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中规模MSI10∽99门/片或100∽999个元器件/片
大规模LSI100∽9999门/片或1000∽99999个元器件/片
超大规模VSI>
10000门/片或>
100000个元器件/片
甚大规模USI>
亿门/片或>
10亿个元器件/片
3-1晶体管的开关特性
一、理想开关的开关特性
1.静态特性
断开时,无论UAK变化范围多大,其等效电阻ROFF=∞,通过的电流IOFF=0;
闭合时,无论流过的电流I变化范围多大,其等效电阻RON=0两端的电压UAK=0;
2.动态特性
开关时间均为0,动作瞬间完成,即开通时间ton=0和关断时间toff=0。
二、二极管的开关特性(以硅管为例)
(一)静态特性
伏安特性曲线门槛电压0.5V导通压降0.7V
1.导通条件及导通时的特点
当外加正向电压UD>
0.7V时,二极管导通,而且一旦导通之后,就可以近似的认为UD≈0.7V,如同-------。
2.截止条件及截止时的特点
当外加正向电压UD<
UO=0.5V时,二极管截止,而且一旦截止之后,就可以近似的认为ID≈0。
等效电路
(二)动态特性
1.电容效应
结电容Cj(CB)和扩散电容CD
2.开关时间
一般开通时间ton比和关断时间toff短的多,所以可以忽略不计。
而只考虑关断时间toff,也叫反向恢复时间trr,平面型2CK系列一般小于5个纳秒。
三、晶体三极管的开关特性
(一)静态特性
1.三极管的四种工作状态
2.开关应用举例
P60
几个概念:
直流负载线;
临界饱和时的基极电流IBS;
三极管饱和时的集电极电流ICS和管压降UCES≤0.3V(硅管);
饱和深度q=
3.静态开关特性
(1)饱和导通条件及其特点
饱和导通条件:
两结均正偏或iB≥IBS
饱和导通时的特点:
(2)截止条件及截止时的特点
截止条件:
小于死区电压……..
截止时的特点:
iB≈0;
iC≈0
1.波形图P58延迟
2.开关时间
开通时间ton-------三极管由截止到导通所需时间。
关断时间toff--------三极管由导通到截止所需时间,与饱和深度关系很大。
NPN3DK系列开关管在几十个纳秒量级。
*四、MOS管的开关特性(以N沟道为例)
1.导通条件及其特点
当MOS管删源电压uGS大于开启电压UTN时,MOS管将工作于导通状态。
MOS管导通时漏源间的导通电阻RON较小,一般为几百欧姆。
2.截止条件及截止时的特点
当MOS管删源电压uGS小于开启电压UTN时,MOS管将工作于截止状态。
iD=0,漏源间相当于断路。
1.MOS管极间电容
CGS、CGD一般为1∽3PF,CGS约为0.1∽1PF。
2.开关时间
(1)Ugs和iD的波形-------P62
(2)开通时间ton-------MOS管由截止到导通所需时间。
(3)关断时间toff-------MOS管由导通到截止所需时间。
MOS管的开关时间比三极管的开关时间长。
3-2基本逻辑门电路
一、二极管与门和及或门电路
(一)二极管与门P62
1.电路组成和符号
2.工作原理
电压关系表(H、L功能表)0V、3V、0.7V
设定变量、状态赋值、列真值表
(二)二极管或门
1.电路组成和符号
2.工作原理
3.正、负逻辑的与、或门之间关系
二、晶体管非门(反向器)
1.电路组成和符号P63
高电平UIH为5V,低电平UIL为0V,电源电压VCC=10V。
电压关系表、功能表、真值表
3.负载能力
拉电流、灌电流P64
三、二极管-三极管与非门
1.组成(符号)
2.原理
第7次课
#1.TTL与非门的工作原理;
*2.TTL门电路的主要参数;
*3.TTL-OC门和三态门电路;
4.TTL门电路使用常识;
5.其它双极型电路。
理解TTL与非门的工作原理,掌握TTL门电路的主要参数如输入、输出高、低电平,输入高、低电平时的输入电流,输出高、低电平时的电流负载能力,散出系数等;
掌握OC门和三态门的功能及其应用;
了解其它双极型电路。
3.7
3-3TTL集成门电路
一、TTL与非门工作原理
1.电路组成P67图3.3.1
输入级:
T1、R1组成与门。
中间级:
T2、R2、R3组成,T2集电极输出驱T3,T2发射极输出驱动T4。
输出级:
T3、T4组成。
T3组成反相器输出。
定性分析如下:
输入低电平0.3V,高电平3.6V。
1)输入全为高电平情况
T1深度饱和导通,
UB1=1V;
UB2=UI+UCES1=0.3+0.1=0.4V;
T2、T3截止,
T3、T4导通,输出3.6V
2)输入不全为高电平情况
T1(倒置)截止,输出UB1被嵌位在三个PN结压降2.1V
T2、T3饱和导通,T3、T4截止,输出0.3V。
二、TTL与非门的主要参数
1.输入输出高低电平
1)输出高电平UOH
典型值3.6V,产品规定最小值为2.4V。
2)输出低电平UOL
典型值0.3V,产品规定最大值为0.4V。
3)输入高电平UIH
典型值3.6V,规定最小值为1.8V,叫开门电平UON
-使门饱和导通所需的最小高电平值。
4)输入低电平UIL
典型值0.3V,规定最大值为0.8V,叫关门电平UOFF
-使门截止所需的最大低电平值。
2.电压传输特性及抗干扰能力
(1)特性曲线uO=f(uI)P69图3.3.3
截止区AB段:
uI<
0.5V关门
放大区BC段:
1.4V<
uI>
0.6V不许
转折区CD段:
uI=1.4V左右不许
饱和区BE段:
uI>
1.4V开门
(2)输入端噪声容限
TTL电路中,标准低电平为0.3V,标准高电平为3.6V。
输出高电平UOH典型值3.6V,最小值2.4V;
输出低电平UOL典型值0.3V,最大值0.4V;
输入高电平UIH典型值3.6V,最小值1.8V(也叫开门电平);
UON=UIHmin=2.0V
输入低电平UIL典型值0.3V,最大值0.8V(也叫关门电平);
UOFF=UILmax=0.8V
输入高电平时的噪声容限:
UNH=UOHmin-UIhmin=3.6-1.8=1.8V
输入低电平时的噪声容限:
UNL=UILmax-UOLmax=0.8-0.3=0.5V
注:
输出的最大低电平0.4V小于关门电平0.8V,输出的最小高电平2.4V大于开门电平1.8V。
3.负载能力
(1)输入低电平电流IIL(输入端短路电流IIS)1.6mA
(2)输入高电平电流IIH(输入端漏电流IIH)40uA
(3)输出低电平电流IOL(带灌电流负载能力)16mA
(4)输出高电平电流IOH(带拉电流负载能力)0.4mA
(5)扇出系数NO—带同类门的个数(取小者,典型值8)
4.工作速度与功耗
(1)平均传输延迟时间
产品典型值tPHL=8ns、tPLH=12ns;
最大值tPHL=15ns、tPLH=22ns。
tPd=(tPHL+tPLH)/2
(2)空载导通功耗PCCL(31.5mW)
(3)空载截止功耗PCCH(13.5mW)
静态电源电流:
(输入低电平时,1.075mA;
输入高电平时,3.225mA
动态电源尖峰电流:
输入(输出)状态变换过程中,会出现很大的尖峰电源电流。
(43mA)
功耗延迟积:
综合表示电路性能
7400系列为10mW*9ns=90pJ
三、TTL集电极开路门和三态门
1.集电极开路门(OC门)P74
(1)线与的概念
(2)OC门的结构与符号
(3)OC门使用时需外接上拉电阻的计算(最小值和最大值)
(4)OC门的应用:
a)实现线与连接;
b)电平转换9可达15V);
c)驱动负载。
2.三态TTL与非门
(1)电路组成
P77
与非门加上D等元件。
(2)工作原理
使能情况:
高阻情况:
(3)两种使能电平有效的三态逻辑门电路符号
(4)应用举例
a)构成数据总线
b)用于信号双向传输:
G1工作时信号右传,G2工作时信号左传。
C)用作多路开关
四、TTL电路使用常识
1.TTL产品系列
国际标准系列有74、74L、74H、74S和74LS。
(国家标准CT***)
1.74是标准系列;
2.74L是低功耗系列;
3.74H是高速系列;
4.74S是肖特基系列;
5.74LS叫低功耗肖特基系列。
(多用)
54系列与74基本相同,只是54系列温度范围宽,电压范围也宽。
54:
-55~+125度,5V±
10%
74:
0~77度5V±
5%
2.TTL门电路多余输入端的处理
(1)与非门多余输入端的处理-4种方法
通过电阻接5V电源;
接高电平;
并接;
悬空(不可靠)。
(2)或非门多余输入端的处理-2种方法
接低电平-逻辑0;
并接。
3.TTL门电路的开门电阻RON和关门电阻ROFF
a)开门电阻RON
保证输出是低电平(即开门状态)所需的最小入端电阻RI。
≥1.8K(2.5K)(对应输入1.8V(1.4V)电压)
b)关门电阻ROFF
保证输出是高电平(即关门状态)所需的最大入端电阻RI。
≤0.8K(0.7K)(对应输入0.7V左右电压)
RI为0.8K至1.8K之间时,输出状态处于不正常状态(转折区),一般来讲这种情况是不允许的。
4.TTL电路带灌电流的负载能力强于带拉电流的负载能力
16mA\0.4mA带10~20mA的LED时接法应为:
P80
3-4其他双极型电路
一、ECL电路
射极耦合逻辑ECL-非饱和型,有极高的工作速度,但功耗大,每门可达100mW,工作稳定性和抗干扰能力较差。
P81
PQ为互反输出(似差放)
二、I2L电路P83
集成注入逻辑,可实现线与,集成度很高,可达500门/mm2功耗很低,工作电压低(1V以下)工作电流很小,1nA,但输出幅度小,抗干扰能力差,工作速度低。
三、HTL电路
高抗电路,阈值大,抗干扰能力强。
第8次课
1.MOS场效应管的开关特性与类型;
2.NMOS逻辑门;
*3.CMOS反相器;
4.CMOS与非门和或非门;
5.CMOS三态门和OD门;
#6.CMOS传输门
*7.CMOS门电路和TTL门电路的连接;
8.编程逻辑器件(PLD)简介
掌握MOS管的开关特性,理解MOS门电路工作原理,理解CMOS门电路和TTL门电路的特点并掌握其之间的连接原则,掌握OD门的使用和传输门的功能,了解PLD的组成及其应用。
3.13,3.14
3-5CMOS逻辑门
一、MOS场效应管
1.MOS管的结构及工作原理P84
2.MOS管的4种类型逻辑符号
衬底接法
3.MOS管的开关特性
二、NMOS逻辑门
1.NMOS反相器P86
T1为驱动管,T2为负载管并总导通。
输入UIL=0,UIH=VDD=10V,管子的UTN=2V。
工作原理:
当输入UIL=0时,uGSN=0<
UTN,T1截止;
输出为高电平(VDD-UTN)
当输入UIH=10V时,uGSN=10V>
UTN,TN导通;
输出为D低电平(两管导通电阻分压)
2.NMOS逻辑门P86
(1)与非门
(2)或非门
(3)与或非门
三、CMOS逻辑门
1.CMOS非门
(1)电路组成P87都是增强型管
输入UIL=0,UIH=VDD=10V,管子的UTN=2V,UTP=-2V,VDD>
UTN+|UTP|。
(2)工作原理
UTN,TN截止;
uGSP=-10V<
UTP,TP导通;
输出为--
uGSP=0V>
UTP,TP截止;
输出为
(3)传输特性
电压传输特性曲线uO=f(uI)P87图
电流传输特性曲线iO=f(uI)
特性曲线分析
AB段:
UTN,TN止、TP通,uO=VDD,iD=0,功耗极小。
BC段:
UTN,TN导通,但导通电阻较大,(TP通),uO有所下降,iD渐增,功耗也随着增加。
CD段:
uI近似在1/2VDD附近,两管均导通,且导通电阻都较小,uO随uI变化急剧,iD也最大,功耗也大,定义转折电压(阈值电压)UTH
DE段:
类似BC段,只是TN与TP互换。
EF段:
类似AB段,只是TN与TP互换。
(4)CMOS非门的特点
a)静态功耗极低
静态时上下路不通,只有转换过程(动态)时短时间内…..
静态功耗较小,常温下只有几个微瓦,常忽略不计
b)输入噪声容限大,抗干扰能力强
噪声容限,是指uO为规定值时,允许uI波动的最大范围。
UNL:
输入为低电平时的噪声容限;
UNH:
输入为低电平时的噪声容限。
CMOS反相器的噪声容限比较大,近似为0.5VDD,一般取0.3(0.4)VDD。
c)电源率利用高0VDD3~18V
d)输入阻抗高,扇出系数大(50)
输入低电平情况
UIL=0,TN截止、TP导通、uO=UOH、带拉电流负载,最大能力IOH
输入高电平情况
UIH=VDD,TN导通、TP截止、uO=UOL、带灌电流负载,最大能力IOL
(5)CMOS非门的开关速度与功耗
CMOS比NMOS快,比TTL慢,但CMOS74HC系列可到9nS,与74LS系列的TTL相当。
功耗主要有两部分,两管同时导通与对负载等效电容的放电。
显然,频率越高,功耗越大。
f=100KHZ时,动态功耗1Mw,静态功耗0.01mW。
(6)主要参数
IDD:
静态电源电流,给出最大值;
IOL:
输出低电平电流,给出最小值;
IOH:
输出高电平电流,给出最小值;
II:
输入电流,给出最大值;
UOL:
输出低电平电压,给出最大值;
UOH:
输出高电平电压,给出最小值;
UIL:
输入低电平电压,给出最大值;
UIH:
输入高电平电压,给出最小值;
tPHL、tPLH:
传输延迟时间,给出最大值;
tTHL、tTLH:
输出端状态转换时间,给出最大值;
CI:
输入电容,给出最大值。
2.CMOS与非门P89
3.或非门
4.漏极开路的CMOS门P90
5.CMOS传输门
(1)电路组成及符号
DP----DN、SP-----SN;
GN----C、GP----C、
(a)当C=1时,既GN为高电平、GP为低电平,两管均导通,则uO=uI。
uI可以是0V(VSS)到VDD的任意电压值。
(b)当C=0时,既GN为低电平、GP为高电平,两管均截止,既传输门截止,输入和输出之间是断开的。
传输门导通时的导通电阻较低,为几百个欧姆,而截止时较大,其关断电阻在109Ω以上。
输入输出可以互换、模拟开关
6.CMOS三态门
(1)电路组成及符号
P91输入、输出、使能(控制)端
输出三个状态:
高电平、低电平、高阻。
(2)工作原理
输入高电平情况使能
输入低电平情况禁止
使能端有两种情况;
输入低电平有效或输入高电平有效。
四、CMOS电路使用注意事项
根据输入、输出特性,在存储和使用中应注意下面几点:
1.注意输入端的静电保护
存储、运输时,最好用金属容器或导电材料包装,不要放在易产生静电高压的化工材料或化纤织物中。
2.组装、调试时,电烙铁、仪表、工作台等应良好接地;
防操作人员的静电干扰损坏。
4.注意输入电路的过流保护
CMOS输入端接有保护二极管,其保护二极管允许电流一般为一个毫安,有时需外接一电阻串于输入端限流,如VDD=10V时,可取限流电阻为10kΩ。
5.注意电源电压极性不能接错
6.防止输出端短路。
输出端禁止短路,否则会因过流而损坏器件;
另外,除了OD门外,不同门的输出端也不能并接使用。
7.多余输入端不允许悬空使用。
五、CMOS与TTL电路的连接
1.
连接原则
2.TTL电路驱动CMOS电路
电流易满足,电压需注意是否需要提升。
3.CMOS电路驱动TTL电路
电压易满足,电流需注意是否需要放大,可加驱动级,也可分离元件放大。
六、CMOS电路产品系列和主要特点
主要有CC4000和C000系列集成电路
1.CC4000系列
符合国家标准,管脚排列与国外对应同序号产品相同。
电源3V至18V,输入、输出均有反向缓冲级;
驱动能力对称等。
发展最快,应用最普遍。
2.C000系列
不符合国家标准,是我国早期产品,管脚排列与国外对应同序号产品不相同,使用时应查手册。
电源7V至15V
常用高速CMOS即HCMOS集成电路:
传输延迟时间由标准门的100ns提高到9ns。
国产HCMOS集成电路主要是54/74系列,包括:
54/74HC,是带缓冲输出的HCMOS电路;
54/74HCU,是不带缓冲输出的HCMOS电路;
54/74HCT,是与LSTTL集成电路完全兼容的HCMOS电路。
3-6编程逻辑器件(PLD)简介
PLD——ProgrammableLogicDevice80年代生
现场编程和在系统编程
PLD主要特点:
(1)简化设计
(2)高性能与或逻辑级数少,省时
(3)可靠性高
(4)成本低
一、PLD的基本概念与表示符号
1.基本概念
借助计算机,采用强有力的开发软件,靠编程技术,在可编程逻辑器件上实现所设计的数字逻辑系统。
2.PLD电路的表示方法
(1)PLD的连接方式
硬连接、软连接、断开P96
(2)PLD输入与输出电路
输入缓冲器:
(一入二互反输出)P96
三态输出缓冲器:
三态输入/输出(I/O)缓冲器:
(3)PLD逻辑门表示法
与门:
(简化0画法)P9697
或门:
P97
例:
二、PLD的编程工艺
1.熔丝编程工艺(PROM)
两种P99
2.UVCMOS编程工艺——紫外线可擦工艺(EPROM)
浮删雪崩注入型MOS管
先擦后写,分为两步
3.E2CMOS编程工艺——(EEPROM)
擦写同时进行,省时
三、PLD的基本结构
1.PLD的基本结构框图P101
输入——与阵列——或阵列——输出
2.按可编程部位分类的几种PLD电路
(1)可编程只读存储器PROM电路P102
与阵列不可以编程,或阵列可以编程
(2)可编程逻辑阵列PLA电路
与、或阵列均可编程
(3)可编程阵列逻辑PAL
与阵列可以编程,或阵列不可以编程
四、PLD的开发过程
流程图P106
第9次课
理论课□实验课□√习题课□实践课□技能课□其它□
实验一门电路
详见实验指导书
1.熟悉门电路逻辑功能。
2.熟悉数字电路学习机及双踪示波器的使用方法。
指导
见实验指导书
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- 山东 理工大学 教案