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1、第三章逻辑门电路基础,门电路概述 半导体二极管的开关特性 半导体三极管的开关特性 半导体MOS 管的开关特性 TTL 门电路 CMOS 门电路 TTL 电路与CMOS 电路的接口,3.1 概述,门电路：实现基本运算、复合运算的单元 电路，如:与门、与非门、或,门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1和0,获得高、低电平的基本原理,高/低电平都允许有一定的变化范围,正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1,3.2半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性（Diode）,VI=VIH D截止VO=VOH=VCCVI=VIL D导通VO=VOL=0.7V,高电平：VIH=V
2、CC低电平：VIL=0,输入VI,输出Vo,3.2.1 二极管的开关特性：,二极管的开关等效电路：,二极管的动态电流波形：,对二极管开关电路可得下列等效电路，如图3-1-3(a)(b)(c)。内阻rD，导通压降VON忽略rD忽略rD及VON,设VCC=5VVIH=3V;VIL=0V二极管导通时VDF=0.6V,规定2.4V以上为逻辑“1”,0.8V以下为逻辑“0”,3.2.2 二极管与门,3.2.3 二极管或门,VCC=5VVIH=3V;VIL=0V二极管导通时VDF=0.6V,规定2.4V以上为逻辑“1”,规定0.8V以下为逻辑“0”,3.3 TTL门电路3.3.1 半导体三极管的开关特性,
3、双极型三极管的开关特性（BJT,Bipolar Junction Transistor）,一、双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳,基区薄低掺杂,集电区低掺杂,发射区高掺杂,以NPN为例说明工作原理：,当VCC VBBbe 结正偏,bc结反偏e区发射大量的电子b区薄，只有少量的空穴bc反偏，大量电子形成IC,二、三极管的输入特性和输出特性,VON：开启电压硅管，0.5 0.7V锗管，0.2 0.3V近似认为:VBE VON iB=0VBE VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定,三极管的输出特性,固定一个IB值，即得一条曲线，在VCE 0.7V 以后，基本为水平直线,特性曲线分三个部
4、分放大区：条件VCE 0.7V,iB 0,iC随iB成正比变化，iC=iB。饱和区：条件VCE 0,VCE 很低，iC 随iB增加变缓，趋于“饱和”。截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,ce间“断开”。,仿真见NPN.EWB,三、双极型三极管的基本开关电路,当：VI=VIL时，T截止，VO=VOH当：VI=VIH时，T导通，VO=VOL,i）当VI VON时，三极管导通；基极电流iB,当三极管处于饱和状态时的基极饱和电流为：,为保证三极管处于饱和应使：,*注意：处于饱和时小于处于线性放大区的值。等效电路：,图解分析法：,四、三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,五、动态开关特
5、性,从二极管已知，PN结存在电容效应。在饱和与截止两个状态之间转换时，iC 的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。,六、三极管反相器,三极管的基本开关电路就是非门实际应用中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在输入接入负压。,当：VI=VIL时，T截止，VO=VOH当：VI=VIH时，T导通，VO=VOL,例：计算参数设计是否合理,VIH=5V VIL=0V,=20；VCE(sat)=0.1V,VEE=-8V,10K,3.3K,1K,Vcc=5V,仿真见单管反相器-例.EWB,将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路,当：,当：,又：,因此，参数设计合理,3.4 TTL反相器的电路结构
6、和工作原理一、电路结构，设,二、电压传输特性,需要说明的几个问题：,三、输入噪声容限,3.4.2 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,输入特性,输出特性,T5导通；T4截止。,2）输出为低电平特性,*当iL增大时，VOL线性增大，但斜率很小，iL 16mA。,例：扇出系数（Fan-out），试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。,一、传输延迟时间1、现象,3.4.3 TTL反相器的动态特性,二、交流噪声容限,当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出变化跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。,（b）负脉冲 噪声容限,（a）正脉冲 噪声容限,三、电源的动态尖峰电流,1.两种
7、静态下的电源负载电流不等空载条件下：,*Vo=Vol时，T2,5导通，T4截至,*Vo=VoH时，仅T1导通，,2、动态尖峰电流,3.5其他类型的TTL门电路,一、其他逻辑功能的门电路1.与非门,2.或非门,3.与或非门,4.异或门,二、集电极开路的门电路,1、推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用 OC门,2.OC逻辑门的特点及应用,.由于采用另外一组供电电源VCC，且一般VCC VCC，故可以提高输出逻辑高电平的电压值。.由于采用集电极开路输出,具有较大的电流驱动能力,而且可以输出端并联进一步增加电流输出能力.构成外部逻辑”线与”.,
8、3、OC门的结构特点,OC门实现的线与,4、外接负载电阻RL的计算,三、三态输出门（Three state Output Gate,TS）,三态门的用途,3.5.4 TTL电路的改进系列（改进指标：),一、高速系列74H/54H（High-Speed TTL）1.电路的改进(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）(2)减少各电阻值2.性能特点速度提高 的同时功耗也增加,二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,1.电路改进 采用抗饱和三极管 用有源泄放电路代替74H系列中的R3 减小电阻值2.性能特点 速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大,三、低功耗肖特基系列74
9、LS/54LS（Low-Power Schottky TTL）四、74AS,74ALS（Advanced Low-Power Schottky TTL）2.5 其他类型的双极型数字集成电路*DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路,3.6.1 CMOS门电路一.MOS管的开关特性,1、MOS管的结构,S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底,金属层,氧化物层,半导体层,PN结,N沟道增强型：
10、当加+VDS时，且VGS VGS(th)N D-S间形成导电沟道（N型层）,V GS(th)N 0,N型开启电压,P沟道增强型：当加-VDS时，且VGS VGS(th)P D-S间形成导电沟道（P型层）,V GS(th)P 0,P型开启电压,2、MOS管的基本开关电路,N型,3、等效电路,OFF，截止状态 ON，导通状态,4、MOS管的四种类型,增强型耗尽型,大量正离子,导电沟道,3.6.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,一、工作原理,1、当Vi=VIL=0，由于T2（N 型）,VGS2VGS（th）N，T2截止;而T1（P）,VGS1=-VDD VGS（th）P，T1导通。输出VO=V
11、OH VDD,2、当Vi=VIH=VDD，由于T2（N 型）,VGS2=VDD VGS2（th）N，T2导通;而T1（P 型）,VGS1=0 VGS1（th）P，T1截止。输出VO=VOL0,N型,P型,二、电压、电流传输特性,三、输入噪声容限,结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限,3.6.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性,一、输入特性,二、输出特性,3.6.4 CMOS反相器的动态特性,一、传输延迟时间,二、交流噪声容限三、动态功耗,3.7.1 其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的门电路,带缓冲极的CMOS门,1、与非门,带缓冲极的CMOS门,2.解决方法,二、漏极开路的门
12、电路（OD门）,N型,三、CMOS传输门及双向模拟开关,1.传输门,N型,P型,2.双向模拟开关,四、三态输出门,N型,P型,三态门的用途,3.8.1 TTL与CMOS电路的接口,*驱动和负载门的关系,无论是用TTL电路驱动CMOS电路还是用CMOS电路驱动TTL电路，驱动门必须能为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流，也就是必须同时满足下列各式,驱动门 负载门,CMOS驱动TTL,其中n和m分别为负载电流中IIH、IIL的格个数。,TTL驱动CMOS,当TTL驱动CMOS电路时：TTL电路的VOH(min)2.4VCMOS电路VIH(min)3.5V。当CMOS驱动TTL电路时：C
13、MOS电路IOL(max)0.5mATTL电路 IIL(max)-1mA-1.6mA。,解决的方法有：a.外接上拉电阻Ru，提高TTL输出高电平值VOH(min)；,b.用电平转移的门电路如CC40109转换电平；,c.用CMOS并联；用CMOS驱动门；通过三极管放大器。,例3.6.1 用TTL驱动CMOS(采用上拉电阻RU)。解：VOH=VDD-RU(IOH+IIH)，IOH、IIH为高电平输出电流。,和OC门同样处理，因为当VA 3.4V时，一般TTL输出T4截止，与OC门同样。,例3.6.3 用CMOS+电流放大（驱动）驱动TTL。,iB=IOH(CMOS)VOL=VCC RC(iB-nIIL)=VCC RC(IOH(CMOS)nIIL(TTL),当IOH(CMOS)=0.5mA，IIL(TTL)=-1.6mA，n=5，=50,作业一（p150-157),3.2;3.3;3.4;3.11;3.14;3.16;3.18;3.19,作业二（p150-159),3.7;3.8;3.23;3.24;3.29,
