集成逻辑门电路-read说课材料

1、集成逻辑门电路-Read概述概述基本逻辑门电路基本逻辑门电路TTL 集成逻辑门电路集成逻辑门电路*CMOS 集成逻辑门电路集成逻辑门电路*TTL 电路和电路和 CMOS 电路的接口电路的接口本章小结本章小结3.1 概述概述主要要求：主要要求： 了解逻辑门电路的作用和常用类型。了解逻辑门电路的作用和常用类型。 理解高电平信号和低电平信号的含义。理解高电平信号和低电平信号的含义。 n一些知识概念：一些知识概念：n脉冲（脉动和短促）脉冲（脉动和短促）n脉冲信号及其广义的定义脉冲信号及其广义的定义n脉冲电路：脉冲电路： 1、惰性元件（电阻、电容、电感）组成的、惰性元件（电阻、电容、电感）组成的线性网络

2、：控制暂态过程的形状和快慢。线性网络：控制暂态过程的形状和快慢。 2、开关元件（二、三极管、开关元件（二、三极管、MOS管）组成：管）组成：接通和断开状态：破坏电路的稳态，使之接通和断开状态：破坏电路的稳态，使之产生暂态过程。产生暂态过程。 TTL 即即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 一、门电路的作用和常用类型一、门电路的作用和常用类型 按功能特点不同分按功能特点不同分 普通门普通门( (推拉式输出推拉式输出) ) CMOS传输门传输门 输出输出开路门开路门 三态门三态门

3、门电路门电路 (Gate Circuit) 指用以实现基本逻辑关系和指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分按逻辑功能不同分 与门与门 或门或门 非门非门 异或门异或门 与非门与非门 或非门或非门 与或非门与或非门 按电路结构不同分按电路结构不同分 TTL 集成门电路集成门电路 CMOS 集成门电路集成门电路 输入端和输出端都用输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。三极管的逻辑门电路。 用互补对称用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。管构成的逻辑门电路。 高电平和低电平为某高电平和

4、低电平为某规定范围规定范围的电位值，而非一固定值。的电位值，而非一固定值。 高电平信号是多大的信号？低高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？电平信号又是多大的信号？10高电平高电平低电平低电平01高电平高电平低电平低电平正逻辑体制正逻辑体制负逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定由门电路种类等决定 主要要求：主要要求： 理解理解二极管的开关特性。二极管的开关特性。 掌握三极管的开关特性。掌握三极管的开关特性。 3.2基本逻辑电路基本逻辑电路了解了解MOS管的开关特性。管的开关特性。 3.2.1 3.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性正向导通状态正向导通状态-导通电阻很小

5、，两端相当于短路导通电阻很小，两端相当于短路反向截止状态反向截止状态-等效电阻很大，两端相当于开路等效电阻很大，两端相当于开路1. 1. 二极管的大信号稳态（静态）工作二极管的大信号稳态（静态）工作理想开关理想开关 PN结是半导体器件的核心环节。模拟电路中已讨论了二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管的基本电路及其分析方法与应用。P型半导体中，多数载流子是空穴，N型半导体中，多数载流子是电子。扩散电流：由于PN结两边载流子的浓度差别，载流子会从浓度高的一方向浓度低的一方运动，称为扩散运动，它产生扩散电流。漂移电流：由于电位差的存在，载流子在电场的作用下产生的运动，称为漂移运动

6、，它产生漂移电流。 电位差来自外加电压和电荷积累构成的内电场。P型区N型区 空间电荷区一、二极管的静态开关特性一、二极管的静态开关特性 当输入当输入 uI 为低电平为低电平 U UILIL，二极，二极管反向截止。管反向截止。 二极管关断的条件和等效电路二极管关断的条件和等效电路 当输入当输入 uI 为高电平为高电平 U UIHIH，二极，二极管正向导通。管正向导通。 二极二极管管伏安伏安特性特性二、二极管的动态开关特性二、二极管的动态开关特性 P 区区 N 区区 势垒区势垒区 + - P 区的电子区的电子浓度分布浓度分布 N 区的空穴区的空穴浓度分布浓度分布 产生反向恢复过程的物理机制产生反向

7、恢复过程的物理机制存储电荷消散需要时间存储电荷消散需要时间 用载流子浓度梯度解释：正向用载流子浓度梯度解释：正向电流愈大，电荷的浓度分布梯度电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，转换为截止时的浓度分布愈大，转换为截止时的浓度分布梯度所需的时间也愈长。梯度所需的时间也愈长。 用电容的概念理解：正偏时扩用电容的概念理解：正偏时扩散电容较大，存储的电荷也较多，散电容较大，存储的电荷也较多，电荷消散所需的时间也较长。电荷消散所需的时间也较长。三极管为什么能用作开关？三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？怎样控制它的开和关？ 当输入当输入 uI 为低电平，使为低电平，使 uBE Uth时，三极管截止。

8、时，三极管截止。 iB 0，iC 0，C、E 间相当间相当于开关断开。于开关断开。 三极管关断的条件和等效电路三极管关断的条件和等效电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS负载线负载线临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区二、三极管的开关特性二、三极管的开关特性 截止区截止区uBE UthBEC三极管三极管截止状态截止状态等效电路等效电路uI=UILuBE+ +- -Uth为门限电压为门限电压( (一一) ) 三极管的静态开关特性三极管的静态开关特性IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大

9、区放大区二、三极管的开关特性二、三极管的开关特性 uI 增大增大使使 iB 增大，增大，从而工作点上移，从而工作点上移， iC 增增大，大，uCE 减小。减小。截止区截止区uBE Uth时，三极管开始导通，时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作于放大，三极管工作于放大导通状态。导通状态。IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区二、三极管的开关特性二、三极管的开关特性 截止区截止区uBE IB(sat)因为因为 iB =IHB 0.7 VURBBV .92V 7 . 06 . 3RR CCCB(sat)RVI mA 1

10、. 0k 150V 5 所以求得所以求得 RB ton( (二二) )三极管的动态开关特性三极管的动态开关特性 开关时间主要由于开关时间主要由于电电荷存储效应荷存储效应引起，要提高引起，要提高开关速度，必须降低三极开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。储电荷的消散。C E B SBD B C E 在普通三极管的基极和集电极之间并在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管接一个肖特基势垒二极管( (简称简称 SBD) ) 。BCSBD抗饱和三极管的开关速度高抗饱和三极管的开关速度高 没有电荷存储效应没有电荷存储效应 SBD 的导通电压只有的导

11、通电压只有 0.4 V 而非而非 0.7 V， 因此因此 UBC = 0.4 V 时，时，SBD 便导通，使便导通，使 UBC 钳在钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。上，降低了饱和深度。( (三三) )抗饱和三极管抗饱和三极管3.2.3MOS管的开关特性MOS管的动态特性：3.2.4 分立元件门电路分立元件门电路1 1、二极管与门二极管与门 +VCC(+5V) R 3k L D1 A D2 B 5V 0V A B L & uA uB uL D1 D2 0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V 0.7V 0.7V 0.7V 5V 导通 导通 导通 截止 截止 导通 截止 截止

12、A B L 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 L=AB 0V A D1 B D2 5V L R 3k 2 2、二极管或门二极管或门 A B L 1 uA uB uL D1 D2 0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V 0V 4.3V 4.3V 4.3V 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通 A B L 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 L=A+B A =40 +5V L 电路图 1 逻辑符号 A L 1k 4.3k 3 3、非门电路非门电路BJT反相器反相器uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。基极电流：iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uLUCES0.3V。mA1mA3 . 47 . 05Bi三极管临界饱和时的基极电流为：mA12. 0140