《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章（146頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第 三 章 門 電 路 3-1 概 述 3-2 半 導(dǎo) 體 二 極 管 門 電 路 3-3 TTL門 電 路 3-4CMOS門 電 路 3-1 概 述l 門 電 路 ： 實(shí) 現(xiàn) 基 本 運(yùn) 算 、 復(fù) 合 運(yùn) 算 的 單 元 電 路 ，如 與 門 、 與 非 門 、 或 門 l獲 得 高 、 低 電 平 的 基 本 原 理 VccIv ovS1 S2 輸入信號(hào) 輸出信號(hào) 圖 3.1.3 互 補(bǔ) 開 關(guān) 電 路 正 邏 輯 ： 高 電 平 表 示 1， 低 電 平 表 示 0負(fù) 邏 輯 ： 高 電 平 表 示 0， 低 電 平 表 示 1 3.2半 導(dǎo) 體 二 極 管 門 電 路半 導(dǎo) 體 二

2、極 管 的 結(jié) 構(gòu) 和 外 特 性 （ Diode）l 二 極 管 的 結(jié) 構(gòu) ： PN結(jié) + 引 線 + 封 裝 構(gòu) 成 P N 3.2.1二 極 管 的 開 關(guān) 特 性 ：高 電 平 ： VIH=VCC低 電 平 ： VIL=0 u VI=VIH D截 止 ， VO=VOH=VCC u VI=VIL D導(dǎo) 通 ， VO=VOL=0.7V 二 極 管 的 開 關(guān) 等 效 電 路 ： 二 極 管 的 動(dòng) 態(tài) 電 流 波 形 ： 3.2.2 二 極 管 與 門設(shè) VCC = 5V加 到 A,B的 VIH=3V VIL=0V二 極 管 導(dǎo) 通 時(shí) VDF=0.7VA B Y0V 0V 0.7V0V

3、 3V 0.7V3V 0V 0.7V3V 3V 3.7V A B Y0 0 00 1 01 0 01 1 1規(guī) 定 3V以 上 為 10.7V以 下 為 0 3.2.3 二 極 管 或 門設(shè) VCC = 5V加 到 A,B的 VIH=3V VIL=0V二 極 管 導(dǎo) 通 時(shí) VDF=0.7VA B Y0V 0V 0V0V 3V 2.3V3V 0V 2.3V3V 3V 2.3V A B Y0 0 00 1 11 0 11 1 1規(guī) 定 2.3V以 上 為 10V以 下 為 0 二 極 管 構(gòu) 成 的 門 電 路 的 缺 點(diǎn)u 電 平 有 偏 移u 帶 負(fù) 載 能 力 差u 只 用 于 IC內(nèi) 部

4、 電 路 一 、 雙 極 型 三 極 管 的 結(jié) 構(gòu)3.3.1 雙 極 型 三 極 管 的 開 關(guān) 特 性3.3 TTL門 電 路管 芯 + 三 個(gè) 引 出 電 極 + 外 殼 基 區(qū) 薄低 摻 雜發(fā) 射 區(qū)高 摻 雜 集 電 區(qū)低 摻 雜 以 NPN為 例 說(shuō) 明 工 作 原 理 ：u 當(dāng) VCC VBBu be 結(jié) 正 偏 , bc結(jié)反 偏u e區(qū) 發(fā) 射 大 量 的 電子u b區(qū) 薄 ， 只 有 少 量的 空 穴 u bc反 偏 ， 大 量 電子 形 成 IC 二 、 三 極 管 的 輸 入 特 性 和 輸 出 特 性 三 極 管 的 輸 入 特 性 曲 線 （ NPN）u VON ：

5、開 啟 電 壓u 硅 管 ， 0.5 0.7Vu 鍺 管 ， 0.2 0.3Vu 近 似 認(rèn) 為 : u VBE 0.7V以 后 ， 基 本 為 水 平 直 線 )V(fi CEC l 特 性 曲 線 分 三 個(gè) 部 分放 大 區(qū) ： 條 件 VCE 0.7V, iB 0, iC隨 iB成 正 比 變 化 ， iC=iB。飽 和 區(qū) ： 條 件 VCE 0, VCE 很 低 ， iC 隨 iB增 加 變 緩 ， 趨 于 “ 飽 和 ” 。截 止 區(qū) ： 條 件 VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c e間 “ 斷開 ” 。 三 極 管 開 關(guān) 電 路 如 圖 3.3.1所 示三

6、 、 雙 極 型 三 極 管 的 基 本 開 關(guān) 電 路圖 3.3.1 晶 體 三 極 管 開 關(guān) 電 路三 極 管 替 代開 關(guān)3.3.1 雙 極 型 三 極 管 的 開 關(guān) 特 性 圖 3.3.1 晶 體 三 極 管 開 關(guān) 電 路T當(dāng) vI=VIH， 為 高 電 平 時(shí) ， 使 得iBIBS=VCC /RC， 三 極 管 處 于飽 和 導(dǎo) 通 態(tài) ， 輸 出 vo VOL Vces0,為 低 電 平 ；3.3.1 雙 極 型 三 極 管 的 開 關(guān) 特 性當(dāng) vI=VILVGS (th) 時(shí) ,管 子 導(dǎo) 通 ， iD V 2GS， RON1k 3.9.1 MOS管 (絕 緣 柵 ） 的

7、 開 關(guān) 特 性V GS |VGS（ th)P|+VGS(th)N，2.工 作 原 理l當(dāng) vI VIL 0為 低 電 平 時(shí) )(OH offon DDDDonoff offRR VVRR Rv 3.9.2 CMOS反 相 器 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理l當(dāng) vI VIH VDD為 高 電 平 時(shí))( 0 OL offon DDonoff onRR VRR Rv u特 點(diǎn) 1. 無(wú) 論 vI 是 高 電 平 還 是 低 電 平 ， T1和 T2管 總是 一 個(gè) 導(dǎo) 通 一 個(gè) 截 止 的 工 作 狀 態(tài) ， 稱 為 互 補(bǔ) ，這 種 電 路 結(jié) 構(gòu) CMOS電 路 ；2. 由 于

8、 無(wú) 論 輸 入 為 低 電 平 還 是 高 電 平 ， T1和 T2總 是 有 一 個(gè) 截 止 的 ， 其 截 止 電 阻 很 高 ， 故 流 過(guò)T1和 T2的 靜 態(tài) 電 流 很 小 ， 故 其 靜 態(tài) 功 耗 很 小 。3.9.2 CMOS反 相 器 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 uAB段 ： 輸 入 低 電平 0 OLO VV NGSI VV )th( DDOHO VVV uCD段 ： 輸 入 高 電 平PTHGSDDI VVV )( 圖 3.3.11 CMOS反 相 器 的 電壓 傳 輸 特 性 二 、 電 壓 傳 輸 特 性 和 電 流 傳 輸 特 性1. 電 壓 傳 輸

9、 特 性3.9.2 CMOS反 相 器 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 uBC段 ： PTHGSDDINTHGS VVVV )()( 圖 3.3.11 CMOS反 相 器 的 電壓 傳 輸 特 性 DDODDI VVVV 2121 時(shí) ，當(dāng)T1、 T2同 時(shí) 導(dǎo) 通 ， 若 T1、T2參 數(shù) 完 全 相 同 ， 則 2.電 流 傳 輸 特 性 圖 3.3.12 CMOS反 相 器 的 電流 傳 輸 特 性u(píng)AB段 ： 輸 入 低 電 平輸 出 漏 極 電 流 近 似 為 零 電 流 傳 輸 特 性 是 反 相器 的 漏 極 電 流 隨 輸 入 電壓 變 化 曲 線 。uCD段 ： 輸

10、入 高 電 平3.3.2 CMOS反 相 器 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 uBC段 ： 圖 3.3.12 CMOS反 相 器 的 電流 傳 輸 特 性PTHGSDDINTHGS VVVV )()( T1、 T2同 時(shí) 導(dǎo) 通 ， 有 電流 iD同 時(shí) 通 過(guò) ， 且 在 vI VDD / 2附 近 處 ， 漏 極電 流 最 大 。3.9.2 CMOS反 相 器 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 3.9.2 CMOS反 相 器 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理圖 3.3.14 V DD對(duì) 電 壓 傳 輸 特 性的 影 響三 、 輸 入 端 噪 聲 容 限圖 3.3.13

11、CMOS反 相 器 輸入 噪 聲 容 限 示 意 圖 3.9.3 CMOS 反 相 器 的 靜 態(tài) 輸 入 和 輸 出 特 性一 、 輸 入 特 性 輸 入 特 性 是 從 CMOS反 相 器 輸 入 端 看 其 輸 入 電 壓與 電 流 的 關(guān) 系 。 由 于 MOS管 的 柵 極 和 襯 底 之 間 存 在 SiO2為 介 質(zhì) 的 輸入 電 容 ， 而 絕 緣 介 質(zhì) 又 很 薄 ， 非 常 容 易 被 擊 穿 ， 所 以 對(duì)由 MOS管 所 組 成 的 CMOS電 路 ， 必 須 采 取 保 護(hù) 措 施 。 0vI VDD， 輸 入 端 保 護(hù) 電 路 不 起 作 用 。 當(dāng) vI VD

12、D+VF時(shí) ，D1導(dǎo) 通 ， 將 柵 極 電 位 vG鉗 位 在 VDD+VF， 而 當(dāng) vI -VF時(shí) ， D2導(dǎo) 通 ， 將 柵 極 電 位 vG鉗 位 在 VF圖 3.3.15 CMOS反 相 器 的 兩 種 常 用 保 護(hù) 電 路3.9.3 CMOS 反 相 器 的 靜 態(tài) 輸 入 和 輸 出 特 性 3.9.3 CMOS 反 相 器 的 靜 態(tài) 輸 入 和 輸 出 特 性圖 3.3.16 CMOS反 相 器 的 輸 入 特 性D1、 D2截 止D1或 D2導(dǎo) 通或?qū)?通 二 、 輸 出 特 性1.低 電 平 輸 出 特 性 在 輸 入 為 高 電 平 ， 即 vI VIH VDD時(shí)

13、， 此 時(shí) T1截 止 ， T2導(dǎo) 通 ， 電 流 從 負(fù) 載 注 入 T2，輸 出 電 壓 VOL隨 電 流 增 加 而 提高 。 圖 3.3.17 輸 出 為 低 電 平 時(shí) 的 電 路3.9.3 CMOS 反 相 器 的 靜 態(tài) 輸 入 和 輸 出 特 性 3.9.3 CMOS 反 相 器 的 靜 態(tài) 輸 入 和 輸 出 特 性實(shí) 際 上 是 T 2管 漏 極 電 流 iD和 漏 源 電 壓 vDS之 間 的 關(guān) 系 3.9.3 CMOS 反 相 器 的 靜 態(tài) 輸 入 和 輸 出 特 性2.高 電 平 輸 出 特 性 圖 3.3.18 輸 出 為 高 電 平 時(shí) 的 電 路電 流 的

14、實(shí) 際 方 向 與 所設(shè) 方 向 相 反 在 輸 入 為 低 電 平 ， 即 vI VIL 0時(shí) ， 此 時(shí) T1導(dǎo) 通 ， T2截 止 ， 電 流 從 T1管 流 出 到 負(fù) 載 ， 輸 出 電 壓 VOH VDDIOHRON1隨 電 流 增 加 而 下 降 。 3.9.3 CMOS 反 相 器 的 靜 態(tài) 輸 入 和 輸 出 特 性圖 3.3.19 輸 出 為 高 電 平 時(shí) 的 輸 出 特 性 高 電 平 輸 出 特 性 也 和 管子 的 輸 出 特 性 有 關(guān) ， 而且 vGS越 負(fù) ， 電 壓 下 降的 越 少 3.9.4 CMOS反 相 器 的 動(dòng) 態(tài) 特 性一 、 傳 輸 延 遲

15、 時(shí) 間 tPHL和 tPLHCMOS電 路 t PHL tPLH 二 、 交 流 噪 聲 容 限3.9.4 CMOS反 相 器 的 動(dòng) 態(tài) 特 性圖 3.3.20 交 流 噪 聲 容 限 在 不 同 V DD時(shí) 交 流噪 聲 容 限 與 噪 聲 電 壓 作 用 時(shí) 間 的 關(guān) 系它 反 映 CMOS反 相 器的 動(dòng) 態(tài) 抗 干 擾 能 力 。其 中 tw 是 脈 沖 寬 度 。VNA=f（ tw） 三 、 動(dòng) 態(tài) 功 耗3.9.4 CMOS反 相 器 的 動(dòng) 態(tài) 特 性 2LC DDVfCP 電 容 充 放 電 的 功 耗 為 兩 個(gè) 管 子 同 時(shí) 導(dǎo) 通 時(shí) 的 功 耗 PT為3.9.4

16、 CMOS反 相 器 的 動(dòng) 態(tài) 特 性 2PDTAVDDT DDVfCIVP 總 的 動(dòng) 態(tài) 功 耗 為 CTD PPP 3.9.4 CMOS反 相 器 的 動(dòng) 態(tài) 特 性CMOS反 相 器 的 總 功 耗 靜 態(tài) 功 耗 和 動(dòng) 態(tài) 功 耗 之 和 ， 即sDTOT PPP 3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門1.CMOS與 非 門 T1、 T3為 兩 個(gè) 串聯(lián) 的 PMOS， T2、 T4為 兩 個(gè) 并 聯(lián) 的 NMOS 圖 3.3.21 CMOS與 非 門一 、 其 他 邏 輯 功 能 的 CMOS門 電 路)( ABY T1、 T3為 兩 個(gè) 并 聯(lián) 的PMOS， T2

17、、 T4為 兩 個(gè)串 聯(lián) 的 NMOS )( BAY2. 或 非 門 ：3.9.5其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門 圖 3.3.22 CMOS或 非 門 3.帶 緩 沖 級(jí) 的 CMOS門 電 路3.9.5其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門上 面 電 路 存 在 的 問(wèn) 題 ： 輸 出 電 阻 RO受 輸 入 狀 態(tài)的 影 響 ； ONONO ONONO ONONONO ONONONO RRRBA RRRBA RRRRBA RRRRBA 31 31 420,1 1,0 21/0,0 21,1 則則則則 輸 出 的 高 低 電 平 受 輸 入 端數(shù) 目 的 影 響3.9.5其 他 類

18、型 的 CMOS邏 輯 門 輸 入 端 數(shù) 目 愈 多 ， 低電 平 VOL越 高 ； 輸 出 高 電 平VOH也 提 高 輸 入 狀 態(tài) 不 同 對(duì) 電 壓 傳 輸 特 性 有 影 響 ， 使 T2、 T4達(dá)到 開 啟 電 壓 時(shí) ， 輸 入 電 壓 vI不 同 改 進(jìn) 電 路 均 采 用 帶 緩 沖 級(jí) 的 結(jié) 構(gòu) ， 如 圖 3.3.23為 帶 緩 沖 級(jí) 的 CMOS與 非 門 電 路3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門圖 3.3.23 帶 緩 沖 級(jí) 的 與 非 門 )()( ABBAF 二 、 漏 極 開 路 輸 出 的 門 電 路 （ OD門 ）3.9.5 其 他

19、類 型 的 CMOS邏 輯 門圖 3.3.24 OD輸 出 與 非 門 74HC03電 路 結(jié) 構(gòu) 圖OD門1.結(jié) 構(gòu) 和 符 號(hào) 3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門圖 3.3.2 OD門 的 邏 輯 符 號(hào)2.工 作 原 理 在 使 用 OD門 時(shí) ，一 定 要 將 輸 出 端 通 過(guò)電 阻 （ 叫 做 上 拉 電 阻 ）接 到 電 源 上 。 3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門電 平 轉(zhuǎn) 換 圖 3.3.27 線 與 邏 輯 電 路 的 接 法3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門 4.上 拉 電 阻 RL的 計(jì) 算3.9.5 其 他 類 型 的

20、 CMOS邏 輯 門 OD門 輸 出 為 高 電 平 OH IHOHLDDV mInIRV )( IHOH OHDDL mInI VVR (max) OD門 輸 出 為 低 電 平 max)( OLILL OLDD IImR VV ILOL OLDDL ImI VVR max(min) 3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門OD門 輸 出 低 電平 最 大 值 三 、 CMOS傳 輸 門3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門T 1為 NMOS管 ， T2為 PMOS管 ， C和 C為 互 補(bǔ) 控 制 信 號(hào)圖 3.3.33 CMOS傳 輸 門 1.電 路 結(jié) 構(gòu) 及 邏

21、 輯 符 號(hào) 2.工 作 原 理3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門 圖 3.3.34 傳 輸 門 的 工 作 電 路（ 1） C 0， C 1 只 要 vI在 0 VDD之 間變 化 ， T1和 T2同 時(shí) 截 止 ，輸 入 和 輸 出 為 高 阻 態(tài) ， 傳 輸門 截 止 ， 輸 出 vo 0 3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門（ 2） C 1， C 0v I 在 0 VDD時(shí) ， 輸 出 為 vo vI0 vI VDD-VGS(th)N|VGS(th)P| vI VDD 其 工 作 原 理 為 ： 當(dāng) C 1,開 關(guān) 閉 合 ， vo vI ； 當(dāng) C 0

22、,開 關(guān) 斷 開 ， 輸 出 高 阻 態(tài) 。圖 3.3.36 CMOS雙 向 模 擬 開 關(guān) 的 電 路 及 符 號(hào)3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門 四 、 三 態(tài) 輸 出 的 CMOS門 電 路3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門圖 3.3.38 CMOS三 態(tài) 門 的 電 路 及 符 號(hào) 3.9.5 其 他 類 型 的 CMOS邏 輯 門 例 1 CMOS門 電 路 如 圖 3.3.41所 示 ， 試 分 析 電 路 的 邏 輯功 能解 ： 當(dāng) C 0時(shí) ， C 1， 傳 輸 門 為 高阻 態(tài) ， 故 輸 出 Y Z故 這 是 由 CMOS或 非門 和 CM

23、OS傳 輸 門 構(gòu)成 的 三 態(tài) 或 非 門 傳 輸 門當(dāng) C 1時(shí) ， C 0，傳 輸 門 為 開 啟 ， 輸 出Y （ A B） 解 ： （ a） Y A例 2 由 CMOS傳 輸 門 構(gòu) 成 的 電 路 如 圖 （ a） 、 （ b） 、（ c） 所 示 ， 試 寫 出 各 電 路 的 輸 出 函 數(shù) 的 表 達(dá) 式 。 (b)輸 出 、 輸 入 真 值 表 為 AB Y2 0 00 01 1 11 0 0 0 1輸 出 邏 輯 式 為 ABY 其 輸 出 邏 輯 式 為 )( BAY注 ： 為 了 避 免 傳 輸 門 關(guān) 閉 時(shí)出 現(xiàn) 高 阻 態(tài) ， 可 以 在 輸 出 端通 過(guò) 大

24、電 阻 接 地 ； 也 可 以 輸出 端 通 過(guò) 電 阻 接 電 源 。 這 樣輸 出 端 均 會(huì) 有 確 定 的 值 。(C)其 輸 出 輸 入 真 值 表 為 例 3 電 路 如 圖 3.3.43所 示 。 試 分 析 其 邏 輯 功 能解 ： 當(dāng) EN 1時(shí) ， 傳 輸 門 截 止 ， 輸 出 為 Y Z（ 高 阻 態(tài) ）當(dāng) EN 0時(shí) ， 傳 輸 門 開 啟 ， CMOS反 相 器 的 輸 出 通 過(guò)傳 輸 門 到 達(dá) 輸 出 ， 使 得 Y A， 故 為 三 態(tài) 輸 出 的 反 相 器 。 3.10 TTL電 路 與 CMOS電 路 的 接 口 *無(wú) 論 何 種 門 作 為 驅(qū) 動(dòng)

25、門 ， 都 必 須 為 負(fù) 載 門 提 供 合 乎 標(biāo)準(zhǔn) 的 高 、 低 電 平 和 足 夠 的 驅(qū) 動(dòng) 電 流 。其 中 n和 m分 別 為 負(fù) 載 電流 中 I IH、 和 IIL的 個(gè) 數(shù) 。 集 成 邏 輯 門 使 用 中 的 幾 個(gè) 問(wèn) 題1.多 余 輸 入 端 的 處 理a. 將 多 余 端 和 使 用 的 輸 入 端 并 聯(lián) 使 用注 ： 這 種 方 法 對(duì) ECL門 使 帶 負(fù) 載 能 力 下 降 ， 對(duì) 于CMOS門 可 降 低 工 作 速 度 ， 增 加 功 耗 。b. 將 多 余 端 懸 空 或 剪 掉注 ： 對(duì) 于 TTL門 電 路 ， 由 于 輸 入 阻 抗 小 ，

26、影 響 不 大 ；對(duì) 于 CMOS門 、 ECL門 ， 會(huì) 使 電 路 不 能 穩(wěn) 定 工 作c. 依 照 邏 輯 門 的 功 能 將 多 余 端 接 固 定 的 電 平 ， 如 對(duì) 于與 門 和 與 非 門 ， 多 余 端 可 接 高 電 平 ； 而 或 門 和 或 非 門可 接 低 電 平 ，3.10 TTL電 路 與 CMOS電 路 的 接 口 * 2.邏 輯 電 平 的 匹 配方 法 是 接 上 拉 電 阻 或 利 用 OC門 來(lái) 進(jìn) 行 電 平 轉(zhuǎn) 換 ， 現(xiàn) 在有 現(xiàn) 成 的 各 類 電 平 轉(zhuǎn) 換 電 路 供 用 戶 選 擇 。3.負(fù) 載 能 力 的 匹 配在 滿 足 電 平 匹 配 的 情 況 下 ， TTL門 電 路 的 驅(qū) 動(dòng) 電 流 大 ，可 以 直 接 驅(qū) 動(dòng) CMOS門 。 而 CMOS門 的 驅(qū) 動(dòng) 電 流 很 小 ，不 能 直 接 驅(qū) 動(dòng) TTL門 。采 用 的 方 法 是 使 用 專 門 的 接 口 電 路 。 注 意 ： 同 一 類 型不 同 系 列 的 邏 輯 門 也 要 注 意 器 件 使 用 配 合 的 問(wèn) 題3.10 TTL電 路 與 CMOS電 路 的 接 口 *