清华大学数电3门电路.ppt

1,第三章 门 电 路,第一节 概述,门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。,门电路的两种输入，输出电平：高电平、低电平。它们分别对应逻辑电路的1,0状态。,正逻辑：1代表高电平；0代表低电平。,负逻辑：0代表高电平；1代表低电平。,高电平,低电平,2,根据制造工艺不同可分为单极型和双极型两大类。,门电路中晶体管均工作在开关状态。,其中包括介绍晶体管和场效应管的开关特性。,本章介绍两类门电路。,要点：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握； 而各种门电路的外部特性和应用是要求重点。,当代门电路（所有数字电路）均已集成化。,【题3.12】，【题3.16】 ，【题3.18】， 【题3.19】，【题3.20】，【题3.29】,3,第二节 半导体二极管门电路,一、二极管的开关特性,1.开关电路举例,2.静态特性,伏安特性,等效电路,在数字电路中重点在判断二极管开关状态，因此必须把特性曲线简化。（见右侧电路图）,有三种简化方法：,输入信号慢变化时的特性。,4,第三种,第二种,VON 0.7V,第一种,0.5V,5,3.动态特性,当外加电压突然由正向变为反向时，二极管会短时间导通。,这段时间用tre表示，称为反向恢复时间。,输入信号快变化时的特性。,它是由于二极管正向导通时PN结两侧的多数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的。,6,由于二极管门电路有严重的缺点，在集成电路中并不使用，但可帮助理解集成门的工作原理。,二、二极管与门,设：VCC=5V, VIH=3V, VIL=0V,VA=VB=0V,D1,D2导通，VY=0.7V,VA=VB=3V,D1,D2导通，VY=3.7V,VA=3V,VB=0V,D2导通，D1截止，VY=0.7V,VA=0V,VB=3V,D1导通，D2截止，VY=0.7V,缺点：1.电平偏移； 2.负载能力差。,7,三、二极管或门,D1,D2截止,D1,D2导通,D1截止,D2导通,D1导通,D2截止,8,一.MOS管的开关特性,1.MOS管的工作原理,(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 称为：金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅场效应管,导电沟道(反型层),源极 Source,漏极 Drain,栅极 Gate,当 大于VGS(th)时，将出现导电沟道。 VGS(th)称为开启电压，与管子构造有关。,第三节 CMOS门电路,9,显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若 不变， 就可控制漏极电流iD。因此把MOS管称为电压控制器件。,输出特性,2.输入输出特性,输入特性可不讨论。,10,恒流区,恒流区中iD只受 控制，其关系式为：,相应曲线称为转移特性。,空间电荷区,截止区,VDS=0V出现沟道。,VDS增加，则沟道“倾斜”（阻值增加）。,VGD=VGS(th)时，沟道“夹断”。,VDS再增加时，夹断点向源区移动，但iD不变。,可变电阻区,夹断点,VGS(th)=2V,设 5V,同理可求出栅源电压为4V和3V时的夹断点。,固定电阻,夹断,它也有三个工作区,11,3.MOS管的基本开关电路,当 =VDD时，MOS管导通，其内阻用RON表示。,当 =0V时，MOS 管截止， = VDD；,MOS管工作在可变电阻区。,若 ，则,回下页,VDD,注意：VDD必须为正。,12,静态特性三个工作区。,等效电路如图，其中CI为栅极输入电容。约为几皮法。,动态特性延迟作用（书上没有）。,由于是单极型器件，无电荷存储效应。动态情况下，主要是输入电容和负载电容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞后于输入电压的变化。其延迟时间比双极型三极管还要长。,可变电阻区：,截止区：,恒流区：,4.MOS管的开关特性及等效电路,电路图,13,5.MOS管的四种类型,(1)N沟道增强型,(2)P沟道增强型,(3)N沟道耗尽型,(4)P沟道耗尽型,开启电压,夹断电压,P沟道增强型：,14,请参阅79页，表3.3.1,15,1961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文Integrated Circuit,简称IC。,集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。目前单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方毫米。,按集成度分类：,小规模集成电路SSI: Small Scale Integration;,中规模集成电路MSI: Medium Scale Integration;,大规模集成电路LSI: Large Scale Integration;,超大规模集成电路VLSI: Very Large Scale Integration,按制造工艺分类：,双极型集成电路；,单极型集成电路；,我们介绍TTL电路。,我们介绍CMOS电路。,二. CMOS反相器的电路结构和工作原理,Complementary-Symmetry MOS .互补对称式MOS电路。,16,（一） CMOS反相器的电路结构,N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN;,P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP;,要求满足VDD VTN+|VTP|;,输入低电平为0V；高电平为VDD;,（1）输入为低电平0V时；,（2）输入为高电平VDD时；,T1截止；T2导通。iD = 0， =0V;,输入与输出间是逻辑非关系。,要求两管特性完全一样,T2截止；T1导通。iD = 0， =VDD;,17,特点：静态功耗近似为0；电源电压可在很宽的范围内选取。,在正常工作状态，T1与T2轮流导通，即所谓互补状态。,CC4000系列CMOS电路的VDD可在318V之间选取。其他系列以后介绍。（可参阅表3.3.2在106页）,18,1.电压传输特性,T2截止，T1导通,T1截止，T2导通,T1，T2都导通 称为转折区,阈值电压,转折区变化率大，特性更接近理想开关。,特点：,此部分在教材8086页。,阈值电压用VTH表示。,由于特性对称，阈值电压为VDD的一半。,（二）静态特性,19,输入端噪声容限,高电平噪声容限：,低电平噪声容限：,VOH(min),VOL(max),VIL(max),VIH(min),设定VOH(min)求出VIL(max),设定VOL(max)求出VIH(min),特性对称，因而输入端噪声容限较大。CC4000系列CMOS电路的噪声容限为：（允许输出电压变化百分之十）,VNH=VNL=30%VDD,20,2.电流传输特性,当T1,T2都导通时，iD不为0；输入电压为VDD/2时，iD较大，因此不应使其长期工作在BC段。,在动态情况下，电路的状态会通过BC段，使动态功耗不为0；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出系数（驱动同类门个数）的主要因素。,21,3.输入特性,由于MOS管栅极绝缘，输入电流恒为0，但CMOS门输入端接有保护电路，从而输入电流不总为0。,由曲线可看出，输入电压在0VDD间变化时，输入电流为0；当输入电压大于VDD时，二极管D1导通；当输入电压小于0V时，二极管D2导通。,二极管D2和电阻RS串联电路的特性,二极管D1的特性,22,4 .输出特性,(1) 输出低电平,T2工作在可变电阻区，有较小的导通电阻，当负载电流增加时，该电阻上的压降将缓慢增加。,对于CC4000系列门电路，当VDD=5V时，IOL的最大值为0.51mA；而在74HC系列中，该值为4mA。,23,(2) 输出高电平,VOH= + VDD,与输出低电平类似，此时T1工作在可变电阻区；当负载电流增加时，T1的VDS加，导致输出下降。,此时，IOH的最大值，与输出低电平时相同。,24,（三）动态特性,1.传输延迟时间,(1) MOS管在开关过程中无电荷存储，有利于缩短延迟时间；,(2) MOS管的导通电阻比TTL电路大的多，所以其内部电容和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受VDD影响，所以，VDD也影响传输延迟时间；,(3)C MOS门的输入电容比TTL电路大的多，因此负载个数越多，延迟时间越大；CMOS门的扇出系数（驱动同类门个数）就是受传输延迟时间和将介绍的动态功耗等动态特性限制的。,用tPHL和tPLH的平均值tPD表示延迟作用，称为平均传输延迟时间。,tPD范围： 4000系列为100ns, 74HC系列为10ns, 74AHC系列为5ns 见107页表,25,2. 交流噪声容限,3.动态功耗,与TTL电路类似，当噪声电压作用时间tW小于电路的传输延迟时间时，输入噪声容限VNA将随tW缩小而明显增大。,传输延迟时间与电源电压和负载电容有关，因此VDD和CL都对交流噪声容限有影响。,动态情况下，T1,T2会短时同时导通，产生附加功耗，其值随输入信号频率增加而增加。,定量估算可得动态功耗PC的公式：,PC=CLfV2DD,负载电容经T1、T2充、放电，也会产生功耗。,26,三、其他类型的CMOS门电路,1.与非门,特点：N沟道管串联、P沟道管并联；,设：MOS管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为RO。,输出电阻随输入状态变化。,用带缓冲级的门电路可克服上述缺点。,2.或非门,特点：P沟道管串联、N沟道管并联；,输出高电平偏低,输出低电平偏高,此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。,（一）其他逻辑功能的CMOS门电路,27,3.带缓冲级的CMOS门电路,（1）与非门：,特点：输出电阻恒为RON；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。,（2）或非门：,同理，可用下式实现：,28,普通CMOS门不能接成线与形式。,OD门输出端只是一个N沟道管，因此可以连成线与形式。,特点：,1.VDD1和VDD2可取不同值；,2.允许灌入电流较大。如： CC40107在VOL0.5V的条件下，允许灌入的最大电流可达50mA。,符号：,A,B,Y,内部逻辑可以变化。,（二）漏极开路门电路（OD）,29,负载电阻RL的计算（见95页）,图中电阻RL以下连线称为总线。,这是用漏极开路门连成总线结构的典型电路。其中负载电阻RL只需用一个即可。,总线电位用 表示。,分 =VOH和 VOL两种情况讨论：,总线。其电位 ， 与门符号表示线与,当 VOH时,IRL,IRL= nIOH+mIIH,用上式求出RL的最大值。,30,当 总线为低电平VOL时：,IR L,IOL,VOL,IIL,IOL= IRL+ mIIL IOLmax,由上式求出RL的最小值。,RL在求出的范围内取值。取值偏大会降低工作速度；取值偏小会增加电源功耗。,为提高速度，就必须保持输出高电平时的低内阻特性。从而引出三态输出门(TS)。,只有一个门输出低电平是最不利情况。,见96页例3.3.2,31,（三）CMOS传输门,1.传输门,功能：可控制传输0VVDD间的模拟电压值。其逻辑符号如右：,设：传输门的导通电阻为RTG、管T1和T2的导通电阻分别为RON1和RON2。则：,RTG= RON1/RON2,= RL/ (RTG+RL),若满足 RLRTG 则,C=0时，传输门截止； C=1时,传输门导通。,传输门可双向传输。,32,分析原理。先分析只有一个管时的情况：,单管工作的缺点是： (1)有死区； (2)导通电阻随输入电压变化很大。,采用双管可克服这些缺点。,33,将电压传输系数定义如下：,采用改进电路的CMOS四模拟开关CC4066在VDD=15V时，RTG值不大于240。而且在 变化时，RTG基本保持不变。,目前，某些精密CMOS模拟开关的导通电阻已降低到20 以下。,模拟开关,组成逻辑电路,例如：异或门见98页图3.3.37,2.传输门的应用,34,（四）三态输出的CMOS门电路,35,三态门在总线方面的应用,双向总线：,接成总线方式时，在n个EN端中，每次最多只能有一个有效。,36,四、CMOS电路的正确使用,1.输入电路的静电防护,CMOS电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防静电措施。,(1)储存和运输不要使用化纤织物包装，最好用金属屏蔽层包装；,(3)不用的输入端不应悬空。,2.输入电路的过流保护,保护二极管只能承受1mA电流，因此下列三种情况下输入端要串入保护阻。,(1)输入端接低内阻信号源；,(2)输入端接有大电容；,(3)输入端接长线。,(2)操作时使用的电烙铁等，要妥善接地；,37,3.CMOS电路锁定效应的防护,产生锁定效应将造成CMOS电路永久失效。可在输入、输出端接入钳位保护电路，在电源输入端加去偶电路。,应确保CMOS电路先通电、后断电。,38,五、CMOS数字电路的各种系列,各种系列的电路基本相同,主要在工艺上有改进. 改进的目的主要有两点:一是提高速度,二是减小功耗.,1.4000系列:速度低,负载能力差,处在被取代阶段.,2.74HC/HCT系列:高速系列。tpd=9-10ns,负载能力为4mA左 右。,74HC系列:电源电压26V，功耗随电压增大。,74HCT系列:电源电压5V，输入输出电平等均与TTL 电路兼容。因此二者可混合使用。,3.74AHC/AHCT系列:改进的高速系列。tpd=5.3ns,负载能力为 8mA左右， 是目前应用最广的CMOS器件。,以上为美国TI公司的产品，而VHC/VHCT系列为其他公司产品，其性能与74AHC/AHCT系列相当。,4.74LVC/ALVC系列: 90年代的新产品（低压系列）。,表3.3.2,39,tpd=3.8ns,负载能力为24mA（3V电源）左右。电源电压1.653.3V。可输入5V电平信号，也可将3.3V以下信号转换为5V输出信号,74ALVC系列进一步提高速度， tpd=2ns ，负载能力没变。因此是最好的CMOS系列。,74系列工作环境温度范围是-40+85度；,54系列工作环境温度范围是-55+125度；,对于74LVC系列：,对于74ALVC系列：,70.71页表,40,一、双极型三极管（BJT)的开关特性,1.静态特性,可用输入输出特性来描述。,基本开关电路如图：,可用图解法分析电路：,输入特性,输出特性,第四节 TTL门电路（教材上为第五节）,41,VON (0.7V),ibIBS,ic=ICEO(=0) , iB=0,ic= iB,=VCE(sat)=0.3V 0V,反,反,反,正,正,正,Ib IBS=ICS /,=VCC-iCRCs,开关特性可归纳为下表：,也是“特点”的一部分,42,2.动态特性,当输入信号使三极管在截止和饱和两种状态之间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要时间，因而集电极电流的变化将滞后于输入电压的变化。从而导致输出电压滞后于输入电压的变化。 也可以理解为三极管的结电容起作用。,注意：三极管饱和越深，由饱和到截止的延迟时间越长。,饱和时,截止时,等效电路,43,3.三极管反相器（非门）,例3.5.1：计算参数设计是否合理（原理）,求基极回路的等效电路：,44,45,1.电路结构（以74系列非门为例）,2.工作原理,VCC=5V,VIH=3.4V,VIL=0.2V,T1导通，深饱和,T2,T5截止。因为T5有漏电流，可等效为大电阻。,T4导通，忽略R2压降，可求出,=3.6V=VOH,=VIL:,0.9,0.3,0.2,二、TTL反相器的电路结构、工作原理和特性,TTL (Transistor-Transistor Logic):晶体管晶体管逻辑电路。,推拉式（push-pull）、图腾柱（totem-pole）输出电路,输出级,中间级,输入级,5,3.6,（一）结构和原理,46,=VIH:,T1的BE结截止、BC结导通；T2、T5导通。,T4截止，因此T5饱和。,T2: ICS=4V/1.6K=2.5mA; iB=2.9v/4k=0.72mA =20 所以，T2饱和。,=0.2V,0.7,1.4,2.1,4.1?,3.4,1.0,也可以认为T5“倒置” （c和e极交换。）,47,1. 电压传输特性,CD段中点的输入电压即为阈值电压VTH （1.4V）。,DE段称为饱和区；,对于74系列门电路，VNH、VNL都不小于0.4V。,噪声容限：,（二）TTL反相器的静态特性(117页）,AB段称为截止区； B点： =0.6V，,BC段称为线性区； C点： =1.3V，,CD段称为转折区； D点： =1.4V，,48,2. 输入特性,IIL称为输入低电平电流。,IIS称为输入短路电流 =0V的输入电流。,IIH称为输入漏电流。,输入电压为负时，基本是保护二极管的伏安特性。,IIH,输入为0.2V时,输入为3.4V时,输入为其他电压时,IIL,IIS,输入电压小于0.6V时，计算IIL的公式仍然成立(把VIL换为 ），是一直线方程。,49,3.输出特性,(1)高电平输出特性,T4饱和前，VOH基本不随iL变，T4饱和后，VOH将随负载电流增加线性下降，其斜率基本由R4决定。,(2)低电平输出特性,受功耗限制，74系列门输出高电平时最大负载电流不超过0.4mA。,T5饱和，c-e间等效电阻不超过10欧姆，因此直线斜率很小。,50,例3.5.2：计算G1能驱动的同类门的个数。设G1满足：VOH=3.2V, VOL=0.2V。,16,解：,N1=16/1 =16,G1输出低电平,G1输出高电平,G1输出高电平时，最大允许输出电流为0.4mA；,每个负载门输入电流为IIH,不超过0.04mA;故：,N2= 0.4/0.04 =10,综合N1,N2,应取N=10,N即门的扇出系数。,每个负载门电流,G1门电流,0.2V,IIH,51,4.输入端负载特性,当 小于0.6V时,当 =1.4V时，T2、T5均已导通，T1基极电位被钳在2.1V而 不再随RP增加，因 此 也不再随RP增加。,当RP较小时，这是直线方程,返回,输入电阻对输入电压的影响。,1.4V,可认为RP为2K时，I已达到1.4V。,52,例：计算图中电阻RP取值范围。已知：VOH=3.4V,VOL=0.2V, VIH(min)=2.0V, VIL(max)=0.8V。,解：,当 =VOH时，要求 VIH(min),VOH-IIHRP VIH(min),=VOL+ RP(VCC - VBE VOL)/(R1+RP),当 =VOL时，要求 VIL(max),VIL(max),RP 0.69K,RP 35K,对于74系列，当RP=2K 时， 就达到1.4V。,综合两种情况RP应按此式选取,式3.5.9,上页,此时门2的输入电流为IIH,53,(三)TTL反相器的动态特性,1.传输延迟时间,延迟作用是由晶体管的延迟时间，电阻以及寄生电容等因素引起的。,tPLH往往比tPHL大。,经常用平均传输延迟时间tPD来表示：,tPD =(tPLH +tPHL)/2,2.交流噪声容限,干扰信号作用时间短到与tPD相近时的噪声容限。,此时，tW越小，允许的干扰信号幅值越大。,54,3.电源动态尖峰电流,静态电流：,ICCL=iB1+iC2,=(5-2.1)/4+(5-1)/1.6=3.2mA,ICCH =iB1,=(5-0.9)/4=1mA,在动态情况下，会出现T4和T5同时导通的情况，特别是输出由低电平跳变为高电平时。使电源电流出现尖峰脉冲。,此电流最大可达30多mA.,电源尖峰电流的不利影响：,1.使电源平均电流增加；,2.通过电源线和地线产生内部噪声。,55,三.其他类型的TTL门电路(3.5.5节）,（一）其他逻辑功能的门电路,1.与非门,T1为多发射极管。可等效为两个三极管。,其工作原理可从两方面分析：,b. 输入有低时，输出高电平。,此时A,B两端并联，T1成为一个三极管，结论成立。,a. 输入全高时，输出低电平。,设A端输入0.2V，则TI基极电位为0.9V,此时无论B端状态如何，都不会影响T1基极电位。因此输出为高电平。,0.2V,0.9V,如果输入全悬空，输出为低电平。因此输入悬空等效为输入高电平。,56,2.或非门,或非门的原理可从两方面分析：,a.输入全低，输出为高,A端为低电平，使T2截止；,B端为低电平，使 截止；,从而使T5截止，输出为高电平。,b.输入有高，输出为低,若A端为高电平，使T2导通，此时无论 为何状态，都不会使T2截止。因此T5一定导通，使输出为低电平。,57,3.与或非门,在或非门的基础上，增加与输入端，从而实现与或非逻辑。,58,4.异或门,红框中的电路控制T7的状态。因此，当T7截止时，电路就是以A,B为输入的与非门。,A,B两输入端的高电平分别通过T5和T4使T7截止。,说明输入A,B有高电平，就按与非门分析；,当A,B全低时，T4,T5全截止，使T7导通，输出低电平。,从右表可得出该电路为异或门。,59,使用时需外接电阻RL,（二）集电极开路门（电路）(OC),Open Collector Gate,目的：将门的输出端并联，实现线与：,普通TTL门输出端并联时，将产生过大的输出电流导致器件损坏。(此电流可达30多毫安。）,电路原理：,逻辑符号,当输入有低电平使T5截止时，显然此时门的输出端处于高阻状态。,电阻可接到其他电源，用 表示。如SN7407可接30V电压,很容易验证这是一个二输入端与非门。,RL,60,（三）三态输出门电路（TS）,Three-State Output Gate,EN为使能端，低电平有效。,EN为低电平时:,若A,B都为高电平：,二极管D截止，对电路无影响，输出为低电平；,若A,B中有低电平：,T2,T5截止，二极管D导通,T4基极电位被钳在4.3V，T4导通，输出高电平，但电位为2.9V。,3.6V,4.3V,2.9V,EN为高电平时:,T5截止；T4基极电位被钳在1V,因此，T4截止。从而输出端出现高阻状态。,如EN端有两个非门，则为高电平有效。,0.3V,61,四.TTL电路的改进系列,（一）74H系列,除了74系列外，TTL电路还有74H、74S、74LS、74AS和 74ALS等系列。,又称为高速系列。High-speed,各改进系列都围绕提高速度和降低功耗两点进行。减小电阻值可提高速度，但是会明显增加功耗。,可见其各电阻值明显小于74系列。加上采用了复合管T3、T4，因此速度明显提高。但功耗增大更明显。,可参考表3.5.1。138页,表中延迟功耗积pd（Delay-Power Product），可用于衡量门电路的综合性能。,62,又称为肖特基系列。Schottky,与74H系列比，有两点改进：,1.使用肖特基势垒二极管 (Schottkey Barrer Diode)简称SBD;,2.采用有源泄放电路。,SBD特点：导通压降0.40.5V；无电荷存储；工艺与TTL兼容。,使用SBD后，三极管不会进入深饱和状态，从而提高速度；,（二）74S系列,63,有源泄放电路,T6和RB,RC构成有源泄放电路。其作用有二：提高速度；改善电压传输特性。,当T2,T5由截止转入导通时，T5早于T6导通，加速T5导通；缩短tPHL。,当T2,T5由导通转入截止时，处于饱和的T6为T5基极提供反向泄放电流，加速T5截止。缩短tPLH。,有源泄放电路还改善了电压传输特性，因为有了T6后，T2不再先于T5导通。,由于T5 浅饱和，使输出低电平偏高，最大可达0.5V。,64,（三）74LS系列,特点：,增加电阻值以减小功耗；,使用SBD以提高速度；,采用有源泄放电路以提高速度；,将T1改为SBD与门以提高速度；,增加D3,D4以提高速度。,缺点：,传输特性曲线转折区左移使阈值电压VTH降为1.1V左右；,与74S系列类似， 输出低电平偏高，最大可达0.5V。,Low-power Schottky-低功耗肖特基系列,65,（四）74AS系列,Advanced Schottky-先进肖特基系列。,特点：速度提高tpd=1.7ns,功耗增加8mW.,（五）74ALS系列,Advanced Low-power Schottky-先进低功耗肖特基系列。,特点： 与74AS系列比，速度降低tpd=4ns,功耗减小1.2mW. 但延迟-功耗积最小，因此最有发展前途。,（六）74F系列-Fast TTL,特点：性能介于先进肖特基系列和先进低功耗肖特基系列之间：tpd=3ns,功耗4mW.,据预测，74ALS系列将取代74LS系列而成为TTL系列的主流产品。,表3.5.1,66,多余输入端如何处理：,以与非门为例，,欲实现Y=(AB)=A,显然应使B=1，方法有：,1.接高电平；,2.接VCC；,3.悬空；,4.接大电阻，大于2K欧姆；,5.与A端并联。,若为或非门，情况则不同。,当然也可使B=A,方法:,67,74H,74S,74LS,74AS,68,回5,69,回41,70,71,回38页,回39页,72,