数字电子线路2.1～2.2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2.1,概 述,第,2,章门电路,2.2,半导体管的开关特性,2.3,简单的与、或、非门电路,2.7,CMOS,门电路,2.4,TTL,集成门电路,继续,本章介绍两种类型：,TTL,和,MOS,门电路的,内部结构,、,工作原理,、,逻辑功能,、电气特性、主要参数等。,继续,TTL,即,T,ransistor-,T,ransistor,L,ogic,CMOS,即,C,omplementary,M,etal-,O,xide-,S,emiconductor,TTL,集成门电路,CMOS,集成门电路,输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。,用互补对称,MOS,管构成的逻辑门电路。,TTL,电路的致命缺点是：功耗大，只能制造,SSI,，,MSI,，而无法制作,LSI,和,VLSI,。,CMOS,电路的突出,优点,是：,功耗极低,，非常适合制作,VLSI,。随着其工艺不断进步，无论在,工作速度,还是,驱动能力,上，都已不比,TTL,逊色。,CMOS,已经取代,TTL,，成为,IC,的主导技术,不过现有的旧设备中，有的仍在用,TTL,，因此了解,TTL,的某些知识仍有必要。,条件开关,输入信号满足一定条件时，门开启，允许信号通过。,开门状态：,关门状态：,输入信号条件不满足，门关闭，信号通不过。,一、什么是门电路？,用来实现,基本,逻辑运算和,复合,逻辑运算的单元电路。,与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。,门,（门电路是数字电路最为基本的逻辑单元）,2.1,概述,输出和输入,之间存在着一定的,逻辑关系,。,不同的门电路，输出与输入之间的逻辑关系也不同，如：,超大规模,大规模,小规模,中规模,二、数字,IC,的分类,1.,按集成度区分：,(SSI-Small Scale Integration),，每片组件 内包含,10-100,个元件,(,或,10-20,个等效门,),。,(MSI-Medium Scale Integration),，每片组件 内含,100-1000,个元件,(,或,20-100,个等效门,),。,(LSI-Large Scale Integration),，每片组件内 含,1000-100 000,个元件,(,或,100-1000,个等效门,),。,(VLSI-Very Large Scale Integration),，内含,100 000,个元件,(,或,1000,个以上等效门,),。,逻辑门,触发器,编码器、译码器、数据选择器、加法器、计数器、移位寄存器,只读存储器、随机存取存储器、微处理器,、,专用数字信号处理器,2.,按数字系统设计方法分：,（,1,）通用型中规模（,MSI,），,小规模（,SSI,）,集成逻辑件,。,（,2,）微处理器产品，如微处理器、单片机、通用和专用数 字信号处理器等。,（,3,）专用集成电路,ASIC,全定制,半定制,PLD,PROM,PLA,PAL,GAL,CPLD,FPGA,三、集成门的一般特性,1,、电源电压是多少？,2,、输入和输出的高、低电平对应的电压范围是多少？,3,、抗干扰能力如何？噪声容限,4,、工作速度快不快？传输延迟时间,5,、功耗大不大？,6,、带负载能力是否强？扇入数和扇出数,1,、电源特性：,TTL:,（,15,）,5V;,CMOS:(3,18,）,V,2,、输入和输出的高、低电平：,TTL,高电平,低电平,2.4V5V,，典型值,:3.6V,0V0.4V,，典型值,:0.3V,CMOS,74HC:0.7V,DD,74HC:0.3V,DD,数据手册一般给出四种逻辑电平参数：,输入高电平的下限值：,V,IH(min,),输入低电平的上限值：,V,IL(max,),输出高电平的下限值：,V,OH(min,),低电平的上限值：,V,OL(max,),V,I,Lmax,V,OHmin,V,IHmin,V,OLmax,输,入,输,出,V,I,Lmax,V,OHmin,V,IHmin,V,OLmax,输入,输出,3,、噪声容限：,定量说明集成电路抗干扰能力的参数,在数字电路中，即使有噪声电压叠加在输入信号的高、低电平上，只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，输出端的逻辑状态就不会受到影响,;,通常,把这个不允许超过的界限叫做噪声容限,。电路噪声容限越大，抗干扰能力越强。,A,Y1,&,B,Y2,&,（,1,）高电平噪声容限：,V,NH,=,V,OHmin,-,V,IHmin,V,NH,V,NL,（,2,）低电平噪声容限：,V,NL,=,V,ILmax,-,V,OLmax,数字电路中，无论是对,元、器件参数精度,的要求，还是对供电,电源稳定度,的要求，都比模拟电路要低一些。,而提高数字电路的运算精度，可以通过增加,数字信号的位数,达到。,4,、传输延迟时间：,表征门电路开关速度的参数。,输入,t,w,t,r,10%,50%,90%,t,f,t,r,：上升时间,t,f,：下降时间,t,w,：脉冲宽度,输出,t,PHL,t,PLH,上升沿,下降沿,t,PHL,：导通传输时间,t,PLH,：截止传输时间,平均传输延迟时间,（,P,ropagation,d,elay),t,pd,=,t,pHL,+,t,pLH,2,0,1,5,、功耗：,静态功耗：电路的输出没有状态转换时的功耗。,动态功耗：电路在输出发生状态转换时的功耗。,延时功耗积,:,6,、扇入数和扇出数：,扇入数：门电路输入端的数目。（通常为,2,8,）,扇出数：门电路在正常工作情况下，所能带同类门电路的 最大数目。,受最大输出电流,I,OHmax,、,I,OLmax,的限制。,（,1,）拉电流工作情况：,&,&,&,I,OH,I,I H,I,I H,（,2,）灌电流工作情况：,&,&,&,I,OL,I,I L,I,I L,理想二极管在加正压导通，加负压截止。,可作为理想开关使用。,实际,PN,结电荷有,建立、存储和消散,过程。,2.2,二、,三极管的开关特性,继续,数字电路中，二、三极管等器件的开关特性，实质是其,导通和截止,之间的,转化,问题,当脉冲信号频率很高时，,开关状态转化,速度非常快，百万次,/,秒，这就要求器件的导通和截止状态转换要在,ns,数量级的时间内完成,那么，是什么在影响（阻止）器件状态转换？怎样才能加快器件的转换速度？,继续,（,1,）加正向电压,U,F,时，二极管导通，忽略管压降。二极管相当于一个闭合的开关。,一、二极管的开关特性,1,二极管的静态特性,D,R,L,F,F,U,I,F,K,F,R,U,L,I,继续,综合：二极管表现为一个,受外加电压,u,i,控制的开关,。,当外加电压,v,i,为脉冲信号时，二极管将随脉冲的变化在,“,开,”,态与,“,关,”,态之间转换：,动态特性,。,（,2,）加反向电压时，二极管截止，忽略反向电流,I,S,。二极管相当于一个断开的开关。,D,L,R,U,S,R,I,L,K,U,R,R,继续,2.,二极管开关的动态特性,给二极管电路加入一个脉冲信号，电流的波形怎样呢？,t,s,为存储时间，,t,t,称为渡越时间。,t,re,t,s,十,t,t,称为反向恢复时间,+,D,L,i,R,u,i,u,i,U,F,U,R,t,1,t,0,i,t,1,t,0,I,F,I,S,t,R,t,s,I,F,t,i,I,0.1,t,0,I,R,t,1,继续,正通,反止,t,t,t,s,t,re,v,i,t,V,F,-V,R,I,F,i,t,0.1I,R,-I,R,t,1,i,R,L,D,v,I,反向过程为,:,0,t,，,二极管导通，则,t,时，,v,I,突变，二极管并不立即截止，而是电流由正向的,I,F,变为一大的反向电流,I,R,=V,R,/R,L,，,维持时间,t,s,后，经过,t,t,，,下降到,0.1I,R,，,此时二极管才进入反向截止,继续,PN,结正向偏置,+,+,+,+,空间电荷区变薄,P,N,+,扩散长度,L,P,正向电流,存储电荷,N,区中少子空,穴,存储电荷,P,区中少子电子,+,-,（,2,）产生,t,s,的原因,-,电荷存储效应,继续,PN,结改为反向偏置,由于电荷存储效应，反向,电流大,(,t,s,),势垒区先不变,P,N,扩散长度,L,P,-,+,形成反向电流,I,R,复合,复合,+,+,+,+,继续,+,+,+,+,空间电荷区变厚,N,P,+,_,+,+,+,+,内电场加强，使扩散停止，,有少量漂移，反向电流很小,反向饱和电流,很小，,A,级,继续,所以：,产生,t,s,的原因,-,电荷存储效应,总结：,当外加正压，,P,区空穴向,N,扩散，,N,区电子向,P,区扩散；,P,区存储了电子，,N,区存储了空穴，它们都是非平衡少数载流子。这一过程称为,:,电,荷存储效应,继续,反向恢复时间,即,存储电荷消失所需要的时间,，远大于正向导通所需要的时间。,即：二极管的开通时间很短，对开关速度的影响很小，以致可忽略不计。,因此，影响二极管的开关特性,主要是反向恢复时间,，而不是开通时间。,bjt,2.2.2 TTL,的开关特性,一、双极型三极管的结构,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,B,E,C,NPN,型三极管,P,N,P,集电极,基极,发射极,B,C,E,B,E,C,PNP,型三极管,二、双极型三极管的输入特性和输出特性,I,C,(mA,),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,输入特性曲线,输出特性曲线,开启电压,饱和区,截止区,放大区,三、双极型三极管的基本开关电路,在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在,饱和,和,截止,两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。,三极管临界饱和,时的基极电流：,u,i,=1V,时，三极管导通，基极电流：,u,o,=,u,CE,=,V,CC,-,i,C,R,c,=5-0.03501=3.5V,对应下图，分别求出,u,i,分别为,1V,，,0.3V,，,3V,时的,u,o,值,I,BS,，未饱和,u,i,=,0.3V,时，因为,u,BE,0.5V,，,i,B,=0,，三极管工作在,截止状态，,i,c,=0,。因为,i,c,=0,，所以输出电压：,u,o,=,V,CC,=5V,截止状态,u,i,=U,IL,I,BS,，饱和,TTL,开关等效电路,开关等效电路,(1),截止状态,条件：发射结反偏,特点：电流约为,0,(2),饱和状态,条件：发射结正偏，集电结正偏,特点：,U,BES,=0.7V,，,U,CES,=0.3V/,硅,三极管开关等效电路,(a),截止时,(b),饱和时,u,i,t,u,o,t,+,Vcc,0.3V,TTL,动态开关特性,BJT,的开关时间：,是指,BJT,管由,截止到饱和,导通,或者由,饱和导通到截止,所需要的时间。,延迟时间,t,d,从,+,V,B2,加到集电极电流,i,c,上升到,0.1,I,CS,所需要的时间；,上升时间,t,r,i,c,从,0.1,I,CS,到,0.9,I,CS,所需要的时间；,开通时间,t,on,=,t,d,+,t,r,就是建立基区电荷时间,存储时间,t,s,从输入信号降到,-,V,B1,到,i,c,降到,0.9,I,CS,所需要的时间；,下降时间,t,f,i,c,从,0.9,I,CS,降到,0.1,I,CS,所需要的时间。,关闭时间,t,off,=,t,s,+,t,f,就是存储电荷消散的时间,2 MOS,管的开关特性,CMOS-IC,中，以,MOS,管作为开关器件,一,、,MOS,管的结构和工作原理,P,N,N,G,S,D,金属铝,两个,N,区,SiO,2,绝缘层,P,型衬底,导电沟道,G,S,D,N,沟道增强型,源极,栅极,漏极,v,GS,=0,时,P,N,N,G,S,D,v,GS,v,DS,i,D,=0,D,、,S,间相当于两个背靠背的,PN,结,S,D,B,不论,D,、,S,间有无电压,均无法导通,导电,P,N,N,G,S,D,V,DS,V,GS,v,GS,0,时,v,GS,V,GS(th,),后形成电场,GB,把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余电子在上表面形成,N,型层（反型层）为,D,、,S,间的,导通,提供了,通道,。,V,GS(th,),称为阈值电压,(,开启电压）,源极与衬底接在一起,N,沟道,v,GS,增大，,i,D,增大,二,、,MOS,管的输入、输出特性,栅极电流为零，无输入特性,输出特性曲线,（漏极特性曲线）,夹断区（截止区）,用途：,断开状态的,电子开关,。,特点,:,D-S,间电阻,R,OFF,达千,M,欧以上,可变电阻区,特点,:,(1),当,v,GS,为定值,i,D,是,v,DS,的线性函数，管子的,D-S,间呈现为线性电阻，其阻值受,v,GS,控制：,v,GS,越大，,D-S,导通电阻越小。,R,ON,=5,1K,（,2,）,管压降,v,DS,很小。,用途：,做,压控线性电阻,和闭合状态的,电子开关,。,问：,如果希望开关在闭合时更“理想”？如何选取,v,GS,？,恒流,区,:(,饱和区或放大区）,特点,:,(1),受控性：,输入电压,v,GS,控制输出电流,i,D,(2),恒流性：,输出电流,i,D,不受输出电压,v,DS,影响,用途,:,可做,放大器,和,恒流源,。,问：,从特点,(1),中能否看出特点,(2),？,三,、,NMOS,管的基本开关电路,当,v,I,=,v,GS,V,GS(th,),且,v,I,继续升高时，,MOS,管工作在可变电阻区。,R,ON,很小，,D-S,间相当于闭合的开关,v,O,0,。,R,D,的范围：,R,ON,R,D,R,OFF,四,、,MOS,管的四种基本类型,G,S,D,N,沟道耗尽型,G,S,D,N,沟道增强型,G,S,D,P,沟道增强型,G,S,D,P,沟道耗尽型,在数字电路中，多采用增强型。,MOS,管另外二种常用符号,栅极,(gate),源极,(source),漏极,(drain),V,gs,N,沟道,MOS,管,+,-,继续,栅极,源极,漏极,V,gs,P,沟道,MOS,管,+,-,PMOS,管的基本开关电路,1,、,PMOS,的,V,GS(th,),为负，越负，漏极电流越大,2,、当,v,I,=0,，,MOS,管截止，输出为低,.,V,OL,-,V,DD,3,、当,v,I,=,v,GS,V,GS(th,),，,MOS,管导通，输出为高；,V,OH,0,；,对漏极电阻,R,D,的阻值要求？,总结,MOS,开关的动态特性,开关状态下,，只有一种载流子参与导电，没有大量存储电荷问题，,影响开关速度,、频率,的主要是,栅源,电容,、漏极电容、负载电容等,MOS,管导通电阻大于,TTL,饱和导通电阻，而且,R,D,大于,R,C,，因此,MOS,管对电容充放电时间长一些，即：,MOS,管开关速度小于,TTL,