山东理工大学教案.docx
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山东理工大学教案
山东理工大学教案
第6次课
教学课型:
理论课□√实验课□习题课□实践课□技能课□其它□
主要教学内容(注明:
*重点#难点):
1.晶体管的开关特性;
2.基本逻辑门电路类型;
*3.二极管与门电路;
*4.二极管或门电路;
#*5.晶体管非门电路;
6.二极管-三极管与非门。
教学目的要求:
清楚饱和深度含义、逻辑电平的高电平和低电平都是一个范围和正逻辑与负逻辑的概念,理解分离元件基本门电路的工作原理,掌握基本运算和复合运算规律及其逻辑功能表示,理解灌电流负载和拉电流负载的概念等。
教学方法和教学手段:
讲授板书
讨论、思考题、作业:
3.2,3.4
参考资料:
《数字电子技术简明教程》余孟尝主编高等教育出版社2001
《数字集成电子技术教程》李士雄高等教育出版社1993
《数字电子技术基础》阎石高等教育出版社2000
《数字电子技术基础》侯建军主编高等教育出版社2003
注:
教师讲稿附后
第3章门电路
教学重点:
1半导体元器件的开关特性;
2各种门电路工作原理及其特点;
3MOS反向器及其主要参数;
4TTL反向器及其主要参数。
5.PLD介绍
教学难点:
1各种集成门电路工作原理及其特点;
2集成门电路的电气特性;
3集成门电路的参数意义。
概述
1.门电路的概念
实现基本和常用逻辑运算的电子电路,叫做逻辑门电路,简称门电路。
2.逻辑变量与两状态开关
逻辑变量是二值量,不是0就是1,电子开关是两状态开关,二极管、三极管、MOS管是基本开关元件。
3.高、低电平与正、负逻辑P57
高、低电平均是一个范围,如---------赋值----------正、负逻辑
4.分离元件门电路和集成门电路
5.数字集成电路的集成度
小规模SSI<10门/片或<100个元器件/片
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 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 (二)动态特性 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) (一)静态特性 1.导通条件及其特点 饱和导通条件: 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。 饱和导通时的特点: 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 截止条件: 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。 截止时的特点: iD=0,漏源间相当于断路。 (二)动态特性 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 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 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 2.工作原理 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 山东理工大学教案 第7次课 教学课型: 理论课□√实验课□习题课□实践课□技能课□其它□ 主要教学内容(注明: *重点#难点): #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。 教学目的要求: 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。 教学方法和教学手段: 讲授板书 讨论、思考题、作业: 3.7 参考资料: 《数字电子技术简明教程》余孟尝主编高等教育出版社2001 《数字集成电子技术教程》李士雄高等教育出版社1993 《数字电子技术基础》阎石高等教育出版社2000 《数字电子技术基础》侯建军主编高等教育出版社2003 注: 教师讲稿附后 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。 2.工作原理 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 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。 山东理工大学教案 第8次课 教学课型: 理论课□√实验课□习题课□实践课□技能课□其它□ 主要教学内容(注明: *重点#难点): 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 教学目的要求: 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。 教学方法和教学手段: 讲授板书 讨论、思考题、作业: 3.13,3.14 参考资料: 《数字电子技术简明教程》余孟尝主编高等教育出版社2001 《数字集成电子技术教程》李士雄高等教育出版社1993 《数字电子技术基础》阎石高等教育出版社2000 《数字电子技术基础》侯建军主编高等教育出版社2003 注: 教师讲稿附后 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 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 当输入UIL=0时,uGSN=0 当输入UIH=10V时,uGSN=10V>UTN,TN导通;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: uI BC段: uI>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、 (2)工作原理 (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: P97 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 山东理工大学教案 第9次课 教学课型: 理论课□实验课□√习题课□实践课□技能课□其它□ 主要教学内容(注明: *重点#难点): 实验一门电路 详见实验指导书 教学目的要求: 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。 教学方法和教学手段: 指导 讨论、思考题、作业: 见实验指导书 参考资料:
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- 山东 理工大学 教案