数字部分第3章-康华光-第五版-樊冰

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1、第3章 逻辑门电路,3.1 MOS逻辑门电路,3.1.3 MOS开关及其等效电路,1、MOS管的开关作用 下图为N沟道增强型MOS管构成的开关电路， 其中 为开启电压 ，斜线为直流负载线。,直流负载线,当 时，MOS管处于截止状态， ，输出电压 。此时器件不损耗功率。 当 时，并且 时，MOS 管工作在饱和区。随着 的增加， 随之下降，MOS管最后工作在可变电阻区。,在可变电阻区， 一定时，d，s之间可近似等效为线性电阻。 越大，输出特性曲线越倾斜，等效电阻越小。此时MOS管可看作是受 控制的可变电阻。 当 足够大，Rd远远大于d、s之间的等效电阻时，电路输出为低电平。,由此可见，MOS管相当

2、于一个由 控制的无触点开关，当输入为低电平时，MOS管截止，相当于开关“断开”，输出为高电平；当输入为高电平时，MOS管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合”，输出为低电平。,2、MOS管的开关特性,在上述电路的开关输入端加一个理想的脉冲波形，由于MOS 管中杂散电容和导通电阻的存在，使其在导通和闭合两种状态之 间转换时，不可避免地受到电容充、放电过程的影响，所以输出 电压上升和下降都变得缓慢，且滞后于输入电压。,1逻辑关系： （设VDD（VTN+|VTP|），且VTN=|VTP|） （1）当Vi=0V时，TN截止，TP导通。输出VOVDD。 （2）当Vi=VDD时，TN导通，TP截止，输出VO

3、0V。,CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。,3.1.4 CMOS反相器,（1）当Vi2V，TN截止，TP导通，输出VoVDD=10V。 （2）当2VVi5V，TN工作在饱和区，TP工作在可 变电阻区。 （3）当Vi=5V，两管都工作在饱和区， Vo=（VDD/2）=5V。 （4）当5VVi8V， TP工作在饱和区， TN工作在可变电阻区。 （5）当Vi8V，TP截止， TN导通，输出Vo=0V。 可见： CMOS门电路的阈值电压 Vth=VDD/2,2电压传输特性：（设: VDD=10V， VTN=|VTP|=2V）,3、电流传输特性,AB段：TN止，TP通

4、 CD段：TP通，TN止 BC段：TN、TP同时通,由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns。,4工作速度,1CMOS与非门,3.1.5 其它的CMOS门电路,2CMOS或非门,后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：,由两级组成，前级为或非门，输出为,3 CMOS异或门电路,若VDF=0.7V，则vIVDD+0.7V时，vG=VDD+0.7V vI-0.7V时，vG=-0.7V。使vC1、vC2均不超过VDD+0.7V。,4、 输入保护电路,5、输入、输出缓冲电路 为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别

5、加反相器作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。,3.1.2 逻辑门电路的一般特性,1、输入、输出的高低电平及噪声容限,（1）输出高电平VOH在正逻辑体制中代表 逻辑“1”的输出电压。VOH是一个电压范围 （2）标准输出高电平VSH 输出高电平最小值VOH（min） （3）输出低电平VOL在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL是一个电压范围 （4）标准输出低电平VSL 输出低电平最大值VOL（max）,前一级 门电路的输出作为后面门电路的输入，有许多因素在这根连接导线上串入干扰。对于一个门电路，输入的要求比对输出的要求低，即输入的高、低电平的范围要比输出的高、低电平的范围宽。

6、这样就有一个输入的抗干扰能力问题,噪声容限 (抗干扰能力),低电平噪声容限 VNLVIL（max）-VOL（max）1.5V-0.1V1.4V,（a）低电平噪声容限 VNL 前一级门电路的输出为低电平，能够保证送入后一级门电路的电平仍然为低电平时所能允许的最大正向干扰电压。,高电平噪声容限VNHVOH（min）-VIH (min)4.9V-3.5V1.4V,（b）高电平噪声容限 VNH 前一级门电路的输出为高电平，能够保证送入后一级门电路的电平仍然为高电平时所能允许的最大负向干扰电压。,2、传输延迟时间,平均传输延迟时间,3、动态功耗瞬时导通功耗PT,T1、T2 同时通,动态功耗负载电容充放电

7、功率PC,4、扇入数与扇出数,把允许灌入输出端的最大电流定义为输出低电平电流IOL （也叫做最大灌电流）,NOL称为输出低电平时的扇入系数。,把允许的最大拉电流定义为输出高电平电流 IOH 。(也叫做最大拉电流）,NOH称为输出高电平时的扇出系数。,一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。,1. CMOS漏极开路门,主要用途：实现线与功能,漏极开路（OD）与非门电路和逻辑图,3.1.6 CMOS漏极开路门和 三态输出门电路,如何实现线与功能：,上拉电阻,上拉电阻对OD门动态性能的影响：,（1）不能过小，应满足,（2）不能过大，否则会降低OD门的 转换速度。,2.

8、CMOS三态输出门电路,=1时，Y输出高阻态。 = 0时，Y =,工作原理：（设两管的开启电压VTN=|VTP|=2V） （1）当C接+5V， 接0V：若Vi在0V+5V的范围变化，至少有一管导通，相当于一闭合开关，将输入传到输出，即Vo=Vi。 （2）当C接0V， 接+5V：Vi在0V+5V的范围变化时，TN和TP都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开。,3.1.7 CMOS传输门,1CMOS逻辑门电路的系列 （1）基本的CMOS4000系列。 （2）高速的CMOSHC系列。 （3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。 2CMOS逻辑门电路主要参数的特点 （1）VOH（min）=0.9VD

9、D； VOL（max）=0.01VDD。 所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。 （2）阈值电压Vth约为VDD/2。 （3）CMOS非门的关门电平VIL（max）为0.45VDD，开门电平VIH（min）为0.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。 （4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门； （5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。,三、 CMOS逻辑门电路的系列及主要参数,所以输出为低电平。,一NMOS非门,逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1gm2 ） （1）当输入Vi为高电平8V时，T1 导通

10、，T2也导通。因为 gm1gm2，所以两管的导通电阻 RDS1 RDS2，输出电压为：,3.1.9 NMOS逻辑门电路,（2）当输入Vi为低电平0V时，T1截止，T2导通。所以输出电压为VOH=VDD-VT=8V，即输出为高电平。 所以电路实现了非逻辑。,二NMOS其他门电路 （1）与非门,（2）或非门,3.2 TTL逻辑门电路基础,主要内容,BJT的开关特性 TTL逻辑门电路 集电极开路门和三态门电路 BiCMOS门电路 抗饱和TTL电路,3.2.1、BJT的开关特性,BJT的静态开关特性 BJT的动态开关特性,1三极管的静态开关特性,（1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压时，IBI

11、CBO0，ICICEO0，VCEVCC，三极管工作在截止区，对应图中的A点。 三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压,此时，若调节VI，则IB，IC，VCE，工作点沿着负载线由A点B点C点D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区， 其特点为IC=IB 三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏,（2）放大状态：当VI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有,若再增加VI，IB会继续增加，但IC已接近于最大值VCC/RC，不会再增加，三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES，其典型值为：VCES0.3V。 三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB IBS

12、 电压条件为：集电结和发射结均正偏,（3）饱和状态：继续增大VI，当VCE 0.7V时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（b）中的E点。此时的集电极电流称为集电极饱和电流，用ICS表示，基极电流称为基极临界饱和电流，用IBS表示，有:,解： 根据饱和条件IBIBS解题。,例 电路及参数如图所示，设输入电压VI=3V，三极管的VBE=0.7V。 （1）若60，试判断三极管是否饱和，并求出IC和VO的值。,（2）将RC改为6.8kW，重复以上计算。,IBIBS 三极管饱和。,IB不变，仍为0.023mA,IBIBS 三极管处在放大状态。,（3）将RC改为20kW，再将Rb改为60kW，重复

13、以上计算。,由上例可见，Rb 、RC 、等参数都能决定 三极管是否饱和。该电路的饱和条件可写为：,即在VI一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，Rb越小，越大，RC越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。,IBIBS 三极管饱和。,2三极管的动态开关特性,（1）延迟时间td 从输入信号vi正跳变的瞬 间开始，到集电极电流 iC上升到0.1ICS所需的时间 （2）上升时间tr 集电极电流从0.1ICS上 升到0.9ICS所需的时间。 （3）存储时间ts 从输入信号vi下跳变的 瞬间开始，到集电极电流iC 下降到0.9ICS所需的时间。 （

14、4）下降时间tf 集电极电流从0.9ICS下降 到0.1ICS所需的时间。,理想情况,实际情况,对输入脉冲的要求,ton = td + tr toff = ts + tf 输入信号vi的正半周的宽度 ton 输入信号vi的负半周的宽度 toff 以保证三极管能可靠进入饱和状态和截止状态,1TTL反相器的基本结构,TTL的含义：Transistor Transistor,3.2.3 TTL反相器的基本电路,2TTL反相器的工作原理,（1）输入为高电平3.6V时。 T2、T3导通，VB1=0.73=2.1（V ）， 由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES30.3V,这时T2也饱和导通，故有V

15、C2=VE2+ VCE2=1V。使T4和二极管D都截止。 实现了输入高电平时，输出为低电平。,T1发射结导通，VB1=1V。所以T2、T3都截止。由于T2截止，流过RC2的电流较小，可以忽略，所以VB4VCC=5V ，使T4和D导通，则有： VOVCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V） 实现了输入低电平时，输出为高电平。,（2）输入低电平0.3V 时。,注意：何谓开门？T3饱和叫做开门 何谓关门？ T3截止叫做关门,综合上述两种情况，该电路 满足反相器的逻辑功能，即：,3、TTL反相器的开关速度,（1）采用输入级加快了存储电荷的消散过程。,（2） 采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电,提高开关速度和带负载能力.,4、TTL反相器的电压传输特性,1电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）,1、TTL与非门电路,3.2.4 TTL逻辑门电路,2、TTL与非门的参数,（1）输出高电平VOH在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。 VOH是一个电压范围 （2）标准输出高电平VSH 输出高电平的下限VOH（min） （3）输出低电平VOL在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。 VOL是