集成门电路.docx

集成门电路.docx

《集成门电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成门电路.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

集成门电路

第3章集成门电路

内容提要

（1）晶体管开关特性及TTL逻辑门的基本工作原理。

（2）MOS管开关特性及CMOS逻辑门的基本工作原理。

（3）ECL、I2L、BiCMOS门电路的工作原理。

（4）各类门电路的外部电气特性：

电压传输特性、输入输出特性、抗干扰特性、电源特性等。

（5）门电路的标准推拉输出、开路输出、三态输出的特点及用途。

（6）各类门电路性能比较。

教学基本要求

（1）掌握晶体管、MOS管开关特性。

（2）掌握TTL和CMOS门的逻辑功能、外部特性、主要参数和正确使用方法。

（3）掌握门电路标准推拉输出、开路输出、三态输出的特点和应用。

（4）理解TTL和CMOS门电路的工作原理。

（5）了解ECL、I2L、BiCMOS门电路的基本原理。

重点与难点

本章重点：

（1）晶体管、MOS管开关特性。

（2）门电路的外部电气特性和正确使用方法。

（3）门电路开路输出、三态输出的特点和应用。

本章难点：

门电路的电路结构和参数计算。

主要教学内容

3.1  晶体管开关特性

3.1.1  晶体二极管开关特性

3.1.2  晶体二极管开关特性

3.2  TTL集成逻辑门

3.2.1  TTL集成逻辑门基本工作原理

3.2.2  TTL集成逻辑门

3.2.3  OC门和三态门

3.2.4  TTL电路的改进系列

3.2.5  ECL和I2L

3.3  MOS逻辑门

3.3.1  MOS器件输出特性和阈值电压

3.3.2  MOS反相器和逻辑门

3.4  CMOS电路

3.4.1  CMOS反相器

3.4.2  COMS传输门

3.4.3  OD门和三态门

3.4.4  BiCMOS电路

3.4.5  CMOS逻辑门电路技术参数

3.4.6  CMOS电路的正确使用

3.1  晶体管开关特性

3.1.1晶体二极管开关特性

双极型TTL逻辑门电路是以晶体二极管和三极管作为开关器件，影响它们开关速度的主要因素是器件内部的电荷存储和消散时间。

1.晶体二极管稳态工作状态

晶体二极管开关电路如图3–1–1所示。

当vI＞Vth时，二极管导通，流过二极管的电流和输出电压为

图3–1–1二极管开关电路

其中，Vth为二极管正向开启电压，又称阈值电压。

对于硅二极管Vth≈0.6~0.7V，锗二极管Vth≈0.2~0.3V。

vD为导通管压降，硅管vD≈0.7V，锗管vD≈0.3V。

当vI＜0时，二极管截止，iD≈0，vD=－vI，vO=0。

2.晶体二极管瞬态开关特性

晶体二极管在外加大信号电压时，将由导通转向截止或由截止转向导通，过渡过程工作波形如图3–1–2所示。

图3–1–2二极管瞬态开关特性

（1）由导通转向截止

需经历：

①iD由IR=–VR/R降至0.9IR所需驱散存储电荷的时间，称为存储时间ts。

②iD由0.9IR逐渐下降至0.1IR所需驱散存储电荷的时间，称为下降时间tf。

trr=ts+tf时间称为反向恢复时间。

（2）由截止转向导通，

需经历由iDmax=（VR+VF）/R下降至iD=VF/R所需的时间，称为二极管正向恢复时间tr。

一般tr＜＜trr，所以可以忽略不计。

3.晶体二极管开关电路应用

（1）限幅电路

限幅电路是将部分输入信号抑制掉，部分输入信号传送到输出端。

限幅电路主要应用于波形变换与整形。

常用限幅电路有：

串联上限限幅、串联下限限幅、串联双向限幅、并联上限限幅、并联下限限幅、并联双向限幅等。

①串联限幅电路

串联限幅电路是利用二极管的截止状态起限幅作用。

图3–1–3为三种典型限幅电路，其中VREF为限幅电平。

图3–1–3二极管串联限幅电路

以图3–1–3（c）双向限幅为例，其工作波形如图3–1–4所示。

在图3–1–3（c）中，限幅电平VREF2>VREF1。

图3–1–4双向限幅工作波形

当vI=0时，由于VREF2>VREF1，则D1截止，D2导通，A点电位为

当vI≤VA时，D1截止，D2导通，输出vO≈VA，由D1实现下限限幅，限幅电平为VA。

当vI≥VREF2时，D1导通，D2截止，输出vO≈VREF2，由D2实现上限限幅，限幅电平为VREF2。

当VA＜vI＜VREF2时，D1导通，D2导通，输出vO≈vI。

②并联限幅电路

二极管并联限幅电路是利用二极管导通状态实现限幅，其电路图如图3–1–5所示。

图3–1–5并联限幅电路

（2）二极管钳位电路

钳位电路是将输入信号波形的顶部或底部钳位在某一电平。

图3–1–6（a）是将输入脉冲波形顶部钳位在VREF的电路，波形如图3–1–6（c）所示。

图3–1–6（b）是将输入脉冲波形底部钳位在－VREF的电路，波形如图3–1–6（d）所示。

图3–1–6二极管钳位电路及工作波形

3.1.2晶体三极管开关特性

1.晶体三极管工作状态

NPN型晶体三极管开关电路如图3–1–7所示。

NPN型晶体三极管截止、放大、饱和工作状态的特点如表3–1–1所示。

表3–1–1NPN型晶体三极管工作状态的特点

图3–1–7三极管开关

晶体三极管作为开关，稳态时主要工作在截止状态，称为稳态断开状态。

此时iC≈0，vO≈VCC。

工作在饱和状态时称为稳态闭合状态，此时iB＞iBS，vo=VCE（set）≈0.3V≈0V。

2.晶体三极管的瞬态开关特性

晶体三极管开关稳态是处于截止或饱和态，在外加信号作用下，晶体三极管由截止转向饱和或由饱和转向截止的过渡过程为瞬态开关特性，如图3–1–8所示。

在过渡过程中，晶体三极管处于放大状态。

图3–1–8三极管开关特性

（1）三极管由截止转向饱和的过程

当vI由–V跳至+V时：

①形成集电极电流，iC上升至0.1ICS的过程，所需时间td称为延迟时间。

②iC由0.1ICS上升至0.9Ics的过程，所需时间tr称为上升时间。

三极管由截止到饱和所经历的时间，称为开启时间ton，其大小为ton=td+tr。

（2）三极管由饱和状态转向截止状态的过程

当vI由+V下跳至–V时，三极管要经历：

①三极管集电极电流由ICS下降至0.9ICS所需的时间称为存储时间ts。

②三极管集电极电流由0.9ICS下降至0.1ICS所需的时间称为下降时间tf。

三极管由饱和状态转向截止状态所经历的时间称为关断时间toff，其大小为toff=ts+tf。

3.晶体三极管反相器

晶体三极管开关电路的最基本应用电路为反相器电路。

反相器电路如图3–1–9所示。

图3–1–9晶体管反相器

当vI=VL时，保证三极管截止，即要求VBE≤0，此时vO≈VCC。

当vI=VH时，保证三极管饱和，要求iB≥iBS，即

此时，vO=VCE（sat）≈0.3V≈0V。

3.2  TTL集成逻辑门

3.2.1TTL集成逻辑门基本工作原理

1.基本工作原理

TTL集成与非门电路结构如图3–2–1所示。

分析晶体管工作状态时，以估算的办法，每个PN结压降为0.7V，深饱和时VCE（sat）≈0.1V。

不难分析出该电路的逻辑功能为Y=ABC。

图3–2–1TTL集成与非门

2.电路特点

（1）该电路采用了推拉输出电路。

在稳态时，不论电路处于开态还是处于关态，均具有较低的输出电阻，从而大大提高了带负载能力。

（2）多发射极晶体管和推拉输出电路共同作用，大大提高了工作速度。

3.2.2TTL与非门的主要外部特性

1.电压传输特性

电压传输特性是指输出电压vO随输入电压vI的变化曲线。

由电压传输特性曲线，可以反映出TTL与非门的主要特性参数。

（1）输出逻辑高电平VOH和输出逻辑低电平VOL

通常VOH≈3.6V，VOL≈0.3V。

（2）开门电平Von和关门电平Voff

开门电平Von是指在保证输出为额定低电平条件下，允许输入高电平的最小值，一般Von≤1.8V。

关门电平Voff是指在保证输出为额定高电平条件下，允许输入低电平的最大值，一般Voff≥0.8V。

（3）阈值电压Vth

阈值电压是指电压传输曲线转折区中点对应的输入电压。

当vI＜Vth时，vO=VOH；当vI＞Vth时，vO=VOL。

通常Vth≈1.4V。

（4）噪声容限

噪声容限反映了门电路的抗干扰能力。

在输入低电平时，允许的干扰容限为低电平噪声容限VNL=Voff–VIL；在输入高电平时，允许的干扰容限为高电平噪声容限VNH=VIH–Von。

2.输入特性

输入特性是指输入电压与输入电流之间的关系。

输入特性反映了与非门输入短路电流IIS的大小。

在输入端接有接地电阻Ri时（有时称为输入负载特性），对于典型TTL与非门电路，保证与非门处于关态时，Ri＜0.91kΩ；保证与非门处于开态时，Ri＞3.2kΩ。

3.输出特性

输出特性是指输出电压与输出电流之间的关系。

与非门处于开态时，等效输出电阻约为10~20Ω，输出低电平随灌入电流增加而略有增加。

与非门处于关态时，等效输出电阻约为100Ω，输出高电平随拉电流的增加而减少。

4.平均延迟时间tpd

平均延迟时间反映了TTL逻辑门的开关特性，说明其工作速度。

5.电源特性

电源特性的重要参数是功耗，功耗有静态功耗和动态功耗。

静态功耗是电路没有状态转换时的稳态功耗。

电路处于开态时，为导通功耗。

处于关态时，为截止功耗，导通功耗总比截止功耗大。

当电路发生状态转换时，由于动态尖峰电流的涌现，动态功耗大于静态功耗。

因此，高速数字电路往往需付出较大的功耗。

一种综合性的指标是延时–功耗积：

DP=tpd×PD，其单位为焦[耳]，tpd为平均延迟时间，PD为功耗。

DP值越小，表明其特性愈接近于理想情况。

3.2.3OC门和三态门

在工程实践中，往往需要将两个门的输出端并联以实现与逻辑的功能，称为线与。

如将两个TTL与非门电路的输出端连接在一起，当一个门输出高电平另一个门输出低电平时，将会产生很大的电流，有可能导致器件损毁，无法形成有效的线与逻辑关系，这一个问题可以采用OC门、三态门来解决。

1.OC门

OC门为集电极开路门，它是将TTL与非门电路的推拉式输出级中，删去电压跟随器。

为了实现线与的逻辑功能，可将多个门电路的输出并接在一起，加一公共上拉电阻RL接电源VCC。

OC门的逻辑符号如图3–2–2所示，其线与结构如图3–2–3所示。

图3–2–2OC门逻辑符号

图3–2–3OC门线与结构

Y=AB·CD···IJ

在实际应用中必须合理选择RL，其原则是：

（1）上拉电阻RL起限流作用，要保证IRL=VCC/RL的值不超过IOL（max）。

（2）RL值大小影响OC门的开关速度。

由于门电路的输出电容、输入电容及接线分布电容的存在，RL愈大负载电容的充电时间愈大，因而开关速度愈慢，因此必须选择适当的RL值。

OC门除去实现多门的线与外，还可以驱动高电压、大电流的负载。

2.三态门（TSL）

三态与非门除去具有一般与非门的两种状态外，还具有高输出电阻的第三状态，即高阻态，又称为禁止态。

其逻辑符号如图3–2–4所示。

EN为片选信号，高电平有效。

当EN=1时，Y=AB；当EN=0时，输出端Y为高阻。

图3–2–4三态与非门逻辑符号

三态门可以构成总线结构，如图3–2–5所示，只要多个门的EN轮流为1，就可以使各个门的输出信号轮流送到公共的传输线上。

图3–2–5总线结构

利用三态门还可以构成数据的双向传输，如图3–2–6所示。

当EN=1时，G1工作，G2高阻，数据D0经G1反相送到总线传输；当EN=0时，G1高阻，G2工作，来自总线的数据经G2反相后，由D1输出。

图3–2–6双向传输

3.2.4TTL电路的改进系列

TTL电路的改进系列主要有：

54H/74H系列又称高速系列；54S/74S系列又称肖特基系列；54LS/74LS系列又称低功耗肖特基系列；54AS/74AS及54ALS/74ALS系列，又称先进的肖特基系列和先进的低功耗肖特基系列；不同系列性能比较如表3–2–1所示。

表3–2–1不同系列TTL电路性能比较

3.2.5ECL和I2L

1.ECL

ECL是一种非饱和型高速逻辑电路，是发射极耦合电路，主要应用于高速、超高速数字系统中。

与TTL相比其优点是：

（1）速度最快，目前ECL门电路的传输延迟时间已缩短在0.1ns以内。

（2）射极输出结构，输出内阻很低，带负载能力很强，扇出系数达90以上。

（3）设有互补输出端，同时输出端可以并联，实现线或逻辑功能。

其主要缺点是：

（1）功耗大，每个门平均功耗可达100mW以上。

（2）输出电平稳定性较差。

（3）抗干扰能力差，ECL逻辑摆幅只有0.8V，噪声容限只有200mW。

2.I2L

I2L电路的基本单元是由多集电极三极管构成的反相器，反相器偏流由恒流管提供，工作在恒流状态。

目前I2L主要用于制作大规模集成电路的内部逻辑电路。

I2L电路的优点是：

（1）电路结构简单，电路中没有电阻元件，既节省所占硅片面积，又降低功耗。

（2）多集电极输出结构可以通过线与将几个门输出端并联，以获得所需的逻辑功能。

（3）I2L电路能在低电压、微电流下工作，最低可以工作在1V以下，I2L反相器的工作电流可以小于1nA。

I2L电路的缺点是：

（1）抗干扰能力差，输出摆幅比较小，通常在0.6V，噪声容限很小。

（2）开关速度慢，反相器传输时间可达20~30ns。

3.3  MOS逻辑门

3.3.1MOS器件输出特性和阈值电压

MOS管有P沟道MOS管和N沟道MOS管两种，每种又分有增强型和耗尽型两类。

下面以N沟道增强型为例说明。

输出特性是指在一定栅源电压vGS下，漏源电流iDS和漏源电压vDS之间的关系。

N沟道增强型MOS管有三个工作区：

（1）当vGS＜VGS（th）N时，iDS＝0，为截止区。

（2）当vGS＞VGS（th）N，且vDS＜（vGS－VGS（th）N）时，iDS随vDS线性上升，为非饱和区，又称可调电阻区。

（3）当vGS＞VGS（th）N，且vDS≥（vGS－VGS（th）N）时，iDS不随vDS线性上升，vDS增加，iDS几乎不变，为饱和区。

VGS（th）N为其阈值电压，又称开启电压。

MOS管作为开关应用时，基本交替工作在截止和饱和状态。

3.3.2MOS反相器和逻辑门

MOS反相器基本有三种形式：

（1）输入器件（开关管）与负载均采用增强型MOS管，称为E/EMOS管反相器。

其特点是负载管始终处于饱和区，速度低、功耗大，而且输出高、低电平之比取决于输出管和负载管跨导之比，又称为“有比电路”。

（2）输入器件（开关管）是增强型MOS管，负载采用耗尽型MOS管，称为E/DMOS反相器。

其特点是输出高电平VOH=VDD，充分利用电源，反相器开态时，负载管处于饱和态，呈恒流特性，又利于提高工作速度。

（3）输入器件（开关管）为N沟道增强型MOS管，负载管为P沟道增强型MOS管，称为互补对称反相器，简称COMS反相器。

3.4  CMOS电路

3.4.1CMOS反相器

COMS以增强型P沟道MOS管和增强型N沟道MOS管串接互补或并联互补为基本单元的电路。

1.CMOS反相器工作原理

CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串接组成。

P沟道作为负载管，N沟道管作为输入管（开关管），如图3–4–1所示。

它们的开启电压分别是：

VGS（th）P＜0，VGS（th）N＞0。

图3–4–1CMOS反相器

当vI=0V时，vGSN=0V，开关管TO截止，vGSP=–VDD，负载管TL导通，输出vO≈VDD。

当vI=VDD时，vGSN=VDD，开关管TO导通，vGSP=0V，负载管TL截止，输出vO≈0V。

2.CMOS反相器的主要特性

（1）电压传输特性与阈值电压、电流传输特性

由电压传输特性和电流传输特性可以看出：

①输出高电平VOH=VDD，输出低电平VOL=0V。

②CMOS反相器在稳态时，工作电流均极小，只有在状态急剧变化时，由于负载管和输出管均处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。

③在状态发生变化时，反转速度较快，其阈值电压为VTH=VDD/2。

因此，CMOS反相器具有如下特点：

①静态功耗极低。

②抗干扰能力较强。

③电源利用率高，且允许VDD可以在一个较宽的范围内变化。

④输入阻抗高，带负载能力强。

（2）输入/输出特性

①为了保护栅氧化层不被击穿，在CMOS输入端均加有保护二极管。

②输入信号在正常工作电压下，输入电流iI≈0，当输入信号vI＞VDD+VD时，保护二极管导通，输出电流急剧增大。

③当CMOS处于开态时输入管导通，输出电阻大小与vI有关，vI越大，输出电阻越小，带灌电流负载能力越强；当CMOS处于开态时（输入管截止），|vGSP|=|vI－VDD|越大（vI越小），带拉电流负载能力越大。

（3）电源特性

由于静态时，静态电流不超过1μA，静态功耗很小。

CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗，它包括在反转过程中，瞬时电压较大产生瞬时导通功率PT，以及在状态发生变化时对负载电容充放电所消耗的功耗PC，PC=CLfVDD2，其中CL为负载电容，f为工作频率。

3.4.2CMOS传输门

CMOS传输门由P沟道和N沟道增强型MOS管并联互补组成，如图3–4–2所示。

图3–4–2CMOS传输门

当C=0V，C=VDD，TN和TP均截止，传输门呈高阻抗。

当C=VDD，C=0V，vI在0~VDD之间变化时，TN和TP总有一个是导通的，实现传输功能。

3.4.3OD门和三态门

CMOS漏极开路输出门（OD门）和三态门逻辑符号及应用同TTL集电极开路门（OC门）和三态门。

3.4.4BiCMOS电路

BiCMOS逻辑部分采用CMOS结构，输出部分采用双极型三极管，因此它兼有CMOS的低功耗和双极型电路低输出内阻的优点。

图3–4–3是BiCMOS反相器电路。

图3–4–3BiCMOS反相器

当vI=VIH时，T2、T3、T6导通，T1、T4、T5截止，输出vO=VOL。

当vI=VIL时，T1、T4、T5导通，T2、T3、T6截止，输出vO=VOH。

由于T5、T6导通内阻很小，从而减小了传输延迟时间，目前BiCMOS反相器传输延迟时间可以减小到1ns以下。

3.4.5CMOS逻辑门电路技术参数

CMOS逻辑门电路技术参数性能比较如表3–4–1所示。

表3–4–1CMOS门电路系列的性能比较

3.4.6CMOS电路的正确使用

（1）输入电流的静电防护。

在存储和运输CMOS器件时，用金属屏蔽层做包装材料；组装调试时，电烙铁和其他工具、仪表、工作台面均需良好接地，不用的输入端不能悬空。

（2）输入电路的过流保护。

输入端和信号源之间串接保护电阻。

在有大电容情况和接长线情况下，输入端均需接保护电阻。

（3）防止发生锁定效应。

CMOS电路工作时，要始终保证vI、vO及VDD的数值符合规定；同时可在输入和输出端设置钳位电路；电源输入端加去耦电路；在一个系统有几个电源分别供电时，多电源的开、关顺序必须合理。

启动时先接CMOS电路电源，后接输入信号和负载电路电压；关机时，先关输入信号和负载电源，后关CMOS电源。

自我检测题

1.判断以下叙述是否正确（正确者打√，错误者打×）：

对于CMOS或非门电路：

（1）输入端悬空会造成逻辑出错。

（）

（2）输入端接大电阻（如510kΩ）到地相当于接高电平1。

（）

（3）输入端接小电阻（如510Ω）到地相当于接低电平0。

（）

（4）输入端接低电平时有电流从门中流出。

（）

（5）多余输入端不可以并联使用。

（）

2.已知TTL与非门带灌电流负载最大值IOL=15mA，带拉电流负载最大值为IOH=–40mA，输出高电平VOH=3.6V，输出低电平VOL=0.3V；发光二极管正向导通电压VD=2V，正向电流ID=5~10mA，三极管导通时VBE=0.7V，饱和电压降VCES≈0.3V，β=50。

如图P3–1所示两电路均为发光二极管驱动电路，试问：

（1）两个电路的主要不同之处；

（2）图P3–1（a）中R和图P3–1（b）中Rb的取值范围。

图P3–1

3.电路如图P3–2所示，试

（1）写出F1、F2、F3、F4的逻辑表达式；

（2）说明四种电路的相同之处与不同之处。

图P3–2

4.TTL与非门电路与输入端外接电路如图P3–3所示，当S合在不同位置时，用图P3–3中万用表（内阻为20kΩ）测量V1和V0的值，将结果填入表内。

图P3–3

5.试写出图P3–4所示电路输出端F的最简逻辑表达式。

图P3–4

思考题

1.晶体二极管作为开关应用时，呈现的瞬态开关特性与理想开关有哪些区别？

什么是反向恢复时间和正向恢复时间？

产生的原因是什么？

2.什么是晶体三极管的饱和状态?

如何判断晶体三极管处于导通、饱和和截止状态？

3.什么是三极管延迟时间、上升时间、存储时间和下降时间?

影响这些时间的因素有哪些？

4.TTL与非门有哪些主要外部特性?

TTL与非门有哪些主要参数？

5.OC门、三态输出门各有什么特点？

什么是线与？

什么是总线结构？

如何用三态输出门实现数据双向传输？

6.什么是N沟道增强型MOS管的开启电压?

如何判断MOS管所处的工作状态？

7.CMOS反相器的电路结构?

CMOS反相器有哪些特点？

8.CMOS传输门的电路结构?

如何实现高、低电平的传输？

9.CMOS集成门电路与TTL集成门电路相比各有什么特点?

10.CMOS集成门和TTL集成门在使用时应注意哪些问题?

多余输入端应如何正确处理？