱和低电平VOL开门至少一个低电位深饱和截止导通导通截止高电平VOH关门3.2TTL集成逻辑门推拉输出电路的主要作用是提高带负载能力。当电路处于关态时，输出级工作于射极输出状态，呈现低阻抗输出；当电路处于开态时，T4处于饱和状态，输出电阻也很低。因此在稳态时，电路均具有较低的输出阻抗，大大提高了带负载能力。推拉输出电路和多发射极晶体管大大提高了电路的开关速度。一般TTL与非门的平均延迟时间可以缩短到几十纳秒。3.2TTL集成逻辑门(3)推拉输出电路和多发射极晶体管的作用3.2.2TTL与非门的主要外部特性1.TTL与非门的电压传输特性输出电压跟随输入电压变化的关系曲线,即vO=f(vI)截止区：T2,T4截止线性区：T2处于放大状态转折区：T3、D4截止，T4进入饱和状态。饱和区：T2、T4饱和重要参数：（1）输出高电平VOH和输出低电平VOLTTL与非门的电压传输特性在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高电平VOH，饱和区的输出电压为输出逻辑低电平VOL。3.2TTL集成逻辑门（2)逻辑摆幅ΔV典型TTL逻辑门的逻辑摆幅ΔV=3.6V-0.3V=3.3V。（3）开门电平Von和关门电平Voff及阈值电压Vth。开门电平Von：保证输出为额定低电平时，所允许输入高电平的最低值关门电平Voff：保证输出电平为额定高电平的90%时,允许输入低电平的最大值阈值电压Vth：指电压传输特性上转折区中点所对应的输入电压3.2TTL集成逻辑门（4）噪声容限VNL、VNH0VOLVILVOFFVONVIHVIVOH3.6VVOVNHVNL低电平噪声容限：VNL=Voff-VIL高电平噪声容限：VNH=VIH-Von抗干扰容限用来表征逻辑门的抗干扰能力，一旦干扰3.2TTL集成逻辑门2.输入电流与输入电压之间的关系曲线，即iI=f(vI)（2）输入漏电流IIH1212ABCmAiIISI/vvI输入特性曲线（1）输入短路电流IIS输入端接地时流经输入端的电流当vI＞Vth时的输入电流称为输入漏电流，其数值很小。输入电流iI以流出T1发射极方向为正。3.2TTL集成逻辑门3.输入负载特性R1i1导VCCvI导导RivB1ib1T2T4R3T1TTL与非门输入负载将逻辑门的一个输入端通过电阻Ri接地，逻辑门的其余输入端悬空，则有电源电流从该输入端流向Ri，并在Ri上产生压降VI当Ri小于R0ff时输入为低电平;当Ri高于Ron时输入为高电平。典型TTL与非门选取输入端接地电阻时Roff≈0.91kΩ,Ron≈3.2kΩ由于Ri的存在使输入低电平提高,从而削弱了电路的抗干扰能力。注意：3.2TTL集成逻辑门4.输出特性TTL与非门的输出特性反映了输出电压和输出电流的关系（1）与非门处于开态时：此时T4饱和，输出低电平，输出电流iL从负载流进T4，形成灌电流。T2T4iLRLVCCvO(V)iL(mA)10203040123ABOTTL与非门输出低电平的输出特性3.2TTL集成逻辑门（2）与非门处于关态时：此时T4截止，T3、D4导通，输出高电平,负载电流为拉电流vO(V)iL(mA)102030401230TTL与非门输出高电平时的输出特性3.2TTL集成逻辑门5、TTL与非门的带负载能力（1）灌电流负载当驱动门输出低电平时,把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL,产品规定IOL=16mAILOLOLIINNOL称为输出低电平时的扇出系数扇入系数是指输入端的个数；扇出系数是指逻辑门输出端最多能驱动同类门的个数。3.2TTL集成逻辑门+V+V13D12312313截止3饱和CC（+5V）TTR截止4c4RCC4Kb1b14KR输出低电平IILIILIOLC3I=（2）拉电流负载当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出，把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH。产品规定IOH=0.4mA。+V+V1231312313DRCCR3导通b14K截止T（+5V）b1Tc4R4CC4K导通输出高电平IIHIIHOHE4=IIIHOHOHIINNOH称为输出高电平时的扇出系数。一般NOL≠NOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。3.2TTL集成逻辑门当测出输出端为低电平时允许灌入的最大负载电流IOLmax后，则可求出驱动门的扇出系数NO：ISLOOIINmaxIIS为TTL与非门的输入短路电流逻辑门输出低电平时的扇出系数一般小于输出高电平时的扇出系数，因此，逻辑门的负载能力应以输出低电平时的扇出系数为准。3.2TTL集成逻辑门6.平均延迟时间tpdtpd表示输出信号滞后于输入信号的时间v1v0tPHLtPLHTTL与非门的平均延迟时间)(21PLHPHLpdttt定义：导通延迟时间截止延迟时间一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。3.2TTL集成逻辑门7．电源特性——（1）功耗是指逻辑门消耗的电源功率，常用空载功耗来表征。平均功耗为：)(21HLPPP逻辑门输出低电平时的功耗称为空载导通功耗PL，典型数值约为16mW。逻辑门输出高电平时的功耗称为空载截止功耗PH，典型数值约为5mW。3.2TTL集成逻辑门（2）电源动态尖峰电流在动态情况下,特别是当输出电平由低突然变为高的过渡过程中,在某个瞬间,会使门电路中的所有管子均导通,使电源电流出现尖峰脉冲.尖峰电流有时可达40mA。电源的动态尖峰电流引起的后果:①使电源的平均电流加大.而且,工作频率越高,平均电流增加越多;②电源的动态尖峰电流通过电源和地线的内阻,形成系统内部的噪声源。3.2TTL集成逻辑门3.2.3TTL其它门电路TTL其它门电路非门或非门集电极开路门（OC）三态输出门等3.2TTL集成逻辑门除了TTL与非门，还有一些TTL的其它门电路。1.TTL非门L+V123123D12313ATTT123Re21AL=A(a)(b)Rc2RCCRTc4b14请大家自行分析一下非门的工作原理！3.2TTL集成逻辑门2.TTL或非门YT1T2T3T4D4VccT2AT1BTTL或非门电路T1和T1′为输入级；T2和T2′的两个集电极并接，两个发射极并接，构成中间级；T3、D4和T4构成推拉式输出级。输入端全部为低电平时，输出高电平，有一个或两个为高电平输入时，输出就为低电平，该电路实现或非逻辑功能。3.2TTL集成逻辑门TTL或非门具体工作状态如表所示输入（A，B）T1T1′T2T2′T3D4T4输出A=L，B=L饱和饱和截止截止导通导通