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第三章 逻辑门

  MOS的管的开关特性3.1.1 N沟道增强型MOS管的结构和符号 N沟道MOS管结构 N沟道MOS符号 3.1.2N沟道增强型MOS管的开关状态 时,MOS管处于截止状态,相当 DS间断开。 时,MOS管处于导通状态,相当 DS间接通。 导通电阻很小,几十~几 百欧姆。 截止时,DS间电阻很大, 一般在10 3.1.3P沟道增强型MOS管的结构和符号 P沟道MOS管结构 P沟道MOS管符号 3.1.4P沟道增强型MOS管的开关状态 时,MOS管处于截止状态,相当 DS间断开。 时,MOS管处于导通状态,相 当DS间接通。 截止时,DS间电阻很大, 一般在10 Ω以上。导通电阻很小,几十~几 百欧姆。 3.1.5耗尽型MOS管的开关状态 耗尽型 MOS管在V GS 时,即存在导电沟道,在标准画法中是将源极、漏极以及衬底是相连的。简 化画法中是将漏源间的连线加粗,以表示耗尽型。 N沟道耗尽型MOS管的符号 P沟道耗尽型MOS管的符号 导电沟道消失需栅极施加的电压称为夹断电压V 3.2CMOS门电路 3.2.1 CMOS反相器和传输门 1.CMOS反相器 10传输特性: 为了降低反相器的功率损耗,应尽量避免输入 信号长时间停留在高、低电平之间。 11 2.CMOS传输门 DD时。两个MOS管均导通,A-B相当 接通,导通电阻在10Ω以内。 DD,N=0V时。两个MOS管均截止,A-B相当 断开。 P沟道MOS管 N沟道MOS管 表示符号 12 3.2.2 CMOS与非门、或非门和异或门 与非门电路结构和工作原理 逻辑符号 为P沟道MOS管。 截止截止 13或非门电路结构和工作原理 逻辑符号 为P沟道MOS管。 14 异或门电路结构和工作原理 逻辑符号 15异或非(同或)门电路结构和工作原理 逻辑符号 16CMOS与门、或门和同相缓冲器 CMOS或门 CMOS同相缓冲器 CMOS与门 17 输入、输出端有反相器的或非门和与非门 输入端有反相器的 或非门 输出端有反相器的 与非门 18 3.2.3 三态输出和漏极开路输出的CMOS门电路 截止截止 逻辑符号EN称为使能端 低电平有效 19 用三态输出门实现总线连接 只要轮流地令EN1、EN2、EN3为1,就可以在 总线(Bus)轮流传输A‘、B’、C’三个数字信号。 20 漏极开路输出的与非门(OD门)逻辑符号 电路结构 电路特点 它的特有功能是可以将它们的输出端直接相连, 实现输出信号之间的逻辑与运算(“线 漏极开路输出门的“线与”连接 CDAB CD AB 的截止电阻ROFF ,而又远大于 ,以保证输出的高低电平分别为V OH 阻值的计算方法当输出为高电平V OH 所有OD门输出端的MOS管全处于截止状态。 为保证输出为高电平,R 值不能太大。OH OHDD OHOH DD 23当输出为低电平V OL 时,只要有一个OD门输 的电流全部流过这个MOS管。 为保证输出为低电平,I 阻值不能太小。(max) OLDD (min)(max) OLOL DD 24《例》计算电路中OD门上拉电阻R 的取值范围。已知V DD =5V,OD门G OH=5uA,导通时允许输入最大负载电流I OL(max) =4mA。负载 G4~G 是四个反相器,它们的高电平输入电流IIH =1uA,低电平 输入电流I IL =-1uA,(从输出端流出)。要求输出高、低电平满足 OH4.4V,V OL 0.2V。 OHOH DD OLDD 的取值范围为1.2kΩ~36.1kΩ。 25 利用漏极开路输出门接成总线结构 将三个漏极开路的与非门接到同一条总线上。只要 任何时候C ,当中只有一个为1,就可以在同一条总线上分时传送A ’信号。漏极开路的输出门换可以很方便的实现电平转移。 26 普通的CMOS门电路绝对不允许”线与”连接。 如图所示,当V IL 输入为0,V IH 输入 很大,门电路将被烧毁。 27 3.2.4 CMOS电路的静电防护和锁定效应 由于 MOS管 的SiO 层极薄(约40~100nm范围),所以当栅极上积累一定数量的电荷后,将 形成很强的电场将氧化层击穿,造成器件损坏。 为此,CMOS集成电路都设置了输入保护电路。 28 当CMOS电路的输入或输出端出现瞬时高压(高于电源 电压V DD )时,有可能使电路进入这样一种状态, 即电源至 公共端之间有很大的电流流过,使输入端失去控制作用。 目前在高速CMOS集成电路中,通过改进工艺尽量避 免锁定效应,但还是不能全部避免。 锁定效应 29 3.2.5 CMOS门电路电气特性和参数 输入高电平VIH 和输入低电平V IL 在保证输出电平 基本不变的情况下, 允许输入高、低电平 有一定范围变化。一 般都给出输入高电平 的最小值V IL(min) 输出高电平VOH 和输出低电平V OL OL同样也各有一个允许的数值范围,同样 也给出输出高电平的最小值VOH(min) 和输出低电平 的最大值VOL(max) 噪声容限VNH NL将两个门电路互相连接使用时,前一个门的输出 即为下一个门的输入,由于G1输出高、低电平有 一定的允许范围,G2输入高、低电平也有一定的 允许范围,他们的差值即为噪声容限。 31 高电平噪声容限 低电平噪声容限 (min) (min) IH OH NH (max)(max) OL IL NL NH=4.4-3.5=0.9V NL=1.5-0.33=1.17V 32 高电平输入电流和低电平输入电流V OL 无论输入电压 是高电平(V DD 保护二极管都不导通,因此输入 电流很小,一般 都在1μA以下。 当输入Vi高于V DD +0.7V或低于-0.7V时,二极管 将导通,电流会很大,为此,输入端必需串接保护 电阻。 输入端悬空状态下,栅极上会造成电荷积累,使栅 极击穿,为此,多余的栅极应正确处理。 33 高电平输出电流和低电平输出电流 空载时,CMOS门电路输出的高电平接近于V DD 输出的低电平接近于0。当带负载时,情况如下: 输出高电平时: 输出低电平时: (min) OH OH (min)OL OL PLHPHL pd 平均传输时间35 动态功耗静态功耗可以忽 略不计。 充电,充电电流产生功率损耗。当V 为为输出电压变化的频率36 电路在输出电平转换过程中,必定在一个短暂 的瞬时T 同时导通,产生一个尖峰电流,于是有一个瞬变功耗P DDpd Cpd称为功耗电容,手册中查出。 输入电容 包括输入级一对MOS管的栅极电容以及输入保护电路的接线 双极型半导体二极管和三极管的开关特性 静态特性 外加正向电压(正偏)二极管导通(相当于开关闭合) 反向截止区 反向 击穿区 0.5 0.7 /mA 半导体二极管的开关特性39 CC+10V 二极管与门和或门一、二极管与门 3V 0V 符号: 与门(AND gate) AB电压关系表 截止0.7 截止 3.740 二、二极管或门 3V0V 符号: SS-10V 线NPN 半导体三极管的开关特性发射结 集电结 发射极emitter 基极 base 集电极 collector 结构(以NPN管为例)42 输入特性CE 40A30 放大区截止区 发射结正偏放大 集电结反偏饱和 BS临界 截止 电流关系状态 12CC CC(12V) 3V-2V 放大还是饱和? 44 CESCC CS BS CCBS CC+12V 3V-2V mA06 10012 因为所以 45 3.4 TTL门电路 3.4.1 TTL反相器 1.电路结构和工作原理 电路组成:输入级、倒相级、输出级三部分组成。 46 工作原理: 输入低电平V IL =0.2V 0.2V 0.9V 3.6V 截止 CCOH 输出高电平为:忽略R 上的压降,可得:深饱和 0.3V 47 输入高电平V IH =3.6V 输出低电平为: 截止倒置 3.6V 0.2V 2.1V 1.4V 0.7V 1V 48TTL反相器的电压传输特性 阈值电压V TH 电压传输特性转折区中点所对应的输入电压。大约为:V TH =1.4V。 49 2.输入特性 TTL门电路与MOS门电路不同,无论输入高电平还 是低电平都需要输入电流,而MOS门则不需要输入 电流。如图所示。 输入低电平 输入高电平 50 当输入端经过接一电阻R 时,输入电位将不等于0,而是随电阻R 过大或输入端悬空时,输出必为低电平。 因此,输入端接高电平和输入 端悬空是等效的。 对于CMOS电路中,输入端接一电阻接地时,由于没有电流 流过,故输入始终为零。 51 3.输出特性 输出为高电平 时的等效电路 此时,对于输出驱动门所带 的负载为拉电流负载。 输出为低电平 时的等效电路 此时,对于输出驱动门所带 的负载为灌电流负载。 52 3.4.2 TTL与非门、或非门、与或非门和异或门 1.与非门 +5V 532.或非门 543.与或非门 CDAB 用真值表可求出输出Y与输入 之间的逻辑关系,例如: 4.异或门 饱和饱和 饱和 截止截止 截止 截止 饱和 饱和 改变A、B变量 的取值 ,列出 真值表 ,即可 求出输出Y与输 之间的逻辑关系。 56 3.4.3 三态输出和集电极开路输出的TTL门电路 1.三态输出的门电路 截止逻辑符号 EN‘=1 572.集电极开路输出的门电路 12 逻辑符号 它与MOS门电路中的漏极开路门电路相同,同 样,该电路可以实现“线 由于TTL门电路的高电平输入电流和低电平的输入 电流不等,故OC门的输出带有TTL门作为负载时,其 计算上拉电阻要复杂一些。 《例》如图电路,三个OC门接成“线与”形式,驱 动三个TTL与非门电路。 已知OC门输出端三极管截止时的漏电流I OH =0.1mA, 导通时允许流过的最大电流I OL(max) =16mA,负载与 非门的低电平输入电流I IL =-1mA,高电平输入电流 IH=0.04mA,若电源电压为5V,要求OC门输出的高、 低电平满足V OH 3.4V,V OL 0.2V,试求上拉电阻 阻值的允许范围。 59 计算Rp的最大值: OHOH CC 1004 (max)60 计算Rp的最小值: OLOL CC 1016 (max)(min) 外加负载电阻Rp的允许范围为0.37kΩ~ 2.96 613.4.4 TTL门电路的电气特性和参数 1.直流电气特性和参数 输入高电平V IH 和输入低电平V IL 输出高电平V OH 和输出低电平V OL 输入高电平的最小值V IH(min) 和输入低电平的最 0.8VTTL电路中 OL(max) 0.4V62 噪声容限:V NH NL高电平噪声容限 低电平噪声容限 63 2.开关电气特性和参数 传输延迟时间tpd 电源动态尖峰电流 TTL电路的t PLH 大于t PHL 643.5 ECL门电路 ECL是发射极耦合逻辑的缩写,它是一种非饱和型 的高速逻辑电路。 65 3.6 BiCMOS门电路 BiCMOS反相器电路结构 BiCMOS门电路是由CMOS管和三极管组成的门电 路,它具有CMOS电路的损耗小,TTL电路的输出阻 抗低的优点。 66 BiCMOS或非门电路结构 67 本章学习结束 本章学习结束 Goodbye! Goodbye!

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