第5章集成逻辑门电路(高).

EXIT集成逻辑门电路EXIT概述第5章集成逻辑门电路基本逻辑门电路TTL集成逻辑门电路CMOS集成逻辑门电路TTL电路和CMOS电路的接口本章小结返回演示文稿目录EXIT集成逻辑门电路EXIT概述主要要求：了解逻辑门电路的作用和常用类型。理解高电平信号和低电平信号的含义。EXIT集成逻辑门电路EXITTTL即Transistor-TransistorLogicCMOS即ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor一、门电路的作用和常用类型按功能特点不同分普通门(推拉式输出)CMOS传输门输出开路门三态门门电路(GateCircuit)指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分与门或门非门异或门与非门或非门与或非门按电路结构不同分TTL集成门电路CMOS集成门电路输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。用互补对称MOS管构成的逻辑门电路。EXIT集成逻辑门电路EXIT二、高电平和低电平的含义高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？10高电平低电平01高电平低电平正逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定3.6v2.4v0.8v0v0.3v3v在TTL电路中，2.4~3.6v范围均称为高电平，标准高电平常取3v。0~0.8v范围均称为低电平，标准低电平常取0.3v。阈值电压为1.4v。1.4vEXIT集成逻辑门电路EXIT主要要求：理解二极管的开关特性。理解三极管的开关特性。5.1基本逻辑门电路了解分立元件基本门电路。EXIT集成逻辑门电路EXIT开关器件具有闭合和断开两种工作状态。理想开关特性闭合接通电阻为0，断开电阻为无穷大，闭合或断开动作瞬间完成。实际开关特性闭合接通电阻不为0，断开电阻不为无穷大，闭合或断开动作有一定延迟时间（称开关时间），承受功率有限。EXIT集成逻辑门电路EXIT5.1.1二极管、三极管及场效管的开关特性1、二极管伏安特性Uth为门限电压（硅二极管约0.5V,锗管约0.1V）。一、二极管的开关特性IR为反向电流（近似为0）。UBR为反向击穿电压。反向击穿电压的大小与二极管的型号有关。EXIT集成逻辑门电路EXIT当输入uI为低电平UILUth，二极管反向截止（相当于断开）。二极管通断的条件和等效电路当输入uI为高电平UIHUth，二极管正向导通（硅二极管两端约0.7V，锗管约0.2V）。2、稳态开关特性电路处于相对稳定的状态下，二极管所呈现的开关特性。EXIT集成逻辑门电路EXIT3、瞬态开关特性电路处于瞬变状态下，二极管所呈现的开关特性。反向恢复时间在高速开关电路中不能忽略。开通时间相对较短，对开关速度影响较小，可以忽略EXIT集成逻辑门电路EXIT三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？当输入uI为低电平，使uBEUth时，三极管截止。iB0，iC0，C、E间相当于开关断开。三极管关断的条件和等效电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS负载线临界饱和线饱和区放大区二、三极管的开关特性截止区uBEUthBEC三极管截止状态等效电路uI=UILuBE+-Uth为门限电压≈0.5v1、三极管的稳态开关特性晶体管输出特性EXIT集成逻辑门电路EXITIC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线饱和区放大区二、三极管的开关特性uI增大使iB增大，从而工作点上移，iC增大，uCE减小。截止区uBEUthBEC三极管截止状态等效电路S为放大和饱和的交界点，这时的iB称临界饱和基极电流，用IB(sat)表示；相应地，IC(sat)为临界饱和集电极电流；UBE(sat)为饱和基极电压；UCE(sat)为饱和集电极电压。对硅管，UBE(sat)0.7V，UCE(sat)0.3V。在临界饱和点三极管仍然具有放大作用。uI增大使uBEUth时，三极管开始导通，iB0，三极管工作于放大导通状态。EXIT集成逻辑门电路EXITIC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线饱和区放大区二、三极管的开关特性截止区uBEUthBEC三极管截止状态等效电路uI=UIH三极管开通的条件和等效电路当输入uI为高电平，使iB≥IB(sat)时，三极管饱和。uBE+-uOUCE(sat)0.1~0.3V0，C、E间相当于开关合上。iB≥IB(sat)BEUBE(sat)CUCE(sat)三极管饱和状态等效电路EXIT集成逻辑门电路EXITiB愈大于IB(Sat)，则饱和愈深。由于UCE(Sat)0，因此饱和后iC基本上为恒值，iCIC(Sat)=CCCCCE(sat)CCRVRUVCCCC(sat)B(sat)RVII开关工作的条件截止条件饱和条件uBE＜UthiB＞IB(Sat)可靠截止条件为uBE≤0EXIT集成逻辑门电路EXIT[例]下图电路中=50,UBE(on)=0.7V,UIH=3.6V,UIL=0.3V,为使三极管开关工作,试选择RB值,并对应输入波形画出输出波形。解：(1)根据开关工作条件确定RB取值uI=UIL=0.3V时,三极管满足截止条件uI=UIH=3.6V时,为使三极管饱和,应满足iBIB(sat)因为iB=IHB0.7VURBBV.92V7.06.3RRCCCB(sat)RβVImA1.0k150V5所以求得RB29k，可取标称值27k。OuItUIHUILk1+5VEXIT集成逻辑门电路EXIT(2)对应输入波形画出输出波形OuItUIHUIL可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器。三极管截止时，iC0，uO+5V三极管饱和时，uOUCE(sat)0.3VOuO/Vt50.3EXIT集成逻辑门电路EXITIC(sat)OOOuIiCuOtttUIHUILVCCUCE(sat)上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为：uI从UIL正跳到UIH时，三极管将由截止转变为饱和，iC从0逐渐增大到IC(sat)，uC从VCC逐渐减小为UCE(sat)。uI从UIH负跳到时UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。2、三极管的瞬态开关特性EXIT集成逻辑门电路EXITIC(sat)OOOuIiCuOtttUIHUILVCCUCE(sat)0.9IC(sat)ton0.1IC(sat)toffuI正跳变到iC上升到0.9IC(sat)所需的时间ton称为三极管开通时间。通常工作频率不高时，可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是否合适，否则导致不能正常工作。uI负跳变到iC下降到0.1IC(sat)所需的时间toff称为三极管关断时间。通常toffton开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。二极管、三极管作为开关，其开关的转换速度都与延迟时间有关。2、三极管的动态开关特性EXIT集成逻辑门电路EXIT三、MOS管的开关特性在数字逻辑电路中，MOS管也是作为开关元件来使用的。MOS管（金属－氧化物半导体场效应管）有N沟道（NMOS）和P沟道（PMOS）两种，且每种还有增强型和耗尽型之分。一般采用增强型MOS管组成开关电路，并由栅源电压uGS控制MOS管的截止或导通。EXIT集成逻辑门电路EXITNMOS增强型：当uGSUGS(th)N，管子导通，产生iDS当uGSUGS(th)N，管子截止，iDS＝0。PMOS增强型：当uGSUGS(th)P，管子导通，产生iDS当uGSUGS(th)P，管子截止，iDS＝0。UGS(th)是管子的开启电压，即衬底半导体表面感生出导电沟道所需的栅源电压。MOS管导通的条件EXIT集成逻辑门电路EXIT1.二极管“与”门电路电路(2)工作原理输入A、B、C全为高电平“1”，输出Y为“1”。输入A、B、C不全为“1”，输出Y为“0”。0V0V0V0V0V3V+U5VRDADCABYDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABYC“与”门逻辑状态表0V3VY=ABC逻辑表达式：5.1.2分立元件门电路EXIT集成逻辑门电路EXIT2.二极管“或”门电路(1)电路0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V00000011101111011001011101011111ABYC“或”门逻辑状态表3V3VGNDRDADCABYDBC(2)工作原理输入A、B、C全为低电平“0”，输出Y为“0”。输入A、B、C有一个为“1”，输出Y为“1”。Y=A+B+C逻辑表达式：EXIT集成逻辑门电路EXIT5.1.3晶体管“非”门电路+UCCARBRCYT10截止饱和(2)逻辑表达式：Y=A“0”10“1”“0”“1”AY“非”门逻辑状态表EXIT集成逻辑门电路EXIT4、与非门电路二极管与门和三极管非门串接而成,实现与非逻辑功能。ABD1D2+5VRR2R1FABYEXIT集成逻辑门电路EXIT5、或非门电路GNDD1D2RBA二极管或门和三极管非门串接而成,实现或非逻辑功能。FR1R2BAYEXIT集成逻辑门电路EXIT主要要求：了解TTL与非门的组成和工作原理。了解TTL集成逻辑门的主要参数和使用常识。5.2TTL集成逻辑门掌握TTL基本门的逻辑功能和主要外特性。了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。EXIT集成逻辑门电路EXIT体积大。元件参数差异，工作稳定度差。各种门的输入、输出高低电平差异大。分立元件门电路的不足开关转换速度慢。5.2.1TTL与非门一、概述需要不同电源，功耗大。EXIT集成逻辑门电路EXITT5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT1输入级中间级输出级二、TTL“与非”门电路1.电路E2E3E1B等效电路C多发射极三极管输入级主要由多发射极管T1和基极电阻R1组成，用以实现输入变量A、B、C的与运算。VD1~VD3为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，VD1~VD3不工作，当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时，二极管导通，输入端负电压被钳在-0.7V上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对T1还有保护作用。中间级起倒相放大作用，T2集电极C2和发射极E2同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动T3和T5。输出级由T3、T4、R4、R5和T5组成。其中T3和T4构成复合管，与T5构成推拉式输出结构，输出阻抗小，提高了负载能力。EXIT集成逻辑门电路EXITE2E3E1B等效电路CT5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT1(1)输入全为高电平“1”(3.6V)时2.工作原理4.3VT1倒置，T2、T5饱和导通钳位2.1VE结反偏截止“0”(0.3V)负载电流（灌电流）输入全高“1”,输出为低“0”1VT1R1+UccT4输入高电平电流IIH,流入输入端，微安级很小≈0。3.6VEXIT集成逻辑门电路EXITT5YR3R5ABCR4R2R1T3T4T2+5VT12.工作原理1VT2、T5截止负载电流（拉电流）(2)输入端有任一低电平“0”(0.3V)(0.3V)“1”“0”输入有低“0”输出为高“1”流过E结的电流为正向电流5VVY5-0.7-0.7=3.6V输入低电平电流IIL,流出输入端，毫安级≈0.2mA。EXIT集成逻辑门电路EXIT电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门电压传输特性曲线5.2.2TTL与非门的外特性及主要参数1.电压传输特性和噪声容限输出电压随输入电压变化的特性uI较小时工作于AB段，这时V2、V5截止，V3、V4导通，输出恒为高电