数字电子线路PPT课件

1、 TTL 即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 集成门电路 CMOS 集成门电路 输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。 用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。 第1页/共52页TTL电路的致命缺点是：功耗大，只能制造SSI，MSI，而无法制作LSI和VLSI。CMOS电路的突出优点是：功耗极低，非常适合制作VLSI。随着其工艺不断进步，无论在工作速度还是驱动能力上，都已不比TTL逊色。第2页/共52页条条件件开开关关输入信号满足一定条件时，门开启，输入信号满足一定条件

2、时，门开启，允许信号通过允许信号通过 。开门状态：开门状态：关门状态：关门状态：输入信号条件不满足，门关闭，输入信号条件不满足，门关闭，信号通不过信号通不过 。一、什么是门电路？一、什么是门电路？用来实现用来实现基本基本逻辑运算和逻辑运算和复合复合逻辑运算的单元电路。逻辑运算的单元电路。与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。门门（门电路是数字电路最为基本的逻辑单元）（门电路是数字电路最为基本的逻辑单元）输出和输入之间存在着一定的逻辑关系。不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：第3页/共52页超大规模超大规模大规模

3、大规模小规模小规模中规模中规模二、数字二、数字IC的分类的分类1.1.按集成度区分：按集成度区分：(SSI-Small Scale Integration)， 每片组件 内包含10-100个元件(或10-20个等效门)。(MSI-Medium Scale Integration)，每片组件 内含100-1000个元件(或20-100个等效门)。(LSI-Large Scale Integration)， 每片组件内 含1000-100 000个元件(或100-1000个等效门)。(VLSI-Very Large Scale Integration)， 内含100 000个元件(或1000个以上

4、等效门)。 逻辑门逻辑门触发器触发器编码器、译码器、编码器、译码器、 数据选择器、加法器、数据选择器、加法器、 计数器、计数器、 移位寄存器移位寄存器只读存储器、只读存储器、 随机存取存随机存取存储器、储器、 微处理器微处理器、专用专用数字信号处理器数字信号处理器第4页/共52页2.2.按数字系统设计方法分：按数字系统设计方法分：（1）通用型中规模（MSI），小规模（SSI）集成逻辑件。（2）微处理器产品，如微处理器、单片机、通用和专用数 字信号处理器等。（3）专用集成电路ASIC全定制半定制PLDPROMPLAPALGALCPLDFPGA第5页/共52页三、集成门的一般特性三、集成门的一般特

5、性1、电源电压是多少？2、输入和输出的高、低电平对应的电压范围是多少？3、抗干扰能力如何？噪声容限4、工作速度快不快？传输延迟时间5、功耗大不大？6、带负载能力是否强？扇入数和扇出数第6页/共52页1、电源特性：、电源特性：TTL: （15）5V;CMOS : (318）V2、输入和输出的高、低电平：、输入和输出的高、低电平：TTL高电平高电平低电平低电平2.4V5V，典型值，典型值:3.6V0V0.4V，典型值，典型值:0.3VCMOS74HC: 0.7VDD74HC: 0.3VDD数据手册一般给出四种逻辑电平参数：数据手册一般给出四种逻辑电平参数：输入高电平的下限值：输入高电平的下限值：V

6、IH(min)输入低电平的上限值：输入低电平的上限值：VIL(max)输出高电平的下限值：输出高电平的下限值：VOH(min)低电平的上限值：低电平的上限值：VOL(max)VI LmaxVOHminVIHminVOLmax输入输出第7页/共52页VI LmaxVOHminVIHminVOLmax输入输出3、噪声容限：、噪声容限： 定量说明集成电路抗干扰能力的参数定量说明集成电路抗干扰能力的参数 在数字电路中，即使有噪声电压叠加在输入信号的高、低在数字电路中，即使有噪声电压叠加在输入信号的高、低电平上，只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，输出端的逻电平上，只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，输

7、出端的逻辑状态就不会受到影响辑状态就不会受到影响;通常通常把这个不允许超过的界限叫做噪声容限把这个不允许超过的界限叫做噪声容限。电路噪声。电路噪声容限越大，抗干扰能力越强。容限越大，抗干扰能力越强。AY1&BY2& （1）高电平噪声容限：）高电平噪声容限：VNH= VOHmin- -VIHminVNHVNL（2）低电平噪声容限：）低电平噪声容限：VNL= VILmax- -VOLmax第8页/共52页数字电路中，无论是对数字电路中，无论是对元、器件参元、器件参数精度数精度的要求，还是对供电的要求，还是对供电电源稳电源稳定度定度的要求，都比模拟电路要低一的要求，都比模拟电路要低一

8、些。些。而提高数字电路的运算精度，可以而提高数字电路的运算精度，可以通过增加通过增加数字信号的位数数字信号的位数达到。达到。第9页/共52页4、传输延迟时间：、传输延迟时间： 表征门电路开关速度的参数。表征门电路开关速度的参数。输入输入twtr10%50%90%tftr：上升时间：上升时间tf：下降时间：下降时间tw：脉冲宽度：脉冲宽度输出输出tPHLtPLH上升沿上升沿下降沿下降沿tPHL：导通传输时间：导通传输时间tPLH：截止传输时间：截止传输时间 平均传输延迟时间平均传输延迟时间（Propagation delay)tpd=tpHL+ tpLH201第10页/共52页5、功耗：、功耗：

9、静态功耗：电路的输出没有状态转换时的功耗。静态功耗：电路的输出没有状态转换时的功耗。动态功耗：电路在输出发生状态转换时的功耗。动态功耗：电路在输出发生状态转换时的功耗。延时功耗积延时功耗积:DPdPtDP 第11页/共52页6、扇入数和扇出数：、扇入数和扇出数：扇入数：门电路输入端的数目。（通常为扇入数：门电路输入端的数目。（通常为28）扇出数：门电路在正常工作情况下，所能带同类门电路的扇出数：门电路在正常工作情况下，所能带同类门电路的 最大数目。最大数目。 受最大输出电流受最大输出电流IOHmax、IOLmax的限制。的限制。（1）拉电流工作情况：）拉电流工作情况：&IOHII HI

10、I H（2）灌电流工作情况：）灌电流工作情况：&IOLII LII LIHOHOHIIN(max) ILOLOLIIN(max) ),(OLOHNNMINN 第12页/共52页 理想二极管在加正压导通，加负压截止。 可作为理想开关使用。 实际PN结电荷有建立、存储和消散过程。2.2 二、二、三极管的开关特性三极管的开关特性继续第13页/共52页 数字电路中，二、三极管等器件的开关特性，实质是其导通和截止之间的转化问题 当脉冲信号频率很高时，开关状态转化速度非常快，百万次/秒，这就要求器件的导通和截止状态转换要在ns数量级的时间内完成 那么，是什么在影响（阻止）器件状态转换？怎样才能加快

11、器件的转换速度？继续第14页/共52页（1）加正向电压）加正向电压UF时，二极管导通，忽略管压降。二极管时，二极管导通，忽略管压降。二极管相当于一个闭合的开关。相当于一个闭合的开关。一、二极管的开关特性一、二极管的开关特性1 1二极管的静态特性二极管的静态特性DRLFFUIFKFRULI继续第15页/共52页 综合：二极管表现为一个综合：二极管表现为一个受外加电压受外加电压ui控制的开关控制的开关。 当外加电压当外加电压v vi i为脉冲信号时，二极管将随脉冲的变化为脉冲信号时，二极管将随脉冲的变化在在“开开”态与态与“关关”态之间转换：态之间转换：动态特性动态特性。（2）加反向电压时，二极管

12、截止，忽略反向电流）加反向电压时，二极管截止，忽略反向电流IS。二极。二极管相当于一个断开的开关。管相当于一个断开的开关。DLRUSRILKURR继续第16页/共52页2.2.二极管开关的动态特二极管开关的动态特性性 给二极管电路加入一个脉给二极管电路加入一个脉冲信号，电流的波形怎样呢？冲信号，电流的波形怎样呢？ts为存储时间，为存储时间，tt称为渡越时间。称为渡越时间。trets十十tt称为反向恢复时间称为反向恢复时间+DLiRuiuiUFUR t1t0 i t1t0 IF IStRtsIFtiI0.1t0IRt1继续第17页/共52页 正通正通反止反止tttstrevitVF-VRIFit

13、0.1IR-IRt1iRLDvI反向过程为反向过程为: :0t，二极管导通，则，二极管导通，则LFLDFFRVRVVIt t时，时，v vI I突变，二极突变，二极管并不立即截止，而管并不立即截止，而是电流由正向的是电流由正向的I IF F变变为一大的反向电流为一大的反向电流I IR R=V=VR R/R/RL L，维持时间，维持时间t ts s后，经过后，经过t tt t，下降，下降到到0.1I0.1IR R，此时二极，此时二极管才进入反向截止管才进入反向截止继续第18页/共52页PN结正向偏置结正向偏置+空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+扩散长度LP正向电流正向电流存储电荷存储电荷N N区

14、中区中少子空少子空穴穴存储电荷存储电荷P P区中区中少子电子少子电子+-（2 2）产生）产生t ts s的原因的原因-电荷存储效应电荷存储效应继续第19页/共52页PN结改为反向偏置结改为反向偏置由于电荷存储效应，反向由于电荷存储效应，反向电流大电流大(ts)势垒区先不变势垒区先不变PN扩散长度LP-+形成反向电流形成反向电流IR复合复合复合复合+继续第20页/共52页+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量漂移，反向电流很小有少量漂移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小， A级级继续第21页/共52页所以：所以：产生产生t t

15、s s的原因的原因-电荷存储效应电荷存储效应总结：总结： 当外加正压，当外加正压，P P区空穴向区空穴向N N扩散，扩散，N N 区电子向区电子向P P区扩散；区扩散； P P区存储了电子，区存储了电子，N N区存区存储了空穴，它们都是非平衡储了空穴，它们都是非平衡少数载流子。这一过程称为少数载流子。这一过程称为: :电电荷存储效应荷存储效应继续第22页/共52页 反向恢复时间反向恢复时间即即存储电荷消失所需要的时间存储电荷消失所需要的时间，远大于正向导通所需要的时间。远大于正向导通所需要的时间。 即：二极管的开通时间很短，对开关速度的即：二极管的开通时间很短，对开关速度的影响很小，以致可忽略

16、不计。影响很小，以致可忽略不计。 因此，影响二极管的开关特性因此，影响二极管的开关特性主要是反向恢复时间主要是反向恢复时间，而不是开通时间。，而不是开通时间。bjt第23页/共52页2.2.2 TTL的开关特性的开关特性一、双极型三极管的结构 BECNNP基极 发射极集电极BECNPN型三极管PNP集电极 基极 发射极 BCEBECPNP型三极管第24页/共52页二、双极型三极管的输入特性和输出特性 IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 AIB( A)UBE(V)204060800.40.8输入特性曲线输出特性曲线开启电压饱和区截止区放大区

17、第25页/共52页三、双极型三极管的基本开关电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。第26页/共52页第27页/共52页三极管临界饱和三极管临界饱和时的基极电流：时的基极电流：mA094. 0mA1503 . 05cCESCCBSRUVIui=1V时，三极管导通，基极电流：mA03. 0mA107 . 01bBEiBRuuiuo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03501=3.5V对应下图，分别求出ui分别为1V，0.3V，3V时的uo值IBS，未饱和第28页/共52页ui= =0.3V时，因为时，因为uBE 0.5V，iB=0=

18、0，三极管工作在，三极管工作在 截止状态，截止状态，ic=0=0。因为。因为ic=0=0，所以输出电压：，所以输出电压：uo=VCC=5V 截止状态ui=UILIBS，饱和第30页/共52页TTL开关等效电路 开关等效电路(1) 截止状态 条件：发射结反偏特点：电流约为0 第31页/共52页(2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅第32页/共52页三极管开关等效电路(a) 截止时 (b) 饱和时第33页/共52页uituot+Vcc0.3VTTL动态开关特性 第34页/共52页BJTBJT的开关时间：的开关时间：是指是指BJTBJT管由管由截止

19、到饱和截止到饱和导通导通 或者由或者由饱和导通到截止饱和导通到截止所需要的时间。所需要的时间。延迟时间延迟时间td从从+ +VB2加到集加到集电极电流电极电流ic上升到上升到0.10.1ICS所需所需要的时间；要的时间； 上升时间上升时间tric从从0.10.1ICS到到0.90.9ICS所需要的时间；所需要的时间； 开通时间开通时间t tonon= =t td d+ +t tr r就是建立基区电荷时间就是建立基区电荷时间第35页/共52页存储时间存储时间ts从输入信号降从输入信号降到到- -VB1到到ic降到降到0.90.9ICS 所需要所需要的时间；的时间； 下降时间下降时间tfic从从0

20、.90.9ICS降到降到0.10.1ICS所需要的时间。所需要的时间。 关闭时间关闭时间toff=ts+tf就是就是存储电荷消散的时间存储电荷消散的时间 第36页/共52页2 MOS管的开关特性 CMOS-IC中，以MOS管作为开关器件一、MOS管的结构和工作原理PNNGSD金属铝金属铝两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层P型衬底型衬底导电沟道导电沟道第37页/共52页GSDN沟道增强型沟道增强型源极栅极漏极第38页/共52页vGS=0时PNNGSDvGSvDSiD=0D、S间相当于两个背靠背的PN结SDB不论D、S间有无电压,均无法导通导电第39页/共52页PNNGSDVDSVGSvGS0时v

21、GSVGS(th)后形成电场GB,把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余电子在上表面形成N型层（反型层）为D、S间的导通提供了通道。VGS(th)称为阈值电压(开启电压）源极与衬底接在一起N沟道vGS增大，iD增大第40页/共52页二、MOS管的输入、输出特性栅极电流为零，无输入特性输出特性曲线（漏极特性曲线）第41页/共52页 用途：断开状态的电子开关。)(thGSGSvv0Di特点:D-S间电阻ROFF达千M欧以上第42页/共52页特点: :(1)(1)当vGS 为定值,iD 是 vDS 的线性函数，管子的D-S间呈现为线性电阻，其阻值受 vGS 控制： vGS越大， D-S导通电阻越小。RON=51K （2）管压降vDS 很小。用途：做压控线性电阻和闭合状态的电子开关。问