《数字电子技术 教学课件 ppt 作者 包晓敏 第2章 门电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子技术 教学课件 ppt 作者 包晓敏 第2章 门电路（115页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 门电路,2. 1 引言 2. 2 CMOS逻辑电路 2. 3 CMOS电路的电气特性 2. 4 TTL逻辑电路 2. 5 其他高速逻辑电路 2. 6 集成门电路的应用和注意事项 2. 7 接口电路,教学目标：,掌握晶体管的开关特性 掌握门电路的分类、电气特性和相互连接 掌握门电路的应用 了解器件资料的获取方法和关键信息提取,重点：,CMOS逻辑电路的工作原理和电气特性； TTL逻辑电路的工作原理和电气特性； 集成门电路的应用和注意事项； 接口电路。,难点：,集成门电路的电气特性； 发射极耦合逻辑电路和Bi-COMS电路； 集成门电路在应用中的注意事项； CMOS与TTL接口。,理想的数
2、字信号,2.1 引言,边沿陡峭,2.1 引言,典型的数字逻辑,不确定逻辑,电路稳定时，一般不允许电压出现在这个范围内,2.1 引言,“一刀切”的数字逻辑是否合理？,逻辑0（低电平）,1.5V,0 V,逻辑1（高电平）,5 V,3.5V,造成信号的多次翻转-逻辑错误,2.2 CMOS逻辑电路,CMOS： Complementary MOS,互补型MOS电路,电路中由多对CMOS晶体管组成,NMOS,PMOS,metal-oxide semiconductor field-effect transistor,M O S F E T,F: Field 场,M：metal 金 属,O：oxide 氧化
3、物,S ： semiconductor 半导体,E：effect 效应,T：transistor 晶体管,G,NMOS增强型,PMOS增强型,NMOS耗尽型,NMOS耗尽型,2.2.1 MOSFET开关特性,标准电路符号,2.2.1 MOSFET开关特性,增强型NMOS,导通条件：,栅（G）,P型半导体衬底,氧化层（绝缘）,N+,N+,2.2.1 MOSFET开关特性,栅（G）,P型半导体衬底,氧化层（绝缘）,N+,N+,耗尽层,2.2.1 MOSFET开关特性,栅（G）,P型半导体衬底,氧化层（绝缘）,N+,N+,导电沟道的形成,2.2.1 MOSFET开关特性,增强型NMOS管特性转移曲线
4、,结论：导通电阻由 决定，其 变化范围非常大,2.2.1 MOSFET开关特性,（a）截止状态 （b）导通状态 MOS管开关等效电路,2.2.1 MOSFET开关特性,注意：（1）输入电容使得器件对静电敏感,（2）导通电阻越小，开关特性越好,2.2.2 CMOS反相器,柵极相连做输入端,漏极相连做输出端,PMOS,NMOS,2.2.2 CMOS反相器,PMOS,NMOS,0,通,断,1,1,断,通,0,过渡过程：T1和T2都部分导通。,2.2.3 CMOS与非门和或非门,CMOS与非门,PMOS并联,NMOS串联,CMOS与非门,2.2.3 CMOS与非门和或非门,0,通,断,1,0,通,断,
5、0,1,1,1,0,1,与非逻辑,2.2.3 CMOS与非门和或非门,CMOS或非门,PMOS串联,NMOS并联,2.2.3 CMOS与非门和或非门,0,通,断,1,0,通,断,0,1,1,1,0,1,或非逻辑,2.2.3 CMOS与非门和或非门,三输入CMOS或非门,三对CMOS,三对CMOS,三对CMOS,PMOS串联,NMOS并联,2.2.3 CMOS与非门和或非门,三输入CMOS或非门,输入为“0”，对应PMOS通,输入为“0”，对应NMOS断,输入为“1”，对应PMOS断,输入为“1”，对应NMOS通,串联结构，有一个节点断，则电路不通。,并联结构，有一个支路通则通,有一个输入为“1
6、”时，到电源的电路断，而到地有通路，输出“0”,所有输入均为“0”时，到电源的电路通，而到地支路均断开，输出“1”,三输入CMOS或非门,2.2.3 CMOS与非门和或非门,2.2.3 CMOS与非门和或非门,或非门扩展原则,有几个输入端，就需要用几对互补型MOS管，每一对MOS管的栅极与一个输入端连在一起； NMOS管采用并联结构，且源极与地相连； 各PMOS管串联，两端的PMOS管一个源极接电源，另一个漏极与NMOS管漏极相连作为输出。,2.2.3 CMOS与非门和或非门,与非门扩展原则,有几个输入端，就需要用几对互补型MOS管，每一对MOS管的栅极与一个输入端连在一起； PMOS管采用并
7、联结构，且源极与电源相连； 各NMOS管串联，两端的NMOS管一个源极接地，另一个漏极与PMOS管漏极相连作为输出。,2.2.4其它CMOS门电路,与或非电路,PMOS并联,NMOS串联,PMOS并联,NMOS串联,串联,并联,Z=,接地通路断,有电源通路,=,=,=,=,与或非电路,也可根据真值表进行分析,即：,？,设计思路,并联,串联,=1时，输出到电源有通路,且,串联结构,.,.,有一个为0则结果为0 并联结构,=0时，输出到 地 有通路,或,并联结构,.,.,两个同时为1结果才为1 串联结构,有一个为0则结果为0 并联结构,两个同时为1结果才为1 串联结构,输入为0开启通路，故应使用P
8、MOS管,输入为1开启通路，故应使用NMOS管,2.2.4其它CMOS门电路,或与非电路,PMOS 串联,并联,并联,串联,2.2.4其它CMOS门电路,三态缓冲器,EN=1,开门,COMS结构 一个管子通时，另一个截止,符号：,缓冲器的应用,同一时刻，只能有一个使能信号有效，否则总线电压可能失去逻辑性，甚至造成器件损坏,2.2.4其它CMOS门电路,传输门,T1和T2为CMOS结构,其栅极控制信号逻辑相反,两个晶体管均导通或均截止,传输门用于传输模拟信号,两个晶体管均导通或均截止,？,特点：结构对称，输入和输出可换用,并联结构，确保导通电阻低，增强传输效果,符号：,2.2.4其它CMOS门电
9、路,与非门,漏极开路,高电平输出电流由R决定,2.3 CMOS电路的电气特性,静态特性,动态特性,:信号稳定时的特性。包括逻辑电平、噪声容限、扇入扇出和静态功耗等；,信号逻辑发生翻转时的特性。包括转换速度和动态功耗等；,2.3.1 噪声容限,噪声容限的定义,低电平噪声容限,VNL=VILmaxVOLmax,高电平噪声容限,VNH= VOHmin VIHmin,2.3.2 电路的负载特性,灌电流,拉电流,（正值）,（负值）,2.3.3 扇入与扇出,扇入：,门电路输入端的数目,扇出：,门电路带负载的数目,仅有极小漏电流,可以有很多输入端？,串联的导通电阻会抬高输出低电平或拉低输出高电平,或非门最多
10、4个输入端,2.3.3 扇入与扇出,如何实现以下逻辑?：,与非门扇入有限，所以不能直接使用八输入与非门,Z=,逻辑转换,2.3.3 扇入与扇出,高电平扇出：,低电平扇出：,=,=20,=,=10,解：,2.3.4 CMOS门电路的传输特性,1.转换时延：,（a）信号转换的理想波形 （b）实际波形 信号的转换过程,2.3.4 CMOS门电路的传输特性,转换时延的计算：,（a）高电平输出 （b）向低电平的转换过程 CMOS电平转换模型,三要素公式：,即：,即下降时间,低电平向高电平翻转过程：,即：,即下降时间,2.3.4 CMOS门电路的传输特性,2.传播时延：,CMOS反相器的传播时延,2.3.
11、5 其他电气特性,1.尖峰电流：,CMOS反相器的尖峰动态电流,输入电压在阈值附近，VF1和VF2均能形成导电沟道，瞬间电流较大,2.3.5 其他电气特性,2.动态功耗（CMOS电路的主要功耗）,2.3.5 其他电气特性,3. 寄生电感的影响,2.3.6 集成芯片的数据手册,1. 型号命名,74 HC 00,民用,高速COMS,与非门,2.3.6 集成芯片的数据手册,2. 功能和外形,74HC00的逻辑功能,2.3.6 集成芯片的数据手册,例2-2 使用尽量简单的电路实现逻辑功能,分析：需选用一个非门、两个与门和一个或门,无非门和或门芯片,逻辑转换：,仅使用一片集成电路！,2.3.6 集成芯片
12、的数据手册,3. 电气参数,常温下的典型交流参数,7 4 HC 0 0直流参数表,CMOS系列典型电气特性,2.4 TTL逻辑电路,Transistor-Transistor Logic,T T L,L: Logic 逻辑,T：transistor 双极型晶体管,T：transistor 双极型晶体管,2.4.1 二极管逻辑电路,（a）二极管恒压降特性曲线 （b）二极管等效电路 二极管等效模型,2.4.1 二极管逻辑电路,（a）电路 （b）真值表 二极管与门,2.4.1 二极管逻辑电路,两级二极管与门的电平偏移问题,1.7V,2.4V,已到阈值！,2.4.2 双极型晶体管的逻辑特性,（a）三极
13、管反相器逻辑电路 （b）特性曲线 （c）真值表 三极管反相器,2.4.3 TTL门电路,第一代： 74/54系列,经典系列,LTTL低功耗系列,HTTL高速系列,第二代： 肖特基系列高速,STTL,LSTTL,第三代： 更高工艺技术,ASTTL:高级肖特基TTL系列,ALSTTL,FTTL,2.4.3 TTL门电路,（a）电路结构 （b）符号 肖特基箝位晶体管,2.4.3 TTL门电路,与非门74S00电路结构,多发射极晶体管,分相器,有源泄放回路快速放电,2.4.3 TTL门电路,输入均为高电平时：,2.4.3 TTL门电路,输入有一个为低电平时：,低电平，截止,无合适偏置，截止,无合适偏置
14、，截止,复合管结构,Z=1,非肖特基结构：因为uC4 =uC3 (uE3= uB4)集电结反偏，不会饱和,2.4.3 TTL门电路,与非门74S00电路结构,与非门74LS00电路结构,对比： 电阻增大降低电流，即降低功耗 增加泄放回路提高速度,2.4.4 TTL电路的电气特性,TTL门电路系列的电气特性,2.4.4 TTL电路的电气特性,图2-34 TTL逻辑电平,。,TTL器件对低电平噪声更加敏感,2.4.4 TTL电路的电气特性,例2-3 根据表2-4，计算74ALS00的扇出系数。,2.4.4 TTL电路的电气特性,例2-4 在一个逻辑电路中，电路设计者使用一个74ALS00门连接10个74LS00门和5个74AS00门，电路设计合理吗？,分析：输出低电平时，需提供负载电流为,结论：电路设计不合理！,2.
