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1、第3章 集成逻辑门,教学基本要求 （1）掌握晶体管、MOS管开关特性。 （2）掌握TTL和CMOS门的逻辑功能、外部特性、主要参数和正确 使用方法。 （3）掌握门电路标准推拉输出、开路输出、三态输出的特点和应用。 （4）理解TTL和CMOS门电路的工作原理。 （5）了解ECL、I2L门电路的基本原理。 本章重点 （1）晶体管、MOS管开关特性。 （2）门电路的外部电气特性和正确使用方法。 （3）门电路开路输出、三态输出的特点和应用。,第3章 集成逻辑门,概述 3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL 集成逻辑门 *3.3 ECL和I2L电路 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路 *3.6
2、 VHDL描述逻辑门电路,概述,把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制做在同一块半导体基片上，这样的产品叫集成电路。若它完成的功能是逻辑功能或数字功能， 则称为逻辑集成电路或数字集成电路，本章介绍的集成逻辑门属于SSIC。,数字集成电路按其内部有源器件的不同可以分为两大类： 双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件构成， 简称TTL集成电路。 (2) 单极型集成电路：采用电压控制型半导体器件作为元件构成，简称MOS集成电路。,概述,一双极型集成电路：TTL电路 主要特点：速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。,双极型集成电路又可分为： (1) TTL(Transi
3、stor Transistor Logic)电路（ 54/74系列、54H/74H系列、54LS/74LS系列等）; (2) ECL(Emitter Coupled Logic)电路; (3) IL(Integrated Injection Logic)电路等类型。,TTL电路的“性能价格比”较佳，应用较广泛。,概述,二单极型集成电路：MOS电路 采用金属-氧化物半导体场效应管(Metel Oxide Semi- conductor Field Effect Transister,简写为MOSFET)作为元件。 主要特点：结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。,MOS集成电路又可分
4、为： (1) PMOS(P-channel Metel Oxide Semiconductor)、 (2) NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor) (3) CMOS(Complement Metal OxideSemiconductor)（4000系列、54HC/74HC系列等）等类型。,CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻辑电路的设计，而且综合性能最好。,概述,门电路: 用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路统称为门电路。 正、负逻辑的应用: 如果以输出的高电平表示逻辑 “ 1 ”，输出的低电平表示逻辑 “ 0 ”，则为正逻辑编码。
5、反之则为负逻辑编码。 一般未加说明，默认采用“正逻辑”。,正逻辑编码,负逻辑编码,与门,或门,电平表,例,概述,TTL数字集成电路型号的命名法,概述,示例：,（1） (2) (3) (4) (5),CT 74 LS 00 P,塑料双列直插封装,器件系列：低功耗肖特基,温度范围：0+70,中国制造的TTL类,器件品种：四2输入与非门,SN 74 S 195 J,黑陶瓷双列直插封装,器件品种：4位并行移位寄存器,器件系列：肖特基,温度范围：0+70,美国TEXAS公司,（1） (2) (3) (4) (5),概述,CMOS ， ECL器件型号组成符号意义,CC 40 25 M,温度范围： -55+
6、125,器件品种：3输入与非门,器件系列,中国制造CMOS器件,示例：,CE 10 131,器件品种:双主从D触发器,器件系列,中国制造ECL器件,(1) (2) (3) (4),(1) (2) (3),第3章 集成逻辑门,概述 3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL 集成逻辑门 3.3 ECL和I2L电路 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路 3.6 VHDL描述逻辑门电路,3.1 晶体管的开关特性,开关特性,晶体二极管开关特性 晶体三极管开关特性,理想开关特性,晶体二极管具有单向导电性，在数字电路中工作在开关状态下。,一个理想开关应具有如下特性： （1）开关S断开时，通过开关的电流
7、i0，这时开关两端点间呈现的电阻为无穷大； （2）开关S闭合时，开关两端电压V0，这时开关两端点间呈现的电阻为零； （3）开关S的接通或断开动作瞬间完成； （4）上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响。,稳态开关特性,一、二极管稳态开关特性,稳态开关特性（静态特性）：电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的开关特性。二极管的静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。典型二极管的静态特性曲线(又称伏安特性曲线)如下图所示,开关特性曲线,从特性曲线可知，二极管的电压与电流关系是非线性的。其正、反向特性如下：,(a)为实际特性，（b)为理想特性，（c)为折线化近似特性,正向特性, 正向电
8、压小于Vth时 ：管子处于截止状态，电阻很大、正向电流接近于0，二极管类似于开关的断开状态 ；, 正向电压等于Vth时 ：管子开始导通，正向电流 开始上升；当正向电压大于Vth达到一定值(一般锗管为0.3V，硅管为0.7V。)时，管子处于充分导通状态，电阻变得很小，正向电流急剧增加，此时二极管类似于开关的接通状态。,1 正向特性,门槛电压( Vth又称阈值电压):,使二极管开始导通的正向电压,有时又称为导通电压,对于硅二极管Vth0.60.7 V，锗二极管Vth0.20.3 V。,反向特性,2反向特性, 二极管的反向特性表现为在反向电压作用下，二极管处于截止状态，此时反向电阻很大，反向电流很小
9、，将其称为反向饱和电流，用IS表示，通常可忽略不计，此时二极管的状态类似于开关断开，而且反向电压的变化基本不引起反向电流的变化。, 当反向电压超过极限值UBR时，二极管被击穿。,开关等效电路,下图(a)给出了二极管组成的开关电路图，图(b)所示为二极管导通状态下的等效电路，图(c)所示为二极管在截止状态下的等效电路，图中忽略了二极管的正向压降。,使用注意事项,使用注意事项, 由于正向导通时可能因流过的电流过大而导致二极管烧坏，所以，组成实际电路时通常要串接一只限流电阻R，以限制二极管的正向电流；, 由于反向电压超过某个极限值将使反向电流突然猛增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向
10、击穿电压UBR），一般不允许反向电压超过此值。,瞬态开关特性,二、二极管瞬态开关特性,二极管瞬态开关特性即动态特性： 二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间。过渡过程工作波形如下图所示。,反向恢复时间,1 反向恢复时间,二极管从正向导通到反向截止所需要的时间称为反向恢复时间。, ts（存储时间）： iD由IR = VR/R降 至0.9IR所需驱散存储电荷的时间 tf（下降时间): iD由0.9IR逐渐下降至0.1IR所需驱散存储电荷的时间 trr = ts + tf 时间称为反向恢复时间,正向恢复时间,2 开通时间 （正向恢
11、复时间）,二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间 或正向恢复时间。 tr（上升时间）由iDmax=(VR+VF)/R下降至iD=VF/R所需的时间,由于tr比tstf小得多，所以忽略不计，反向恢复时间成为影响二极管开关速度的主要原因。,二极管的应用,三、二极管的应用,1 限幅电路 2 二极管钳位电路 3 构成分立元件门电路,限幅电路,1 限幅电路,功能是将输入波形的一部分传送到输出端 。限幅电路主要应用于波形变换与整形。,常用限幅电路有: 串联限幅电路： 并联限幅电路: 串联上限限幅 并联上限限幅 串联下限限幅 并联下限限幅 串联双向限幅 并联双向限幅,串联限幅电路, 串联限幅电路,串联
12、限幅电路是利用二极管的截止状态起限幅作用。下图为三种典型限幅电路，其中VREF为限幅电平。,限幅电平为VREF1的串联下限幅,当vIVREF1，则D导通，vo=vI,当vIVREF1，则D截止，vo=VREF1,串联双向限幅,当vI=0时，由于VREF2VREF1，则D1截止，D2导通，A点电位为:,双向限幅工作波形如图所示。设图中，限幅电平VREF2VREF1。,当vIVA时，D1截止，D2导通，输出vOVA，由D1实现下限限幅，限幅电平为VA。,当vIVREF2时，D1导通，D2截止，输出vOVREF2，由D2实现上限限幅，限幅电平为VREF2。 当VAvIVREF2时，D1导通，D2导通
13、，输出vOvI。,并联限幅电路, 并联限幅电路,二极管并联限幅电路是利用二极管导通状态实现限幅，其电路图如图所示。,注意：在限幅器中，应该注意二极管截止时，二极管两端的反向电压不能超过二极管的击穿电压。,二极管钳位电路,2 二极管钳位电路,钳位电路是将输入信号波形的顶部或底部钳位在某一电平。 钳位是利用二极管的导通实现的，也是有一定条件的。,钳位条件,右图（a)是将输入脉冲波形顶部钳位于零电平的电路。,工作波形的钳位条件是： 1) 输入脉冲能使电路中的二极管D导通 2) RrD (rD是二极管导通电阻) 3）rDCT2(输入脉冲休止期),发现问题(p61),图（a）是将输入脉冲波形顶部钳位在V
14、REF的电路，波形如图（c）所示。 图（b）是将输入脉冲波形底部钳位在VREF的电路，波形如图（d）所示。,设右图(a)电路及输入波形满足钳位条件： VREFuI的幅值 RCTirDC Ti是输入信号周期 rD是二极管导通电阻,所以输出波形（c） 没有问题。,电路（b）与波形（d） 有问题吗？,构成分立元件门电路,（1）二极管与门 （2）二极管或门,3 构成分立元件门电路,二极管与门,Y=AB,（1）二极管与门,二极管或门,Y=A+B,（2）二极管或门,晶体三极管开关特性,在一般模拟电子线路中，晶体三极管常常当作线性放大元件或非线性放大元件来使用，而在脉冲与数字电路中，晶体管交替工作于截止区与
15、饱和区，作为开关元件来使用。,三极管稳态开关特性,输入电压vI直接通过电阻RB作用于晶体管T的发射结，输出电压vo由晶体管集电极取出。关系公式： vBE vI -RBiB vo=vCE =VCC-RCiC,晶体单管共射电路,一、三极管稳态开关特性,电压传输特性,电压传输特性：电路的输出电压vo与输入电压vI的函数关系曲线。,晶体单管共射电路电压传输特性,稳态工作状态,晶体三极管作为开关，有两个稳态工作状态： (1) 稳态时工作在截止状态，称为稳态断开状态。此时iC0，vOVCC。 (2) 稳态时工作在饱和状态，称为稳态闭合状态，此时iBiBS，vo=VCE(set)0.3V,NPN型三极管工作
16、状态特点,三极管开关电路稳态分析举例,饱和区,截止区,放,大,区,一般不给具体参数的开关电路，默认满足开关条件要求，稳态工作于截止状态和饱和状态。,稳态等效电路,截止状态,饱和状态,iBIBS,ui=UIL0.5V,uo=+VCC,ui=UIH,uo=0.3V,开关条件分析举例,ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：,ui=1V时，三极管导通，基极电流：,因为0iBIBS，三极管工作在放大状态。iC=iB=500.03=1.5mA，输出电压：,三极管临界饱和时的基极电流：,uo=uCE=VCC-iCRc=5-1.51=3.5V,uo=VCC=5V=V0H,ui3V时，三极管
