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1、*第三章集成第三章集成门电门电路路第1页，本讲稿共53页 知识要点知识要点1 1.半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性2.2.TTLTTL逻辑门的功能、外部特性逻辑门的功能、外部特性3.3.集电极开路输出（集电极开路输出（OCOC）门和三态输出（）门和三态输出（TSTS）门）门4.4.MOSMOS逻辑门的功能、外部特性逻辑门的功能、外部特性第2页，本讲稿共53页双值双值电路电路 “V VL L”“V”“VH H”符号符号 “0”“1”“0”“1”前面介绍了逻辑变量是前面介绍了逻辑变量是双值双值变量变量概述概述工程上：工程上：用用“0 0”表示表示V VL L，用用“1 1”表示表示V VH
2、 H称称正正逻辑。逻辑。用用“0 0”表示表示V VH H，用用“1 1”表示表示V VL L称称负负逻辑。逻辑。第3页，本讲稿共53页ECL:VECL:VEEEE=-5.2V=-5.2V；V VL L=-1.6V=-1.6V；V VH H=-0.8V=-0.8VCMOSCMOS:V:VDDDD=+3V=+3V+18V+18V；V VL L=0V;V=0V;VH H=V=VDDDDTTLTTL:V:VCCCC=+5V;V=+5V;VL L=0.2V;V=0.2V;VH H=3.6V=3.6V1.1.双极型集成电路（双极型半导体器件）双极型集成电路（双极型半导体器件）:2.2.单极型集成电路（场
3、效应管）单极型集成电路（场效应管）:特点特点:速度快、负载能力强，但是功耗大、速度快、负载能力强，但是功耗大、结构结构较较复杂复杂，集成，集成规模受规模受到一定到一定限制限制。特点特点:结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但是速度稍慢速度稍慢。第4页，本讲稿共53页3.3.集成规模分类集成规模分类小规模小规模(SSI):100(SSI):100000(VLSI):100000元器件元器件4.4.设计方法和功能分类设计方法和功能分类非定制电路（非定制电路（标准逻辑器件标准逻辑器件）全定制电路（专用集成电路）全定制电路（专用集成电路）半定制电路（半定制电
4、路（PLDPLD）第5页，本讲稿共53页 A AB BU UR Rt t动态特性动态特性:t t 0(0(断开断开 闭合闭合)断开断开 R RAB AB-静态特性静态特性闭合闭合 R RABAB=0=0一、理想开关一、理想开关第6页，本讲稿共53页二极管开关电路及特性曲线如图所示二极管开关电路及特性曲线如图所示:1 1.静态特性静态特性二、二极管开关二、二极管开关硅管硅管 U UTHTH=0.7V0.7V 具有单向导电特性，但具有单向导电特性，但并非理想并非理想开关电路。开关电路。U UD DI ID DR RA A B B U UD D I ID DU UTHTHU UBRBR1/r1/rD
5、 D I IS S第7页，本讲稿共53页 B.B.电压和电流之间是指数关系而电压和电流之间是指数关系而不是线性关系不是线性关系。A.A.从二极管的伏安特性看实际的二极管并非理想从二极管的伏安特性看实际的二极管并非理想开关，它的正向导通电阻开关，它的正向导通电阻r rD D非非0 0(约为数十欧约为数十欧)，反向截止电阻反向截止电阻r r0 0也也非无穷大非无穷大(数百千欧数百千欧)。主要差异：主要差异：因此，在工程上都做因此，在工程上都做近似处理近似处理，以简化分析。，以简化分析。AB U UD D I ID Dr rD D=0=0r r0 0=0 0第8页，本讲稿共53页ttUDIDt1t2
6、ID=UD/R2.2.动态特性动态特性由图可见，反向恢复时间由图可见，反向恢复时间tt2 2tt1 1，影响二极管，影响二极管开关速度的主要是开关速度的主要是tt2 2。第9页，本讲稿共53页A.A.当外加电压由反向突然变为正向时，须等待当外加电压由反向突然变为正向时，须等待PNPN结结内部建立起内部建立起足够足够的电荷浓度的电荷浓度梯度梯度才会有扩散电流形才会有扩散电流形成，因而成，因而I ID D滞后于滞后于U UD D的跳变。的跳变。B.B.当外加电压突然由正向变成反向时，由于当外加电压突然由正向变成反向时，由于PNPN结内结内部尚有一定数量的存储电荷，因而瞬间有较大的部尚有一定数量的存
7、储电荷，因而瞬间有较大的反反向电流向电流，此后以指数规律趋于，此后以指数规律趋于0 0。(实际有反向漏电实际有反向漏电流流i is s)。时延的产生：时延的产生：第10页，本讲稿共53页一、静态特性一、静态特性 R Rb bU Ui iR RC CV VCCCCU UCECEU UBEBEI IC CI Ib b晶体管开关电路晶体管开关电路第11页，本讲稿共53页 结果结果:I IC C=0=0截止条件截止条件:U Ubebe0(0(工程上工程上0.50(e0(e结正偏结正偏)U Ubcbc0(c0(e0(e结正偏结正偏)U Ubcbc0(c0(c结正偏结正偏)第14页，本讲稿共53页U Ub
8、esbes U Ucescesb bc ce ee ec cb be eU Ubesbesb b c c第15页，本讲稿共53页二、动态特性二、动态特性在动态情况下，由于三极管内部电荷的在动态情况下，由于三极管内部电荷的建立建立和和消散消散过程均需要一定的时间，故过程均需要一定的时间，故I IC C和和U UO O的变化均的变化均滞后于滞后于U Ui i的变化。的变化。U Ui iI IC CU UO Ot tonont toffofft tt tt t第16页，本讲稿共53页 A AB BF F&1 1.二极管与门二极管与门真真 值值 表表A B FA B F0 0 00 0 00 1 00
9、 1 01 0 01 0 01 1 11 1 1A B FA B F0V 0V 0V0V 0V 0V0V 5V 0V0V 5V 0V5V 0V 0V5V 0V 0V5V 5V 5V5V 5V 5V功功 能能 表表 V VCCCCA AB BF=ABF=ABR R第17页，本讲稿共53页真真 值值 表表A B FA B F0 0 00 0 00 1 10 1 11 0 11 0 11 1 11 1 1功功 能能 表表A B FA B F0 0V 0V 0VV 0V 0V0V 5V 5V0V 5V 5V5V 0V 5V5V 0V 5V5V 5V 5V5V 5V 5V2 2.二极管或门二极管或门A
10、AB BF F1 1 A AB BF=A+BF=A+BR R第18页，本讲稿共53页A AB BF F&真值表真值表A B FA B F0 0 10 0 10 1 10 1 11 0 11 0 11 1 01 1 0 3 3.与非门与非门A AB B R Rb1b1R RC CR Rb2b2 V VbbbbV VCCCCF F第19页，本讲稿共53页A AB BF F 1 1真真 值值 表表A B FA B F0 0 10 0 10 1 00 1 01 0 01 0 01 1 01 1 04 4.或非门或非门V VCCCCA AB B R Rb1b1R RC CR Rb2b2 V VbbbbF
11、=A+BF=A+B第20页，本讲稿共53页低功耗肖特基低功耗肖特基(t tpdpd=9nS)=9nS)74LS74LS肖特基肖特基(t tpd pd=3nS)=3nS)74S74S高速高速(t tpd pd=6nS)=6nS)74H74H典型典型(t tpd pd=10nS)74=10nS)74系列系列 国际标准国际标准2.2.根据工作速度和功耗分根据工作速度和功耗分:1.1.根据根据工作环境温度工作环境温度和和电源电压电源电压工作范围的差别工作范围的差别分为分为5454系列和系列和7474系列。系列。第21页，本讲稿共53页与门、或门、与门、或门、与非门与非门、或非门、与或非门、非门、或非门
12、、与或非门、非门、异或门异或门3.3.按逻辑功能分按逻辑功能分4.4.按输出电路形式分按输出电路形式分 推拉输出推拉输出(图腾柱输出图腾柱输出)、集电极开路输出、集电极开路输出(OCOC)、三态输出三态输出(TSTS)第22页，本讲稿共53页1 1.输入低电压输入低电压R R1 1R R2 2R R4 4R R3 3 A A B BD D3 3T T1 1T T2 2T T4 4T T5 5V VCCCCF F4K4K1.6K1.6K 1K 1K1301300.30.3V V0.30.3V V1 1V V0.0.6V6V5 5V V0 0V V4.34.3V V3.63.6V VA A、B B
13、中任一个为中任一个为“0”0”或均为或均为“0”0”T1T1通（深饱和）、通（深饱和）、T2T2截止截止T4T4通、通、D3D3通通T5T5截止、输出截止、输出“1”1”第23页，本讲稿共53页2.2.输入高电压R R1 1R R2 2R R4 4R R3 3 A A B BD D3 3T T1 1T T2 2T T4 4T T5 5V VCCCCF F4K4K1.6K1.6K 1K 1K1301303.63.6V V3.63.6V V2.12.1V V1.41.4V V0.70.7V V1 1V V0.30.3V VA A、B B均为均为“1”1”T1T1反向导通、反向导通、T2T2饱和导通
14、饱和导通T4T4截止、截止、D3D3截止截止T5T5通（深饱和）、输出通（深饱和）、输出“0”0”第24页，本讲稿共53页TTLTTL与非门主要外部特性参数：与非门主要外部特性参数：输入开门电平、关门电平、输出逻辑电平、扇入系数、输入开门电平、关门电平、输出逻辑电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。1 1.输入开门电平和关门电平输入开门电平和关门电平“0”:U(0),U(0)+U(0),“0”:U(0),U(0)+U(0),U(0)+U(0)U(0)+U(0)1V1V“1”:U(1)-U(1),U(1),“1”:U(1)-U(1),U(1),U
15、(1)-U(1)U(1)-U(1)1.4V1.4V2.2.输出高低电平输出高低电平输出高电平输出高电平U UOHOH3.6V3.6V=2.4V=2.4V输出低电平输出低电平U UOLOL0.3V0.3V=0.4V=0.4V第25页，本讲稿共53页3.3.扇入系数扇入系数N NI I与非门允许的输入端数目，与非门允许的输入端数目，N NI I=2-5=2-5，最多不超过，最多不超过8 8。实际应用中需要超过实际应用中需要超过N NI I时，可使用时，可使用“与扩展器与扩展器”或者或者“或扩展器或扩展器”来增加输入端的数目，也可使用来增加输入端的数目，也可使用分级分级实现实现的方法来减少对门电路输
16、入端数目的要求。的方法来减少对门电路输入端数目的要求。若使用中所需输入端数比若使用中所需输入端数比N NI I小小,可将多余输入端接可将多余输入端接V VCCCC（与门、与非门）或（与门、与非门）或接地接地（或门、或非门）。（或门、或非门）。第26页，本讲稿共53页U Ui iN N个个“0”“0”N No o=I=IOHOHI IiHiH=400A=400A40A=1040A=10I IOHOHI IiHiHI IiHiHI IiHiH&4.4.扇出系数扇出系数N NO O:拉电流负载拉电流负载“1”1”I IOHOH:输出高电平电流；输出高电平电流；I IiHiH：输入高电平电流。：输入高
17、电平电流。第27页，本讲稿共53页U Ui iN N个个“1 1”N Ni i=I=IOLOLI IiLiL=16mA=16mA1mA=161mA=16I IOLOLI IiLiLI IiLiLI IiLiL&“0 0”故选故选N=10;N=10;工程上选工程上选N=6N=68 8。I IOLOL：灌入输出端的低电平电流；：灌入输出端的低电平电流；I IiLiL：从输入端流：从输入端流出的低电平电流。出的低电平电流。灌电流负载灌电流负载第28页，本讲稿共53页因为因为I ICCHCCH1.1mA1.1mA所以所以空载截止空载截止功耗功耗 P PH H=I=ICCHCCH V VCCCC5.5m
18、W5.5mW所以所以空载导通空载导通功耗功耗P PL L=I=ICCLCCL V VCCCC17mW17mW因为因为I ICCLCCL3.4mA3.4mA5.5.平均功耗：空载条件下工作时所消耗的电功率平均功耗：空载条件下工作时所消耗的电功率V VCCCCI ICCHCCHV VOHOH&V VCCCC“1”“1”I ICCLCCLV VOLOL&平均功耗平均功耗P=(PP=(PL L+P+PH H)/2)/2第29页，本讲稿共53页A AF F&2 21 1t tpdpd=(t=(tPHLPHL+t+tPLHPLH)t tPHLPHLt tPLHPLHA AF F6.6.平均延迟时间平均延迟
19、时间t tpdpd 导通时延导通时延截止时延截止时延t tpdpd10ns10ns，一般小于，一般小于40ns40ns。第30页，本讲稿共53页“线与线与”逻辑逻辑&F F1 1F F2 2F F“1”“1”A A“1”“1”B B例例:线与线与第31页，本讲稿共53页V VCCCCV VCCCC 130 130 130 13038mA38mAT T4 4T T4 4 T T5 5 先来看看推拉输出结构的输出等效电路先来看看推拉输出结构的输出等效电路:F F1 1=0=0F F2 2=1=1电流会电流会烧坏烧坏逻辑门。逻辑门。出端都出端都不能不能短接在一起做短接在一起做“线与线与”连接连接,因
20、为因为3838mAmA的的 由推拉输出等效电路可知，任何两个逻辑门的输由推拉输出等效电路可知，任何两个逻辑门的输F F&F F1 1F F2 2F FT T5 5第32页，本讲稿共53页R R1 1R R2 2R R3 3 A A B BT T1 1T T2 2T T5 5V VCCCCF F4K4K1.6K1.6K 1K 1K R RL L为实现为实现“线与线与”，设计出，设计出OCOC门门:第33页，本讲稿共53页T T5 5F F1 1F F2 2FT T5 5 R RL LV VCCCCV VCCCCA A&F FF F1 1F F2 2B BD DC C R RL L表示输出开路表示
21、输出开路表示输出低电表示输出低电平时为低阻抗平时为低阻抗第34页，本讲稿共53页OCOC门的特点门的特点:(1)(1)必须外接上拉电阻必须外接上拉电阻R RL L；(2)(2)多个多个OCOC门的输出可以连接在一起门的输出可以连接在一起“线与线与”；(3 3)OCOC门可实现电平转换；门可实现电平转换；+10V&OV(4 4)用做驱动器。用做驱动器。+5V&270第35页，本讲稿共53页R R1 1R R2 2R R4 4R R3 3 A A B BD D3 3T T1 1T T2 2T T4 4T T5 5F F4K4K1.6K1.6K 1K 1K130130V VCCCCENENP P M
22、 M H HG G1 11 1具有三种输出状态：输出高电平、输出低电平和具有三种输出状态：输出高电平、输出低电平和高阻高阻状态状态。第36页，本讲稿共53页 (工作态工作态)。所致，即所致，即H H门后的门后的二级管截止二级管截止，M M点电压不变点电压不变，故故EN=EN=“1 1”使使P P点为点为“1 1”,由于由于P P点的点的1 1是是H H门输出为门输出为“1 1”R R1 1R R2 2R R4 4R R3 3 A A B BD D3 3T T1 1T T2 2T T4 4T T5 5F F4K4K1.6K1.6K 1K 1K130130V VCCCCENENP P M M H
23、HG G1 11 1第37页，本讲稿共53页EN=EN=“0 0”时，时，M M点为点为0.90.9V V，V Vb5b5=0V=0V，故故T T4 4、T T5 5均截止，均截止，输出为输出为高阻态高阻态(第三态第三态)，相当于开路。，相当于开路。R R1 1R R2 2R R4 4R R3 3 A A B BD D3 3T T1 1T T2 2T T4 4T T5 5F F4K4K1.6K1.6K 1K 1K130130V VCCCCENENP P M M H HG G1 11 1第38页，本讲稿共53页(1 1)TSTS门不需外接上拉电阻；门不需外接上拉电阻；TSTS门的特点门的特点:(
24、2 2)EN=1EN=1，电路处于工作状态，称为，电路处于工作状态，称为使能控制端高电平使能控制端高电平有效有效的三态与非门；的三态与非门；&B BA AENENF F高电平有效高电平有效&B BA AENENF F低电平有效低电平有效第39页，本讲稿共53页A A1 1&F F1 1F Fn nB B1 1B Bn nA An nENENn nENEN1 1总线总线(3 3)三态门可以把多个门的输出连接在一起，作为三态门可以把多个门的输出连接在一起，作为总线输出总线输出形式；但任一时刻只允许一个门处于工形式；但任一时刻只允许一个门处于工作态，其余的必须处于高阻态，以便作态，其余的必须处于高阻
25、态，以便分时传送分时传送。第40页，本讲稿共53页例：画出输出波形。例：画出输出波形。1 1C CA AENENF F&B BABCF第41页，本讲稿共53页TTLTTL门闲置输入端的处理：门闲置输入端的处理：&A AB BF F处理原则：处理原则：不影响信号端的正常逻辑运算。不影响信号端的正常逻辑运算。1.1.与门、与非门与门、与非门(1)(1)接接”1 1”(V VCCCC)，优点是不增加信号端的驱动电流；，优点是不增加信号端的驱动电流；(2)(2)与信号端并接与信号端并接使用，优点是能提高逻辑可靠性，使用，优点是能提高逻辑可靠性，但使信号端要提供的驱动电流增大；但使信号端要提供的驱动电流
26、增大；(3)(3)闲置闲置(TTLTTL门输入端闲置等效输入为门输入端闲置等效输入为“1 1”)。(1)(1)接接“0 0”(地地)；(2)(2)与信号端并接与信号端并接使用；使用；2.2.或门、或非门或门、或非门(3)(3)不允许闲置不允许闲置/悬浮悬浮。第42页，本讲稿共53页具有制造工艺具有制造工艺简单简单集成度集成度高高功耗功耗小小抗干扰能力抗干扰能力强强等优等优点点;有有PMOS、NMOS、CMOS电路电路3种类型，种类型，CMOS 电路电路是目前应用最广泛的一类是目前应用最广泛的一类;几乎所有几乎所有超大规模超大规模集成器件，如超大规模存储器件集成器件，如超大规模存储器件可编程器件
27、等都采用可编程器件等都采用CMOS工艺制造。工艺制造。单极型单极型集成电路集成电路,电压控制型器件电压控制型器件,工作时工作时只有一种只有一种载流载流子参与导电，输入阻抗高，温度稳定性好子参与导电，输入阻抗高，温度稳定性好。第43页，本讲稿共53页结型场效应管结型场效应管JFETJFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSMOS场效应管有两种场效应管有两种:N N沟道沟道P P沟道沟道耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型第44页，本讲稿共53页 MOSMOS绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（N N沟道）沟道）（1 1）结构结构P PGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层金属铝N导电沟
28、道未预留未预留 N N沟道增强型沟道增强型预留预留 N N沟道耗尽型沟道耗尽型N NN N第45页，本讲稿共53页（2 2）逻辑符号）逻辑符号P P沟道增强型沟道增强型G GS SD DG GS SD DN N沟道增强型沟道增强型栅极栅极漏极漏极源极源极第46页，本讲稿共53页NMOSFETNMOSFET：V VGSGS V VTNTN(+2V)(+2V)，形成沟道，等效开关接通；形成沟道，等效开关接通；V VGSGS V VTNTN(+2V)(+2V)，沟道夹断，等效开关断开。沟道夹断，等效开关断开。G GS SD DV VDDDD第47页，本讲稿共53页PMOSFET:PMOSFET:V
29、VGSGS V VTPTP(2V)2V)，形成沟道形成沟道,等效开关接通；等效开关接通；V VGSGS V VTPTP(2V)2V)，沟道夹断，等效开关断开。沟道夹断，等效开关断开。沟道导通内阻沟道导通内阻小于小于1 1K K，相对于外电路可以忽略。相对于外电路可以忽略。G GS SD DV VDDDD第48页，本讲稿共53页一、一、一、一、CMOSCMOSCMOSCMOS非门非门T T1 1T T2 2U UO OU Ui iG GS SD DV VDDDDG GS SD D第49页，本讲稿共53页(1)(1)若若U Ui i=0 0V VGS1GS1=0V=0VTNTN 所以所以T T1
30、1截止；截止；V VGS2GS2=-V=-VDDDDVV=+5VVTNTN 所以所以T T1 1导通；导通；V VGS2GS2=0VV=0VVTPTP 所以所以T T2 2截止。截止。U UO O=“0 0”T T1 1T T2 2U UO OU Ui iG GS SD DV VDDDDG GS SD D第50页，本讲稿共53页T T1 1 T T2 2 驱动管串联连接，驱动管串联连接，T T3 3 T T4 4 负载管并联连接。负载管并联连接。0 0 OFF OFF ON ON 10 1 ON OFF OFF ON 11 0 OFF ON ON OFF 11 1 ON ON OFF OFF
31、0A B T1 T2 T3 T4 F二、二、CMOSCMOS与非门与非门V VDDDDT T1 1T T2 2A AB BF FT T3 3T T4 4第51页，本讲稿共53页三、传输门三、传输门(模拟开关模拟开关)四、四、CMOSCMOS漏极开路输出门漏极开路输出门(OD)OD)可实现可实现“线与线与”，必须外加上拉电阻，用于输出驱动必须外加上拉电阻，用于输出驱动或用于输出电平的转换。或用于输出电平的转换。EN=1EN=1，F=F=高阻态高阻态五、三态门五、三态门(TS)TS)以以TSTS反相器为例：反相器为例：EN=0EN=0，F=AF=A；U Ui iTGTGU Uo oC CC C第5
32、2页，本讲稿共53页CMOSCMOS电路电路注意事项：注意事项：（2 2）TTLTTL器件输入端闲置逻辑上等效为器件输入端闲置逻辑上等效为“1 1”，但但CMOSCMOS器件输入端器件输入端不允许浮空闲置不允许浮空闲置，否则会造成逻辑混乱。，否则会造成逻辑混乱。一般将与门、与非门的多余输入端接一般将与门、与非门的多余输入端接V VDDDD；或门、；或门、或非门的多余输入端接地。若和输入端并接会增或非门的多余输入端接地。若和输入端并接会增加电路输入端的电容量，影响开关速度。加电路输入端的电容量，影响开关速度。U Ui i V VDDDD ，输入为，输入为“1 1”；2 23 3U Ui i V VDDDD ，输入为，输入为“0 0”。3 31 1（1 1）工程上：）工程上：第53页，本讲稿共53页