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第2章集成门电路 授课计划教学内容教学小结 一 授课计划1 教学目标 1 掌握半导体二极管 三极管和MOS管的开关特性 2 掌握基本TTL与非门电路的工作原理 了解TTL数字集成电路的电路特性及其性能参数 3 熟练掌握CMOS集成门电路的工作原理及其性能参数 4 熟悉几种常用的TTL与非门电路 CMOS集成门电路及其逻辑符号的表示方法 2 重点与难点 1 重点 集成门电路外部特性及应用 2 难点 TTL CMOS集成门电路芯片的分类与选用 3 学时分配 共6学时 第1 2学时 半导体二极管 三极管和MOS管的开关特性第3 4学时 TTL集成门电路第5 6学时 CMOS集成门电路 二 教学内容 2 1 1晶体二极管的开关特性二极管 就是一个PN结 具有单向导电性 理想二极管如同一个开关 但实际二极管与理想的二极管还是有一些区别的 特别是在高频电路中 必须加以注意 一 二极管稳态开关特性 二极管的伏安特性曲线 2 1半导体二极管 三极管和MOS管的开关特性 第1 2学时 二 瞬态开关特性 上页 退出 下页 从图中可知 反向恢复时间是影响二极管开关特性的主要因素 正向恢复时间往往可以忽略 出现反向恢复时间的原因是电荷存储效应 外加正向电压时 非平衡少子的积累 2 1 2晶体三极管开关特性在数字电路中 三极管是作为开关使用的 三极管截止相当于开关断开 三极管饱和相当于开关闭合 一 稳态开关特性 理想稳态开关特性 关态 输入低电平 三极管截止 C E极间无电流 IC等于0 输出为VCC 开态 输入高电平 三极管导通 C E极电压为零 IC等于VCC RC 输出为0V 实际稳态开关特性 关态 基极接负电压 集电结 发射结均反偏 IC ICBO输出约等于VCC C E之间无导通电流 上页 下页 退出 开态 希望 即输出电压 接近于0V 应工作在饱和区 C E结电压最小 二 瞬态开关特性当晶体三极管发生由截止到饱和 或由饱和到截止的状态翻转时 其工作特性称为瞬态特性 三 晶体三极管反相器反相器的作用是将输入信号极性求反 高电平变低电平 低电平变高电平 1工作原理 当输入电压VI为低电平VL时 输出VO应为高电平VH 此时三极管应可靠截止 当输入电压为高电平时 输出应为低电平 此时三极管应可靠饱和 上页 下页 退出 2反相器的带负载能力 负载能力是指当负载发生变化时 输出电路能够保证其输出指标不变的能力 灌电流 流入反相器的负载电流 叫灌电流Ioi 产生灌电流的负载叫灌流负载 拉电流 流出反相器的负载电流 叫拉电流Iop 产生拉电流的负载叫拉流负载 负载能力可用保证反相器正常工作条件下的最大灌流IOIM和最大拉流IOPM表示 上页 下页 退出 1 带灌流负载的能力 三极管饱和时的灌流负载Ic IRC IOI灌电流加大 IC加大 饱和深度减小 过大则退出饱和 因此应满足 IC IRC IOI IB即IOIM IB VCC RC三极管饱和程度越深 IOI加大使IC加大后 退出饱和的可能性越小 负载能力越强 还要满足 IC IRC IOIM ICM以免损坏三极管 ICM为集电极最大额定电流 上页 下页 退出 2 带拉流负载的能力三极管饱和时拉流负载IOP IRC IC IRC不变 IOP越大 IC越小 有利于饱和 负载能力强 IOPM VCC RC三极管截止时拉流负载IRC IDC1 IOP IRC一定 IOP越大 IDC1越小 应保证钳位二极管的正向导通电流 使其起到钳位作用 其中 VCC VC1VCC VC1IRC 即 IOPM RCRC 上页 下页 退出 2 2分立元器件门电路2 2 1二极管与门和或门一 二极管与门电路 二 二极管或门电路 二极管可实现 与门 或门 但不利于串联使用 与门串联使用高低电平升高 或门串联使用高低电平降低 上页 下页 退出 二 MOS三极管非门 TL是负载管 栅极接漏极 同为VDD 该管恒导通 且处于饱和区 因为 VGS VGS th VDS当输入VI为低电平时 因小于开启电压 T0不导通 则V0 VDD VGS th 高当输入VI为高电平时 T0导通 输出低电平 2 2 2三极管非门一 晶体三极管非门 退出 下页 上页 2 3TTL集成门电路 第3 4学时 2 3 1TTL与非门TTL与非门电路图及逻辑符号 它是输入级 中间级和输出级三部分组成的 如图 上页 下页 退出 一 工作原理 1 输入全部为高电平 当输入A B C均为高电平 即UIH 3 6V时 T1基极电位升高 使T1的集电结和T2 T5的发射结导通 T5由T2提供足够的基极电流而处于饱和状态 输出低电平 UO UOL UCE5 0 3V 2 输入至少有一个为低电平 输出为高电平 UO UOH Ucc UBE3 UBE4 5 0 7 0 7 3 6V电路的输出与输入之间满足与非逻辑关系 二 TTL与非门的外特性与参数1 电压传输特性 即 退出 下页 上页 V0随Vi变化的规律AB段 截止区Vi 0 6vT1饱和 T2 T5截止 T3 T4导通 V0 VHBC段 线性区VI 0 6 1 3VT5截止 其他导通 V0随VI增加线性下降 CD段 转折区VI 1 3v以后 T5开始导通 V0加速下降 DE段 饱和区VI增大 T5饱和 T4截止 输出低电平 上页 下页 退出 1 输出逻辑高电平VOH 截止区对应的输出电平 输出逻辑低电平VOL 饱和区对应的输出电平 2 额定逻辑高电平VSH 3v额定逻辑低电平VSL 0 35V 3 开门电平Von 在保证输出为VSL的条件下 允许输入高电平的最小值 一般Von 1 8v 4 关门电平Voff 在保证输出为VSH的90 的条件下 允许输入低电平的最大值 一般Voff 0 8v 5 阈值电平Vth转折区中点对应的输入电压 6 噪音容限UNL UNH低电平噪声容限VNL Voff VIL 输出高电平可以得到保障 2 主要参数 退出 下页 上页 7 输入漏电流IIH 当UI Uth时 流经输入端的电流称为输入漏电流IIH 约为10 A 8 扇出系数NO 是指一个输出端 在保证输出低电平VOL不大于0 35v的条件下 能驱动同类门的最多个数 通常NO 8 2 3 2TTL集电极开路门和三态门 集电极开路门 OC门 可直接将几个逻辑门的输出端相连 实现输出 与 功能的方式称为线与 高电平噪声容限VNH VIH Von 输出低电平可以得到保障 上页 下页 退出 为使TTL门能线与 直接将T5的集电极引出即集电极开路 OC 由外电路提供RC电阻 如图OC门电路可以实现线与 高电压 大电流的驱动能力很强 但失去了推拉输出速度快的优点 使用OC门时 必须经外接电阻RL接通电源才能实现线与逻辑 不是所有的输出端都可以实现线与 如图输出的门电路 如果输出线与 有可能因存在低阻回路而损坏电路 退出 上页 下页 2 三态门 TSL门 三态 逻辑门的输出有高电平 低电平和高阻状态 电路组成是在TTL与非门的输入级多了一个控制器件D 如图 E为控制端或称使能端 当E 1时 二极管D截止 TSL门与TTL门功能一样 当E 0时 T1处于正向工作状态 T2 T5截止 二级管D使T3基极电位钳制在1V左右 T4 T5都截止 输出端呈现高阻状态 下页 上页 退出 2 3 3典型TTL与非门芯片介绍 部分常用中小规模TTL门电路的型号及功能如表2 1 实际应用中 可根据电路需要选用不同的型号 表2 174系列门电路的型号及功能 74LSXX系列是最常用的 延迟积较小的一种TTL门电路 性能价格也比较高 退出 下页 上页 2 4CMOS数字集成电路 第5 6学时 2 4 1CMOS门电路1 与非门 A B两个输入端均为高电平时 T1 T2导通 T3 T4截止 输出为低电平 A B两个输入端中只要有一个为低电平时 T1 T2中必有一个截止 T3 T4中必有一个导通 使输出为高电平 电路的逻辑关系为 上页 下页 退出 A B两个输入端均为低电平时 T1 T2截止 T3 T4导通 输出Y为高电平 A B两个输入中有一个为高电平时 T1 T2中必有一个导通 T3 T4中必有一个截止 输出为低电平 电路的逻辑关系为3 CMOS传输门 2 或非门 退出 下页 上页 A B两个输入端均为低电平时 T1 T2截止 T3 T4导通 输出Y为高电平 A B两个输入中有一个为高电平时 T1 T2中必有一个导通 T3 T4中必有一个截止 输出为低电平 电路的逻辑关系为3 CMOS传输门 2 或非门 退出 上页 下页 控制信号C 1传输门相当于接通的开关C 0传输门相当于断开的开关MOS管的结构是对称的 源极和漏极可以互换使用 CMOS传输门具有双向性 又称双向开关 用TG表示 4 CMOS三态门 5 CMOS漏极开路门 下页 上页 退出 使用CMOS电路的注意事项 1 包装 焊接和测试时要防静电 烙铁要接地 触摸电路前 身体要放电 多余输入端不要悬空 2 有大电流输入可能时 输入端串联限流电阻 3 防止可控硅效应 提高电源质量 加去藕电容 加钳位二极管 4 多电源系统中 CMOS电路的电源先开后关 退出 下页 上页 2 4 2CMOS电路与TTL电路的连接1 TTL电路驱动CMOS电路 2 CMOS电路驱动TTL电路 上页 下页 退出 本章小结 1 半导体二极管 三极管和MOS管 是数字电路中的基本开关元件 半导体二极管是不可控的 半导体三极管是用电流控制且具有放大特性的开关元件 MOS管是用电压进行控制的 也具有放大持性 2 目前普遍使用的数字集成电路基本上有两大类 一类是双极型数字集成电路 TTL HTL IL ECT都属于此类电路 另一类是金属 氧化物 半导体 MOS 数字集成电路 3 在双极型数字集成电路中 TT