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02门电路
第二章门电路教学大纲
学时:
6(5)
1、本章教学目的要求
门电路是构成数字电路的基本单元。
通过本章学习,了解晶体管开关特性,掌握门电路构成及工作情况。
2、教学内容及要求(注明掌握内容A,理解内容B,了解内容C)
(1)晶体管开关特性;B
(2)分立元件门电路;B
(3)CMOS集成门电路;A
(4)TTL集成门电路;A
3、重点、难点
重点:
集成门电路。
难点:
集成门电路构成及工作情况。
4、教学方法教学手段说明
讲授、自学讨论、图表模型、采用多媒体辅助教学,理论和实践密切结合。
第二章门电路
(5学时——第9~13学时)
目的有求:
通过本章学习,掌握分立器件构成的逻辑门及MOS管构成互补对称集成逻辑门构成及特性。
教学内容:
本章主要包括二个方面内容:
分立器件逻辑门、CMOS集成逻辑门。
教学重点:
逻辑门构成及特性。
教学难点:
CMOS集成逻辑门。
基本要求:
掌握基本逻辑门的构成及特性。
教学方法:
启发式、讨论式、探究时,理论、实验和实际应用有机结合。
教具:
多媒体装置、投影机、幻灯片等。
作业:
见具体教学内容。
[第9学时]
概述
一.门电路
实现基本逻辑及常用逻辑运算的电路,这种电路的输入、输出只有1、0两种状态。
二.高低电平及两种逻辑
高电平——3.6V左右、低电平——0.2V左右。
正逻辑——高电平用1表示、第电平用0表示;负逻辑——高电平用0表示、第电平用1表示。
2.1半导体器件开关特性
一.理想开关
理想开关具有如下特性:
1.静态特性
断开时,无论电压如何,开关电阻Roff=∞、电流Ioff=0;
闭合时,无论电流如何,开关电阻Ron=0、电压Uon=0。
2.动态特性
开通时间ton=0,关断时间toff=0。
但理性开关是不存在的。
实际中的机械开关静态特性很接近理性开关,但动态特性较差,不能满足每秒钟开关很多次的需要。
半导体器件(二极管、三极管、场效应管)充当开关时,静态特性虽不太好,但动态特性比较理想,特别适合于每秒钟开关很多次的需要。
二.二极管开关特性
二极管两极之间相当于开关,其正向导通及反向截止状态相当于开关的闭合及断开。
下面以硅管为例讨论。
1.静态特性
(1)导通条件及导通特性
二极管两端所加电压UD>0.7V时,二极管导通,近似看作具有0.7V压降的闭合开关。
(2)截止条件及截止特性
二极管两端所加电压UD<0.5V时,二极管截止,近似看作ID=0的截止开关。
2.动态特性
由于二极管结电容的存在,在开通及关断的过程中,伴随着电容的充放电,因此二极管开关要经过一定时间的延迟才能达到开通或关断。
二极管开关特性
其中,开通时间ton=td+tr(导通延迟时间td、上升时间tr),关断时间toff=ts+tf(存储时间ts、下降时间tf)。
关断时间较小,只有几个纳秒,而开通时间比关断时间短的多,相比可忽略不计。
三.三极管开关特性(以NPN管为例)
三极管c、e两极之间相当于开关,其饱和(导通)及截至状态相当于开关的闭合及断开。
1.静态特性
(1)饱和(导通)条件及饱和(导通)特性
三极管基极电流iB大于临界饱和电流IBS时,三极管饱和,c、e两极之间电流较大、压降较小(等于饱和压降UCES),近似看作具有UCES(Si管0.3V、Ge管0.1V)压降的闭合开关。
(2)截止条件及截止特性
基极—射极间电压电压UBE<U0(Si管0.5V、Ge管0.1V)时,三极管截止,此时iB=0、iC=0,相当于断开的开关。
2.动态特性
三极管结电容的存在,使得三极管开关要经过一定时间的延迟才能达到开通或关断。
其中,开通时间ton=td+tr(导通延迟时间td、上升时间tr),关断时间toff=ts+tf(存储时间ts、下降时间tf)。
关断时间在几~几十个纳秒,而开通时间比关断时间要短。
三极管开关特性
四.MOS管开关特性(以N沟道管为例)
MOS管D、S两极之间相当于开关,其导通及截至状态相当于开关的闭合及断开。
同样存在着静态特性及动态特性。
1.静态特性
(1)导通条件及导通特性
当uGS大于开启电压UT时,管子导通,D、S两极之间电流较大、压降较小或电阻较小,相当于闭合的开关。
(2)截止条件及截止特性
当uGS小于开启电压UT时,管子截止,此时iD=0,相当于断开的开关。
场效应管开关特性
2.动态特性
MOS管结电容的存在,使得其开关要经过一定时间的延迟才能达到开通或关断。
其中,开通时间ton=td+tr(导通延迟时间td、上升时间tr),关断时间toff=ts+tf(存储时间ts、下降时间tf)。
关断时间在几十个纳秒,而开通时间比关断时间要短。
MOS管开通时间和关断时间比三极管长,导通电阻也比三极管大得多,即动态性能性对较差。
2.2分立器件门电路
[第10学时]
一.二极管与门
输入信号
输出信号
ABC
Y
000
001
010
011
100
101
110
111
0
0
0
0
0
0
0
1
二极管与门及符号
输入A、B、C有一个为低电平0(0V)时,低电平对应的二极管正偏导通,其余二极管反偏截至,使得输出Y为低电平0(0.7V);只有全部输入A、B、C均为高电平1(3V)时,所有二极管均正偏导通,使得输出Y为高电平1(3.7V)。
二.二极管或门
输入信号
输出信号
ABC
Y
000
001
010
011
100
101
110
111
0
1
1
1
1
1
1
1
二极管或门及符号
输入A、B、C有一个为高电平1(3V)时,高电平对应的二极管正偏导通,其余二极管反偏截至,使得输出Y为高电平1(2.3V);只有全部输入A、B、C均为低电平0(0V)时,所有二极管均正偏导通,使得输出Y为低电平0(-0.7V)。
输入
输出
A
Y
0
1
1
0
三.三极管非门
三极管非门及符号
输入A为高电平1时,三极管处于饱和导通状态,输出Y为低电平0;输入A为低电平0时,三极管处于截止状态,输出Y为高电平1。
四.MOS管非门
MOS管非门及符号
输入A为低电平0时,栅源电压小于开启电压,场效应管处于截止状态,输出Y为高电平1;输入A为高电平1时(高于开启电压),场效应管处于导通状态,输出Y为低电平0。
2.3CMOS集成门电路
[第11学时]
CMOS集成门由P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管互补对称构成。
一.CMOS反相器
1.基本电路
反相器即非门。
假设MOS管开启电压UTN=-UTP=2V,分析如下非逻辑功能:
输入A为低电平0V时,UGSN=0V<UTN、TN截止,UGSP=-10V<UTP、TP导通,输出Y为高电平1;
输入A为高电平10V时,UGSN=10V>UTN、TN导通,UGSP=0V>UTP、TP截止,输出Y为低电平0。
CMOS非门带保护功能CMOS非门
2.带输入端保护功能点路
栅极与沟道之间的SiO2绝缘层厚度为10-8米,容易受干扰影响(所以输入端不得悬空),电压超标时容易击穿损坏。
为此加入保护电路。
D1、D2、D3构成保护电路。
若输入高于VDD+UD或低于-UD时,相应二极管会导通,使栅源电压控制在-UD~(UD+VDD)之间。
R、C1、C2构成积分电路,消除输入干扰信号。
3.静态特性
(1)输入特性
输入端所加电压uI与输入电流iI之间的关系。
当A在-UD~(UD+VDD)时,iI≈0——MOS管输入电流为0;
当A>(UD+VDD)时,保护二级管D3导通,iI从输入端流入而流向VDD——相当于二级管D3正向导通特性(因为电流从输入端流入门,故电流为负值);
当A<-UD时,保护二级管D1导通,iI自D1、R流出输入端——相当于二级管D1正向导通特性(因为电流从门向外流出输入端,故电流为负值)。
输入电流关系实际上是保护网络的电流关系——近似为二级管的正向特性。
CMOS电路的输入端不得悬空,否则TN、TP无法工作而导致逻辑混乱。
CMOS非门输入特性
(2)输出特性
输出端电压uO与输出电流iO之间的关系。
当A=0时,输出为1,输出电流由门向外流向负载——此时负载为拉电流负载,反向器能输出的最大电流IOH称为“带拉电流负载的能力”;
CMOS非门输出特性
当A=1时,输出为0,输出电流由负载向内流入门——此时负载为灌电流负载,反向器能灌入的最大电流IOL称为“带灌电流负载的能力”。
若VDD降低,导电沟道变窄,使得UOH下降、UOL上升,带负载能力变差。
(3)传输特性
输入端电压与输出端电压之间的关系及输入端电压与漏极电流(由VDD经TP、TN流向地的电流)之间的关系。
AB段:
uI<UTN,TN截止、TP导通,uO=VDD、iD=0;
BC段:
uI>UTN,TN开始导通,但导通电阻较大,uO略有下降、iD开始增加;
CD段:
uI在0.5VDD附近,TN、TP均导通,且导通电阻均较小,uO急剧下降、iD增至最大;
DE、EF段与AB、BC段相反。
uI=0.5VDD叫作反向器的转折电压或阈值电压,用UTH表示。
CMOS非门传输特性
4.动态特性
(1)传输延迟时间
输入电压与输出电压之间的传输关系。
tPHL:
输出由高电平变为低电平的传输延迟时间;
tPLH:
输出由低电平变为高电平的传输延迟时间;
CMOS非门延迟特性
平均传输延迟时间:
(2)输出端状态转换时间
输入信号变化时,输出信号发生变化,输出电压高低转换时间称为输出端状态转换时间。
CMOS非门输入输出转换特性
tTHL:
输出由高电平到低电平的转换时间;
tTLH:
输出由低电平到高电平的转换时间。
(3)噪声容限
噪声容限反映的是电路的抗干扰能力,即电路在干扰噪声的作用下,能维持电路原来的逻辑状态并正确进行状态的转换。
噪声容限给出的是电路所能允许的最大干扰信号,分为交流噪容限和直流噪声容限。
图中,UNA表示噪声容限幅度——电路能承受的干扰信号幅度,tNA表示噪声容限宽度——电干扰信号脉宽。
可看出,若tNW小于门电路平均传输延迟时间,则噪声容限——能承受的干扰信号幅度UNA迅速增大,若tNW大于门电路平均传输延迟时间,则噪声容限逐渐下降到直流噪声容限(约为0.4VDD)。
噪声容限随电源电压VDD不同而不同。
(4)功耗
分为动态功耗和静态功耗。
门电路状态转换过程中瞬间电流很大,会产生较大的动态功耗。
动态功耗与电源电压、信号变化频率等有关。
CMOS静态功耗较小。
5.主要参数
(1)IDD:
静态电源电流,给出最大值;
(2)IOL:
输出低电平电流,给出最小值;
(3)IOH:
输出高电平电流,给出最小值;
(4)II:
输入电流,给出最大值;
(5)UOL:
输出低电平电压,给出最大值;
(6)UOH:
输出高电平电压,给出最小值;
(7)UIL:
输入低电平电压,给出最大值;
(8)UIH:
输入高电平电压,给出最小值;
(9)tPHL、tPLH:
传输延迟时间,给出最大值;
(10)tTHL、tTLH:
输出端状态转换时间,给出最大值;
(11)CI:
输入电容,给出最大值。
[第12学时]
二.CMOS与门、或门、与非门、或非门
1.COMS与非门
两个P沟道管并联、两个N沟道管串联。
若A、B均为0,TP1和TP2均导通、TN1、TN2均截止,Y为1;
若A、B有一个为0,TP1和TP2一个导通、一个截止,TN1、TN2也是一个导通、一个截止,Y为1;
若A、B均为1,TP1和TP2均截止、TN1、TN2均导通,Y为0。
2.COMS或非门
两个P沟道管串联、两个N沟道管并联。
若A、B均为0,TP1和TP2均导通、TN1、TN2均截止,Y为1;
若A、B有一个为0,TP1和TP2一个导通、一个截止,TN1、TN2也是一个导通、一个截止,Y为0;
若A、B均为1,TP1和TP2均截止、TN1、TN2均导通,Y为0。
3.COMS与门
由与非门加上非门构成。
4.COMS或门
由或非门加上非门构成。
三.CMOS传输门、三态门、漏极开路门
1.传输门
传输门是一种可以传送信号的压控开关(可双向传送)。
靠控制信号
、
来控制传输情况:
CMOS传输门及符号
(1)
、
,两MOS门均导通——传输门导通,uo=ui
(2)
、
,两MOS门均截止——传输门截至,输入与输出断开。
2.三态门
三态门是一种具有使能控制端的逻辑门,具有高1、低0、高阻Z三种状态。
使能时电路具有正常逻辑功能,否则为高阻(相当于输出端悬空)。
CMOS三态门及符号
低电平有效三态门具体逻辑功能如下:
,TP1、TN1导通,TP2、TN2构成反向器——
,TP1、TN1截止,TP2、TN2进一步也截止——
高电平有效三态门具体逻辑功能如下:
,
,
三态门分为三态非门(反向器)、三态与非门、三态缓冲门等。
3.漏极开路门(OD门)
输出MOS管的漏极是开路的,使用时必须加上上拉电阻及电源(否则不能工作)。
OD门可以实现线与(但使用时必须加上上拉电阻及电源)。
OD门符号
四.CMOS集成逻辑门主要特点
(1)功耗极低(一般不超过100uW);
(2)电源电压范围宽(可达几V~十几V之间);
(3)高干扰能力强;
(4)逻辑电平差别大(低电平约为0V、高电平约为VDD)
(5)输入电阻极高(可达108Ω以上);
(6)扇出系数(可带同类门的数目)大(可达几十);
(7)集成度高;
(8)抗辐射能力强;
(9)成本低。
五.CMOS集成逻辑门使用注意事项
(1)注意输入端的静电防护,包括运输、组装等过程;
(2)注意输入电路的过流保护;
(3)电源极性不可接反;
(4)CMOS门接入电路时输入端不得悬空,可接高电平(相当于1)或通过电阻接地(相当于0,所接电阻视为短路);
(5)CMOS门接入电路时输出端既不能和电源短接、也不能和地短接。
2.4TTL门电路
[第13学时]
一.TTL反向相(非门)
1.电路构成
电路由输入级、中间级和输出级三部分组成。
输入低电平0V时,T1基极电流iB1入发射极(电流自反向器输入端流出),使得iB2为0,则T2截止,进一步T4也截止,而T3和D2饱和导通(因为流经R2的电流几乎全部流向T3),输出为高电平。
常把T4的状态称为反向器的状态(这是一种约定)。
此时T4截止,称反向器处于截止状态或关断状态(输入低电平、输出高电平);
输入高电平3.6V时,T1处于倒置状态(发射极和集电极颠倒),电流自反向器输入端流入,进而较大电流流入T2基极,使得T2饱和导通,进一步T4也导通,而T3基极电位较低,使得T3和D2截止(因为流经R2的电流几乎全部流向T2),输出为低电平。
因为输出三极管T4导通,称反向器处于导通状态(输入高电平、输出低电平);
TTL非门
由以上逻辑功能分析看出,电路为反相器(非门)。
2.静态特性
(1)输入特性
输入伏安特性:
输入端电压和输入电流之间的关系。
当uI=0(0V)时,
,称为输入端短路电流,由反向器输入端流出的电流;
当uI=1(3.6V)时,iI=IIH≈0.01mA,称为输入端漏电流,又叫输入高电平电流,流入反向器输入端的电流。
TTL非门输入伏安特性
输入端负载特性:
输入端电阻和电压之间的关系。
TTL非门输入端负载特性
当Ri=∞时(输入端悬空),uO=UOL≤0.3V,反向器处于导通状态。
实际上,只需Ri≥2.5k,既可保证反向器处于导通状态,常将2.5k称作开门电阻,记作Ron
当Ri=0时,uO=UOH=3.6V,反向器处于截止状态。
实际上,只需Ri≤0.7k,既可保证反向器处于截止状态,常将0.7k称作关门电阻,记作Roff
若Roff≤Ri≤Ron,反向器处于不正常工作状态——逻辑混乱,要禁止。
(2)输出特性(输出伏安特性)
输出电压和输出电流之间的关系。
带灌电流负载特性(uI=1,uO=0):
此时电路处于导通状态——T4导通、T3和D2截止。
负载外加电源形成电流,流向反向器内部(灌入电流)。
带灌电流负载能力IOL可达16mA。
带灌电流负载时,输出低电平有所上升(串联分压所致)。
带拉电流负载特性(uI=0,uO=1):
此时电路处于截止状态——T4截止、T3和D2导通。
在负载上形成电流,由反向器流向负载(拉出电流)。
带拉负载能力IOH一般为-400uA。
当RL=0(输出短路)时,IO可达33mA,此时的拉电流IO=IOS=33mA叫输出短路电流,但短路时间不得超过1s,否则烧坏器件。
带拉电流负载时,输出高电平有所下降(串联分压所致)。
(3)电压传输特性
输入电压和输出电压之间的关系。
AB段:
uI<0.6V时,uB1<1.3V,T2、T4截止,T3、D2导通,输出高电平3.6V——截止区。
BC段:
uI>0.6V后,uB1升高,T2导通、T4处于放大状态,输出随uI增加而线性下降——线性区。
CD段:
uI>1.4V,T2导通、T4也导通,使得输出急剧下降——转折区。
转折区中心对应的电压称作反向器的阈值电压或门槛电压,用Uth表示。
Uth=1.4V。
DE段:
uI>1.5V后,T2、T4导通,T3、D截止,输出低电平0.3V——饱和区。
输出特性(输出伏安特性)电压传输特性
TTL非门输出伏安特性TTL非门电压传输特性
3.动态特性
(1)传输延迟时间
输入电压和输出电压之间的关系。
TTL非门传输延迟特性
tPHL:
输出有高电平变为低电平的传输延迟时间;
tPLH:
输出有低电平变为高电平的传输延迟时间;
:
平均传输延迟时间
产品规定典型值:
tPHL=8ns、tPLH=12ns,最大值tPHL=15ns、tPLH=22ns
(2)动态尖峰电流
当输入电压在高电平和低电平跳变时,电路在转换期间会出现较大的动态电源尖峰电流。
(3)噪声容限
与COMS反相器类似,反相器对窄脉冲的交流噪声容限要比直流噪声容限大。
4.主要参数
(1)IIL:
输入为低电平时的输入电流,给出最大值;
(2)IIH:
输入为高电平时的输入电流,给出最大值;
(3)IOS:
输出短路电流,给出最大值和最小值;
(4)ICCH:
输出为高电平时的电源电流,给出最大值和典型值;
(5)ICCL:
输出为低电平时的电源电流,给出最大值和典型值。
二.TTL与非门、或非门等
1.TTL与非门
输入A、B有一个(或全部)为低电平时,T1基极电流流入发射极(电流自反向器输入端流出),使得IB2为0,则T2截止,进一步T4也截止,而T3和D饱和导通,输出为高电平。
因为输出三极管T4截止,电路此时状态叫做截止状态(输入低电平、输出高电平);
输入A、B均为高电平时,T1处于倒置状态(发射极和集电极颠倒),电流自反向器输入端流入,进而较大电流流入T2基极,使得T2饱和导通,进一步T4也导通,而T3基极电位较低,使得T3和D截止,输出为低电平。
因为输出三极管T4导通,电路此时状态叫做导通状态(输入高电平、输出低电平)。
TTL与非门
由以上分析看出,电路为与非逻辑。
2.TTL或非门
参见P122图2.4.12。
电路为或非逻辑。
三.TTL集电极开路门、三态门
1.TTL集电极开路门(OC门)
OC门及符号
输出三极管T4集电极开路,使用时必须外接负载和直流电源。
OC门可实现线与。
2.TTL三态门
三态门是一种具有使能控制端的非门。
使能时电路具有正常逻辑功能,否则为高阻(相当于输出端开路悬空)。
三态门符号
三态门分为三态与非门、三态非门(反向器)、三态缓冲门等。
三态门应用举例:
(1)用作多路开关
根据
的取值,让G0或G1工作,使得数据A0或A1反向后传输到输出端。
三态门用作多路开关三态门用于信号双向传输
三态门应用-1
(2)用于信号双向传输
根据
的取值,让G0或G1工作,使得数据
或
,实现数据双向传输。
(3)构成数据总线
三态门应用-2
工作时每次只传送一个数据。
为此只让某一个门Gi使能工作,使得数据Ai传送到数据总线上。
四.TTL集成逻辑门使用注意事项
(1)TTL门输入端悬空相当于高电平1,为避免逻辑混乱,不要悬空;
(2)TTL门接入电路时输入端不得接中值电阻(Roff~Ron,即0.7k~2.5k),可接小电阻(相当于短路)或较大电阻(相当于开路使得输入悬空——输入为1);
(3)输出高电平时输出端短路时间不得超过1s。
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