第三章集成逻辑门电路.ppt

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1、第三章 集成逻辑门电路,实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的电路 构成中规模功能模块的基本单元,逻辑门电路的分类,二极管门电路,三极管门电路,TTL门电路,CMOS门电路,分立门电路,逻辑门电路,介绍：,三态门,开路门,概 述,基本逻辑门电路,TTL 集成逻辑门电路,*CMOS 集成逻辑门电路,*TTL 电路和 CMOS 电路的接口,本章小结,3.1 概述,主要要求：,了解逻辑门电路的作用和常用类型。,理解高电平信号和低电平信号的含义。,一些知识概念： 脉冲（脉动和短促） 脉冲信号及其广义的定义 脉冲电路：1、惰性元件（电阻、电容、电感）组成的线性网络：控制暂态过程的形状和快慢。2、开关元件（二、

2、三极管、MOS管）组成：接通和断开状态：破坏电路的稳态，使之产生暂态过程。,TTL 即 Transistor-Transistor Logic,CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,一、门电路的作用和常用类型,按功能特点不同分,按逻辑功能不同分,按电路结构不同分,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。,高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。,高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？,由门电路种类等决定,主要要求：,理解二极管的开关特性。,掌握三极管的开关特性。,3.2 基本逻

3、辑电路,了解MOS管的开关特性。,3.2.1 晶体二极管的开关特性,正向导通状态-导通电阻很小，两端相当于短路,反向截止状态-等效电阻很大，两端相当于开路,1. 二极管的大信号稳态（静态）工作,理想开关,PN结是半导体器件的核心环节。模拟电路中已讨论 了二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数 以及二极管的基本电路及其分析方法与应用。,P型半导体中，多数载流子是空穴，N型半导体中，多数 载流子是电子。,扩散电流：由于PN结两边载流子的浓度差别，载流子会从浓度高的一方向浓度低的一方运动，称为扩散运动，它产生扩散电流。 漂移电流：由于电位差的存在，载流子在电场的作用下产生的运动，称为漂移运动

4、，它产生漂移电流。 电位差来自外加电压和电荷积累构成的内电场。,P型区,N型区,空间 电荷区,一、二极管的静态开关特性,当输入 uI 为低电平 UIL，二极管反向截止。,二极管关断的条件和等效电路,当输入 uI 为高电平 UIH，二极管正向导通。,二极管 伏安特性,二、二极管的动态开关特性,产生反向恢复过程的物理机制存储电荷消散需要时间,用载流子浓度梯度解释：正向电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，转换为截止时的浓度分布梯度所需的时间也愈长。,用电容的概念理解：正偏时扩散电容较大，存储的电荷也较多，电荷消散所需的时间也较长。,三极管为什么能用作开关？ 怎样控制它的开和关？,当输入 uI 为低电平

5、，使uBE Uth时，三极管截止。,iB 0，iC 0，C、E 间相当于开关断开。,三极管关断的条件和等效电路,负载线,饱 和 区,放大区,二、三极管的开关特性,截止区,三极管 截止状态 等效电路,uI=UIL,Uth为门限电压,(一) 三极管的静态开关特性,饱 和 区,放大区,二、三极管的开关特性,uI 增大使 iB 增大，从而工作点上移， iC 增大，uCE 减小。,截止区,三极管 截止状态 等效电路,S 为放大和饱和的交界点，这时的 iB 称临界饱和基极电流，用 IB(sat) 表示；相应地，IC(sat) 为临界饱和集电极电流； UBE(sat) 为饱和基极电压； UCE(sat) 为

6、饱和集电极电压。对硅管， UBE(sat) 0.7V， UCE(sat) 0.3V。在临界饱和点三极管仍然具有放大作用。,uI 增大使 uBE Uth时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作于放大导通状态。,饱 和 区,放大区,二、三极管的开关特性,截止区,三极管 截止状态 等效电路,uI=UIH,三极管开通的条件和等效电路,当输入 uI 为高电平，使 iB IB(sat)时，三极管饱和。,uo UCE(sat) 0.3 V 0， C、E 间相当于开关合上。,三极管 饱和状态 等效电路,iB 愈大于 IB(Sat) ，则饱和愈深。,由于UCE(Sat) 0，因此饱和后 iC 基本上为恒值，iC

7、 IC(Sat) =,例下图电路中 = 50,UBE(on) = 0.7 V,UIH = 3.6 V,UIL = 0.3 V,为使三极管开关工作,试选择 RB 值,并对应输入波形画出输出波形。,解：(1)根据开关工作条件确定 RB 取值,uI = UIL = 0.3 V 时,三极管满足截止条件,uI = UIH = 3.6 V 时,为使三极管饱和,应满足 iB IB(sat),所以求得 RB 29 k，可取标称值 27 k。,(2) 对应输入波形画出输出波形,可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器。,三极

8、管截止时， iC 0，uO +5 V,三极管饱和时， uO UCE(sat) 0.3 V,上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为 ：,uI 从 UIL 正跳到 UIH 时，三极管将由截止转变为饱和， iC 从 0 逐渐增大到 IC(sat)，uC 从 VCC 逐渐减小为 UCE(sat)。,uI 从 UIH 负跳到时 UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。,(二)三极管的动态开关特性,uI 正跳变到 iC 上升到 0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称为三极管开通时间。,通常工作频率不高时，可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是

9、否合适，否则导致不能正常工作。,uI 负跳变到 iC 下降到 0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称为三极管关断时间。 通常toff ton,(二)三极管的动态开关特性,开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。,在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称 SBD) 。,抗饱和三极管的开关速度高, 没有电荷存储效应 SBD 的导通电压只有 0.4 V 而非 0.7 V，因此 UBC = 0.4 V 时，SBD 便导通，使UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。,(三)抗饱和三极管,3.2.3MOS管的开关特性,MOS管的动态特性：,3.2.4 分立元件门电路,1、二极管与门,L=AB,0V,2、二极管或门,L=A+B,3、非门电路BJT反相器,uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5V,uA5V时，三极管导通。基极电流：,iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uLUCES0.3V。,三极管临界饱和时的基极电流为：,3.2.5 组合逻辑门电路,与非门电路,或非门电路,小结： 1、概述，脉冲电路，开关电路，逻辑体制 2、二极管、三极管、MOS管开关特性（静态和动态） 3、分立元件门电路和组合逻辑门电路（一般了解）,