数电3门电路课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《数电3门电路课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 门电路 课件
- 资源描述:
-
1、1VCC0V第三章第三章 门门 电电 路路第一节第一节 概述概述门电路:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。门电路:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。门电路的两种输入,输出电平:高电平、低电平。它们分别对应门电路的两种输入,输出电平:高电平、低电平。它们分别对应逻辑电路的逻辑电路的1,0状态。状态。正逻辑:正逻辑:1代表高电平;代表高电平;0代表低电平。代表低电平。负逻辑:负逻辑:0代表代表高电平;高电平;1代表代表低电平。低电平。VCC0V高电平高电平低电平低电平2 根据制造工艺不同可分为根据制造工艺不同可分为单极型单极型和和双极型双极型两大类。两大类。门电路中晶体管均工作在门
2、电路中晶体管均工作在开关状态开关状态。其中包括介绍晶体管和场效应管的其中包括介绍晶体管和场效应管的开关特性开关特性。本章介绍两类门电路。本章介绍两类门电路。要点:各种门电路的工作原理,只要求要点:各种门电路的工作原理,只要求一般掌握一般掌握;而各种门电路的而各种门电路的外部特性外部特性和和应用应用是要求是要求重点重点。当代门电路(所有数字电路)均已集成化。当代门电路(所有数字电路)均已集成化。【题【题3.12】,【题】,【题3.16】,【题,【题3.18】,】,【题【题3.19】,【题】,【题3.20】,【题】,【题3.29】3第二节第二节 半导体二极管门电路半导体二极管门电路一、二极管的开关
3、特性一、二极管的开关特性1.开关电路举例开关电路举例2.静态特性静态特性伏安特性伏安特性等效电路等效电路 在数字电路中重点在在数字电路中重点在判断二极管开关状态,因判断二极管开关状态,因此必须把特性曲线简化。此必须把特性曲线简化。(见右侧电路图)(见右侧电路图)有三种简化方法:有三种简化方法:输入信号慢变化时的特性。输入信号慢变化时的特性。4第第三三种种+-第二种第二种VON 0.7V第第一一种种 0.5V53.动态特性动态特性 当外加电压突然由正向当外加电压突然由正向变为反向时,二极管会短时变为反向时,二极管会短时间导通。间导通。tre这段时间用这段时间用tre表示,称为表示,称为反向恢复时
4、间反向恢复时间。输入信号快变化时的特性。输入信号快变化时的特性。它是由于二极管正它是由于二极管正向导通时向导通时PN结两侧的多结两侧的多数载流子扩散到对方形数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的。成电荷存储引起的。DRLi6 由于二极管门电路有严重的缺点,在集成电路由于二极管门电路有严重的缺点,在集成电路中并不使用,但可帮助理解集成门的工作原理。中并不使用,但可帮助理解集成门的工作原理。二、二极管与门二、二极管与门设:设:VCC=5V,VIH=3V,VIL=0VVA=VB=0V D1,D2导通,导通,VY=0.7VVA=VB=3VD1,D2导通,导通,VY=3.7V+_+_VA=3V,VB=0V
5、 D2导通,导通,D1截止,截止,VY=0.7VVA=0V,VB=3VD1导通,导通,D2截止,截止,VY=0.7VVAVBVY000.7030.7300.7333.7ABY000010100111缺点:缺点:1.电平偏移;电平偏移;2.负载能力差。负载能力差。BAY7三、二极管或门三、二极管或门A B Y000011101111VAVBVY000032.3302.3332.3D1,D2截止截止D1,D2导通导通D1截止截止,D2导通导通D1导通导通,D2截止截止ABYABY8GSD一一.MOS管的开关特性管的开关特性1.MOS管的工作原理管的工作原理(Metal-Oxide-Semicond
6、uctor Field-Effect Transistor)称为:金属称为:金属氧化物氧化物半导体场半导体场效应管或绝缘栅场效应管效应管或绝缘栅场效应管导电沟道导电沟道(反型层反型层)源极源极Source漏极漏极 Drain栅极栅极Gate当当 大于大于VGS(th)时,将出现导电沟道。时,将出现导电沟道。VGS(th)称为开启电压称为开启电压,与管子构造有关。与管子构造有关。GSSDBDS导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在D,S间加电压间加电压 ,将形成漏极电流将形成漏极电流iD。称为称为N沟道增强型场效应管沟道增强型场效应管第三节第三节 CMOS门电路
7、门电路9DSGS 显然,导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越显然,导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越厚,管子的厚,管子的导通电阻导通电阻RON越小。因而,若越小。因而,若 不变,不变,就就可控制漏极电流可控制漏极电流iD。因此把。因此把MOS管称为电压控制器件。管称为电压控制器件。输出特性输出特性2.输入输出特性输入输出特性输入特性可不讨论。输入特性可不讨论。101 2 3恒恒流流区区恒流区中恒流区中iD只受只受 控制,其关系式为:控制,其关系式为:GS相应曲线称为相应曲线称为转移特性转移特性。空间电荷区空间电荷区截截止止区区VDS=0V出现沟道。出现沟道。VDS增加,则沟道增加
8、,则沟道“倾斜倾斜”(阻值增加)。(阻值增加)。VGD=VGS(th)时,沟道时,沟道“夹断夹断”。VDS再增加时,夹断点向源区移再增加时,夹断点向源区移动,但动,但iD不变。不变。可变电阻区可变电阻区夹断点夹断点VGS(th)=2V设设 5VGS同理可求出栅源电同理可求出栅源电压为压为4V和和3V时的时的夹断点。夹断点。固定电阻固定电阻夹断夹断它也有三个工作区它也有三个工作区11RONN+N+3.MOS管的基本开关电路管的基本开关电路I当当 =VDD时,时,MOS管导通,其内阻用管导通,其内阻用RON表示。表示。当当 =0V时,时,MOS 管截止,管截止,=VDD;OI,0o MOS管工作在
9、可变电阻区。管工作在可变电阻区。ONDRR若若 ,则,则回下页回下页CCDONONOVRRRVDD注意:注意:VDD必须为正。必须为正。12D静态特性静态特性三个工作区。三个工作区。等效电路如图,其中等效电路如图,其中CI为栅极输入电容。为栅极输入电容。约为几皮法。约为几皮法。动态特性动态特性延迟作用(书上没有)。延迟作用(书上没有)。由于是单极型器件,无电荷存储效应。由于是单极型器件,无电荷存储效应。动态情况下,主要是输入电容和负载电动态情况下,主要是输入电容和负载电容起作用,使漏极电流和漏源电压都滞容起作用,使漏极电流和漏源电压都滞后于输入电压的变化。其延迟时间比双后于输入电压的变化。其延
10、迟时间比双极型三极管还要长。极型三极管还要长。可变电阻区:可变电阻区:)(,thGSGSGDV截止区:截止区:)(,thGSGDGSV恒流区:恒流区:)()(,thGSGDthGSGSVV4.MOS管的开关特性及等效电路管的开关特性及等效电路电路图电路图135.MOS管的四种类型管的四种类型(1)N沟道增强型沟道增强型(2)P沟道增强型沟道增强型(3)N沟道耗尽型沟道耗尽型(4)P沟道耗尽型沟道耗尽型开启电压开启电压夹断电压夹断电压P沟道增强型:沟道增强型:14请参阅请参阅79页,表页,表3.3.1151961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。
11、英文Integrated Circuit,简称简称IC。集成电路的优点:体积小、重量轻、可靠性高,功耗低。目前集成电路的优点:体积小、重量轻、可靠性高,功耗低。目前单个集成电路上已能作出数千万个三极管,而其面积只有数十平方单个集成电路上已能作出数千万个三极管,而其面积只有数十平方毫米。毫米。按集成度分类按集成度分类:小规模集成电路小规模集成电路SSI:Small Scale Integration;中规模集成电路中规模集成电路MSI:Medium Scale Integration;大规模集成电路大规模集成电路LSI:Large Scale Integration;超大规模集成电路超大规模集成
12、电路VLSI:Very Large Scale Integration,按制造工艺分类按制造工艺分类:双极型集成电路;双极型集成电路;单极型集成电路;单极型集成电路;我们介绍我们介绍TTL电路。电路。我们介绍我们介绍CMOS电路。电路。二二.CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理Complementary-Symmetry MOS.互补对称式互补对称式MOS电路。电路。16(一)(一)CMOS反相器的电路结构反相器的电路结构N沟道管开启电压沟道管开启电压VGS(th)N记为记为VTN;P沟道管开启电压沟道管开启电压VGS(th)P记为记为VTP;要求满足要求满足VDD V
13、TN+|VTP|;输入低电平为输入低电平为0V;高电平为;高电平为VDD;(1)输入为低电平)输入为低电平0V时;时;(2)输入为高电平)输入为高电平VDD时;时;T1截止;截止;T2导通。导通。iD=0,=0V;O输入与输出间是逻辑非关系。输入与输出间是逻辑非关系。要求两管特要求两管特性完全一样性完全一样T2截止;截止;T1导通。导通。iD=0,=VDD;O17 特点:静态功耗近似为特点:静态功耗近似为0;电;电源电压可在很宽的范围内选取。源电压可在很宽的范围内选取。在正常工作状态,在正常工作状态,T1与与T2轮流导通,即所谓轮流导通,即所谓互补互补状态。状态。CC4000系列系列CMOS电
14、路的电路的VDD可在可在318V之间选取。其他之间选取。其他系列以后介绍。(可参阅表系列以后介绍。(可参阅表3.3.2在在106页)页)181.电压传输特电压传输特性性VVT2截止,截止,T1导通导通T1截止,截止,T2导通导通T1,T2都导通都导通称称为转折区为转折区阈值电压阈值电压转折区变化率转折区变化率大,特性更接大,特性更接近理想开关。近理想开关。特点:特点:此部分在教材此部分在教材8086页。页。阈值电压用阈值电压用VTH表示。表示。由于特性对称,阈值电压为由于特性对称,阈值电压为VDD的一半。的一半。(二)静态特性(二)静态特性19输入端噪声容限输入端噪声容限高电平噪声容限:高电平
15、噪声容限:低电平噪声容限:低电平噪声容限:VOH(min)VOL(max)VIL(max)VIH(min)(min)(min)IHOHNHVVV(max)(max)OLILNLVVV设定设定VOH(min)求出求出VIL(max)设定设定VOL(max)求出求出VIH(min)特性对称,因而输入端噪声容限较大。特性对称,因而输入端噪声容限较大。CC4000系列系列CMOS电路的噪声容限为:(允许输出电电路的噪声容限为:(允许输出电压变化百分之十)压变化百分之十)VNH=VNL=30%VDD202.电流传输特性电流传输特性A当当T1,T2都导通时,都导通时,iD不为不为0;输入;输入电压为电压为
16、VDD/2时,时,iD较大,因此不较大,因此不应使其长期工作应使其长期工作在在BC段。段。在动态情况下,电路的状态会通过在动态情况下,电路的状态会通过BC段,使动态功耗不为段,使动态功耗不为0;而且输入信号频率越高,动态功耗也越大,这成为限制电路扇出而且输入信号频率越高,动态功耗也越大,这成为限制电路扇出系数(驱动同类门个数)的主要因素。系数(驱动同类门个数)的主要因素。213.输入特性输入特性 由于由于MOS管栅极绝管栅极绝缘,输入电流恒为缘,输入电流恒为0,但但CMOS门输入端接有门输入端接有保护电路,从而输入电保护电路,从而输入电流不总为流不总为0。AiII 由曲线可看出,输由曲线可看出
17、,输入电压在入电压在0VDD间变间变化时,输入电流为化时,输入电流为0;当输入电压大于当输入电压大于VDD时,时,二极管二极管D1导通;当输导通;当输入电压小于入电压小于0V时,二时,二极管极管D2导通。导通。二极管二极管D2和和电阻电阻RS串联串联电路的特性电路的特性二极管二极管D1的特的特性性224.输出特性输出特性(1)输出低电平输出低电平DSDi0 T2工作在可变电阻区,有较小工作在可变电阻区,有较小的导通电阻,当负载电流增加时,的导通电阻,当负载电流增加时,该电阻上的压降将缓慢增加。该电阻上的压降将缓慢增加。对于对于CC4000系列门电路,当系列门电路,当VDD=5V时,时,IOL的
18、最大值为的最大值为0.51mA;而在而在74HC系列中,该值为系列中,该值为4mA。VDD增加相当于增加相当于T2的的VGS增加增加23(2)输出高电平输出高电平DSDSDi00IOHVDDVOHVOH=+VDDDS 与输出低电平类似,此时与输出低电平类似,此时T1工作在可变电阻区;当负载电工作在可变电阻区;当负载电流增加时,流增加时,T1的的VDS加,导致输加,导致输出下降。出下降。此时,此时,IOH的最大值,与的最大值,与输出低电平时相同。输出低电平时相同。24(三)动态特性(三)动态特性1.传输延迟时间传输延迟时间(1)MOS管在开关过程中无电荷存储,有利于缩短延迟时间;管在开关过程中无
19、电荷存储,有利于缩短延迟时间;(2)MOS管的导通电阻比管的导通电阻比TTL电路大的多,所以其内部电容电路大的多,所以其内部电容和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受VDD影响,所以,影响,所以,VDD也影响传输延迟时间;也影响传输延迟时间;(3)C MOS门的输入电容比门的输入电容比TTL电路大的多,因此负载个数电路大的多,因此负载个数越多,延迟时间越大;越多,延迟时间越大;CMOS门的扇出系数(驱动同类门个数)门的扇出系数(驱动同类门个数)就是受传输延迟时间和将介绍的动态功耗等动态特性限制的。就是受传输延迟时间和将介绍的动态功耗
20、等动态特性限制的。用用tPHL和和tPLH的平均值的平均值tPD表示延迟作用,称为平均传输延迟时间。表示延迟作用,称为平均传输延迟时间。tPD范围:范围:4000系列为系列为100ns,74HC系列为系列为10ns,74AHC系列为系列为5ns见见107页表页表252.交流噪声容限交流噪声容限3.动态功耗动态功耗 与与TTL电路类似,当噪声电压作用时电路类似,当噪声电压作用时间间tW小于电路的传输延迟时间时,输入小于电路的传输延迟时间时,输入噪声容限噪声容限VNA将随将随tW缩小而明显增大。缩小而明显增大。传输延迟时间与电传输延迟时间与电源电压和负载电容有源电压和负载电容有关,因此关,因此VD
21、D和和CL都对都对交流噪声容限有影响。交流噪声容限有影响。动态情况下,动态情况下,T1,T2会短时同时导通,产生附加会短时同时导通,产生附加功耗,其值随输入信号频率增加而增加。功耗,其值随输入信号频率增加而增加。定量估算可得动态功耗定量估算可得动态功耗PC的公式:的公式:PC=CLfV2DD负载电容经负载电容经T1、T2充、放电,也会产生功耗。充、放电,也会产生功耗。26三、其他类型的三、其他类型的CMOS门电路门电路1.与非门与非门特点:特点:N沟道管串联、沟道管串联、P沟道管并联;沟道管并联;设:设:MOS管的导通电阻为管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为门电路的输出电阻为RO。输出电
22、阻随输入状态变化。输出电阻随输入状态变化。用带缓冲级的门电路可克服上述缺点。用带缓冲级的门电路可克服上述缺点。2.或非门或非门特点:特点:P沟道管串联、沟道管串联、N沟道管并联;沟道管并联;2RON RON/211RON R0N01RON RON10RON/2 2R0N00RO(与非(与非)RO(或非)(或非)BA输出高电平偏低输出高电平偏低输出输出低电低电平偏平偏高高此外,输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。此外,输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。(一)其他逻辑功能的(一)其他逻辑功能的CMOS门电路门电路273.带缓冲级的带缓冲级的CMOS门电路门电路(1)与非门:)与非门:特点
23、:输出电阻恒为特点:输出电阻恒为RON;输出电平和;输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。电压传输特性都不受输入状态影响。)()(BABAABY(2)或非门:)或非门:同理,可用下式实现:同理,可用下式实现:)()(BABABAY28 普通普通CMOS门不能接门不能接成成线与线与形式。形式。OD门输出端只是一门输出端只是一个个N沟道管,因此可以连沟道管,因此可以连成线与形式。成线与形式。特点:特点:1.VDD1和和VDD2可取不同值;可取不同值;2.允许灌入电流较大。如:允许灌入电流较大。如:CC40107在在VOLRTG 则则OIC=0时,传输门截止;时,传输门截止;C=1时时,传输门导
24、通。传输门导通。TGOI/IO/CC传输门可双向传输。传输门可双向传输。T2T1C32VGS(th)PVGS(th)NVDD0VIN沟道管导通沟道管导通P沟道管导通沟道管导通分析原理。先分析只有一个管时的情况:分析原理。先分析只有一个管时的情况:单管工作的缺点是:单管工作的缺点是:(1)有死区;有死区;(2)导通电阻随输入电压导通电阻随输入电压变化很大。变化很大。采用双管可克服这些缺点。采用双管可克服这些缺点。33将电压传输系数定义如下:将电压传输系数定义如下:KTG=OITGLLRRR 采用改进电路的采用改进电路的CMOS四模拟开关四模拟开关CC4066在在VDD=15V时,时,RTG值不大
25、于值不大于240。而且在。而且在 变化时,变化时,RTG基本保持不变。基本保持不变。I 目前,某些精密目前,某些精密CMOS模拟开关的导通电阻已降低到模拟开关的导通电阻已降低到20 以下。以下。l模拟开关模拟开关l组成逻辑电路组成逻辑电路例如:异或门见例如:异或门见98页图页图3.3.372.传输门的应用传输门的应用34(四)三态输出的(四)三态输出的CMOS门电路门电路)(高阻时,时,ZYNEAYNE1035三态门在总线方面的应用三态门在总线方面的应用双向总线:双向总线:接成总线方式时,在接成总线方式时,在n个个EN端中,每次最多只能有一个有效。端中,每次最多只能有一个有效。36四、四、CM
展开阅读全文