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1、第二章 门电路,2.1 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,门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0,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,外形：PN结+引线+封装构成,P,N,2.2半导体二极管和三极管的开关特性,2.2.1 二极管的基本开关电路,高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V,开关特性,外形：管芯+三个引出电极+外壳,2.2.2 双极型三极管的基本开关电路,输出特性：,
2、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,只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL,工作状态分析：,总之，VI=VIH，VO=VOL；VI=VIL，VO=VOH,管的基本开关电路,说明：1.左图为增强型绝缘栅型场效应管;2.通常情况下,出厂时已经将衬底和 源极连在一起了;3.双极型三极管是流控型器件;MOS 管是压控型器件,即VGSiD；4.输入电流总为0，因为G和S之间是 绝缘的；5.输出特性曲线。,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
3、体层,PN结,特性曲线（分三个区域）:,截止区恒流区可变电阻区,MOS管的基本开关电路:,总之，VI=VIH，VO=VOL；VI=VIL，VO=VOH,2.3 最简单的与、或、非门2.3.1 二极管与门,设VCC=5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时 VDF=0.7V,规定3V以上为1,0.7V以下为0,2.3.2 二极管或门,设VCC=5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时 VDF=0.7V,规定2.3V以上为1,0V以下为0,二极管构成的门电路的缺点,电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路,2.3.3 三极管非门,三极管的基本开关电路就是非门实际应用
4、中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在 输入侧接入负压。,VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL参数合理？,例：计算参数设计是否合理,例2.3.1：计算参数设计是否合理,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,2.4 TTL电路2.4.1 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设,讨论：当 时,T2T5截止，T4导通，,讨论：当 时,T2T5导通，T4截止，,二、电压传输特性,二、电压传输特性,二、电压传输特性,三、输入噪声容限VNL、VNH,a.如何理解噪声容限？低电平噪声容限VNL和高电平噪声容限VNH,b.定量描述,c
5、.74系列门电路,噪声容限总结：同一系列的门电路，允许输入的高低电平范围，一定大于输出的高低电平范围；VOH(min)、VOL(max)、VIH(min)、VIL(max)由手册给出；噪声容限越大，抗干扰能力越强。,四、输入特性,输入电压和输入电流之间的关系曲线,返回,vI,(a)电路图（b）输入特性曲线,两个重要参数：,(1)当VI=VI L=0.2V时 iI=(VCC VBE1 0.2)/R1=(5 0.7 0.2)/4 1mA 负号表示电流从输入端流出。特殊地，当VI=0V 时，称输入短路电流IIS，约为 1mA。,(2)当VI=VI H=3.4V时 当输入为高电平时，VT1的发射结反偏
6、，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数反很小(约在0.01以下)，所以 iI=IIH=反 iB2称高电平输入电流IIH，约40A左右，,五、输出特性,指输出电压与输出电流之间的关系曲线。,a.输出高电平时的输出特性,负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。,（a）电路（b）输出高电平时的输出特性,拉电流负载,负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。,（a）电路（b）特性曲线,（a）测试电路（b）输入负载特性曲线,TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，vI随RI 的变化而变化的关系曲线。,六、输入端负载特性,在一定范围内，vI随RI的增大而升高。但当输入电压vI
7、达到1.4V以后，vB1=2.1V，RI增大，由于vB1不变，故vI=1.4V也不变。这时VT2和VT4饱和导通，输出为低电平。,vI,RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。,RI 较小时，关门，输出高电平；,RI 较大时，开门，输出低电平；,ROFF,RON,RI 悬空时？,(1)关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.7k。,(2)开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON 3k。数字电路中要求输入负载电阻RI RON或RI ROFF，否
8、则输入信号将不在高低电平范围内。,2.4.2 TTL反相器的动态特性,现象：1.输出相对输入有时间延迟，且tPLHtPHL；2.波形变差。原因：三极管be结由饱和 变为截止的时间比由截止变为饱和的时间要长；2.电路中存在分布电容和结电容。,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（OC门）,1、推拉式输出电路结构的局限性输出电平总局限于VCC以下；输出端不能并联使用；驱动电流小（尤其是高电平输出时）。,2、OC门结构,2、OC门结构,3.OC门实现的线与,OC门小结：,1.OC门必须接上拉电阻，还可以是与门、与非门
9、等;2.可线与；3.输出的高电平接近于VCC;4.驱动电流大。,三、三态输出门（Three state Output Gate,TS）,总之：1.Y有三种输出状态：高电平、低电平、高阻；2.EN 代表高电平有效，EN代表低电平有效。,三态门的用途,1位总线，且总线是分时复用的,一、高速系列74H/54H（High-Speed TTL）改进措施(1)输出级采用达林顿管（减小输出电阻Ro）(2)减小各电阻值近一倍,2.4.4 TTL电路的改进系列（改进指标：),2.性能特点74H/54H系列速度的提高 是以静态功耗的增加为代价的。,二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,改进措施
10、减小电阻值的同时采用抗饱和 的肖特基三极管,2.性能特点速度进一步提高；功耗增大；电压传输特性没有线性区。,用有源泄放电路代替74H系列中的R3,三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-Power Schottky TTL）,四、74AS,74ALS（Advanced Low-Power Schottky TTL）,改进措施：增加电阻值的同时采用抗饱和的肖特基三极管；,(2)改进了电路结构。,在工艺上和电路上做了进一步的改进，74ALS系列具有更小的延时功耗积,74系列中:7420、74H20、74S20、74LS20、74AS20及74ALS20功能相同，都是双4输入与非门（两个4输
11、入的与非门），正常工作所需的电源及引脚排列都是相同的，不同之处在于性能参数不同，如：tpd,dp积不同。即：逻辑功能相同，性能各有偏重。,2.4.5 CMOS反相器的电路结构和工作原理,1.电路结构,为简明起见，假定T1和T2的参数完全对称，开启电压相同均为VTH。且VDD2*VTH,T2(TN)：N沟道P型衬底，当VGSNVth 时，TN导通,2.电压、电流传输特性,3.输入噪声容限,说明：由于CMOS输出的低电平接近于 0，当后级电路为CMOS门时，允许叠加较大的干扰；,由于CMOS输出的高电平接近于 VDD，当后级电路为CMOS门时，允许叠加较大的干扰；,CC4000系列中，VNH=VN
12、L30%VDD，VDD越大，噪声容限越大。,4.输入特性,电路说明：D2是在制造CMOS管时，工艺上导致D2是一种分布式二极管；D1是一个二极管。,5.输出特性,(1)低电平输出特性,特点：a.不同的VDD(VGS)，TN管呈现的内 阻不同，VDD越大，内阻越小；b.输出相同的低电平时，VDD越大，可以接受的灌电流越大。,5.输出特性,(2)高电平输出特性,特点：a.不同的VDD，TP管呈现的内阻不同，VDD越大，内阻越小；b.输出相同的高电平时，VDD越大，可以输出的拉电流越大。,CC4000系列的CMOS门电路：,当VDD=5V时:VOL=0.05VDD=0.25V0VVOH=0.95VD
13、D=4.75V5V,CMOS门电路和TTL门电路相比，输出的高电平更高，低电平更低。,2.5.2 其它类型的CMOS门电路,1.其它类型的CMOS反相器,除反相器外，常用的CMOS门电路还有与非门、或非门、与或非门、异或门、与门和或门等。,a.与非门,a.与非门,A=B=0时，T2、T4截止，T1、T3导通，Y=1；A=0,B=1时，T2截止，T1导通，Y=1；A=1,B=0时，T4截止，T3导通，Y=1；A=B=1时，T2、T4导通，T1、T3截止，Y=0；,1.其它类型的CMOS反相器,b.或非门,A、B中只要有一个为1，下半部通，上半部截止，输出即为Y=0；A、B全为0时，下半部截止，上
14、半部全通，输出Y=1。,1.其它类型的CMOS反相器,2.带缓冲级的CMOS门电路,刚才介绍的与非门和或非门电路结构简单，但存在缺陷，当输入输出状态不同时，呈现的输出电阻可能不同，以与非门为例:,A=B=1,Y=0;灌电流流过两个Ron的串联，Ro=2Ron；A=B=0,Y=1;拉电流流过两个Ron的并联，Ro=0.5Ron；A=1,B=0,Y=1;拉电流流过T3的Ron，Ro=Ron；A=0,B=1,Y=1;拉电流流过T1的Ron，Ro=Ron；,当为3输入、4输入与非门时，输出电阻相差会更大(A=B=C=D=1时，Ro=4Ron)。,解决缺陷的方法：在输入端和输出端各增加一级反相器。,a.
15、带缓冲级的与非门,加上反相器后，无论有几个输入端，输出端无论是高电平还是低电平，输出电阻总是Ro=Ron。,b.带缓冲级的或非门,3.漏极开路的门电路(OD门),OD门与TTL门电路的OC相对应，能实现以下功能：(1)能线与;(2)能实现电平转换，将VDD转换为VDD2;(3)能驱动较大电流。,两个问题：a.不加RL行不行？b.中间为什么要加一级非门?,4.CMOS传输门和双向模拟开关,TP,TN,N沟道管的衬底总连接至最低电平，P沟道管的衬底总连接至最高电平；MOS管的漏极和源极结构对称，二者可以互换。N沟道管：接高电平端为D，接低电平端为S；P沟道管：接高电平端为S，接低电平端为 D；,对
16、电路的说明：T1:P衬底N沟道，为N沟道MOS管TN；T2:N衬底 P沟道，为P沟道MOS管TP；,CMOS传输门的逻辑符号,4.CMOS传输门和双向模拟开关,4.CMOS传输门和双向模拟开关,工作原理：(假定左端输入，右端输出；且),TP,TN,TN:右端接地为S，左端接vI为D；TP:右端接地为D，左端接vI为S；,4.CMOS传输门和双向模拟开关,具体应用时，为方便起见，使用一个反相器，使两个控制端变成一个，如下图：,总结：,当C=0时，传输门不通(相当于开关断开)，C=1时，传输门导通(相当于开关闭合)；C=1时，传输门输入vI连续变化时，输出vo也连续变化，因此也称之为模拟开关；传输门可以双向传输，既可以左入右出，也可以右入左出。,5.三态输出门,CMOS三态门和TTL三态门电路的功能完全相同，有三种输出状态：高电平、低电平和高阻态。,逻辑符号：,第一种结构：,第二种结构：,5.三态输出门,此三态门的应用和TTL门电路的三态门相同。,
