第2章 门电路.ppt

1、第2章 门电路,2.1 半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性 2.2 分立元器件门电路 2.3 CMOS集成门电路 2.4 TTL集成门电路 2.5 门电路的VHDL描述及其仿真,一、门电路的概念,实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫做逻辑门电路，简称门电路。如与门、或门、非门，以及与非门、或非门、与或非门、异或门等。,二、逻辑变量与两状态开关,电子开关的状态对应在二值逻辑中，逻辑变量的取值0或1。,三、高、低电平与正、负逻辑,高电平和低电平是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。 低电平，用0表示高电平，则称为负逻辑赋值，简称负逻辑。,四、分立元件门电路和集成门电路 分立元件

2、门电路：用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。 集成门电路：把构成门电路得元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用最多的就是CMOS和TTL集成门电路。,五、数字集成电路的集成度 集成度：在一块芯片中含有等效逻辑门的个数或元器件的个数。,2.1 半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性,2.1.1 理想开关的开关特性,一、静态特性 （1）断开时，无论UAK在多大范围变化，其等效电阻ROFF = ，通过其中的电流 IOFF = 0。 （2）闭合时，无论流过其中的电流在多大范围内变化，其等效电阻RON = 0，电压UAK = 0。 二、动态特性 （1）开通

3、时间ton = 0 ，即开关S由断开转到闭合不需要时间。 （2）关断时间toff = 0 ，即开关S由闭合转到断开不需要时间。 机械开关动态特性很差，半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，动态特性比机械开关好得多。,2.1.2 半导体二极管的开关特性,一、静态特性 1、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性。 2、半导体二极管的开关作用 （1）开关应用举例 输入硅二极管开关电路，输入为uI，其低电平为UIL= 2V，高电平为UIH= 3V 。,UO,(1) vI= UIL= 2V时，二极管反偏，D截止， vO= 0V (2) vI= UIH= 3V时，二极管正偏，D导通， vO= 3

4、 0.7V =2.3V,（2）静态开关特性 导通条件及导通时的特点：当外加正向电压UD0.7V时，二极管导通，导通后，可近似地认为UD 0.7V 不变； 截止条件及截止时的特点：当外加电压UD0.5V时，二极管截止，截止后，就近似地认为ID 0V 。,二、动态特性 1、二极管的电容效应 （1）结电容Cj 二极管中的PN结里有电荷存在，且受外加电压影响，像电容。 （2）扩散电容CD 二极管外加正向电压时，P区的多子孔穴，N区的电子，并未立即全部复合掉，形成一定的浓度梯度分布，越靠近结边界浓度越高；故因扩散运动而积累了电荷；与电容的作用相似。,2、二极管的开关时间 （1）简单二极管开关电路及UI和

5、iD的波形,（2）开通时间ton ton = td + tr （3）关断时间toff,2.1.3 半导体三极管的开关特性 半导体三极管最显著的特点是具有放大能力，能够通过基极电流iB控制其工作状态，是一种具有放大特性得由基极电流控制得开关元件。,一、静态特性 1、结构示意图、符号和输入、输出特性,输入电压uI，其低电平为2V，高电平为3V； 当 uI = 2V时，发射结反向偏置处于截止状态，iB 0、iC 0， uO = 12V。 当uI = 3V时，三极管导通， iB = = mA=1mA,uI uBE,Rb,3 0.7,2.3,2、半导体三极管的开关应用 （1）开关应用举例,临界饱和时的基

6、极电流,IBS = = = mA=0.06mA,ICS,VCC UCES,RC ,RC,VCC,12,1002,ICS是三极管饱和导通时的集电极电流；UCES是三极管饱和导通时集电极到发射极的电压降；对于开关管， UCES总是小于或等于0.3V，即,UCES0.3V,由估算结果知， iB远大于IBS，所以三极管深度饱和，则,uo=UCES0.3V,一般把 iB与IBS之比q，叫饱和深度，即 q = 上例中三极管的饱和深度： q= = 16 .6,iB,IBS,iB,IBS,1,0 .06,（2）静态开关特性 饱和导通条件及饱和时的特点 基极电流iB大于三极管临界饱和时的数值IBS时，饱和导通。

7、即若,iBIBS 时，三极管一定饱和。,VCC,RC,饱和导通时的特点： uBE0.7V, uCE=UCES0.3V。,截止条件及截止时的特点 当uBE小于三极管的死区电压U0时，管子基本上是截止的。即uBEU0 =0.5V，是硅三极管的截止条件。 截止时的特点： iB 0， iC 0。,二、动态特性,与二极管类似。,2.1.4 MOS管的开关特性,MOS管最显著的特点也是具有放大能力，通过栅极电压uGS控制其工作状态的，是一种具有放大特性的由电压控制的开关元件。 一、静态特性 1、结构示意图、符号、漏极特性和转移特性,2、MOS管的开关作用 当uI较小时，MOS管截止，uoUOH=VDD;

8、当uI较大时，MOS管导通， Uo=RON VDD/(RD+RON)，由于RONRD，输出为低电平，uoUOL 截止条件和截止时的特点 截止条件：当栅源电压uGS小于开启电压UTN时，将处于截止状态。 iD=0, MOS管如同一个断开的开关。 导通条件和导通时的特点 导通条件：当uGS大于UTN时 MOS管导通后，如同一个具有一定导通电阻RON闭合了的开关。,二、动态特性,1、MOS管极间电容 栅源电容CGS，栅漏电容CGD，大约为13pF，漏源电容CDS，大约为0.11pF。 2、开关时间 略,2.2 分立元器件门电路,2.2.1 二极管与门和或门,一、二极管与门,Y=AB,二、二极管或门,

9、Y=A+B,2.2.2 三极管非门（反相器）,1,A,Y,一、半导体三极管非门,1、电路组成和符号,2、工作原理,1 uI =UIL = 0时，三极管截止； 2 uI =UIH = 5V时，,iB = = mA=1mA,IBS = mA 0.17mA,iBIBS ,T饱和， uO =UCES0.3V,二、MOS三极管非门,1、电路组成和符号,2、工作原理,（1） uI =UIL = 0时， uGS=UIL = 0V，小于开启电压UNT = 2V，MOS管截止；所以 UO = 10V （2） uI =UIH = 5V时， uGS=UIH = 10V，大于开启电压UNT = 2V，MOS管工作在可

10、变电阻区，导通电阻很小； ,2.3 CMOS集成门电路PMOS管和MNOS管按照互补对称形式连接起来的。具有电压控制、功耗极小、连接方便等优点。2.3.1 CMOS反相器,一、电路组成及工作原理 1、电路组成 利用PMOS管和MNOS管两者特性能相互 补充的特点而做成的互补对称MOS反相器， 简称CMOS反相器。 2、工作原理 当ui0V时，uGS20VUTN,T2导通；uGS1=0VUTP,T1截止。Uo=0V。,Y=A,3、输入端保护电路 正常工作时，保护二极管处于截止状态。 当输入端电压出现高于VDDuDF或低于uDF时，相应保护二极管就会导通，从而把T1，T2栅极电位限制在uDF （V

11、DDuDF）范围内。 二、静态特性 1、输入特性,2、输出特性 （1）ui为低电平时，T2截止，T1导通，uo为高电平。 （2）ui为高电平时，T1截止，T2导通，uo为高电平。,3、传输特性 （1）特性曲线分析 AB: uiUTH, T2导通，导通电阻较大，iD开始出现并增加，功耗增加；ui在0.5VDD附近，T1，T2都导通，且导通电阻较小，iD最大，功耗最大。 CD:与AB段对应 （2）输入端噪声容限 uo为规定值时，允许ui波动的最大范围。 UNL：输入为低电平时的噪声容限 UNH：输入为高电平时的噪声容限,三、动态特性 1、传输延迟时间 2、输出端状态转换时间 3、交流噪声容限 4、动态功耗 与电源电压VDD、ui变化的重复频率， 负载电容的容量等有关 。 CMOS反相器的静态功耗很小，可忽略。,2.4 TTL集成门电路,TTL集成电路因其输入级和输出级都采用半导体三极管而得名，也称为晶体管晶体管逻辑电路。 2.4.1 TTL反相器 一、电路组成及其工作原理 1、电路组成 2