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1 第二章门电路 第一节概述 门电路 实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路 门电路的两种输入 输出电平 高电平 低电平 它们分别对应逻辑电路的1 0状态 正逻辑 1代表高电平 0代表低电平 负逻辑 0代表高电平 1代表低电平 高电平 低电平 2 根据制造工艺不同可分为单极型和双极型两大类 门电路中晶体管均工作在开关状态 首先介绍晶体管和场效应管的开关特性 然后介绍两类门电路 注意 各种门电路的工作原理 只要求一般掌握 而各种门电路的外部特性和应用是要求重点 当代门电路 所有数字电路 均已集成化 题2 1 b 题2 5 题2 10 题2 16 题2 18 题2 19 题2 21 题2 22 3 第二节半导体二极管和三极管的开关特性 一 二极管的开关特性 1 开关电路举例 2 静态特性 伏安特性 等效电路 在数字电路中重点在判断二极管开关状态 因此必须把特性曲线简化 见右侧电路图 有三种简化方法 输入信号慢变化时的特性 4 第一种 第三种 0 5V 第二种 VON0 7V 5 3 动态特性 当外加电压突然由正向变为反向时 二极管会短时间导通 这段时间用tre表示 称为反向恢复时间 输入信号快变化时的特性 它是由于二极管正向导通时PN结两侧的多数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的 6 二 半导体三极管的开关特性 一 双极型三极管的开关特性 1 静态特性 可用输入输出特性来描述 基本开关电路如图 可用图解法分析电路 7 VON 0 7V Ib IBS ic ICEO 0 iB 0 ic iB VCE sat 0 3V0V 反 反 反 正 正 正 IbIBS ICS VCC iCRC 开关特性可归纳为下表 也是 特点 的一部分 8 2 动态特性 等效电路 当输入信号使三极管在截止和饱和两种状态之间迅速转换时 三极管内部电荷的建立和消散都需要时间 因而集电极电流的变化将滞后于输入电压的变化 从而导致输出电压滞后于输入电压的变化 也可以理解为三极管的结电容起作用 注意 三极管饱和越深 由饱和到截止的延迟时间越长 饱和时 截止时 9 二 MOS管的开关特性 1 MOS管的工作原理 Metal Oxide SemiconductorField EffectTransistor 称为 金属 氧化物 半导体场效应管或绝缘栅场效应管 导电沟道 反型层 源极Source 漏极Drain 栅极Gate 当大于VGS th 时 将出现导电沟道 VGS th 称为开启电压 与管子构造有关 显然 导电沟道的厚度与栅源电压大小有关 而沟道越厚 管子的导通电阻RON越小 因而 若不变 就可控制漏极电流iD 因此把MOS管称为电压控制器件 10 输出特性 2 输入输出特性 恒流区 恒流区中iD只受控制 其关系式为 相应曲线称为转移特性 空间电荷区 截止区 VDS 0V出现沟道 VDS增加 则沟道 倾斜 阻值增加 VGD VGS th 时 沟道 夹断 VDS再增加时 夹断点向源区移动 但iD不变 输入特性可不讨论 可变电阻区 夹断点 VGS th 2V 设 5V 同理可求出栅源电压为4V和3V时的夹断点 它也有三个工作区 固定电阻 固定电阻 夹断 11 3 MOS管的基本开关电路 当 VDD时 MOS管导通 当 0V时 MOS管截止 VDD MOS管工作在可变电阻区 若 则 回下页 VDD 12 静态特性 三个工作区 等效电路如图 其中CI为栅极输入电容 约为几皮法 动态特性 延迟作用 由于是单极型器件 无电荷存储效应 动态情况下 主要是输入电容和负载电容起作用 使漏极电流和漏源电压都滞后于输入电压的变化 其延迟时间比双极型三极管还要长 可变电阻区 截止区 恒流区 4 MOS管的开关特性及等效电路 电路图 13 5 MOS管的四种类型 1 N沟道增强型 2 P沟道增强型 3 N沟道耗尽型 4 P沟道耗尽型 开启电压 夹断电压 P沟道增强型 14 15 第三节最简单的与 或 非门电路 由于这些电路有严重的缺点 在集成电路中并不使用 但可帮助理解集成门的工作原理 一 二极管与门 设 VCC 5V VIH 3V VIL 0V VA VB 0V D1 D2导通 VY 0 7V VA VB 3V D1 D2导通 VY 3 7V VA 3V VB 0V D2导通 D1截止 VY 0 7V VA 0V VB 3V D1导通 D2截止 VY 0 7V 缺点 1 电平偏移 2 负载能力差 16 二 二极管或门 D1 D2截止 D1 D2导通 D1截止 D2导通 D1导通 D2截止 17 三 三极管非门 反相器 解 方法1 求基极回路戴维南等效电路 方法2 直接求解 1 0V 1 0V 0V T截止 VCC 5V 2 5V 可判断T导通 18 19 第四节TTL门电路 一 TTL反相器的电路结构和工作原理 1961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路 英文IntegratedCircuit 简称IC 集成电路的优点 体积小 重量轻 可靠性高 功耗低 目前单个集成电路上已能作出数千万个三极管 而其面积只有数十平方毫米 按集成度分类 小规模集成电路SSI SmallScaleIntegration 中规模集成电路MSI MediumScaleIntegration 大规模集成电路LSI LargeScaleIntegration 超大规模集成电路VLSI VeryLargeScaleIntegration 按制造工艺分类 双极型集成电路 单极型集成电路 我们介绍TTL电路 我们介绍MOS电路 TTL Transistor TransistorLogic 三极管 三极管逻辑电路 20 1 电路结构 以74系列非门为例 2 工作原理 输入级 中间级 输出级 推拉式 push pull 图腾柱 totem pole 输出电路 VCC 5V VIH 3 4V VIL 0 2V T1导通 深饱和 T2 T5截止 因为T5有漏电流 可等效为大电阻 T4导通 忽略R2压降 可求出 3 6V VOH VIH VIL 0 9 0 3 0 7 1 4 2 1 4 1 3 4 0 2 T1的BE结截止 BC结导通 T2 T5导通 T4截止 因此T5饱和 T2 ICS 4V 1 6K 2 5mA iB 2 9v 4k 0 72mA 20所以 T2饱和 0 2V 1 0 21 二 TTL反向器的静态特性 一 电压传输特性 CD段中点的输入电压称为阈值电压 用VTH表示 B点 0 6V AB段称为截止区 C点 1 3V BC段称为线性区 D点 1 4V CD段称为转折区 DE段称为饱和区 AB段 BC段 CD段 输出高电平 T2通 T5 未通 T5通 且逐渐饱和 DE段 输出低电平 22 输入端噪声容限 高电平噪声容限 低电平噪声容限 对于74系列门电路 VNH VNL都不小于0 4V VOH min VOL max VIL max VIH min 2 4V 0 4V 0 8V 2 0V 设定VOH min 求出VIL max 设定VOL max 求出VIH min 23 二 输入特性 IIL称为输入低电平电流 IIS称为输入短路电流 0V的输入电流 IIH称为输入漏电流 输入电压为负时 基本是保护二极管的伏安特性 IIH 输入为0 2V时 输入为3 4V时 输入为其他电压时 IIL IIS 输入电压小于0 6V时 计算IIL的公式仍然成立 把VIL换为 是一直线方程 返回OC 24 三 输入端负载特性 当小于0 6V时 当 1 4V时 T2 T5均已导通 T1基极电位被钳在2 1V而不再随RP增加 因此也不再随RP增加 当RP较小时 这是直线方程 返回25 25 例 计算图中电阻RP取值范围 已知 VOH 3 4V VOL 0 2V VIH min 2 0V VIL max 0 8V IIH 0 04mA 解 当 VOH时 要求VIH min VOH IIHRPVIH min VOL RP VCC VBE VOL R1 RP 当 VOL时 要求VIL max VIL max RP0 69K RP35K 对于74系列 当RP 2K时 就达到1 4V 综合两种情况RP应按此式选取 式2 4 6 牢记 RP大于2K欧姆时 输入等效为高电平 小于0 7K欧姆时 输入等效为低电平 26 四 输出特性 1 高电平输出特性 T4饱和前 VOH基本不随iL变 T4饱和后 VOH将随负载电流增加线性下降 其斜率基本由R4决定 2 低电平输出特性 受功耗限制 74系列门输出高电平时最大负载电流不超过0 4mA T5饱和 c e间等效电阻不超过10欧姆 因此直线斜率很小 27 例 计算G1能驱动的同类门的个数 设G1满足 VOH 3 2V VOL 0 2V 16 解 N1 16 1 16 G1输出低电平 G1输出高电平 G1输出高电平时 最大允许输出电流为0 4mA 每个负载门输入电流为IIH 不超过0 04mA 故 N2 0 4 0 04 10 综合N1 N2 应取N 10 N称为门的扇出系数 每个负载门电流 G1门电流 0 2V 28 三 TTL反相器的动态特性 1 传输延迟时间 延迟作用是由晶体管的延迟时间 电阻以及寄生电容等因素引起的 tPLH往往比tPHL大 经常用平均传输延迟时间tPD来表示 tPD tPLH tPHL 2 2 交流噪声容限 干扰信号作用时间短到与tPD相近时的噪声容限 此时 tW越小 允许的干扰信号幅值越大 29 3 电源动态尖峰电流 静态电流 ICCL iB1 iC2 5 2 1 4 5 1 1 6 3 2mA ICCH iB1 5 0 9 4 1mA 在动态情况下 会出现T4和T5同时导通的情况 特别是输出由低电平跳变为高电平时 使电源电流出现尖峰脉冲 此电流最大可达30多mA 电源尖峰电流的不利影响 1 使电源平均电流增加 2 通过电源线和地线产生内部噪声 30 四 其他类型的TTL门电路 一 其他逻辑功能的门电路 1 与非门 T1为多发射极管 可等效为两个三极管 其工作原理可从两方面分析 2 输入有低时 输出高电平 此时A B两端并联 T1成为一个三极管 结论成立 1 输入全高时 输出低电平 设A端输入0 2V 则TI基极电位为0 9V 此时无论B端状态如何 都不会影响T1基极电位 因此输出为高电平 0 2V 0 9V 如果输入全悬空 输出为低电平 因此输入悬空等效为输入高电平 返回34 31 2 或非门 或非门的原理可从两方面分析 1 输入全低 输出为高 A端为低电平 使T2截止 B端为低电平 使截止 从而使T5截止 输出为高电平 2 输入有高 输出为低 若A端为高电平 使T2导通 此时无论为何状态 都不会使T2截止 因此T5一定导通 使输出为低电平 32 3 与或非门 在或非门的基础上 增加与输入端 从而实现与或非逻辑 33 4 异或门 红框中的电路控制T7的状态 因此 当T7截止时 电路就是以A B为输入的与非门 A B两输入端的高电平分别通过T5和T4使T7截止 说明输入A B有高电平 就按与非门分析 当A B全低时 T4 T5全截止 使T7导通 输出低电平 从右表可得出该电路为异或门 34 二 集电极开路门 电路 OC OpenCollectorGate 目的 将门的输出端并联 实现线与 普通TTL门输出端并联时 将产生过大的输出电流导致器件损坏 此电流可达30多毫安 电路原理 逻辑符号 使用时需外接电阻RL 当输入有低电平使T5截止时 只有很小的漏电流流入门里的T5的集电极 可认为此时门的输出端处于高阻状态 电阻可接到其他电源 用表示 如SN7407可接30V电压 很容易验证这是一个二输入端与非门 返回RL计算 返回36 35 负载电阻RL的计算 图中电阻RL以下连线称为总线 这是用集电极开路门连成总线结构的典型电路 其中负载电阻RL只需用一个即可 总线电位用表示 分 VOH和 VOL两种情况讨论 总线 其电位 矩形框表示线与 当 VOH时 IOH IIH IRL IRL nIOH mIIH 用上式求出RL的最大值 输入特性 OC门 36 当总线为低电平VOL时 当 VOL时 IRL IL VOL IIL 由上式求出RL的最小值 RL在求出的范围内取值 取值偏大会降低工作速度 取值偏小会增加电源功耗 为提高速度 就必须保持输出高电平时的低内阻特性 从而引出三态输出门 TS 只有一个门输出低电平是最不利情况 输入端34 37 三 三态输出门电路 TS Three StateOutputGate EN为使能端 高电平有效 EN为高电平时 若A B都为高电平 二极管D截止 对电路无影响 输出为低电平 若A B中有低电平 T2 T5截止 二极管D导通 T4基极电位被钳在4 3V T4导通 输出高电平 但电位为2 9V 3 6V 4 3V 2 9V 4 3V EN为低电平时 T5截止 T4基极电位被钳在1V 因此 T4截止 从而输出端出现高阻状态 如EN端只有一个非门 则为低电平有效 0 3V 38 在总线传输方面的应用如图 接成总线方式时 在n个EN端中 每次最多只能有一个有效 双向总线 39 多余输入端如何处理 以与非门为例 方法1 应使B 1 途径 1 接高电平 2 接VCC 3 悬空 4 接大电阻 大于2K欧姆 5 与A端并联 若为或非门 情况则不同 方法2 B A 40 四 TTL电路的改进系列 一 74H系列 除了74系列外 TTL电路还有74H 74S 74LS 74AS和74ALS等系列 又称为高速系列 各改进系列都围绕提高速度和降低功耗两点进行 减小电阻值可提高速度 但是会明显增加功耗 可见其各电阻值明显小于74系列 加上采用了复合管T3 T4 因此速度明显提高 但功耗增大更明显 可参考表2 4 1 41 二 74S系列 又称为肖特基系列 与74H系列比 有两点改进 1 使用肖特基势垒二极管 SchottkeyBarrerDiode 简称SBD 2 采用有源泄放电路 SBD特点 导通压降0 4 0 5V 无电荷存储 工艺与TTL兼容 使用SBD后 三极管不会进入深饱和状态 从而提高速度 42 有源泄放电路 T6和RB RC构成有源泄放电路 其作用有二 提高速度 改善电压传输特性 当T2 T5由截止转入导通时 T5早于T6导通 加速T5导通 缩短tPHL 当T2 T5由导通转入截止时 处于饱和的T6为T5基极提供反向泄放电流 加速T5截止 缩短tPLH 有源泄放电路还改善了电压传输特性 因为有了T6后 T2不再先于T5导通 43 三 74LS系列 特点 增加电阻值以减小功耗 使用SBD以提高速度 采用有源泄放电路以提高速度 将T1改为SBD与门以提高速度 增加D3 D4以提高速度 缺点 传输特性曲线转折区左移使阈值电压VTH降为1 1V左右 输出低电平偏高 最大可达0 5V 74S系列也具有这一缺点 44 第六节CMOS门电路 一 反相器 非门 一 工作原理 N沟道管开启电压VGS th N记为VTN P沟道管开启电压VGS th P记为VTP 要求满足VDDVTN VTP 输入低电平为0V 高电平为VDD 1 输入为低电平0V时 2 输入为高电平VDD时 T1截止 T2导通 iD 0 0V 输入与输出间是逻辑非关系 Complementary SymmetryMOS 互补对称式MOS电路 要求两管特性完全一样 T2截止 T1导通 iD 0 VDD 45 特点 静态功耗近似为0 电源电压可在很宽的范围内选取 在正常工作状态 T1与T2轮流导通 即所谓互补状态 CC4000系列CMOS电路的VDD可在3 18V之间选取 46 二 静态特性 1 电压传输特性 T2截止 T1导通 T1截止 T2导通 T1 T2都导通 阈值电压 转折区变化率大 特性更接近理想开关 阈值电压为VDD的一半 特性对称 因而输入端噪声容限较大 CC4000系列CMOS电路的噪声容限为 允许输出电压变化百分之十 VNH VNL 30 VDD 特点 47 2 电流传输特性 当T1 T2都导通时 iD不为0 输入电压为VDD 2时 iD较大 因此不应使其长期工作在BC段 在动态情况下 电路的状态会通过BC段 使动态功耗不为0 而且输入信号频率越高 动态功耗也越大 若有负载电容 动态功耗也会增加 这也成为限制电路扇出系数的主要因素 48 3 输入特性 由于MOS管栅极绝缘 输入电流恒为0 但CMOS门输入端接有保护电路 从而输入电流不为0 由曲线可看出 输入电压在0 VDD间变化时 输入电流为0 当输入电压大于VDD时 二极管D1导通 当输入电压小于0V时 二极管D2导通 二极管D2和电阻RS串联电路的特性 二极管D1的特性 49 4 输出特性 1 输出低电平 T2工作在可变电阻区 有较小的导通电阻 当负载电流增加时 该电阻上的压降将缓慢增加 对于CC4000系列门电路 当VDD 5V时 IOL的最大值为0 51mA 而在74HC系列中 该值为4mA 50 2 输出高电平 VOH VDD 与输出低电平类似 此时T1工作在可变电阻区 当负载电流增加时 T1的VDS加 导致输出下降 此时 IOH的最大值 与输出低电平时相同 51 三 动态特性 1 传输延迟时间 1 MOS管在开关过程中无电荷存储 有利于缩短延迟时间 2 MOS管的导通电阻比TTL电路大的多 所以其内部电容和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著 导通电阻受VDD影响 所以 VDD也影响传输延迟时间 3 CMOS门的输入电容比TTL电路大的多 因此负载个数越多 延迟时间越大 CMOS门的扇出系数就是受传输延迟时间和下面要介绍的动态功耗等动态特性限制的 52 2 交流噪声容限 3 动态功耗 与TTL电路类似 当噪声电压作用时间tW小于电路的传输延迟时间时 输入噪声容限VNA将随tW缩小而明显增大 传输延迟时间与电源电压和负载电容有关 因此VDD和CL都对交流噪声容限有影响 动态情况下 T1 T2会短时同时导通 产生附加功耗 其值随输入信号频率增加而增加 定量估算可得动态功耗PC的公式 PC CLfV2DD 负载电容经T1 T2充 放电 也会产生功耗 53 二 其他类型的CMOS门电路 1 与非门 特点 N沟道管串联 P沟道管并联 设 MOS管的导通电阻为RON 门电路的输出电阻为RO 输出电阻随输入状态变化 使用带缓冲级的门电路可以克服上述缺点 2 或非门 特点 P沟道管串联 N沟道管并联 输出高电平偏低 输出低电平偏高 此外 输入状态还会影响这两个门的电压传输特性 一 其他逻辑功能的CMOS门电路 54 二 带缓冲级的CMOS门电路 1 与非门 2 或非门 特点 输出电阻恒为RON 输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响 55 三 漏极开路门电路 OD 普通CMOS门不能接成线与形式 OD门输出端只是一个N沟道管 因此可以按OC门的办法连成总线形式 特点 VDD1和VDD2可取不同值 允许灌入电流较大 如 CC40107在VOL 0 5V的条件下 允许灌入的最大电流可达50mA 56 四 CMOS传输门和双向模拟开关 1 传输门 功能 可控制传输0V VDD间的模拟电压值 设 传输门的导通电阻为RTG 管T1和T2的导通电阻分别为RON1和RON2 则 RTG RON1 RON2 RL RTG RL 若满足RL RTG则 C 0时 传输门截止 C 1 传输门导通 57 分析原理 先分析只有一个管时的情况 单管工作的缺点是 1 有死区 2 导通电阻随输入电压变化很大 采用双管可克服这些缺点 58 2 模拟开关 将电压传输系数定义如下 采用改进电路的CMOS四模拟开关