数字电子技术_集成电路知识概述

3.1数字集成电路的分类,数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据集成规模的大小进行分类。,一、根据所采用的半导体器件进行分类,根据所采用的半导体器件，数字集成电路可以分为两大类。1.双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。2.单极型集成电路(又称为MOS集成电路):采用金属-氧化物半导体场效应管(MetelOxideSemiconductorFieldEffectTransister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。,双极型集成电路又可进一步可分为：TTL(TransistorTransistorLogic)电路；ECL(EmitterCoupledLogic)电路；I2L(IntegratedInjectionLogic)电路。TTL电路的“性能价格比”最佳，应用最广泛。,MOS集成电路又可进一步分为：PMOS(P-channelMetelOxideSemiconductor)；NMOS(N-channelMetelOxideSemiconductor)；CMOS(ComplementMetalOxideSemiconductor)。CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路的设计，而且综合性能最好。,二、根据集成电路规模的大小进行分类,通常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数，分为SSI、MSI、LSI、VLSI。,1.SSI(SmallScaleIntegration)小规模集成电路:逻辑门数小于10门(或元件数小于100个)；2.MSI(MediumScaleIntegration)中规模集成电路:逻辑门数为10门99门(或元件数100个999个)；3.LSI(LargeScaleIntegration)大规模集成电路:逻辑门数为100门9999门(或元件数1000个99999个)；4.VLSI(VeryLargeScaleIntegration)超大规模集成电路:逻辑门数大于10000门(或元件数大于100000个)。,3.2半导体器件的开关特性,数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是以开关方式运用的，其工作状态相当于相当于开关的“接通”与“断开”。数子系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中(通常开关状态变化的速度可高达每秒百万次数量级甚至千万次数量级)，研究这些器件的开关特性时，不仅要研究它们的静止特性，而且还要分析它们的动态特性。,3.2.1晶体二极管的开关特性,PN结,PN结特性；单向导电性,+,-,阳极,阴极,导通；开关开(闭合),截止；开关关(断开),导通压降；锗管0.3V或硅管0.7V,VD,返回,典型二极管的静态特性曲线(又称伏安特性曲线)：,1.正向特性门槛电压(VTH)：使二极管开始导通的正向电压，又称为阈值电压(一般锗管约0.1V，硅管约0.5V)。,正向电压VDVTH：管子截止，电阻很大、正向电流IF接近于0，二极管类似于开关的断开状态；正向电压VD=VTH：管子开始导通，正向电流IF开始上升；正向电压VDVTH(一般锗管为0.3V，硅管为0.7V)：管子充分导通，电阻很小，正向电流IF急剧增加，二极管类似于开关的接通状态。使二极管充分导通的电压为导通电压，用VF表示。,一、静态特性,静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。,2反向特性二极管在反向电压VR作用下，处于截止状态，反向电阻很大，反向电流IR很小（将其称为反向饱和电流，用IS表示，通常可忽略不计），二极管的状态类似于开关断开。而且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。,注意事项：正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成实际电路时通常要串接一只电阻R，以限制二极管的正向电流；反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向击穿电压VBR），一般不允许反向电压超过此值。,二极管组成的开关电路图如图（a）所示。二极管导通状态下的等效电路如图(b)所示，截止状态下的等效电路如图(c)所示，图中忽略了二极管的正向压降。,由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它当作开关使用。,二、动态特性,二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通时间的概念。,反向恢复时间tre=存储时间ts+渡越时间tt,2.开通时间,开通时间：二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间。二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。,N,P,N,基极B,集电极C,发射极E,NPN型,符号,B,C,E,B,C,E,T,T,返回,三极管模型,3.2.2晶体三极管的开关特性,三极管可以用两个等效的二极管PN结来表示，它有截止、放大、饱和3种工作状态；在数字电路中三极管主要工作在饱和、截止两种状态，其作用相当于一个无触点开关。,三极管的三种工作状态（a）电路（b）输出特性曲线,开关等效电路,(1)截止状态,条件：发射结，集电结反偏特点：,（VbVc）,基极临界饱和电流,集电极饱和电流,且,三极管的开关特性：,B,C,E,返回,双极型器件开关作用汇总,二极管,反向截止：,开关接通,开关断开,三极管（C,E),饱和区：,截止区：,开关接通,开关断开,正向导通：,返回,1二极管与门,最简单的与门可以用二极管和电阻组成。设VCC=5v，A、B端输入的高低电平分别为VIH=3v,VIL=0v，二极管VD1、VD2的正向导通压降VDF=0.7v。,A、B当中有一个是低电平0v,必有一个二极管导通,使F为0.7v,3.3.1简单逻辑门电路,最简单的与门可以用二极管和电阻组成。设VCC=5v，A、B端输入的高低电平分别为VIH=3v,VIL=0v，二极管VD1、VD2的正向导通压降VDF=0.7v。,A、B同时为高电平3v,F为3.7v,如果规定2v以上为高电平，用逻辑1状态表示；1v以下为低电平，用逻辑0表示。则逻辑电平列表改写成真值表为：,则输入、输出逻辑电平列表为：,F=AB,二极管与门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形,2、二极管或门,最简单的或门电路也是由二极管和电阻组成。,A、B同时为低电平0v,F为0v,最简单的或门电路也是由二极管和电阻组成。,A、B当中有一个是高电平,F为高电平2.3v,则输入、输出逻辑电平列表为：,如果规定2v以上为高电平，用逻辑1状态表示；1v以下为低电平，用逻辑0表示。则逻辑电平列表改写成真值表为：,F=A+B,二极管或门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形,(a)电路（b）逻辑符号,1.电路,2.工作原理,A为输入信号F为输出信号,3、非门,则输入、输出逻辑电平列表为：,如果规定2v以上为高电平，用逻辑1状态表示；1v以下为低电平，用逻辑0表示。则逻辑电平列表改写成真值表为：,3.3.2TTL集成逻辑门电路,1TTL集成门电路的结构,TTL集成门电路的结构一般分为三级，即输入级、中间级和输出级。,完成信号输入放大作用,完成信号处理及耦合作用,完成驱动放大作用,TTL是晶体管-晶体管逻辑的简称。TTL逻辑门由若干晶体三极管、二极管和电阻组成,1.输入级形式,多发射极晶体管实现与运算VD1,VD2用来限制输入端出现的负极性干扰信号，对晶体管VT器保护作用,2.中间级形式,单变量分相器,对于功能不同的门，这部分电路不一样。例如TTL与非门中间级就是分相器；或非门中间级就是线与电路。,分相器的逻辑表达式为：,A+B分相器,A、B中有一个为高电平,VT1、VT2必有一个饱和导通,F2必然为高电平，F1为低电平。,A+B分相器,A、B均为低电平,VT1、VT2都截止,F2必然为高电平，F1为低电平。,输入、输出的逻辑关系为：,其输出与输入变量的逻辑关系为：,根据以上分析，不难得到n个变量之(或)的分相器。,3.输出级形式,TTL集成门电路输出有四种输出形式，即(a)集电极开路输出，(b)三态门输出，(c)图腾柱输出，(d)复合管和图腾柱输出。,(a),(b),特点：具有控制VT1、VT2均截止的电路，当控制有效时，输出端F呈高阻态；当控制无效时，按逻辑门正常功能输出0，1两态。,特点：要接负载电阻RL和驱动电压VCC，实现高压、大电流驱动。,3.输出级形式,TTL集成门电路输出有四种输出形式，即(a)集电极开路输出，(b)三态门输出，(c)图腾柱输出，(d)复合管和图腾柱输出。,(c),(d),特点：任何时候作为输出的两个三极管，总有一个处于截止状态，而另一个处于饱和导通状态，该电路具有较强的驱动能力。,特点：具有图腾柱输出和复合管输出的特点，有极强驱动能力。,1、TTL与非门电路,输入级,中间级,输出级,由多发射极三极管VT1和电阻R1组成,为典型的单变量C1输入的分相器,为典型的复合管和图腾柱输出形式,输入级,输出级,中间级,T1多发射极晶体管：实现“与”运算。,返回,“非”,与非门,输出级,“与”,返回,1.任一输入为低电平（0.3V）时,0.7V,不足以让T2、T5导通,工作原理,0.7V,uo=5-uR2-ube3-ube43.4V高电平！,逻辑关系：任意一个输入为0时，输出为1,返回,电位被嵌在2.1V,全反偏,1V,2.输入全为高电平（3.4V）时,返回,全反偏,uF=0.3V,逻辑关系：全1则0。,返回,输入、输出的逻辑关系式：,2、与或非门和或非门电路,输入级,中间级,输出级,由两个独立的与门电路组成,为A+B典型分相器,由典型的复合管和图腾柱输出构成,或非门电路构成：在与或非门电路的基础上，去除输入级发射极B和D，即输入级就是单发射极三极管，或者在与或非门电路中，在B、D加固定的高电平“1”，就构成了或非门电路。其输出与输入变量的逻辑关系为：,2.两种特殊的门电路,(1)集电极开路门(OC门)集电极开路门(OpenCollectorGate）是一种输出端可以直接相互连接的特殊逻辑门，简称OC门。图给出了一个集电极开路与非门的电路结构图和逻辑符号。,需要外接负载电阻和电源,注意！集电极开路与非门只有在外接负载电阻RL和电源UCC后才能正常工作。,将两个OC结构的与非门作线与连接：,F1、F2有一个是低电平，输出F就是低电平。只有F1、F2同时为高电平时，输出F才是高电平，即F=F1F2。即：,集电极开路与非门在计算机中应用很广泛，可以用它实现线与逻辑、电平转换以及直接驱动发光二极管、干簧继电器等。,(2)三态输出门(TS门)三态输出门有三种输出状态：输出高电平、输出低电平和高阻状态，前两种状态为工作状态，后一种状态为禁止状态。简称三态门(ThreestateGate)、TS门等。注意!三态门不是指具有三种逻辑值。,如何使电路处在工作状态和禁止状态？通过外加控制信号！,例如：,该电路逻辑功能如下：EN=0：二极管D反偏，此时电路功能与一般与非门无区别，输出；EN=1：一方面因为T1有一个输入端为低，使T2、T5截止。另一方面由于二极管导通，迫使T3的基极电位变低，致使T3、T4也截止。输出F便被悬空，即处于高阻状态。,三态门常用于总线传输控制。如下图所示，用两种不同控制输入的三态门可构成的双向总线。,图中：EN=1时:G1工作，G2处于高阻状态，数据D1被取反后送至总线；EN=0时:G2工作，G1处于高阻状态，总线上的数据被取反后送到数据端D2。实现了数据的分时双向传送。,四、TTL异或门电路,首先将异或公式变换一下：,输入级,中间级,输出级,五、集成TTL同或门电路,首先将同或公式变换一下：,输入级,中间级,输出级,F=AB,1MOS管的开关特性,MOS管有NMOS管和PMOS管两种。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。,返回,MOS管的开关特性,NMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性,D接正电源,（1）NMOS管的开关特性,PMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性,D接负电源,（2）PMOS管的开关特性,3.3.3CMOS门电路,由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路为互补MOS或CMOS电路。,一、CMOS反相器,A=0,导通,UGSP=VDD,截止,F为高电平,3.3.3CMOS门电路,一、CMOS反相器,A=1,截止,导通,F为低电平,则输入输出的逻辑关系为：,由一个N沟道增强型MOS管VTN和一个P沟道增强型MOS管VTP组成的CMOS反相器如下图所示。电路正常工作条件：VDD大于VTN管开启电压VTN和VTP管开启电压VTP的绝对值之和，即VDDVTN+|VTP|。,2、CMOS与非门,A、B中只要有一个为低电平，就会使两个相串连的NMOS管截止，使两个相并联的PMOS管导通，输出F为高电平。当A、B全为高电平时，才会使两个串联NMOS管都导通，使两个并联型PMOS管都截止，输出为低电平。则这种电路具有与非的逻辑功能，即：,3、CMOS或非门,CMOS或非门如下图所示。其中VTP1、VTP2是两个串联的PMOS管，VTN1、VT