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1、第三章 门电路,现代数字集成电路，就是在半导体硅一类材料的芯片上， 用特殊工艺制造出大量晶体管，同时布上适当的连线， 再经测试和封装而成。,数字集成电路中晶体管工作在开关状态,模拟电路中晶体管工作在线性状态,3-1 晶体管的开关特性及反相器,二极管,三极管,一、二极管开关特性,正向阈值 对硅管约为0.70.8V 对锗管约为0.3V,1、二极管特点,二极管的近似特性曲线,导通区： 导通内阻，约数十欧,截止区： 反向内阻，约数百欧,反向击穿区： 击穿内阻，约数欧,(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极 管相当于一个闭合的开关。,可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的
2、开关。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。,(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。 二极管相当于一个断开的开关。,2、肖特基二极管,肖特基二极管是一种专门 设计的、开关时间极短的 二极管，开关时间trr仅为 100ps。,另外，肖特基二极管的正向阈值电压Vth约为0.3V，也比 硅管的低,1、晶体管特性,二、 三极管(BJT)的开关特性,0.70.8V 硅管,0.3V 锗管,两个PN结都是正偏的,0.3V 0.1V,0.8V 0.3V,0.3V 硅管,0.1V 锗管,三极管饱和时：,饱和晶体管的等效电路,忽略饱和压降,三极管截
3、止时等效电路：,忽略ICBO,三、场效应管（FET）开关,结型场效应管（J-FET）：用于分立的脉冲电路及 模拟集成电路,金属氧化物半导体 场效应管（MOS-FET）：用于数字集成电路,常用的N沟道增强型MOS管构成的反向器,反向器的传输时延,不论是晶体管或是场效应管的开关电路，当计及分布电容及 管子的开关惰性后，电路的输入、输出波形都不可能跃变， 而且输出总是滞后于输入。,反向器的平均时延为：,第二节 早期门电路,一、二极管门电路,二极管门电路的缺点：,1、与门的输出低电平要上浮0.7V, 而或门的输出高电平要下移0.7V 不利于实行多级逻辑运算,2、输出缺乏驱动能力，负载的接入将 进一步影
4、响输出电平 改善的方法是 后面接一反向缓冲器,二、二极管晶体管逻辑门（DTL）,与门,非门,当输出F为高电平时，后接的同类DTL负载门不会对输出F 高电平造成负担，因为这时负载门的输入二极管是截止的,缺点：因为饱和管的消散时间长，门的传输时延大，可达25ns,无源上拉电阻输出,三、电阻晶体管逻辑门（RTL）,或非门,非门,无源上拉电阻输出,无源上拉电阻输出： 输出低电平时为低内阻，输出高电平时为高内阻,因此，这类门在输出高电平时负载能力差，能带动同类门的 数目少,3-3 晶体管晶体管逻辑门（TTL）,早期门电路：由分立的晶体管和电阻、二极管等构成，体积 较大，性能不够理想,混合集成电路：可以部
5、分集成，体积有所缩小，性能得到 改进,集成逻辑门：所有元器件，连同相应布线，都可集成在一 小片硅芯片上，形成真正的集成逻辑门，即 集成块（IC）,1、标准型TTL门电路,TTL与非门的基本结构,以2输入与非门 （1/4 7400)为代表,2、快速型和低功耗型TTL门电路（H-TTL及L-TTL）,改进方法： （1）、降低电阻值改善 管子的开关速度,（2）、用达林顿对管T3-T4代 替T4-D3管，使输出高 电平时内阻进一步减小， 增加了输出拉电流,H-TTL,L-TTL,（1）省去了保护二极管 D1、D2,（2）增加了电阻值，使：,门的功耗降到1mW,但传输时延却延长到30ns 以上,3、肖特
6、基型TTL门电路（S-TTL),利用肖特基管（SBD)作为抗饱和措施，推出了速度更快 的肖特基型TTL电路,4、低功耗型肖特基门电路（LS-TTL）,将多发射极管T1改成由肖特基二极管D1、D2组成的与逻辑电路，以提高与操作速度,增加电阻值，以降低功耗,添入D5、D6， D6:可加速T5的通导过程 D5:缩短T3的截止过程,LS-TTL门的功耗为2mW，传输时延只有10ns,近来又出现了先进的肖特基型（AS-TTL）和 先进的低功耗肖特基型（ALS-TTL）,5、高速型TTL门电路（F-TTL),新措施的目的是：保持高速，降低输入端的电流，提高了驱动能力,速度同最快的S-TTL,功耗仅为S-T
7、TL的五分之一,二、TTL门电路的外部特性及参数,1、电压转换特性、噪声容限及传输时延,电压转换特性又称为电压传输特性，它就是门的输出电压 随输入电压变化的曲线,74系列不同类型的TTL与非门的转换特性,转换区,输入信号的关门（截止）电平,开门（导通）电平,转换区,门的输入阈值电平Vth: 曲线转折的中点所对应的输入电压,对LS型约为1.0V 对S型约为1.3V 对F型约为1.5V 对标准型约为1.4V,各类74系列TTL电路输入、输出电平的极限值,电流参数：流入为正，流出为负,TTL的门与门之间的级联，必须满足：,前级输出逻辑电平，一定要落在后级输入逻辑电平允许范围 之内，如LS-TTL,0
8、.5V,高电平噪声容限,低电平噪声容限,0.5V,TTL电路,54系列：军用品， 工作温度范围,74系列：民用品（工业用） 工作温度范围,温度会使各参数发生变化，但总的变化不会超出图示 区域范围,传输时延 ，用来说明输出波形相对于输入波形延迟 的概念,2、输入、输出特性和扇出系数,门的输入特性：门输入端的电流 随输入电压 的变化 关系,TTL与非门多余输入端的处理,一般不让多余的输入端悬空，容易拾取干扰信号， 造成逻辑功能混乱,TTL门电路的输出特性,当前级门输出为高电平时，,截止,导通,拉电流,拉电流越大 输出高电平越低,当前级门输出为低电平时，,浅饱和,截止,灌电流,随着灌电流的增大， 输
9、出低电平略有上升,扇出系数： （反映负载能力强弱） 定义：门电路驱动同类门的数目。,低电平时的扇出系数,驱动门最大输出低电平电流（灌电流）,负载门最大低电平输入电流,高电平时的扇出系数,驱动门最大输出高电平电流（拉电流）,负载门最大高电平输入电流,两个值以绝对值较小的作为门电路的标称扇出系数,标准型：10 S型：10 LS型：20 F型：33,电源及功耗,电源中的电流尖峰，会对整个数字系统造成干扰，必须对 电源总线添加去耦措施：串接高频电感或并接去耦电容,门截止时的功耗：,门导通时的功耗：,平均功耗：,三、TTL门的其他输出、输入结构,TTL门电路的输出结构,为标准的图腾柱电路 (推拉式输出级
10、）,导通 高电平 截止,截止 低电平 导通,若把两门的输出端并接起来,高电平,低电平,导通,导通,由于两门的输出均呈现低阻 抗，并接后的电流 , 将大大 超过晶体管的允许值，而使 芯片烧坏。,故严禁TTL图腾柱输出端 并接使用,允许输出端并联工作的集电极开路输出和三态输出结构,1、集电极开路门（OC门）,TTL 2输入或非门（OC门）：74LS02,0.3V,0.3V,1V,1V,截止,截止,截止,外接上拉电阻，使输出F为高电平,高电平,低电平,反向,导通,导通,低电平,电路功能：或非门,2、三态输出门（3S门),三种输出状态,高电平,低电平,高阻输出状态,使能端 选通端,0,1,截止,截止,
11、电路的工作状态完全 受A的控制，,0.3V,1.0V,截止,截止,高电平,使能端 选通端,0,1,截止,截止,高电平,导通,导通,低电平,使能端 选通端,1,0,导通,截止,高内阻,1.0V,导通,1.0V,截止,截止,截止,三态输出标记,三态门的用途： 可将多个三态门的输出并接到一 条总线（BUS）上，实现多路信 号的串行传送,利用四总线缓冲器，将四 路并行输入数据D1、D2、 D3、D4，变成串行数据出 现在总线上，只要四个使 能信号C1、C2、C3、C4 轮流为低电平即可,多总线结构： 当C=0时，左缓冲器被使能，使数据A1A4传到相应总线 F1F4上 当C=1时，右缓冲器被使能，使数据
12、B1B4传到相应总线 F1F4上,三态总线只能使多路输入信号按序输出，保证同一总线上 的三态门中，任一时刻总只有一个三态门能正常操作，而 其余三态门都应该处于高阻状态,3、施密特输入结构,电路的转换特性具有高、低两个阈值 及 ，即有高、低 两个输入转换电平。,普通单阈值反相器,施密特特性反相器,这种电路专为慢输入波形转换 成逻辑信号而设计的,双阈值的转换特性，称为回 差特性，也叫施密特触发特 性,四、其它功能的TTL门电路,TTL商品门还有与或非门和异或门等,商品的与或非门还有3-3-2-2输入的74LS54及4-3-2-2输入的74LS64,1、2-2输入与或非门,2、TTL异或门,商品的异
13、或门还有： 74LS86、74LS136(OC)及74LS386,五、集成电路的封装,3-4 发射极耦合逻辑门（ECL）,ECL：射极开路输出特性,增添线或逻辑功能,3-5 集成注入逻辑（IIL或I2L）,3-6 金属氧化物半导体逻辑（MOSL）,MOS逻辑门的许多性能指标达到甚至超过了TTL电路，尤其在 大规模集成电路领域中，更显出其功耗低、集成度高等优点,NMOS门电路：,CMOS门电路：,全由NMOS管构成的门电路,由NMOS管和PMOS管构成的门电路,所以输出为低电平。,一、 NMOS门电路 1NMOS非门,逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1gm2 ） （1）
14、当输入Vi为高电平8V时，T1导通，T2也导通。因为gm1gm2，所以两管的导通电阻RDS1RDS2，输出电压为：,（2）当输入Vi为低电平0V时，,2NMOS门电路 （1）与非门,T1截止，T2导通。 VO=VDD-VT=8V =VOH ，即输出为高电平。 所以电路实现了非逻辑。,（2）或非门,二、互补MOS反相器（CMOS）,两管互为负载，故称为互补 MOS电路，因此在电路中见 不到电阻,4000及14000系列，称为标准系列，VDD可选318V,HC及AC等系列，VDD则可选26V,对于转换阈值Vth： 对标准系列或HC（高速系列）及AC（先进系列）， 都是0.5VDD,三、静态CMOS
15、门电路,高电平,导通,截止,低电平,低电平,低电平,截止,截止,导通,导通,高电平,CMOS传输门,0,1,设：,当控制输入 时,截止,截止,与 之间是断开的,当控制输入 时,导通,导通,与 之间可看成是接通的,1,0,MOS电路使用时的注意事项：,由于MOS管的输入阻抗很高，可达 所以CMOS电路的输入端是不允许开路的； 否则，微量的感应电荷，都会产生明显的甚至是危险的 感应电压，烧坏器件,3-7 接口电路,一、TTL和CMOS电路的互联,电源电压都是5V的TTL和CMOS电路间互联的情况,当用TTL驱动HCT或ACT时，电平接口是适配的,用TTL驱动HC或AC时，无法传输高电平信号,由HC、HCT、AC及ACT驱动TTL，同样不成问题,驱动能力：,由TTL驱动CMOS时，扇出系数足够大； 由HC或HCT驱动TTL时，可以驱动10个74LS门， 而驱动74S门就只有2个,电源电压不同时，TTL与CMOS的接口,选用OC门，利用外接上拉 电阻，使输出F1的高电平提 升到接近VDD值,选用专用的TTL至CMOS 电平转移接口MC14504, 接在TTL与CMOS器件之 间,3.1 3.2 3.6 3.8 3.9 3.16 3.27,
