第2章逻辑门电路.ppt
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1、第2章 逻辑门电路,逻辑门:完成一些基本逻辑功能的电子电路。现使用的 主要为集成逻辑门。,首先介绍晶体管的开关特性,着重讨论的TTL和CMOS门电路的 逻辑功能和电气特性,简要介绍其他类型的双极型和MOS门电路,2.1 晶体管的开关特性,在数字电路中,常将半导体二极管,三极管和场效应管作 为开关元件使用。,理想开关: 接通时阻抗为零;断开时阻抗为无穷大; 两状态之间的转换时间为零。,实际半导体开关: 导通时具有一定的内阻;截止时有一定 的反向电流;两状态之间的转换需要时间。,2.1.1 半导体二极管的开关特性,下面以硅二极管为例,(1) 导通条件及导通时的特点,(2) 截止条件及截止时的特点,
2、(3) 开关时间, 开启时间: 由反向截止转换为正向导通所需要的时间. 二极管的开启时间很小,可忽略不计。,关断时间: 由正向导通转换为反向截止所需要的时间。 二极管的关断时间大约几纳秒。,(1) 饱和导通条件及饱和时的特点,饱和导通条件:,饱和导通时的特点:,VBE0.7V VCE=VCES=0.10.3V,发射极和集电极之间如同闭合的开关,2.1.2 半导体三极管的开关特性,(2) 截止条件及截止时的特点,截止条件: VBE0.5V (硅三极管发射结导通电压),截止时的特点: 发射结和集电结均为反向偏置,IBIC0, 发射极和集电极之间如同断开的开关。,三极管开关的近 似直流等效电路,(3
3、) 开关时间,开启时间ton : 三极管由截止到饱和所需要的时间, 纳秒(ns)级。,关断时间toff : 三极管饱和由到截止所需要的时间, 纳秒(ns)级, toff ton 。,toff的大小与工作时三极管饱和导通的深度有关,饱和程度越深, toff 越长,反之则越短。,2.1.3 MOS管的开关特性,MOS管的三个工作区: 截止区;非饱和区;饱和区。,MOS管作开关使用时,通常工作在截止区和非饱和区。,数字集成电路中常用的MOS管为P沟道增强型和N沟道增强型。,NMOS 管开关 电路,(1) 导通条件及导通时的特点(以NMOS管为例),导通条件: VGS VTN (VTN为NMOS管的开
4、启电压),导通时的特点: 在开关电路中,MOS管导通时一般工作在非饱和区,这时要求VGS VTN +VDS ,导通电阻RDS为几百欧姆。,(2) 截止条件及截止时的特点,截止条件: VGS VTN,截止时的特点: 漏源之间没有形成导电沟道,呈高阻状态,阻值一般为1091010,MOS管截止。,NMOS管开关近 似直流等效电路,(3) 开关时间,MOS管本身的开关时间很小.组成开关电路时,由于管子间的寄生电容和布线电容的存在,加上MOS管的输入、输出阻抗较大,使输入、输出电路的充放电时间常数增加,影响了开关时间。,2.2 分立元件门电路,2.2.1 二极管门电路,1. 二极管与门,假设:二极管为
5、理想开关; 输入信号VIL=0V,VIH=3V.,综上所述:电路为二极管与门,分两种情况分析:,1) A、B、C三端输入均为3V,二极管DA、DB、DC均导通 F=3V,2) A、B、C三端输入有0V信号输入时,如A、B为0V, C端输入3V,二极管DA、DB导通,DC截止 F=0V,2. 二极管或门,假设:二极管为理想开关; 输入信号VIL=0V,VIH=3V。,分两种情况分析:,A、B、C三端输入 均为0V,二极管DA、DB、DC均导通 F=0V,2) A、B、C三端输入有 3V信号输入时,如A、B为3V, C端输入0V, 二极管DA、DB导通,DC 截止 F=3V,2.2.2 三极管门电
6、路,1. 非门,工作原理(设三极管电流放大倍数=30),Vi=0V,则三极管基极电位VB0V,满足截止条件VBE0.5V, 三极管截止,IC=0, VO=Vcc=3V, 为高电平。,而三极管饱和时所需要的最小基极电流 IBS=ICS/=(VccVCE)/(RC ) =(3 0.3)/(130)=0.09mA, Vi=3V,三极管饱和。因为饱和时VB=0.7V,基极电流 IB=(ViVB)/R1(VB VBB)/R2 =(3 0.7)/1.5 (0.7 (5)/10 =0.96mA,结论: 由于 IBIBS所以,三 极管饱和.输出为低电平. VO=0.10.3V,TTL电路分类: 中速TTL、高
7、速TTL(HTTL)、肖特基TTL(STTL)、低功耗TTL(LTTL) 、低功耗肖特基TTL(LSTTL) 、先进低功耗肖特基TTL(ALSTTL)等。,2.3 TTL门电路,三极管三极管逻辑门电路(TTL),是指输入端和输出端都用三极管的电路,简称TTL电路,是双极型数字集成电路。,2.3.1 TTL与非门典型电路及其工作原理,(1) 电路组成,电路分三个部分: 输入级、中间级、输出级。, 输入级:R1、T1、D1、D2,T1为多发射极晶体管,D1、D2 为钳位二极管,起保护T1管的作用。, 中间级: R2、T2、R3,分相、放大作用, 输出级: R4、T4、T5、D3,输出级特点: 静态
8、功耗低,开关速 度快,这种电路结构 称为推拉式电路。,(2) 工作原理,设输入信号高低电平分别为 ViH=3.4V; ViL=0.2V,PN结正向导通电压为0.7V;,三极管电流放大倍数=20。,(一) 输入中有低电平,T1管发射结导通,T1管饱和。,由于T2基极电压仅为0.3V ,故T2、 T5均截止。,T4、D3导通,输出约为3.6V(5-0.7-0.7=3.6). 输出高电平1。,(二) 输入均为高电平,T1管处于倒置工作状态 (be结反偏,bc结正偏.);,T2管处于饱和工作状态;,T4管处于截止工作状态;,T5管处于饱和工作状态;,F输出为“0”。,2.3.2 TTL与非门的电压传输
9、特性,电压传输特性是指输出电压VO随输入电压VI的变化规律。 VO=f(VI),1. 特性曲线分析,截止区,T5管截止.,线性区,T5管截止,T4管 处于放大区 (射极跟随输出).,转折区,T2、T5由放大 进入饱和,T4进入截止.,饱和区,T5管饱和.,VOH,VOL,VTH,2. 主要参数,(1)输出高电平VOH, 低电平VOL。,(2)阈值电压VTH:转折区中间点对应的输入电压,约为 1.4V。,(3) 输入端噪声容限 VNH、VNL,2.3.3 TTL与非门的静态输入与输出特性,1. 输入特性,1)输入伏安特性( II=f(Vi) ),定义:电流流入T1的发射极 方向为正方向。,2)反
10、映出的主要参数,(1) IIL (输入低电平电流),(2) IIH (输入高电平电流),IIH约在40A以下。(作为前级门的拉电流负载.),(作为前级门的拉电流 负载.),2.输入端负载特性,在门输入端和地之间接电阻Ri,当电阻从0逐步增加时,由于电阻内部有电流流过,会使电阻两端电压Vi逐步增加。,当T1管饱和导通时:,Roff0.9k, Ron3k。,当Ri小于R0ff时,输入为低 电平;当Ri高于Ron时,输入 为高电平。,3.输出特性,1) 灌电流工作情况,驱动门输出为低电平(T5管饱和,T4管截止),负载门电流流入驱动门,流入驱动门的电流值IL取决于和驱动门相连接的负载门个数,即IL=
11、NIIL(IIL为负载门低电平输入电流,约为1mA左右),由曲线可见,对所分析的电路,当灌电流不超过16mA时,VO不超过VOLmax=0.4V。称带灌电流负载能力IOLmax=16mA,一个门在低电平时能驱动同类门的最大个数为: NOL=IOLmax/IIS=16/1.114 (这里的IIS为输入短路电流),2) 拉电流工作情况,驱动门输出为高电平 (T5管截止),负载门输入电流由驱动门提供,流出驱动门的电流值IH取决于和驱动门相连接的负载门的管脚的个数,即,从曲线上看,当IO大于5mA时,VO才开始出现下降趋势,但决定IOHmax值的并不是VOHmax,而是器件的功耗。在上面讨论的电路中,
12、 IOHmax约为400mA。,NOH=IOHmax/IIH=400/40=10,IH=NIIH (IIH为负载门高电平输入电流,约为40A左右),取 min(NOL,NOH)=N 定义为扇出系数,则 min(14,10)=10,2.3.4 TTL与非门的动态特性,1. 传输延迟时间tpd,传输延迟时间指门电路的输出信号相对于输入信号的延迟时间。,一般 tPLHtPHL,2. 电源的动态尖峰电流,TTL门电路的功耗等于电源电压VCC和电源电流ICC的乘积,由于VCC=5V为定值,所以ICC的大小就能反映功耗的大小.对于上述电路,稳态时,输出为高电平时的电流ICCH1.1mA,输出为低电平时的电
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