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1、第三章 集成门电路,概述3.1 晶体管开关特性3.2 分立元件门电路3.3 TTL门电路3.4 其它类型的TTL门3.5 MOS集成门电路,知识要点,1.半导体器件的开关特性,2.TTL逻辑门的功能、外部特性,3.集电极开路输出（OC）门和三态输出（TS）门,4.MOS逻辑门的功能、外部特性,前面介绍了逻辑变量是双值变量,概述,工程上：,用“0”表示VL，用“1”表示VH称正逻辑。,用“0”表示VH，用“1”表示VL称负逻辑。,ECL:VEE=-5.2V；VL=-1.6V；VH=-0.8V,CMOS:VDD=+3V+18V；VL=0V;VH=VDD,TTL:VCC=+5V;VL=0.2V;VH
2、=3.6V,1.双极型集成电路（双极型半导体器件）:,2.单极型集成电路（场效应管）:,特点:速度快、负载能力强，但是功耗大、结构较复杂，集成规模受到一定限制。,特点:结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但是速度稍慢。,3.集成规模分类,小规模(SSI):100000元器件,4.设计方法和功能分类,非定制电路（标准逻辑器件）全定制电路（专用集成电路）半定制电路（PLD）,3.1.1晶体二极管开关特性,一、理想开关,二极管开关电路及特性曲线如图所示:,1.静态特性,二、二极管开关,硅管 UTH=0.7V,具有单向导电特性，但并非理想开关电路。,B.电压和电流之间是指数关系而不是线性关系。,主要
3、差异：,因此，在工程上都做近似处理，以简化分析。,2.动态特性,时延的产生：,3.1.2 双极型晶体三极管开关特性,一、静态特性,结果:IC=0,截止条件:Ube0(工程上0.5V),1.截止状态,2.放大状态,Ube0.50.7V,IC=Ib,Ube0(e结正偏),Ubc0(c结反偏),(Ibs称为临界饱和基极电流),3.饱和状态(等效开关导通),Rb,Ui,RC,VCC,UCE=0.3V,UBE=0.7V,IC,Ib,Ubes,Uces,b,c,e,二、动态特性,3.2 分立元件门电路,1.二极管与门,2.二极管或门,3.与非门,4.或非门,3.3 TTL集成逻辑门电路,系列 国际标准,2
4、.根据工作速度和功耗分:,1.根据工作环境温度和电源电压工作范围的差别分为54系列和74系列。,与门、或门、与非门、或非门、与或非门、非门、异或门,3.按逻辑功能分,4.按输出电路形式分,推拉输出(图腾柱输出)、集电极开路输出(OC)、三态输出(TS),3.3.1 TTL与非门电路结构及工作原理,1.输入低电压,R1,R2,R4,R3,A,B,D3,T1,T2,T4,T5,VCC,F,4K,1.6K,1K,130,1V,0.6V,5V,0V,4.3V,3.6V,2.输入高电压,2.1V,1.4V,0.7V,1V,0.3V,3.3.2 参数与指标,TTL与非门主要外部特性参数：,输入开门电平、关
5、门电平、输出逻辑电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。,1.输入开门电平和关门电平,“0”:U(0),U(0)+U(0),U(0)+U(0)1V,“1”:U(1)-U(1),U(1),U(1)-U(1)1.4V,2.输出高低电平,输出高电平UOH3.6V=2.4V,输出低电平UOL0.3V=0.4V,3.扇入系数NI,与非门允许的输入端数目，NI=2-5，最多不超过8。,实际应用中需要超过NI时，可使用“与扩展器”或者“或扩展器”来增加输入端的数目，也可使用分级实现的方法来减少对门电路输入端数目的要求。,若使用中所需输入端数比NI小,可将多余输入端接VCC（与门、与非门）或接地（
6、或门、或非门）。,Ui,N个,“0”,No=IOHIiH=400A40A=10,&,&,&,&,4.扇出系数NO:拉电流负载,“1”,IOH:输出高电平电流；IiH：输入高电平电流。,Ui,N个,“1”,Ni=IOLIiL=16mA1mA=16,&,&,&,&,“0”,故选N=10;工程上选N=68。,IOL：灌入输出端的低电平电流；IiL：从输入端流出的低电平电流。,灌电流负载,5.平均功耗：空载条件下工作时所消耗的电功率,平均功耗P=(PL+PH)/2,6.平均延迟时间tpd,导通时延,截止时延,tpd10ns，一般小于40ns。,3.4.1 集电极开路输出(OC)门,“线与”逻辑,线与,
7、VCC,VCC,130,130,T4,T4,T5,先来看看推拉输出结构的输出等效电路:,F1=0,F2=1,F,&,&,F1,F2,F,T5,R1,R2,R3,A,B,T1,T2,T5,VCC,F,4K,1.6K,1K,为实现“线与”，设计出OC门:,OC门的特点:,(1)必须外接上拉电阻RL；,(2)多个OC门的输出可以连接在一起“线与”；,(3)OC门可实现电平转换；,(4)用做驱动器。,3.4.2 三态输出门(TS)门,具有三种输出状态：输出高电平、输出低电平和高阻状态。,(工作态)。,所致，即H门后的二级管截止，M点电压不变，故,EN=“1”使P点为“1”,由于P点的1是H门输出为“1
8、”,(1)TS门不需外接上拉电阻；,TS门的特点:,(2)EN=1，电路处于工作状态，称为使能控制端高电平有效的三态与非门；,例：画出输出波形。,TTL门闲置输入端的处理：,处理原则：不影响信号端的正常逻辑运算。,1.与门、与非门,(1)接”1”(VCC)，优点是不增加信号端的驱动电流；,(3)闲置(TTL门输入端闲置等效输入为“1”)。,(1)接“0”(地)；,(2)与信号端并接使用；,2.或门、或非门,(3)不允许闲置/悬浮。,3.5 CMOS集成逻辑门电路,具有制造工艺简单集成度高功耗小抗干扰能力强等优点;,有PMOS、NMOS、CMOS电路3种类型，CMOS 电路是目前应用最广泛的一类
9、;,几乎所有超大规模集成器件，如超大规模存储器件可编程器件等都采用CMOS工艺制造。,单极型集成电路,电压控制型器件,工作时只有一种载流子参与导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,3.5.1 场效应晶体管,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,MOS绝缘栅场效应管（N沟道）,（1）结构,P,G,S,D,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,金属铝,N导电沟道,N,N,（2）逻辑符号,NMOSFET：,VGS VTN(+2V)，形成沟道，等效开关接通；,VGS VTN(+2V)，沟道夹断，等效开关断开。,PMOSFET:,VGS VTP(2V)，形成沟道,等效开关接通；,VG
10、S VTP(2V)，沟道夹断，等效开关断开。,沟道导通内阻小于1K，相对于外电路可以忽略。,3.5.2 CMOS门电路,一、CMOS非门,(1)若Ui=0,(2)若Ui=+5V=VDD,T1 T2 驱动管串联连接，T3 T4 负载管并联连接。,0 0 OFF OFF ON ON 1,0 1 ON OFF OFF ON 1,1 0 OFF ON ON OFF 1,1 1 ON ON OFF OFF 0,二、CMOS与非门,VDD,T1,T2,A,B,F,T3,T4,三、传输门(模拟开关),四、CMOS漏极开路输出门(OD),可实现“线与”，必须外加上拉电阻，用于输出驱动或用于输出电平的转换。,五、三态门(TS),以TS反相器为例：,CMOS电路注意事项：,（2）TTL器件输入端闲置逻辑上等效为“1”，但CMOS器件输入端不允许浮空闲置，否则会造成逻辑混乱。,
