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1、电子技术课件(3)本讲稿第一页，共六十七页2.1概述概述一、正逻辑与负逻辑一、正逻辑与负逻辑正逻辑：用高电平表示逻辑正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑，用高电平表示逻辑0正负逻辑之间存在着简单的对偶关系，例如正逻辑与门等同于正负逻辑之间存在着简单的对偶关系，例如正逻辑与门等同于负逻辑或门等。负逻辑或门等。在数字系统的逻辑设计中，若采用在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和晶体管和NMOS管，电源管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和管和
2、PMOS管，管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。第二章第二章门电路门电路本讲稿第二页，共六十七页二、数字系统中所用的为两值逻辑二、数字系统中所用的为两值逻辑0 0和和1 1，一般用高、低电平来表，一般用高、低电平来表示，我们利用开关示，我们利用开关S S获得高、低电平。获得高、低电平。如图如图1 1示：示：VI控制开关控制开关S的断、的断、通情况。通情况。S断开，断开，VO为高电平；为高电平；S接通，接通，VO为低电为低电平。平。使用的实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等使用的
3、实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件。电子器件。本讲稿第三页，共六十七页逻辑电平v高电平高电平VH：大于给定电平值的电压范围：大于给定电平值的电压范围输入高电平输入高电平VIH输出高电平输出高电平VOHv低电平低电平VL：小于给定电平值的电压范围：小于给定电平值的电压范围输入低电平输入低电平VIL输出低电平输出低电平VOLv逻辑逻辑“0”和逻辑和逻辑“1”对应的电压范围对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对宽，因此在数字电路中，对电子元件、电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低的要求比模拟电路要低本讲稿第四页，共六十七页
4、逻辑电平示意图本讲稿第五页，共六十七页v工艺分类工艺分类双极型门电路双极型门电路MOS门电路门电路Bi-CMOS电路电路v基本逻辑门电路基本逻辑门电路与门、或门、非门与门、或门、非门v常用门电路常用门电路与门、或门、非门与门、或门、非门与非门、或非门、与或非门、同或、异或与非门、或非门、与或非门、同或、异或三、门电路概述三、门电路概述本讲稿第六页，共六十七页一、二极管伏安特性 IS-二极管的反向饱和电流；k-玻尔兹曼常数1.381*10-23J/K；T-热力学温度；V-加到二极管两端的电压；q-电子电荷1.6*10-19C2.2半导体二极管和三极管的开关特性半导体二极管和三极管的开关特性2.2
5、.1半导体二极管开关特性半导体二极管开关特性本讲稿第七页，共六十七页二、二极管等效电路应用于二极管外电路电阻R值与其动态rD电阻等量级场合应用于二极管电路输入电压V正向幅值与VON差别不大，且RrD的场合，数字电路属于此类应用于二极管电路输入电压V正 向 峰 值VPPVON，且RrD的场合本讲稿第八页，共六十七页利用二极管的单项导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。如利用二极管的单项导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。如图示：图示：假定：假定：VIH=VCC,VIL=0二极管二极管D的正向电阻为的正向电阻为0，反向电阻为，反向电阻为（在在数数字字电电路路中中，为为便便于于分分析析
6、，取取单单一一值值：硅硅管管0.7V，锗管，锗管0.3V）则当则当VI=VIH时，时，D截止，截止，Vo=VOH=VCCVI=VLH时，时，D导通，导通，VO=VOL=0v导通条件及特点导通条件及特点条件：条件：VD0.7V特点：相当于特点：相当于0.7V电压降的闭合开关电压降的闭合开关v截止条件及特点截止条件及特点条件：条件：VD0V时，若Vbe一定，则发射电子能力一定，而集电极又有一定的电子收集能力，因此Ib必减小2.三极管输出特性v截止区：两个PN结深度反偏，Vce0V，Vbe0V；Ib0V，Ic0V；一般地，VbeVT，VbcVT，VbcVT，均正向偏置；由于RC的存在，IC越大，VR
7、C也越大，因此Vce到一定值后，基本不变。v反偏状态：发射结加反向电压；集电结加正向电压。本讲稿第十二页，共六十七页二、分区等效电路：（NPN晶体三极管）本讲稿第十三页，共六十七页三、三极管的开关时间：三极管在理想情况下三、三极管的开关时间：三极管在理想情况下,其输出电压其输出电压Vo应重现输入应重现输入Vi的形状的形状,只是对其有放大和倒相作用。实际只是对其有放大和倒相作用。实际中，晶体三极管也是有惰性的开关，截止状态和饱和状中，晶体三极管也是有惰性的开关，截止状态和饱和状态之间的转换不能在瞬间完成。态之间的转换不能在瞬间完成。本讲稿第十四页，共六十七页1.晶体三极管从截止向饱和转换的过渡过
8、程：由延迟时间td和上升时间tr组成。即开启时间ton=td+tr延迟时间td:从输入信号正跃变开始，到集电极电流上升到0.1ics所需的时间。产生原因是发射结位叠电容的正向充电过程。td的大小与晶体三极管的结构有关，发射结面积越大，结电容面积也越大，td越长。另外，三极管截止深度越大，td越长。上升时间tr:集电极电流ic从0.1ics开始，上升到0.9ics所需的时间。产生原因是集电极电流的形成要求电子在基区中有一定的浓度梯度，由于基区中的电子有一个逐渐积累的过程，不会随ib跃变而跃变。tr的大小与管子的结构有关，基区宽度越小，tr越小。外电路方面，基极正向驱动电流ib越大，则基区电子浓度
9、分布建立越快，tr越短。通常tdibs，发射极发射的载流子数目超过了集电极所吸收的载流子数目，超量的电子在基区中大量积累，形成超量电荷。输入信号跃变后，基极电流ib反向，使基区存储的电子在反向电流作用下逐渐消散，当超量电荷消散完毕，晶体三极管由深饱和退至临界饱和过程所需的时间为存储时间ts。下降时间tf：晶体三极管的集电极电流从0.9ics开始，下降到0.1ics所需要的时间。产生原因：三极管脱离饱和时，集电结开始由正偏转向反偏，基区存储电荷开始消散，使集电极电流随之减少，下降至0。这段下降过程所需的时间就为下降时间tf。3.晶体三极管的开启时间ton和关闭时间toff的总和称为三极管的开关时
10、间。一般为几到几十毫微秒量级。本讲稿第十六页，共六十七页2.2.3MOS管的开关特性管的开关特性一、一、MOS管是金属管是金属氧化物氧化物半导半导体场效应管的简称。（体场效应管的简称。（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）右图为右图为N沟道增强型场效应管沟道增强型场效应管(NMOS)本讲稿第十七页，共六十七页P沟道增强型场效应管(PMOS)本讲稿第十八页，共六十七页MOS管特性N沟道增强型N沟道耗尽型P沟道增强型P沟道耗尽型本讲稿第十九页，共六十七页二、MOS管的输入特性和输出特性以N沟道增强型MOS管为例.MOS管是电压控制器件,用
11、栅极电压VGS来控制漏极电流iD，如图所示的转移特性，表示在漏源电压VDS一定时，iD和VGS的关系。VT为开启电压。当VGSVT后，形成iD，相当于开关闭合。在开关电路中，电路工作在大信号状态，从下图的输出特性中，MOS管的工作状态可划分为四个区：本讲稿第二十页，共六十七页截止区：VGSVT，VDSBVDS后，iD将随VDS增加而急剧增加，应避免此种情况，以免损坏管子。本讲稿第二十一页，共六十七页三、MOS管的开关等效电路由于MOS管截止时漏极和源级之间的内阻ROFF非常大，所以截止状态下的等效电路可用断开的开关代替。MOS管导通状态下的内阻RON约在1K以内，而且与VGS的数值有关。C1代
12、表栅极的输入电容。约为几皮法。由于开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容，所以在动态工作情况下（即VI在高、低电平间跳变时），漏极电流iD的变化和输出电压VDS的变化都将滞后于输入电压的变化。本讲稿第二十二页，共六十七页目目前前，采采用用MOS管管的的逻逻辑辑集集成成电电路路主主要要有有三三类类：以以P沟沟道道增增强强型型管管构构成成的的PMOS电电路路，以以N沟沟道道增增强强型型管管构构成成的的NMOS电电路路以以及及用用PMOS和和NMOS两种管子构成的互补两种管子构成的互补MOS，即，即CMOS电路电路。四、四、MOS管的基本开关电路管的基本开关电路NMOS倒相器倒相器当当Vi=
13、ViL时，时，VGS=ViLVT，MOS管处管处于导通状态，合理选择于导通状态，合理选择VDD和和RD，使，使iD足够大，输出足够大，输出VO=VOL=VDDiDRD为得到足够低的为得到足够低的VOL，要求，要求RD很大，在实际电路中，常用另一个很大，在实际电路中，常用另一个MOS管管来做负载。来做负载。本讲稿第二十三页，共六十七页2.3 分离元件门电路分离元件门电路一、二极管与门电路一、二极管与门电路1.VA=VB=0V，都导通，若，都导通，若VT=0.7V ，则，则VF=0.7V2.VA=0V，D1导通，使导通，使VF=0.7V，D2截止，成立截止，成立 VB=3V，D2导通，使导通，使V
14、F=3.7V，D1仍将导通，仍将导通，使使VF降为降为0.7V3.VB=0V，D2导通，使导通，使VF=0.7V，D2导通，成立导通，成立 VA=3V，D1导通，使导通，使VF=3.7V，D1将截止，使将截止，使VF降为降为0.7V4.VA=VB=3V，都导通，若，都导通，若VT=0.7V，则，则VF=3.7V本讲稿第二十四页，共六十七页二极管与门电路功能二极管与门电路功能v按正逻辑约定按正逻辑约定v设设(VH)MIN=2.4V，(VL)MAX=0.8V功能功能表ABF000010100111v电路逻辑功能：电路逻辑功能：F=AB本讲稿第二十五页，共六十七页二、二极管或门电路二、二极管或门电路
15、1.VA=VB=0.7V，都导通，若，都导通，若VT=0.7V ，则，则VF=0V2.VA=0.7V，D1导通，使导通，使VF=0V，D2仍将导通，使仍将导通，使VF提升为提升为3V VB=3.7V，D2导通，使导通，使VF=3V，D1截止，成立截止，成立3.VA=3.7V，D1导通，使导通，使VF=3V，D2截止，成立截止，成立 VB=0.7V，D2导通，使导通，使VF=0V，D1仍将导通，使仍将导通，使VF提升为提升为3V 4.VA=VB=3.7V，都导通，则，都导通，则VF=3V本讲稿第二十六页，共六十七页二极管或门电路功能二极管或门电路功能v按正逻辑约定按正逻辑约定v设设(VH)MIN
16、=2.4V，(VL)MAX=0.8Vv功能表功能表ABF000011101111v电路逻辑功能：电路逻辑功能：F=A+B本讲稿第二十七页，共六十七页三、三、三极管非门三极管非门1、工作原理、工作原理当当Vi=ViL=0时，三极管截止，输时，三极管截止，输出电压出电压Vo=VoHEcc当当Vi=ViHEc时，三极管饱和，时，三极管饱和，输出电压输出电压Vo=VoL=Vces02、正常工作条件、正常工作条件1）.截止条件：截止条件：Vbe0ViLR102）.饱和条件：饱和条件：ibibs=ib=本讲稿第二十八页，共六十七页3、开关时间开关时间在输入矩形方波在输入矩形方波Vi时，倒相器的输出一般并不
17、是理想方波，时，倒相器的输出一般并不是理想方波，Vo的波形边的波形边沿变化较为平缓，特别是波形的上升沿。沿变化较为平缓，特别是波形的上升沿。原因：原因：1）.晶体三极管本身存在的开关时间晶体三极管本身存在的开关时间ton和和toff2）.电路中存在分布电容电路中存在分布电容CL(通常指输出端的分布电容通常指输出端的分布电容Co与负载电容与负载电容的总和的总和)可采用箝位电路改善：即接入箝位二极管可采用箝位电路改善：即接入箝位二极管D,箝位电压为箝位电压为ED,满足条件：满足条件：VcesEDEc本讲稿第二十九页，共六十七页一般开关电路分析要点：一般开关电路分析要点：1.先假定所有开关器件全部断
18、开（截止）；先假定所有开关器件全部断开（截止）；2.输入端分别加低电平和高电平，从输入端开始逐个器件进行分析输入端分别加低电平和高电平，从输入端开始逐个器件进行分析3.判断是否满足导通条件；若不满足，该器件截止，分析下一器件判断是否满足导通条件；若不满足，该器件截止，分析下一器件4.导通时，判断是否满足饱和条件；确定后，分析下一器件；导通时，判断是否满足饱和条件；确定后，分析下一器件；所有开关器件状态确定后，讨论下列特性：所有开关器件状态确定后，讨论下列特性：传输特性传输特性（电路功能）：（电路功能）：输入电平输入电平输出电平关系输出电平关系输入特性输入特性：在高在高/低电平输入时，输入端电流
19、特性（大小，方向）低电平输入时，输入端电流特性（大小，方向）输出特性输出特性：在高在高/低电平输出时，输出端电流特性（大小，方向）低电平输出时，输出端电流特性（大小，方向）思考题和习题：2.12.22.18本讲稿第三十页，共六十七页2.4TTL门电路门电路双极性数字集成电路中应用最广的为双极性数字集成电路中应用最广的为TTL电路电路（Transister-Transister-Logic的缩写）的缩写）国产国产TTL集成电路有集成电路有CT54/74通用系列、通用系列、CT54H/74H高速系列、高速系列、CT54S/74S肖特基系列和肖特基系列和CT54LS/74LS低功耗肖特基系列。上低功
20、耗肖特基系列。上述四个系列的主要差别反映在典型门的平均传输延迟时间和平述四个系列的主要差别反映在典型门的平均传输延迟时间和平均功耗两个参数上，其他电参数和外引线排列基本上是彼此相均功耗两个参数上，其他电参数和外引线排列基本上是彼此相容的。容的。2.4.1典型典型TTL非门非门一、电路结构：输入端和输出端都是三极管结构。一、电路结构：输入端和输出端都是三极管结构。电路由三部分组成：电路由三部分组成：T1、R1，D1构成的输入级；构成的输入级；T2、R2、R3组成的倒相级，组成的倒相级，T4、T5、D2、R4组成输出级。组成输出级。本讲稿第三十一页，共六十七页二、工作原理A,B输入信号的高、低电平
21、分别输入信号的高、低电平分别为：为：VIH=3.4v，VIL=0.2vVo=0.7v，Ec=+5v1.A为低电平时，为低电平时，T1的发射结导的发射结导通，并将通，并将T1的集电极电位钳在的集电极电位钳在VIL+Vo=0.9v，因为因为T1的集电极回路电阻为的集电极回路电阻为R2和和T2的的b-c结反向电阻之和，阻值非常大，所以结反向电阻之和，阻值非常大，所以T1工作在深度饱和区，工作在深度饱和区，Vces1 0。显然，显然，T2的发射结不导通，的发射结不导通，T2截止，截止，Vc2为高电平，为高电平，Ve2为低电平，使为低电平，使T5截止，截止，故故R2上的压降很小，上的压降很小，Vc2 V
22、cc，T4管导通。管导通。因此，输出为高电平因此，输出为高电平VOH=3.6v。AR14k T1T2T4T5R4R31K 130+EcR21.6K YD1D2本讲稿第三十二页，共六十七页2.当输入信号为高电平当输入信号为高电平VIH=3.6v，假设暂不考虑，假设暂不考虑T1管的集电极支路，则管的集电极支路，则T1管管的发射结均应导通，可能使的发射结均应导通，可能使Vb1=VIH+0.7=4.3v。但是，由于但是，由于Vcc经经R1作用于作用于T1管的集电极、管的集电极、T2和和T5管的发射结，使三个管的发射结，使三个PN结结必定导通，必定导通，Tb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5=2.1v，使
23、，使T1管的所有发射结均反偏，管的所有发射结均反偏，T1管处管处于倒置工作状态，于倒置工作状态，T1、T2和和T5管饱和导通，管饱和导通，Vo=VoL=Vces5=0.3v，Vc2=Vces2+Vbe5=0.3+0.7=1v，T4管截止。管截止。综上所述，综上所述，TTL非门输入端输入低电平，输出即为高电平；当输入端输入高电非门输入端输入低电平，输出即为高电平；当输入端输入高电平时，输出为低电平，实现了非逻辑功能。平时，输出为低电平，实现了非逻辑功能。推拉式输出级作用：降低功耗，提高负载能力推拉式输出级作用：降低功耗，提高负载能力三极管射极输入级作用：提高输入电阻三极管射极输入级作用：提高输入
24、电阻本讲稿第三十三页，共六十七页三、电压传输特性：三、电压传输特性：AB段段:当当Vi0.6v时，时，Vb11.3v，T2和和T5管截止，管截止，T4导通，输出为高电平导通，输出为高电平VoH=VccVR2Vd2Vbe4 3.4v，故，故AB段称为截止区。段称为截止区。BC段段:当当0.7Vi1.3v时，时，T2管的发射管的发射极电阻极电阻R3直接接地，故直接接地，故T2管开始导通并处管开始导通并处于放大状态，所以于放大状态，所以Vc2和和Vo随随Vi的增高而的增高而线性地降低。但线性地降低。但T5管仍截止。故管仍截止。故BC段段称为线性区。称为线性区。CD段段:当当1.3vVi1.4v时，时
25、，Vb1=2.1v，使，使T2和和T5管均趋于饱和导通，管均趋于饱和导通，T4管管截止，所以截止，所以Vo急剧下降为低电平，急剧下降为低电平，Vo=VoL=0.3v，故称，故称CD段为转折区。段为转折区。DE段段:Vi大于大于1.4v以后，以后，Vb1被箝位在被箝位在2.1v，T2和和T5管均饱和，管均饱和，Vo=Vces5=0.3v,故故DE段称为饱和区。段称为饱和区。本讲稿第三十四页，共六十七页四、输入特性：四、输入特性：当当ViVT时，时，iI为负值，当为负值，当Vi5mA后，输出电压便线性下降，输出高电后，输出电压便线性下降，输出高电平不能保持。平不能保持。一般器件手册所给的一般器件手
26、册所给的高电平最大输出电流高电平最大输出电流IOH 0.4mA本讲稿第三十八页，共六十七页七、输入端负载能力：七、输入端负载能力：输入低电平时，输入端串接输入低电平时，输入端串接电阻的影响电阻的影响当串接电阻小于当串接电阻小于时，能可靠实现输入低电时，能可靠实现输入低电平平当串接电阻远大于当串接电阻远大于 时，应视为输入时，应视为输入高电平高电平本讲稿第三十九页，共六十七页八、八、TTL门的动态特性：门的动态特性：1.传输延迟时间：输出波形相对于输入波形滞后的时间：传输延迟时间：输出波形相对于输入波形滞后的时间：50ns通常把输出电压由高电平变为低电平的传输延迟时间记作通常把输出电压由高电平变
27、为低电平的传输延迟时间记作tPHL，由低电平变由低电平变为高电平的传输延迟时间记作为高电平的传输延迟时间记作tPLH。在此。在此TTL非门中，由于输出管非门中，由于输出管T5工作在深度饱和状态，所以工作在深度饱和状态，所以tPLHtPHL。一般在器件手册上给出的是平一般在器件手册上给出的是平均传输延迟时间均传输延迟时间tpd。其定义为：其定义为：tpd=(tPHL+tPLH)/22.电源的动态尖峰电流：电源的动态尖峰电流：在动态工作情况下，特别是当输入由高电平下跳到低电平时，在动态工作情况下，特别是当输入由高电平下跳到低电平时，T1管管饱和导通，为饱和导通，为T2管提供了一个低阻的反向基极电流
28、通路，使管提供了一个低阻的反向基极电流通路，使T2管很快管很快截止，但截止，但T5管并不能随之迅速截止。因为管并不能随之迅速截止。因为T5管原来处于深度饱和状态，管原来处于深度饱和状态，其基区存储电荷的消散需一定的时间，故其基区存储电荷的消散需一定的时间，故T4、T5管在一短暂时间会同时管在一短暂时间会同时处于导通状态，因而使电源电流产生一尖峰脉冲处于导通状态，因而使电源电流产生一尖峰脉冲。此尖峰电流使电源的。此尖峰电流使电源的平均电流增大，而且，信号的重复频率越高，电源电流的平均值增平均电流增大，而且，信号的重复频率越高，电源电流的平均值增加越多。加越多。3.交流噪声容限：高电平交流噪声容限
29、：高电平2.0v低电平低电平0.8v本讲稿第四十页，共六十七页2.4.2其他类型的其他类型的TTL门电路门电路1.其他逻辑功能的其他逻辑功能的TTL门电路：门电路：输入特性：输入特性：低电平电流低电平电流单端单端高电平电流高电平电流多端多端输出特性：输出特性：与反相器相同与反相器相同1).与非门与非门多发射极三极管多发射极三极管本讲稿第四十一页，共六十七页2).或非门或非门电路结构特点：多套（输入级电路结构特点：多套（输入级+倒相级）并联倒相级）并联输入特性：输入特性：低电平电流低电平电流多端多端高电平电流高电平电流多端多端输出特性：输出特性：与反相器相同与反相器相同本讲稿第四十二页，共六十七
30、页3).与或非门与或非门电电路路结结构构特特点点：将将或或非非门门各各输输入端改用多发射极三极管入端改用多发射极三极管输入特性：输入特性：低电平电流：低电平电流：每个与门一端每个与门一端高电平电流：高电平电流：多端多端输出特性：输出特性：与反相器相同与反相器相同本讲稿第四十三页，共六十七页2.集电极开路门（集电极开路门（OC）将输出端直接并联组合成各种逻辑电路将输出端直接并联组合成各种逻辑电路用以上讲过的用以上讲过的TTL门电路不能将输出端直接并联门电路不能将输出端直接并联因为：当并联的两个门电路中有一个门的输出是高电平，而因为：当并联的两个门电路中有一个门的输出是高电平，而另一个门的输出为低
31、电平时，则输出端并联后必将有很大的另一个门的输出为低电平时，则输出端并联后必将有很大的负载电流同时流经两个门电路的输出极。这个电流远远超过负载电流同时流经两个门电路的输出极。这个电流远远超过了正常工作电流，甚至使门电路损坏。了正常工作电流，甚至使门电路损坏。解决这个问题的方法就是把输出极改为集电极开路的三极管结构。解决这个问题的方法就是把输出极改为集电极开路的三极管结构。集电极开路输出的门电路称为集电极开路输出的门电路称为OC门。门。OC门电路在工作时需外接负载电阻和电源门电路在工作时需外接负载电阻和电源。只要电阻的阻。只要电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、低电平值和电源电
32、压的数值选择得当，就可保证输出的高、低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至过大。符合要求，输出三极管的负载电流又不至过大。本讲稿第四十四页，共六十七页OC门的电路结构和逻辑符号门的电路结构和逻辑符号：由于由于n个个OC门的输出接在一起，所以只要有一个是低电平，门的输出接在一起，所以只要有一个是低电平，Vo就是低电就是低电平；只有每个输出都是高电平时，平；只有每个输出都是高电平时，Vo才是高电平。这种输出端并联的连接方才是高电平。这种输出端并联的连接方式称为式称为“线与线与”。集电极开路结构也用于制作驱动高电压，大电流负载的门电路，通常把这种集电极开路结构也用于制作驱动高电压，大电流负载的门
33、电路，通常把这种门电路称作为驱动器。门电路称作为驱动器。除了与非门，或非门，与门，或门等都可做成除了与非门，或非门，与门，或门等都可做成OC门结构。门结构。本讲稿第四十五页，共六十七页外接负载电阻的计算方法：外接负载电阻的计算方法：当所有当所有OC门中只有一个导通时，全部负载电流都流入导通的那个门中只有一个导通时，全部负载电流都流入导通的那个OC门，门，因而因而RL值不可太小，以确保流入导通值不可太小，以确保流入导通OC门的电流不至于超过最大允许的门的电流不至于超过最大允许的ILM值。值。负载电阻最小值计算公式：负载电阻最小值计算公式：当所有当所有OC门同门同时截止时，输出时截止时，输出Vo为
34、高电平，为为高电平，为保证输出的高电保证输出的高电平不低于规定的平不低于规定的VOH值。负载电值。负载电阻的最大值计算阻的最大值计算公式：公式：本讲稿第四十六页，共六十七页3.三态输出门（三态输出门（TSL）当控制端当控制端EN=0时，时，T2，T5截止，同时，二极截止，同时，二极管管D导通，导通，T4的基极电的基极电位位箝在低电平，箝在低电平，T4也截也截止。所以输出端呈高阻止。所以输出端呈高阻状态。状态。EN=1时，二极管时，二极管D截截止，电路处于正常工作止，电路处于正常工作状态。状态。输出端有三种可能的状输出端有三种可能的状态：高阻，高电平，低态：高阻，高电平，低电平，所以称为三态输电
35、平，所以称为三态输出门出门,TSL电路。电路。本讲稿第四十七页，共六十七页应用：应用：1.在微机系统中，希望在同一在微机系统中，希望在同一条导线上分别传递若干门电路条导线上分别传递若干门电路的输出信号，以减少连线数目，的输出信号，以减少连线数目，这时，可用三态门实现。只要这时，可用三态门实现。只要控制各个门的控制各个门的EN端轮流为端轮流为1，且，且任何时刻仅有一个为任何时刻仅有一个为1，就可以把，就可以把各个门的输出信号轮流送到公共各个门的输出信号轮流送到公共的传输线总线上而互不干扰的传输线总线上而互不干扰这种连线方式叫做总线结构。这种连线方式叫做总线结构。2.还可利用三态门实现数据的还可利
36、用三态门实现数据的双向传递：双向传递：EN=1，G1工作，工作，G2高阻，高阻，Do经经G1反相送至总线。反相送至总线。EN=0，G1高阻，高阻，G2工作，总线工作，总线数据经数据经G2反相从反相从D1端送出。端送出。本讲稿第四十八页，共六十七页TTL门电路多余输入端的处理：门电路多余输入端的处理：TTL与非门在使用时如果有多余的输入端不用，一般不应悬空，以防止外界与非门在使用时如果有多余的输入端不用，一般不应悬空，以防止外界干扰信号的侵入。有以下几种处理方法：干扰信号的侵入。有以下几种处理方法：将其经将其经13K 的电阻接至电源正端；的电阻接至电源正端；接高电平接高电平VH;与其他信号输入端
37、并接使用。与其他信号输入端并接使用。或门及或非门的多余输入端应接低电平。与或非的多余与门其输入或门及或非门的多余输入端应接低电平。与或非的多余与门其输入端必须接低电平。端必须接低电平。本讲稿第四十九页，共六十七页TTL系列电路的主要特点：系列电路的主要特点：功耗大功耗大延迟时间小延迟时间小延迟延迟-功耗积功耗积P.87表表2.4.1其他双极型数字集成电路特点：其他双极型数字集成电路特点：DTL二极管二极管-三极管逻辑三极管逻辑速度低速度低功耗低功耗低ECL发射极耦合逻辑发射极耦合逻辑速度最高，功耗很大速度最高，功耗很大I2L集成注入逻辑集成注入逻辑集成度高，速度低集成度高，速度低思考题和习题：
38、思考题和习题：2.32.52.9本讲稿第五十页，共六十七页倒相器要求：倒相器要求：T1是是P沟道增强型沟道增强型MOS管，管，T2是是N沟道增沟道增强型强型MOS管。且管。且T1、T2的开启电压分的开启电压分别为别为VTN、VTP。当当Vi=ViL=0时，有，时，有，VGS=0VTN，故，故T1截截止而止而T2导通，输出为低电平导通，输出为低电平VOL，且，且VOL 0静态时静态时T1和和T2总是工作在一个导通而另一个截止，其截止内阻又极高，总是工作在一个导通而另一个截止，其截止内阻又极高，流过流过T1和和T2的静态电流极小，所以的静态电流极小，所以CMOS反向器的静态功耗极小。反向器的静态功
39、耗极小。2.6CMOS门电路2.6.1CMOS反相器1.电路结构及工作原理：电路结构及工作原理：本讲稿第五十一页，共六十七页电压传输特性电压传输特性0.5VDDVoVIVDDVTN VTP VDD1/2VDDABCDEF电流传输特性电流传输特性iDVIVTN VTP VDD1/2VDDABC DEFiDVDSVGS VDS=VGSVTNiDVDS VGS VDS=VGS-VTP2.6.2CMOS反相器的静态特性和动态特性本讲稿第五十二页，共六十七页电压传输特性和电流传输特性电压传输特性和电流传输特性AB：VIVTN，VGS2 VTP，VDS1 VTN，VGS2 VTN，VDS2=VoVGS2-
40、VTN，VGS1，Vo，VDS1VTN，VDS2VGS2-VTN，VGS1 VTP，VDS1 VGS1-VTP，T2和和T1都在都在饱和区饱和区DE：VI，VGS2VTN，VDS2VGS2-VTN，T2低内阻的电阻区，低内阻的电阻区，T1饱和区饱和区EF：VI，VGS1=VDD-VI VTP，T2低内阻的电阻区，低内阻的电阻区，T1截止区截止区优点：优点：噪声容限为噪声容限为VDD/2（可通过提高电源电压提高输入端噪声容限）（可通过提高电源电压提高输入端噪声容限），抗，抗干扰能力最强干扰能力最强本讲稿第五十三页，共六十七页输入特性输入特性:输输入入端端绝绝缘缘，输输入入电流为电流为0输入端保护
41、电路输入端保护电路必必须须避避免免输输入入端端悬悬空空本讲稿第五十四页，共六十七页输出特性输出特性:导通内阻的影响导通内阻的影响低电平最大输出电流低电平最大输出电流灌电流灌电流v vOO=V VOLOL时时时时CMOSCMOS反相器的工作状态反相器的工作状态反相器的工作状态反相器的工作状态本讲稿第五十五页，共六十七页高电平最大输出电流高电平最大输出电流拉电流拉电流v vOO=V VOHOH时时时时CMOSCMOS反相器的工作状态反相器的工作状态反相器的工作状态反相器的工作状态本讲稿第五十六页，共六十七页动态特性动态特性:延迟时间延迟时间交流噪声容限交流噪声容限动态功耗动态功耗CMOSCMOS反
42、相器传输延迟时间的定义反相器传输延迟时间的定义反相器传输延迟时间的定义反相器传输延迟时间的定义CMOSCMOS反相器的交流噪声容限反相器的交流噪声容限反相器的交流噪声容限反相器的交流噪声容限本讲稿第五十七页，共六十七页2.6.3其他其他CMOS门电路门电路1.CMOS与非门2.CMOS或非门CMOS与非门：与非门：P并并N串串CMOS或非门：或非门：P串串N并并本讲稿第五十八页，共六十七页CMOS集成门的输出缓冲级：输出特性与反相器相同集成门的输出缓冲级：输出特性与反相器相同本讲稿第五十九页，共六十七页2.6.4漏极开路的CMOS门电路（OD门）OD门电路结构和符号门电路结构和符号特点：特点：
43、需外接上拉电阻需外接上拉电阻输出端可以并接（线与）输出端可以并接（线与）常用于输出缓冲/驱动器中或用于输出电平的变换输出为低电平输出为低电平V VOLOL0.5v109),传输门截止。传输门截止。反之，若反之，若C=1当当0VIVDDVTN时时T1将导通。由于将导通。由于T1、T2管的结构形管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互易使用，因而式是对称的，即漏极和源极可互易使用，因而CMOS传输门属于双向器传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用件，它的输入端和输出端也可互易使用。本讲稿第六十二页，共六十七页利用CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，如数据选择器、寄
44、存器、计数器等等。传输门的另一个重要用途是作传输门的另一个重要用途是作模拟开关模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。模拟开关的基本电路是由CMOS传输门和一个CMOS反相器组成的，也是双向器件。VI/VoTGVo/VIC假定接在输出端的电阻为RL,双向模拟开关的导通内阻为RTG。当C=0时，开关截止，输出与输入之间的联系被切断Vo=0。当C=1时，开关接通，输出电压为：电压传输系数本讲稿第六十三页，共六十七页CMOS系列电路的主要特点系列电路的主要特点输入端的保护问题输入端的保护问题与与TTL电路的对比：功耗低电路的对比：功耗低速度低速度低P.119表表2.8.1CMOS与与TTL的相互驱
45、动的相互驱动要求驱动门必须为负载门提供合乎标准的高低电平和足够的驱动电流。要求驱动门必须为负载门提供合乎标准的高低电平和足够的驱动电流。驱动门驱动门负载门负载门VOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)IOH(max)nIIH(max)IOL(max)mIIL(max)本讲稿第六十四页，共六十七页用接入上拉电阻提高用接入上拉电阻提高用接入上拉电阻提高用接入上拉电阻提高TTLTTL电路输出的高电平电路输出的高电平电路输出的高电平电路输出的高电平TTL驱动驱动CMOS：主要问题：输出高电平低于主要问题：输出高电平低于CMOS输入高电平输入高电平解决方案：解决方案：1设置上拉电
46、阻设置上拉电阻2采用采用OC门门(CMOS门的电源电压较高时门的电源电压较高时)VOH=VDDRU(IO+nIIH)VDD本讲稿第六十五页，共六十七页COMS驱动驱动TTL：主要问题：输出低电平电流最大值小于主要问题：输出低电平电流最大值小于TTL低电平输入电流低电平输入电流解决方案：解决方案：1采用采用CMOS电路并联提高负载能力电路并联提高负载能力2采用分立三极管反相器进行连接采用分立三极管反相器进行连接将将将将CMOSCMOS门电路并联以提高带负载能力门电路并联以提高带负载能力门电路并联以提高带负载能力门电路并联以提高带负载能力也可采用也可采用OD门来驱动多个门来驱动多个TTL门电路门电路将同一封装内的门电路并联使用两个门并联后的最大负载电流略低于每个门最大负载电流的两倍本讲稿第六十六页，共六十七页通过电流放大器驱动通过电流放大器驱动通过电流放大器驱动通过电流放大器驱动TTLTTL电路电路电路电路思考题和习题：思考题和习题：2.212.222.23iBnIIL(TTL)同时也符合同时也符合VOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)选取适当的电路参数使满足：选取适当的电路参数使满足：本讲稿第六十七页，共六十七页