逻辑门电路唐治德主编.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,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,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,*,逻辑门电路唐治德主编,2.1.1 二极管的开关特性,1二极管的开关作用,当 ，二极管截止，等效为开关断开,当,，,二极管导通，,等效为开关闭合,2 二极管的开关时间,由于二极管的PN结具有等效电容，二极管的通断就伴随着电容的充放电，所以，二极管的通断转换需要一定时间。二极管通断转换的时间既是二极管的开关时间。,1）开通时间t,on,：二极管从截止转为导通所需的时间。,2）反向恢复时间t,re,：二极管从导通转为截止所需的时间，它由2段时间组成，即存储时间t,s,和渡越时间t,t,，t,re,=t,s,+t,t,。,+,v,-,i,R,L,+,I,v,-,图,2.1.2,二极管的开关,时间,（,a,）,二极管开关电路,(b),二极管的电流波形,O,O,I,v,V,F,-,V,R,I,F,-,I,R,t,t,i,I,S,t,s,t,t,t,on,3PN结的存储电荷,PN结的,正向导通,过程：正向电压削弱PN结的势垒电场，N区的电子向P区扩散并建立电子浓度分布，P区的空穴向N区扩散并建立空穴浓度分布。,由于浓度不同，穿越PN结的电荷继续扩散，形成连续的正向电流。,从截止形成稳定的正向电流的过程就是二极管的导通时间,t,on,。,存储电荷：,距PN结越远，电荷浓度越低；,正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。,图,2.1.3 PN,结的存储电荷,+,-,I,F,P,区,N,区,n,-,存储电荷浓度,n,N,电子浓度,n,P,空穴浓度,x,距离,o,L,N,L,P,+,-,i,R,P,区,N,区,图,2.1.4 PN,存储电荷的驱散,PN结截止过程：,在反向电压的作用下，N区的空穴存储电荷被电场赶回到P区，P区的电子存储电荷被电场赶回到N区，形成反向电流，驱散存储电荷。驱散存储电荷的时间就是存储时间t,s,。,在存储电荷驱散后，PN结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到PN结通过反向饱和电流I,S,，这段时间就是渡越时间t,t,。,通常，开通时间t,on,和反向恢复时间t,re,为纳秒级，t,re,=t,s,+t,t,t,on,t,s,t,t,。所以，二极管的开关时间主要取决于PN存储电荷的驱散时间t,s,。,1.三极管的开关作用,电路,输入特性,输出特性,(a),(b),(c),V,th,BE,v,B,i,O,V,C,ES,CE,v,C,i,O,V,CC,c,CC,R,V,0,=,B,i,I,B4,I,B3,=,I,BS,I,B2,I,B1,A,B,I,v,CE,v,C,i,B,i,CC,V,BE,v,R,b,R,c,C,当输入电压为低电平，使 三极管处于截止状态，,ce之间等效为开关断开。,当输入电压为高电平，使 ，使三极管工作在输出特性的B点，处于临界饱和状态。,ce之间等效为开关闭合。,在数字电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在截止或饱和状态，称为开关状态。,I,v,CE,v,C,i,B,i,CC,V,BE,v,R,b,R,c,C,表2.2.1 NPN三极管的工作状态及特点,工作状态,截,止,放,大,饱,和,条,件,0,B,i,b,CS,BS,B,I,I,i,=,0,b,CS,BS,B,I,I,i,=,PN,结偏置,发射结反偏,集电结反偏,发射结正偏,集电结反偏,发射结正偏,集电结正偏,集电极电流,0,C,i,B,C,i,i,b,b,CS,BS,B,I,I,i,=,集射电压,图,2.1,.,5,(a),CC,CE,V,v,c,C,CC,CE,R,i,V,v,-,=,V,V,v,CES,CE,3,.,0,2,.,0,=,特,点,集射等效电阻,约为数百千欧,等效为开关断开,可变,约为数百欧姆,等效为开关闭合,2 三极管的开关时间,三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状态相互转换需要一定的时间。三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是三极管的开关时间。,设输入电压的高电平V,IH,和低电平V,IL,满足下述条件：,I,v,CE,v,C,i,B,i,CC,V,BE,v,R,b,R,c,O,I,v,V,IH,V,IL,I,CS,0.9I,CS,t,t,t,s,t,f,t,d,O,t,r,0.1I,CS,C,i,设输入电压的高电平V,IH,和低电平V,IL,满足下述条件：,O,I,v,V,IH,V,IL,I,CS,0.9I,CS,t,t,t,s,t,f,t,d,O,r,0.1I,CS,C,i,根据集电极电流波形，三极管的开关时间用下述参数描述：,1)延迟时间t,dCS,所需的时间；,2)上升时间t,rCSCS,所需的时间；,3)存储时间t,s,：从负跳变开始到从I,CSCS,所需的时间；,三极管的开关时间一般为ns数量级，并且t,off,t,on,、t,s,t,f,。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。,）下降时间t,f,CS,CS,所需的时间；,）开通时间t,on,：从截止转换到饱和所需的时间，t,on,=t,d,+t,r,；,6）关闭时间t,off,：从饱和转换为截止所需的时间，t,off,=t,s,+t,f,。,t,三极管的开关时间一般为ns数量级，并且t,off,t,on,、t,s,t,f,。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。,提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷。,2.2 TTL门电路,2.2.1 TTL非门的工作原理,2.2.2 TTL非门的特性,2.2.3 TTL与非门/或非门/与或非门,2.2.4 TTL 集电极开路门和三态门,*2.2.5 TTL 门电路的产品系列,TTL-Transistor Transistor Logic,TTL有与、或、非、与非、或非、异或、同或、与或非等逻辑门，它们的工作原理相似。,2.2.1 TTL非门的工作原理,图,2.2.,1 TTL,非门,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,TTL门一般由3级组成：输入级、中间级和输出级,输入级,输入级：信号缓冲输入,中间级：输出两个相位相反的倒相信号,中间级,输出级,输出级：推拉式输出电路，无论输出高电平或低电平，输出级的输出电阻都很低，带负载能力强。,2.2.1 TTL非门的工作原理,图,2.2.,1 TTL,非门,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,1）输入低电平（V,IL,=0.3 V）,输入低电平时，输出为高电平。,V,IL,=0.3 V,1 V,5 V,4.3,T,1,深饱和,T,2,、T,5,截止,T,3,临界饱和，T,4,放大，形成射极输出器，输出电阻小。,T,1,深饱和,T,2,、T,5,截止,T,3,临界饱和，T,4,放大，形成射极输出器，输出电阻小。,图,2.2.,1 TTL,非门,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,输入高电平（V,IH,=3.6 V）,输入高电平，输出为低电平。,V,IH,=3.6 V,1V,T,2,、T,5,饱和,T,1,处于倒置状态,T,3,放大状态，T,4,截止,综上所述，输入低电平时，输出为高电平；输入高电平时，输出为低电平。实现了逻辑非,无论输出低电平或是高电平，TTL非门的推拉输出级输出电阻均很小，带负载能力强。而且T,4,和T,5,总是一个导通、另一个就截止。,图,2.2.,1 TTL,非门,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,3工作速度的提高,输入,T,1,T,2,、T,5,T,3,T,4,输出,低电平,深饱和,截止,临界饱和,放大(射极),高电平,高电平,倒置放大,饱和,放大,截止,低电平,V,IH,=3.6 V,1V,1）,v,I,:V,IH,V,IL,，,T,1,放大,T,1,吸取T,2,管饱和时的超量存储电荷，使T,2,管快速脱离饱和，转换到截止状态。,2）TTL门具有推拉输出级，其输出电阻很小，与分布电容形成的时间常数小，故输出状态转换快。,2.2.2 TTL非门的特性,截止区ab段：,v,I,0.5 V。T,1,饱和，V,C1,=+V,CES1,0.6V,T,2,、T,5,截止，T,3,和T,4,组成复合管射极输出器，,v,o,=3.6V。,线性区bc段:0.5 V,v,I,1.1 V。T,1,饱和，0.6VV,C1,=+V,CES1,1.2V,T,2,处于放大状态，T,5,仍然截止，T,3,和T,4,仍然是射极输出器，,v,o,随,v,I,线性减少，斜率为T,2,级的放大倍数：,图,2.2.,1 TTL,非门,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,转,折区cd段：1.2 V,v,I,1.3 V。T,1,饱和，1.3VV,C1,=,v,I,+V,CES1,1.4V,T,5,由截止进入放大状态,T,2,、T,3,和T,4,的状态同前。由于T,5,集电极的等效电阻减小快，,v,o,急剧减少。转折区中点输入电压定义为门坎电压V,th,，约为1.3V。,图,2.2.,1 TTL,非门,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,饱和区de段：,v,I,1.4 V。T,1,处于倒置状态，T,2,、T,5,饱和，T,3,放大状态，T,4,截止。,v,o,=0.3V。,设 输出高电平值域：V,OHmin,，3.6V，V,OHmin,2V,输出低电平值域：0.1V，V,OLmax,，V,OLmax,则由传输特性确定输入高、低电平的值域为,输入低电平值域：0.0V,V,ILmax,输入高电平值域：V,IHmin,5.0V,V,ILmax,是对应于输出电平为V,OHmin,的输入电平，亦称为关门电平（T,5,截止）,V,IHmin,是对应于输出电平为V,OLmax,的输入电平，亦称为开门电平（T,5,饱和）,定义:,对于TTL反相器，,在保证输出高电平在其值域内的条件下，输入低电平允许的干扰脉冲最大幅度称为低电平噪声容限V,NL,。,同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，记为V,NH,。,G,2,门输入低电平允许的干扰脉冲幅度为：,V,NL,=V,ILmax,-V,OLmax,G,2,门输入高电平允许的干扰脉冲幅度为：,V,NH,=V,OHmin,-V,IHmin,适当选择V,OLmax,、V,ILmax,、V,IHmin,和V,OHmin,，获得最佳的噪声容限,一个门的输出常常是另一个门的输入，如图2.2.3所示。,3.输入特性,输入特性有输入伏安特性和输入负载特性。,1)输入伏安特性:输入电流与输入电压之间的关系曲线,图,2.2.,1 TTL,非门,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,当 （即,v,I,=V,IL,）时，,T,1,发射结导通，T,2,、T,5,截止，,I,IS,称为输入短路电流。,当 （即,v,I,=V,IH,）时，,T,1,发射结截止，T,2,、T,5,饱和，其反向电流即为高电平输入电流I,IH,约为40A。,当 随,v,I,增加，即从-1.6mA增加至40A。,1,I,i,2,I,v,(V),4,I,IH,=40,A,-,I,IS,0,V,IL,max,I,v,I,i,-,10mA,-,20mA,图,2.2.,4,非门的输入伏安特性,V,IH,m,in,2)输入负载特性,TTL门的输入端与参考电位之间接电阻R，输入电压与电阻之间的关系曲线称为输入负载特性。,当电阻,R,很小，使 时，,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,R,T,1,发射结导通，T,2,、T,5,截止。,对应于,v,I,=V,IL,称为关门（T,5,截止）电阻R,off。,即当 时，RR,off,R,on5,饱和导通，故称R,on,为开门电阻。,综上所述，当RR,on,时（包括R，即输入端悬空），非门输出低电平，即等效输入为高电平（逻辑1）,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,R,I,1,R,R(,),I,v,(V),0,R,off,R,on,V,IL,max,当RR,on,=2.0k时，由上式，,T,1,集电结导通，T,2,、T,5,饱和，限制,4.输出特性：带上负载后，负载电流与输出电压的关系曲线。有低电平输出特性和高电平输出特性,1）低电平输出特性,图,2.2.,1 TTL,非门,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,当输入为高电平（即,v,I,=V,IH,）时，输出为低电平。,此时，,T,4,截止，T,2,、T,5,饱和导通，等效电路如图2.2.6。,T,5,可以吸入负载电流，称为灌电流。,CC,V,R,3,T,5,R,L,L,i,V,OL,非门,图,2.2.,6,TTL,门低电平输出等效电路,T,5,饱和时，其集射极之间的等效电阻小（大约20），且基本不变，故输出电压随负载电流线性增加,低电平输出特性如图2.2.7所示。,CC,V,R,3,T,5,R,L,L,i,V,OL,非门,图,2.2.,6,TTL,门低电平输出电路,图,2.2.,7 TTL,门低电平输出特性,V,OL,(V),L,i,(mA),0,20,10,0.2,0.6,I,LLmax,V,O,Lmax,2）高电平输出特性,图,2.2.,1 TTL,非门,A,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,N,N,P,I,v,I,i,O,i,O,v,输入低电平（即,v,I,=V,IL,）时，输出高电平。,此时，T,2,、T,5,截止，T,3,、T,4,组成射极输出器,等效电路如图2.2.8。,T,4,向负载输出电流，称为拉电流。,图,2.2.8 TTL,门高电平输出等效电路,CC,V,R,L,L,i,V,OH,非门,T,3,T,4,R,4,100,当负载电流较小（负载电阻大）时，由于射极输出器输出电阻小，输出电压基本不变。,当负载电流较大（负载电阻小）时，R,4,上的电压较大，使T,3,、T,4,饱和，故输出电压基本上随负载电流线性下降。所以，R,4,的作用是限制输出电流。,图,2.2.,9,TTL,门高电平输出特性,V,OH,(V),L,i,(mA),0,-,1,-,2,2,4,图,2.2.8 TTL,门高电平输出等效电路,CC,V,R,L,L,i,V,OH,非门,T,3,T,4,R,4,100,5.扇出系数驱动相同系列的TTL门的个数称为扇出系数,记为N。,图,2.2.,10,非门的扇出系数,1,1,1,.,.,.,G,1,I,i,当驱动门G,1,输出低电平时，负载门的输入电流近似等于输入短路电流I,IS,。,如果G,1,吸入的最大低电平电流为I,LLmax,，则驱动负载门的最大个数为：,1,I,i,2,I,v,(V),4,I,IH,=40,A,-,I,IS,0,V,IL,max,I,v,I,i,-,10mA,-,20mA,图,2.2.,4,非门的输入伏安特性,V,IH,m,in,图,2.2.,7 TTL,门低电平输出特性,V,OL,(V),L,i,(mA),0,20,10,0.2,0.6,I,LLmax,V,O,Lmax,5.扇出系数:驱动相同系列的TTL门的个数称为扇出系数,记为N。,图,2.2.,10,非门的扇出系数,1,1,1,.,.,.,G,1,I,i,1,I,i,2,I,v,(V),4,I,IH,=40,A,-,I,IS,0,V,IL,max,I,v,I,i,-,10mA,-,20mA,图,2.2.,4,非门的输入伏安特性,V,IH,m,in,图,2.2.,7 TTL,门低电平输出特性,V,OL,(V),L,i,(mA),0,20,10,0.2,0.6,I,LLmax,V,O,Lmax,当驱动门G,1,输出高电平时，负载门的输入电流近似等于高电平输入电流I,IH,。如果G,1,输出的最大高电平电流为I,LHmax,，则驱动负载门的最大个数为：,扇出系数为：,例如，74H系列门电路的参数：I,IS,=1.6mA,I,IH,=0.04mA,I,LLmax,=16mA,I,LHmax,=0.4mA,则,即 ，输出高电平,5 TTL 门电路的产品系列,当A=B=1时，TN1和TN2导通，TP1和TP2截止，输出低电平，Y=0。,当 时，NMOS管导通，电容放电，时间常数达nS级。,通常，开通时间ton和反向恢复时间tre为纳秒级，tre=ts+ttton,tstt。,6mA增加至40A。,而CMOS逻辑电路简单，功耗小。,NMOS和PMOS管均截止，输入端与输出端断开。,输入高电平（vI=VDD）时，输出为低电平。,T3 临界饱和，T4放大，形成射极输出器，输出电阻小。,当输入电压为低电平，使 三极管处于截止状态，,所以，R4的作用是限制输出电流。,5 TTL 门电路的产品系列,T4向负载输出电流，称为拉电流。,当 时,无导电沟道，源漏之间2个背靠背的PN结总有一个截止(nA级)，DS之间的截止电阻可达108量级，等效为开关断开。,5 CMOS 传输门/三态门/异或门,(4)当A和B都为高电平时，T1和T1的发射结都截止，T2、T2、T5饱和，输出低电平。,不同系列TTL门的特性和电路见教材和手册,无论输出低电平或是高电平，TTL非门的推拉输出级输出电阻均很小，带负载能力强。,1,A,Y,A,Y,t,PHL,t,PLH,50%,50%,(1)输出高电平转换为低电平的传输延迟时间t,PHL,：从输入上升沿幅值的50%对应的时刻起，到输出下降沿幅值的50%对应的时刻止所需的时间。在t,PHL,期间，T,5,管由截止转换到饱和，主要对应于T,5,管的开通时间。,(2)输出低电平转换为高电平的传输延迟时间t,PLH,：从输入下降沿幅值的50%对应的时刻起，到输出上升沿幅值的50%对应的时刻止所需的时间。在t,PLH,期间，T,5,管由饱和转换到截止，主要对应于T,5,管的关断时间。所以，t,PLH,大于t,PHL,。,(3)平均传输延迟时间t,pd,：,2.2.3 TTL与非门/或非门/与或非门,1TTL与非门,图,2.2.,12 TTL,与非门,(a),电路,(b),多发射极三极管等效电路,（,c,）输入级等效电路,A,B,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,b,1,T,2,T,3,T,4,T,5,c,1,A B,T,1,b,1,c,1,c,1,b,1,(a),(b),（,c,）,A,B,c,1,V,V,CC,5,=,R,1,3k,X,X,当A、B都是高电平时，T,1,的个发射结都截止，T,2,、T,5,饱和，输出低电平；,当A、B中任何一个为低电平时，T,1,中与低电平相连的发射结导通，T,2,、T,5,截止，输出高电平；电路实现与非逻辑。,X=AB,2TTL或非门,图,2.2.,1,3,TTL,或非,门,A,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,1,B,T,2,R,1,3k,V,V,CC,5,=,(3)当A为高电平时，T,1,的发射结截止，T,2,、T,5,饱和，输出低电平；,(1)当A、B都是低电平时，T,1,和T,1,的发射结都导通，T,2,、T,2,和T,5,截止，输出高电平；,(2)当B为高电平时，T,1,的发射结截止，T,2,、T,5,饱和，输出低电平；,(4)当A和B都为高电平时，T,1,和T,1,的发射结都截止，T,2,、T,2,、T,5,饱和，输出低电平。,电路实现或非逻辑,3TTL与或非门,图,2.2.,1,3,TTL,或非,门,A,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,1,B,T,2,R,1,3k,V,V,CC,5,=,图,2.2.,1,4,TTL,与,或非门,A,B,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,1,C,D,T,2,R,1,3k,V,V,CC,5,=,X,Z,或非门电路比较可知，T,1,和T,1,改为多发射极三极管，分别实现X=AB、Z=CD。所以:,2.2.4 TTL 集电极开路门和三态门,图,2.2.15 TTL,与非门并联,-,电路烧坏！,A,B,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,C,D,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,X,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,G,1,G,2,AB=0,CD=1,普通TTL门输出端不能并联！,实际中希望并联。因为通过并联可以扩展或增强的路的功能。,TTL 集电极开路门和三态门的输出端可以并联。,符号“,”表示集电极开路,OC门正常使用时，必须外接电阻R，与T,5,形成反相器。整个电路实现与非逻辑功能,OC与非门输出端可以并联，如图（b）。只有Y,1,和Y,2,同时为高电平时，Y才为高电平，即Y=Y,1,Y,2,，OC门的并联线实现逻辑与，简称为线与。所以,1.集电极开路门（OC门,&,&,CC,V,A,B,C,D,1,O,i,R,图,2.2.18 OC,与非门外接电阻的计算,G,1,.,.,.,1,1,.,.,.,G,n,G,1,G,m,On,i,1,I,i,Im,i,R,i,O,v,(1)当OC门输出高电平时，,OC 门的输出电流为I,OH,（等于T,5,管的穿透电流）,负载门输入电流为I,IH,(2)当OC门输出低电平时，以及灌入一个OC 门的电流不超过其最大允许值I,OLmax,。此时负载门的输入电流近似为输入短路电流-I,IS,上拉电阻R的计算,电源电压的工作范围是5V10%,2 CMOS反相器的工作原理,传输门的导通电阻小于1k。,为确保输出电压小于0.,此时，T2、T5截止，T3、T4组成射极输出器,等效电路如图2.,G2门输入低电平允许的干扰脉冲幅度为：VNL =VILmax-VOLmax,当输入电压为低电平，使 三极管处于截止状态，,在tPLH期间，T5管由饱和转换到截止，主要对应于T5管的关断时间。,传输特性的中点c，阈值电压为VDD/2。,由于RRon5饱和导通，故称Ron为开门电阻。,即 ，输出高电平,TTL-Transistor Transistor Logic,在很多情况下，P型衬底直接接电位最低的节点，而不与源极相连，这时漏极与源极可以互换使用。,为了使P型衬底和源区及漏区间的PN结截止，P型衬底必须接电位最低的节点（通常是NMOS管的源极）。,使TN2截止，导致TB2截止。,图,2.2.,19 TTL TSL,与非门,A,B,V,V,CC,5,=,R,1,3k,R,4,100,Y,R,2,750,R,3,360,R,5,3k,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,EN,R,6,3k,R,7,T,6,T,7,T,8,TSL,钳位电路,&,EN,&,EN,(a),(b),(c),三态门,简称为TSL门（Tristate Logic）。它的输出除了常规的高电平、低电平外，还有高阻抗状态。,当,使能输入端,EN=1(高电平)时，T,7,饱和，T,8,截止：,当EN=0(低电平)时，T,7,截止，T,8,饱和，导致T,3,、,T,4,、T,2,和,T,5,截止，输出电阻大，即为高阻态，记为X。,“”表示3态输出,TSL门的应用,X,1,X,n,EN=0，G,1,工作，输入,EN=1，G,2,工作，输出,*2.2.5 TTL 门电路的产品系列,1。TTL门的产品系列号为：,74/54、74H/54H、74S/54S、74LS/54LS、,74AS/54AS和74ALS/54ALS。,2。在系列号后的数字则是品种代号，品种代号相同的门功能相同。例如，7400和74H00都是2输入与非门，仅是系列不同。,3。而74和54系列的区别仅是工作温度和电源电压的变化范围不同，其他相同。,74系列的工作环境温度规定为070,o,C,电源电压的工作范围是5V5%,54系列的工作环境温度规定为-55-+125,o,C,电源电压的工作范围是5V10%,说明54系列比74系列性能好。,表2.2.2 不同系列TTL门的特性比较,74/54,74H/54H,74S/54S,74LS/54LS,74AS/54AS,74ALS/54ALS,平均传输时间t,pd,(nS),10,6,4,10,1.5,4,每门功耗P(mW),10,22.5,20,2,20,1,延时功耗积(nSmW),100,135,80,20,30,4,不同系列TTL门的特性和电路见教材和手册,2.3 CMOS门电路,2.3.1 MOS管的开关特性,2.3.2 CMOS反相器的工作原理,2.3.3 CMOS反相器的特性,2.3.4 CMOS与非门/或非门,2.3.5 CMOS 传输门/三态门/异或门,*2.3.6 BiCMOS 门电路,由于CMOS和BiCMOS门电路性能优秀，成为门电路的主流产品。本节主要介绍CMOS门电路，然后简要介绍BiCMOS门电路。,同时包含NMOS管和PMOS管的门电路称为互补对称MOS门电路，即CMOS门电路。,CMOS工艺与双极型工艺相结合形成的门电路称为BiCMOS门。,2.3.1 MOS管的开关特,1NMOS管的开关特性,为了使P型衬底和源区及漏区间的PN结截止，P型衬底必须接电位最低的节点（通常是NMOS管的源极）。,在很多情况下，P型衬底直接接电位最低的节点，而不与源极相连，这时漏极与源极可以互换使用。,图,2.3.1,NMOS,管的结构、电路符号、转移特性和输出特性,N,+,P,型衬底,S,G,D,-,GS,v,+,N,+,-,DS,v,+,V,TN,GS,v,D,i,(mA),O,DS,v,D,i,(mA),O,TN,V,3,TN,V,5,.,2,TN,V,2,TN,V,D,i,D,G,S,B,D,i,B,S,i,O,2,1,4,I,DN,截止区,可变电阻区,D,G,S,D,i,标准符号,简化,符号,2.3.1 MOS管的开关特,1NMOS管的开关特性,图,2.3.1,NMOS,管的结构、电路符号、转移特性和输出特性,N,+,P,型衬底,S,G,D,-,GS,v,+,N,+,-,DS,v,+,V,TN,GS,v,D,i,(mA),O,DS,v,D,i,(mA),O,TN,V,3,TN,V,5,.,2,TN,V,2,TN,V,D,i,D,G,S,B,D,i,B,S,i,O,2,1,4,I,DN,截止区,可变电阻区,D,G,S,D,i,标准符号,简化,符号,当 时,无导电沟道，源漏之间2个背靠背的PN结总有一个截止(nA级)，DS之间的截止电阻可达10,8,量级，等效为开关断开。,当 时,P,型衬底中的电子受栅极上正电荷的吸引在栅极下形成导电层，连接个,2,个,N,+,岛形成,N,型导电沟道，在,的作用下形成电流，(mA),工作在可变电阻区，等效为开关闭合。,K是常数，与沟道的宽长比和半导体材料有关。,R,on,约为1k。,可变电阻区导通电阻与成反比,图,2.3.,2,NMOS,管的,开关特性,D,G,S,R,I,v,V,DD,=5V,O,v,C,L,电容放电,电容充电,I,v,O,v,因为,R,on,约为1k。,为确保输出电压小于0.3V（低电平），电阻R必须大于20k。,当 时，NMOS管导通，电容放电，时间常数达nS级。,当 时，NMOS管截止，电容充电，充电时间常数大于放电时间常数，达100nS左右,故输出的上升沿比下降沿慢。,2PMOS管的开关特性,PMOS管的特性亦与NMOS管相似。区别是，开启电压V,TP,为负值，即栅极电位低于源极电位|V,TP,|,PMOS管导通,否则截止。源极电位高于漏极电位，形成流出漏极的导通电流。N型衬底必须接电位最高的节点（通常是PMOS管的源极）。,2.3.2 CMOS反相器的工作原理,当 时，NMOS管截止，PMOS导通（可变电阻区）。即 ，输出高电平,当 时，NMOS管导通（可变电阻区），PMOS截止。即 ，输出低电平,综上所述，电路实现逻辑非,电源电压：,由电路，得,1电压传输特性,ab段：,T,N,截止,T,P,导通,de段：,T,N,导通,T,P,截止,bcd段：,T,N,和T,P,都导通,导通电阻与栅源电压的绝对值成反比。,v,I,增加，使 增加，,的绝对值减小,，导致R,N,减小,，R,P,增大。因此，,v,I,增加使,v,o,减小。,2.3.3 CMOS反相器的特性,当,时，,传输特性的中点c，阈值电压为V,DD,/2。,CMOS门的输入噪声容限大，近似为：,在中点，电源到地的等效电阻最小，电源电流最大，这正是产生动态尖峰电流的原因。,转折区电压变化率大，可以作为放大器。,2输入伏安特性,增加输入保护等电路，即构成实际的CMOS门电路。,当 时，D,1,导通，输入电流等于其导通电流，MOS管栅极电位近似等于V,F,+V,DD,；,设V,F,是二极管的正向导通电压，则当 时，,二极管截止，输入电流近似等于零，MOS管栅极电位等于输入电压,当 时，D,2,导通，输入电流等于其导通电流，,MOS管栅极电位近似等于-V,F,。,因此，MOS管栅极电位被限制在-V,F,，V,DD,+V,F,3输出特性,（1）低电平输出特性,当电源电压改变时，T,N,的栅源电压变化，所以，绘出了多只曲线。,输入高电平（,v,I,=V,DD,）时，输出为低电平。,此时，T,P,截止，T,N,导通。,低电平输出特性是T,N,的输出特性,（2）高电平输出特性,输入低电平（即v,I,=0V）时，输出为高电平。此时，T,P,导通，T,N,截止。,高电平输出特性是T,P,的输出特性,当电源电压改变时，输出高电平向上平移，所以，绘出了多只曲线。,CMOS门的其他特性与TTL门类似（只是参数不同），不再赘述。,2.3.4 CMOS与非门/或非门,CMOS逻辑同样可以实现各种逻辑功能的门(与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门、漏极开路门等),1CMOS与非门,当A=B=1时，T,N1,和T,N2,导通，T,P1,和T,P2,截止，输出低电平，Y=0。,当输入有一个为低电平时，栅极接低电平的NMOS管截止、PMOS管导通，输出高电平，Y=1。,1CMOS与非门,2.CMOS或非门,当输入全为低电平，即（A=B=0）时，T,N1,和T,N2,截止，T,P1,和T,P2,导通，输出高电平，Y=1。,当输入有高电平时，栅极接高电平的NMOS管导通、PMOS管截止，输出低电平，Y=0。,3.带缓冲级的CMOS与非门,在与非门中，由于PMOS管并联，NMOS管串联，致使输出电阻在高低电平时输出电阻不同，并且抬高了低电平电位。,为了克服这些缺点，在每个输入端、输出端各增设一级反相器组成带缓冲级的CMOS与非门。,2.3.5 CMOS 传输门/三态门/异或门,1.CMOS 传输门,门电路只能将数字信号从输入端传递到输出端，而传输门则可进行双向传递。,当控制信号C=0时，。NMOS和PMOS管均截止，输入端与输出端断开。,当C=1时，NMOS和PMOS管总有一个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合。,2.3.5 CMOS 传输门/三态门/异或门,1.CMOS 传输门,当C=1时，NMOS和PMOS管总有一个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合。,TG,I,O,v,v,/,V,DD,=5V,T,N,C,O,I,v,v,/,V,SS,=,-,5,V,or 0V,C,T,P,具体导通情况是：,传输门的导通电阻小于1k。,，则PMOS管导通；,如果,，则NMOS管导通；,如果,，则两管同时导通。,如果,当C=1时，传输门导通，输出电压为：,式中R,TG,是传输门的导通电阻(CC4066:R,TG,240)，K,TG,定义为电压传输系数。,在数字电路中，通常V,SS,=0(不用负电源)。传输门和门电路组合可实现复杂的逻辑电路，例如，触发器、数据选择器等。,在模拟电路中，传输门作模拟电子开关，如图2.3.16所示。其中反相器和传输门组合成模拟开关。,2.CMOS三态门,当EN=0时，传输门导通，,当EN=1时，传输门截止，输出为高阻态。,3.CMOS异或门,当B=0时，传输门TG导通，T,P2,和T,N1,截止，,当B=1时，TG截止，T,P2,导通，将T,P1,的源极接电源V,DD,，而T,N1,的源极等效接地，使T,P1,和T,N1,组成反相器,因此，,*2.3.6 BiCMOS 门电路,T,P1,和T,N1,组成CMOS反相器,，T,N2,和T,N3,与反相器配合驱动三极管T,B1,和T,B2,组成的推拉式输出电路，使T,B1,和T,B2,的基极信号相位相反。,如前所述，双极型三极管组成的推拉式输出电路输出电阻小，带负载能力强；而CMOS逻辑电路简单，功耗小。将两者组合则可充分发挥各自的优势，组成性能优秀的BiCMOS门电路。,*2.3.6 BiCMOS 门电路,当A=1时，CMOS反相器输出低电平，使T,N3,和T,B1,截止；使T,N2,导通，驱动T,B2,饱和。输出低电平，Y=0。,当A=0时，CMOS反相器输出高电平，使T,N3,导通、T,B1,饱和；使T,N2,截止，导致T,B2,截止。故输出高电平，Y=1。,