第3章教学过程与方法

1 第3章 门电路 72张 4学时 张 学时 概述 晶体二极管和三极管的开关特性 分立元件门 TTL集成门 其他类型的双极型集成电路 MOS集成门 2 3 1 概 述 门电路 指能实现基本和常用逻辑关系的电路 简称 门 最基本的逻辑门是与门 或门和非门 按集成度分类 集成电路按单位芯片面积集成门电路的个数 即集成度 分为 按制造工艺分类 数字集成电路 3 3 2 晶体二极管和三极管的开关特性 半导体器件如晶体二极管 三极管和MOS管都有导通和截止两种状态 在导通状 态下 允许电信号通过 在截止状态下 禁止电信号通过 这就是它们的开关特性 半导体器件的开关特性又分为 静态特性 器件稳定在导通和截止两种状态下的特性 动态特性 器件在状态发生变化过程中的特性 6 3 2 1 晶体二极管的开关特性 PN结具有单向导电性 7 PN结的电容效应 PN结位垒的宽度及位垒中的电荷量随外加电压而变化 其等效电容 称为位垒电 容 当PN结外加正向电压时 PN结两边的扩散区中的少数载流子电荷量 也会随着外 加电压的大小而变化 其等效电容 称为扩散电容 PN结电容由位垒电容和扩散电容构成 它是影响开关速度的重要因素 在二极管 制作时 应尽量减少PN结电容 PN结电容小的二极管称为开关管 8 2 晶体二极管的稳态开关特性 晶体二极管是一个PN结 它具有单向导电性 外加正偏置电压时导通 外加反偏 置电压时截止 相当于一个受外加电压极性控制的开关 晶体二极管的稳态开关特 性是其稳定在正向导通与反向截止两种状态下的特性 9 1 二极管的理想特性 当开关当开关K闭合时 开关电阻闭合时 开关电阻RK 0 开关上的电压 开关上的电压UK 0 流过开关的电流 流过开关的电流 IK VI R 当开关 当开关K断开时 开关电阻断开时 开关电阻RK 开关上的电压 开关上的电压UK VI 流过开 流过开 关的电流关的电流IK 0 10 2 实际二极管的开关特性 实际二极管的特性可由伏安特性曲线和它的特性方程描述 11 3 晶体二极管的瞬态开关特性 理想二极管瞬态开关特性 12 3 2 2 晶体三极管的开关特性 在各种电子电路中 晶体三极管得到广泛的应用 在模拟电子电路中 晶体三极管 主要作为线性放大元件和非线性元件 在数字电路中 晶体三极管主要作为开关元 件 13 1 晶体三极管的稳态开关特性 在开关电路中 广泛使用晶体管共发射极电路 14 例例3 1 已知已知RC 1k Vcc 12V 60 在下列条件下计算 在下列条件下计算IB Ic及及Vo 并 并 确定三极管确定三极管T的工作状态 的工作状态 当VI 3V时 当VI 3V RB 20k 时 当VI 3V RB 10k 时 15 2 晶体三极管的瞬态开关特性 理想三极管瞬态开关特性 实际三极管瞬态开关特性 16 平均传输延迟时间 输出信号Vo与输入Vi信号之间 存在时间上的延迟和波形上的畸变 影响了开关 的速度 在数字电路中 一般用平均传输延迟时间tpd来衡量开关电 路的速度 17 3 3 分立元件门 由电阻 电容 二极管 三极管等分立元件构成的逻辑门称为分立元件门 分立元 件门的体积大 耗电高 故障多 现在几乎很少使用 这一节介绍的分立元件门 仅作为逻辑门电路学习的入门基础 18 3 3 1 二极管与门 输出与输入之间能满足 与 逻辑关系的电路 称为与门 19 3 3 2 二极管或门 半导体二极管组成的两个输入端或门电路 20 3 3 3 三极管非门 三极管非门电路 21 3 3 4 复合逻辑门 实际使用的逻辑门除了与 或 非3种基本逻辑门外 还有复合逻辑门 它们都是 与 或 非门的组合结构 常用的复合逻辑门有与非门 或非门 与或非门和异或 门等 下面以与非门和或非门为例 介绍复合门的电路结构和功能 22 1 与非门 与非门电路结构 23 2 或非门 或非门电路结构 24 3 3 5 正逻辑和负逻辑 高电平赋值为1是正逻辑状态赋值 高电平赋值0就是负逻辑状态赋值 输入输出采用正逻辑状态赋值 所得逻辑关系是正逻辑关系 输入输出采用负逻辑 状态赋值 所得逻辑关系是负逻辑关系 输入输出采用不同的状态赋值称混合逻辑 正逻辑与负逻辑是一种相对关系 25 正逻辑和负逻辑举例 某逻辑电路采用正逻辑时输入输出是与非关系 采用负逻辑时输入输出间是什么逻 辑关系 输入采用负逻辑 输出采用正逻辑时输入输出间又是什么逻辑关系 26 3 4 TTL集成门 TTL集成电路是一种单片集成电路 其输入端和输出端都是由晶体三极管构成的电 路 称为晶体管 晶体管逻辑 简称TTL Transistor Transistor Logic TTL门是构 成数字逻辑系统的基本器件 下面以与非门为典型电路 介绍TTL集成电路的结构 工作原理 外部特性和使用方法 27 3 4 1 TTL集成与非门 典型TTL与非门的电路 28 3 4 2 TTL与非门的外部特性 从使用角度出发 了解集成电路的外部特性是重要的 所谓外部特性 是指通过集 成电路芯片引脚反映出来的特性 TTL与非门的外部特性主要有电压传输特性 输 入特性 输出特性 电源特性和传输延迟特性 291 电压传输特性 TTL与非门的电压传输特性是指输出电压Vo随输入电压VI变化的曲线 30 2 输入特性 输入特性是指输入电流II随输入电压VI变化的曲线 31 2 输入特性 32 3 输入负载特性 TTL与非门的输入负载特性是指在输入端加上负载电阻RI后 电路表现出的特性 33 4 电源特性 TTL集成电路的工作电源是 5V 并允许在 10 范围内波动 即Vcc 4 5 5 5V 空载截止功耗 电路处于稳定关态的空载功耗 空载导通功耗 电路处于稳定开态的空载功耗 平均功耗 空载截止功耗和空载导通功耗的平均值 约为10mW 34 5 输出特性 输出特性是指输出电压Vo随输出电流Io变化的曲线 输出状态和开态的输出特性不同 分别讨论 35 开态输出特性 开态 输出低电平 当VO VOL时T3 T4截止 T2 T5导通 可作如下等效 36 6 传输延迟特性 平均传输延迟时间tpd是衡量TTL集成门电路开关速度快慢的动态参数 tpd 10 20ns 纳秒 根据tpd的不同 把TTL集成电路又分为中速TTL和高速TTL 37 3 4 3 TTL与非门的主要参数 扇入系数和扇出系数两个参数 38 3 4 4 TTL与非门的改进电路 工作速度 静态功耗 抗干扰能力和可靠性 是衡量数字集成电路的重要技术 指标 随着集成电路工艺的不断发展 集成电路的电路结构也不断改进 使技术指 标不断提高 下面主要介绍输入保护电路 有源泄放电路和肖特基电路等改进电路 39 1 输入保护电路 由输入端增加的两只二极管D1和D2构成 40 3 肖特基TTL 由晶体管的开关特性可知 当晶体管由饱和状态转为截止状态时 需要驱散基区的 饱和电荷 经历一段较长的存储时间 影响门的工作速度 为了提高速度 肖特基 TTL采用了抗饱和电路 因此称为抗饱和TTL或STTL Schottky Transistor Transistor Logic 41 3 4 5 TTL其他类型的集成电路 TTL集成门电路除了与非门外还有 与门 或门 非门 或非门 与或非门 异或门 集电极开路门 OC门 和三态输出门等产品 下面重点介绍后两种集成门 电路 42 1 集电极开路门 集电极开路门简称为OC门 OpenCollectorGate 集电极开路与非门在电路制作时 把T3 T4晶体管去掉 形成输出为集电极开路结构 43 OC门应用 直接驱动继电器 电阻 发光二极管等 实现电平转换 实现线与 44 2 三态输出门 三态输出门 简称为三态门 是在普通门电路基础上 增加控制输入端和控制电路构 成 45 3 4 6 TTL集成电路多余输入端的处理 多余输入端的处理是在使用数字集成电路时 经常遇到的实际问题 46 3 5 其他类型的双极型集成电路 在双极型数字集成电路中 TTL电路的应用最广泛 其他种类的电路有 47 3 5 1 ECL电路 由于TTL门中三极管工作在饱和状态 开关速度受到了限制 只有改变电路的工作 方式 从饱和型变为非饱和型 才能从根本上提高速度 发射极耦合逻辑电路 ECL 也称电流开关型逻辑电路CML 就是一种非饱和型高速数字集成电路 48 3 5 2 I2L电路 集成注入逻辑电路I2L的电路简单 它的基本结构是由一个NPN型多集电极三极管 和一个PNP型恒流源负载组成的反相器 由于I2L电路的驱动电流是由PNP管的发 射极注入的 所以称为集成注入逻辑 它的功耗低 集成度高 I2L电路的每个基 本逻辑单元占的芯片面积很小 工作电流不超过1nA 因而其集成度可达500门 mm2以上 一般TTL电路集成度在20门 mm2左右 注入逻辑电路可以在低电压下工作 其高电平VH 0 7V 低电平VL 0 1V 注入逻 辑电路的缺点是抗干扰能力差 开关速度也较低 49 3 6 MOS集成门 MOS集成电路是用MOS管作基本元件构成的 MOS管是金属 氧化物 半导体场效 应管 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 的简称 在MOS管内 只 有一种载流子参与导电 因此MOS集成电路称为单极型集成电路 50 3 6 1 MOS管 1 MOS管的结构 MOS管分为NMOS和PMOS两种类型 51 PMOS管 PMOS管也有增强型和耗尽型两种类型 52 2 MOS管的开关特性 在数字电路中 MOS管主要作为开关元件来使用 下面以增强型NMOS管为例 介绍MOS管的开关特性 53 1 输出特性 NMOS管的基本开关电路如图示 这种结构也称为共源接法电路 共源接法电路的 输出特性 也称为漏极特性 曲线 54 2 转移特性 MOS管的转移特性是VDS不变化条件下的ID电流与VGS之间的曲线关系 增强型 NMOS管的转移特性曲线如图 55 3 输入电阻与输入电容 MOS管的输入电阻实际就是SiO2的绝缘电阻 其阻值RI 可达1012 以上 使 MOS 管在静态时基本不需要输入电流 即II 0 因此 MOS 管开关电路的静 态输入功耗极低 负载能力很强 56 3 6 2 MOS反相器 57 1 电阻负载反相器 共源电路实际就是一个反相器 RD是负载电阻 从电路输出特性曲线可以看出 当输入为低电平 即VI VIL时 MOS管工作在截止区 输出为高电平 VO VDD 当输入为高电平 即VI VIH时 MOS管工作在非饱和区 输出为低电平 VO 0V 电路的输出电平与输入电平相反 所以称为反相器 58 2 MOS管负载反相器 在MOS集成电路中 制作MOS晶体管要比制作电阻容易 因此MOS反相器都采用 MOS管代替电阻负载 59 3 CMOS反相器 在制作NMOS反相器时 如果负载管的导通电阻小 则在驱动管导通时 电路的功 耗大 如果导通电阻大 则在驱动管截止时 电路提供的拉电流负载小 驱动能力 弱 CMOS反相器较好地解决了这个问题 60 3 6 3 MOS门 常用的MOS门有 61 1 NMOS门 两输入端的NMOS与非门电路由两只NMOS串联后再通过一只负载管接到正电源 VDD端 62 2 PMOS门 两输入端PMOS与非门电路由两只PMOS并联后再通过一只负载管接到负电源 VDD 端 63 3 CMOS门 两输入端CMOS与非门电路是把两个CMOS反相器的负载管并联 驱动管串联后得 到 64 4 CMOS传输门 T1是NMOS管 T2是PMOS管 所以它也属于互补MOS 即CMOS 把T1和T2的源 极并接在一起构成电路的输入VI 把漏极并接在一起构成输出Vo 65 CMOS三态与非门 在与非门 或非门等CMOS门电路的输出部分增加一个传输门 就可以得到这些门 的三态输出门电路 66 3 6 4 CMOS门的外部特性 67 1 电压传输特性 CMOS非门的几个主要特性参数 输出逻辑高电平VOH VDD 输出逻辑低电平 VOL 0V 阈值电压 即转折区中点对应的输入电压 VTH 1 2VDD 输入低电 平噪声容限VNL和输入高电平噪声容限VNH基本相同 约为1 2VDD 68 2 输入保护电路和输入特性 MOS集成电路的输入端具有很高的输入阻抗 达到1012 如果在输入端存在一 个极小的漏电流 就会产生极高的电压降 致使输入的SiO2绝缘层被击穿而损坏 电路 因此 一般的CMOS集成电路都增加了输入保护电路 69 3 电源特性 CMOS集成电路的电源电压VDD允许在一个较宽的范围内变化 一般VDD 3 18 V CMOS门处于静态时 输入电流几乎为0 另外 输出采用互补结构 静态时 总有一只晶体管截止 因此电路处于静态时的功耗也极低 在动态过程中 由于输入电平发生变化 需要一定数量的输入电流对输入寄生电容 进行充电或放电 另外 输出发生状态变化的过程中 输出互补晶体管出现瞬间同 时导通的状况 此时会产生一个较大的漏极电流 70 4 CMOS门电路多余输入端的处理 由于电路结构上的区别 CMOS集成电路多余输入端的处理方法与TTL多余输入端 的处理方法存在不同之处 接逻辑高电平 与有用输入端并接 不能悬空 71 本章小结 TTL和CMOS集成电路是目前数字系统中应用最广的基本电路 在TTL中 有两种载流子参与导电 因此称为双极型集成电路 在CMOS中 只