《集成门电路》PPT课件.ppt

第2章集成门电路 2 1概述2 2CMOS门电路2 3双极型门电路2 4BICMOS门电路2 5集成门电路的应用举例 本章小结 第2章集成门电路 第2章集成门电路 一 集成门电路的几种分类 集成门电路按其内部有源器件的不同可以分为三大类 一类为双极型晶体管集成门电路 包括TTL 晶体管 晶体管逻辑电路 ECL 射极耦合逻辑 电路和I2L 集成注入逻辑 电路等几种类型 第二类为单极型MOS集成门电路 包括NMOS PMOS LDMOS VDMOS VVMOS IGT等几种类型 第三类则是二者的组合BICMOS门电路 常用的是CMOS集成门电路 2 1概述 第2章集成门电路 二 几种集成门电路的特点 1 TTL集成门电路工作速度高 驱动能力强 但功耗大 集成度低 2 CMOS集成门电路功耗极低 成本低 电源电压范围宽 集成度高 抗干扰能力强 输入阻抗高 扇出能力强 三 集成门电路按其集成度又可分为 SSI 小规模集成电路 每片组件包含10 20个等效门 MAI 中规模集成电路 每个组件包含20 100个等效门 LAI 大规模集成电路 每组件内含100 1000个等效门 VLSI 超大规模集成电路 每片组件内含1000个以上等效门 SSI 第2章集成门电路 2 2CMOS门电路 CMOS集成门电路的外部特性和主要参数1COMS集成门电路的外部特性CMOS门电路对外部呈现的电气特性 主要包括输入特性 输出特性 传输特性等静态特性和传输延迟时间 交流噪声容限 动态功耗等动态特性 第2章集成门电路 2COMS集成门电路主要参数的特点 1 VOH min 0 9VDD VOL max 0 01VDD 所以CMOS门电路的逻辑摆幅 即高低电平之差 较大 2 阈值电压Vth约为VDD 2 3 CMOS非门的关门电平VOFF为0 45VDD 开门电平VON为0 55VDD 因此 其高 低电平噪声容限均达0 45VDD 4 CMOS电路的功耗很小 一般小于1mW 门 5 因CMOS电路有极高的输入阻抗 故其扇出系数很大 可达50 CMOS集成门电路逻辑电路结构1 CMOS与非门和或非门电路 1 与非门 2 或非门 第2章集成门电路 第2章集成门电路 3 带缓冲级的门电路 为了稳定输出高低电平 可在输入输出端分别加反相器作缓冲级 下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路 L 第2章集成门电路 2 CMOS异或门电路 由两级组成 前级为或非门 输出为 后级为与或非门 经过逻辑变换 可得 第2章集成门电路 工作原理 当EN 0时 TP2和TN2同时导通 为正常的非门 输出 当EN 1时 TP2和TN2同时截止 输出为高阻状态 所以 这是一个低电平有效的三态门 4 CMOS传输门 第2章集成门电路 工作原理 设两管的开启电压VTN VTP 1 当C接高电平VDD 接低电平0V时 若Vi在0V VDD的范围变化 至少有一管导通 相当于一闭合开关 将输入传到输出 即Vo Vi 2 当C接低电平0V 接高电平VDD Vi在0V VDD的范围变化时 TN和TP都截止 输出呈高阻状态 相当于开关断开 2 3双极型门电路 第2章集成门电路 一LSTTL门电路的外部特性 1LSTTL门电路的静态输入特性 LSTTL门电路的输入特性ii Vi如图所示 第2章集成门电路 2 LSTTL门电路的静态输出特性 LSTTL电路中的74LS125芯片有如图所示三态输出方式 0 1和高电阻 三态电路特别适合于总线结构系统和外围电路 也适用于数字控制设备 数字仪表中一般逻辑电路间的连接 a 三态缓冲器LS125的电路图 b 电路符号 第2章集成门电路 3 LSTTL门电路的电压传输特性 LSTTL与非门电路74LS00的电压传输特性如图所示 图四2输入与非门74LS00的电压传输特性 4 LSTTL门电路的抗干扰特性 噪声容限VN 第2章集成门电路 LSTTL门电路的输入低电平噪声容限VNL 0 3V 输入高电平噪声容限VNH 0 5V 如图所示噪声容限示意图 第2章集成门电路 5 LSTTL门电路的动态特性 LSTTL门电路的平均传输延迟时间TP由于二极管和三极管由导通到截止或者由截止到导通都需要间 且受到电路中的寄生电容和负载电容等的影响 电路的输出形总是滞后于输入波形 LSTTL门电路的动态尖峰电流 在电源电流脉冲的边沿 主要是下降沿 产生了尖峰 这就是动态尖峰电流 6 LSTTL门电路的温度特性 第2章集成门电路 温度变化对LSTTL门电路电气性能的影响比对CMOS门电路影响大得多 主要是 1 输入高电平通过图2 30中D1 D2的漏电流I1H随温度升高而增大 OC门输出高电平或输出高电阻状态的漏电流IOZ会增大 电路的输出驱动能力将下降 2 输出高电平VOHP随温度降低而降低 其原因是VOH VCC 2VBE 温度降低导致VBE增大 故VOH减小 根据噪声容限的概念 VOH的减小则系统的抗干扰能力降低 3 LSTTL门电路的阈值电压VT主要取决于VD和VBE1 于是VT随着温度的升高而下降 因温度每升高1 则PN结压降低减小2mV 所以当温度从 55 上升到 125 时 VT将下降300mV以上 第2章集成门电路 二各种集成门电路的主要参数 LSTTL门电路逻辑电路结构 1 LSTTL与非门电路 第2章集成门电路 LSTTL与非门电路如图 c 所示 该电路可以看作由二极管D1 D2构成的与门 三极管T2构成的非门及用三极管T3 T4取代R3 T2的BE结取代RB的改进型与非门的组合 LSTTL与非门电路的构成 第2章集成门电路 2 LSTTL或非门电路 四重2输入或非门74LS02内部电路如图所示 第2章集成门电路 2 4BICMOS门电路 一BICMOS反相器的外部特性 1BICMOS门电路反相器的输入输出特性 BICMOS门电路的输入特性与CMOS门电路完全相同 如图所示 因为输入电路结构同CMOS电路 BICMOS电路用双极型晶体管作为输出极 所以同样具有很强的带有负载能力 ABT系列的BICMOS缓冲 驱动器的OH达32 2BICMOS反相器的电压传输特性 第2章集成门电路 BICMOS反相器图2 45 a 在DD 5V时的电压传输特性如图所示 从图中看到 BICMOS反相器的电压传输特性 第2章集成门电路 3BICMOS门电路的传输延迟时间 空载时BICMOS电路的传输延迟时间主要由电路内部的电容C内决定 在小电容负载时 BICMOS电路的开关特性比CMOS差 因为晶体管输出级的加入给电路增加了结电容并多了一级延迟 但当负载电容V0 0 1PF后 传输延迟时间明显改善 BICMOS电路的开关速度提高幅度较大 明显优于CMOS电路 目前 0 6的BICMOS最高工作频率达到225MHZ 而该电路的低电压性能仍不够理想 第2章集成门电路 二BICMOS门电路 1BICMOS反相器 BICMOS反相器 如图所示 在图 a 中 N1和P1 N2和P2组成前 后级非门 第2章集成门电路 2 BICMOS或非门和与非门 BICMOS或非门如图1 a 所示 N1 N2和P1 P2组成基本的CMOS或非门电路 BICMOS与非门如图 b 所示 2 5集成门电路的应用举例 第2章集成门电路 一集成门电路的使用常识 1存放CMOS集成电路时要屏蔽 一般放在金属容器中 或用导电材料将引脚短路 不要放在易产生静电高压的化工材料或化纤织物中 2焊接CMOS电路时 一般用20W内热式电烙铁 而且烙铁要有良好的接地线 也可以用电烙铁断电后的余热快速焊接 禁止在电路通电情况下焊接 为了防止输入端保护二极管反向击穿 输入电压必须处在Vdd和Vss之间 即Vdd Vi Vss 第2章集成门电路 4测试CMOS电路时 如果信号电源和电路供电采用2组电源 则在开机时应先接通电路供电电源 后开信号电源 关机时 应先关信号电源 后关电路供电电源 即在CMOS电路本身没有接通供电电源的情况下 不允许输入端的信号输入 5多余输入端绝对不能悬空 否则容易接受外界干扰 破坏了正常的逻辑关系 甚至损坏 对于与门 与非门的多余输入端应接Vdd或高电平或与使用的输入端并联 如图2 48所示 对于或门 或非门多余的输入端应接地或低电平或与使用的输入端并联 6必须在其他元器件在印制电路板上安装就绪后 再装CMOS电路 避免CMOS电路输入端悬空 CMOS电路从印制电路板上拔出时 务必先切断印制板上的电源 第2章集成门电路 7输入端连线较长时 由于分布电容和分布电感的影响 容易构成LC振荡或损坏保护二极管 必须在输入端串联1个10 20 的电阻R 8防止CMOS电路输入端噪声干扰的方法是 在前一级和CMOS电路之间接入施密特触发器整形电路 或加入滤波电容滤掉噪声 二TTL CMOS接口电路 所谓 接口电路 就是用于不同类型逻辑门电路之间或逻辑门电路与外部电路之间 使二者有效连接 正常工作的中间电路 第2章集成门电路 1常用数字集成电路技术参数比较表 第2章集成门电路 2CMOS电路驱动TTL电路 用CMOS电路去驱动TTL电路时 需要解决的问题是CMOS电路不能提供足够大的驱动电流 CMOS电路允许的最大灌电流一般只有0 4mA左右 而TTL电路的输入短路电流Iis约为1 4M 1 4mA 可采用图 a 所示的接口电路 第2章集成门电路 3 TTL电路驱动CMOS电路 CMOS电路的电源电压范围宽 3V 18V 往往高于TTL电路的 5V电源 因此 用TTL电路去驱动CMOS电路时 必须将TTL的输出高电平值升高 通过接口电路可达此目的 如图所示 3 TTL和CMOS门电路驱动其他负载 第2章集成门电路 在许多场合 往往需要用TTL或CMOS电路去驱动指示灯 LED 发光二极管 或其他显示器 光电耦合器 继电器 可控硅等不同的负载 图 a 为TTL驱动LED的标准接法 图 b 为TTL或CMOS与非门直接驱动直流继电器 图 c 为用TTL或CMOS门的输出脉冲去控制晶闸管 双向或单向晶闸管 图 d 所示的电路经两级三极管的放大电路 第2章集成门电路 本章小结 1集成门电路按逻辑功能 输出结构划分有以下几类 输出结构 推拉式输出 CMOS反相器输出 三态 TS 输出 OC输出 OD输出 逻辑功能 非门 与门 或门 与非门 或非门 与或非门 异或门 同或门 OC OD输出的电路 能够实现 线与 的逻辑功能 可用于电平转换接口电路及驱动电路 三态 TS 输出电路广泛用数据总线上 实现多路信号在总线上分时传送或双向传送 以提高总线的利用率 第2章集成门电路 2单极型MOS管在数字电路中 也起开关作用 按制造工艺划分 有下面几种类型 单极型MOS管 CMOS电路 NMOS电路 PMOS电路 4000系列 4500系列 54HC 74HC系列 54AHC 74AHC系列 54AC 74ACT系列 其中 CMOS电路是目前发展最快 在电子和信息领域应用最广泛的器件 在使用时 一定要注意掌握正确的使用方法 否则容易造成器件损坏 3 集成门电路的外部特性 第2章集成门电路 外部特性 电气特性 逻辑功能 静态特性 动态特性 输入特性 输入负载特性 输入特性 输出负载能力 电压传输特性 输入噪声容限 功耗特性 温度特性 平均传输延迟时间 平均转换时间 这些特性对设计 或使用数字系统有非常重要的作用 第2章集成门电路 4 双极型门电路且有带负载能力强 工作速度快 尤其是ECL电路速度最高 的