《基本门电路》PPT课件

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1、第五章基本门电路5.1数字信号的特征5.2电路的主要性能5.3双极晶体管的开关特性5.4饱和型与非饱和型双极型数字集成电路5.5晶体管-晶体管逻辑(TTL)门5.6肖特基晶体管—晶体管逻辑门5.7发射极耦合逻辑(ECL)门5.8NMOS门电路5.9CMOS门电路5.10双极型电路与MOS电路的比较5.11BiMOS电路5.1数字信号的特征在讨论各种基本的门电路之前，先介绍一下数字集成电路中数字信号的特性。数字电路所耍处理的信息是逻辑变量，它有0和1两种状态。当输人或输出电平为低即为VL时，对应于0逻辑状态，当电平为高即为VH时，则对应于1逻辑状态。理想的数字信号波形示于图5.15.1数字

2、信号的特征但实际上，在数字电路中的波形都存在一个正升过程和下降过程，而且对于所有的电路，当输人电压发生变化时，输出电压总是需要一段时间后才会响应。图5-2表示了反相器的逻辑符号、输入电压和输出电压的波形。从图中可以看出，当输入电压从高电平变化到低电平时，输出电平要经过一个上升时间才能达到稳定的高电平；同样，当输入从低电平变化到高电平时，输出电乎要经过一个下降时间才能达到稳定的低电平。我们把电平从稳定状态高电平的10％转变到高电平90％时所需的时间定义为上升时间tLH；反之把电平从高电平的90％转变到高电平的10％时所需的时间定义为下降时间tHL。5.1数字信号的特征另外一个重要参数称为传

3、播延迟tp它被定义为当输入电平和输出电平各达到总电平的50％时两者之间的时间差。对于输出电平的上升阶段，传播延迟tp记为tp,LH，对于输出电平的下降阶段tp记为tp,HL通常上升边的参数与下降边的不相等。另一个影响电路响应时间的重要因素是电路的负载情况。通常一个门电路的输出连接下一级门电路的输入，如图5-3所示。我们把连接有多少个下一级的输入端数目称为期出数F(fan-out)。当F增加时，门电路的负载就加重，因而造成响应时间加长。5.1数字信号的特征在数字电路中常有一时钟信号来控制各个门电路的工作。一般希望电路的上作频率越高越好，但是当工作频率增大到一定时，必须考虑各个门电路是否有足

4、够的时间完成响应。如果来不及响应，就会导致信息传播过程中发生错误。如图5-4所示，当时钟频率较低时，电路能安全可靠地运行。当时钟频率接近于最大工作频率时，信号仍能正常地作出响应，即信号仍能达到规定的高电平和低电平。但当时钟频率超过最大工作频率时，响应信号就发生畸变，即响应信号在未达到规定的高电平时就开始下降，而下降时也不能达到规定的低电平。5.1数字信号的特征5.2电路的主要性能电路的性能包括很多方面，但最重要的是速度、功耗和所占硅片的面积。1．速度速度是指电路能够可靠工作时的最大频率。一个反相器的最大工作频率可近似表达电路的速度越高，则电路在每秒内可以处理的数据量就越大。一个数字电路中

5、会有成千上万个电路单元，面每个电路单元由于其功能和设计的不同，它们的响应时间会有差异，因此最高时钟频率取决于响应最慢的电路单元或者最慢的通路(path)。在电路设计中，最重要的任务之一是找出哪一个单元或者哪一条通路的响应时间最长，并且设法缩短它的响应时间以提高整个电路的工作速度。5.2电路的主要性能2．功耗所有的电路都需要有直流电源供电，从电源中获得的能量在电路中将以热的形式耗散掉。由于硅材料的性质决定了晶体管的性能会随温度有明显的变化，因而通常电路的PN结温度不能超过200℃、(一般商用电路，其最高工作温度规定为65℃或75℃)，这样就对电路的总功耗有一限制。电路的功耗有两种成分，一种

6、是静态功耗，另一种是动态功耗。静态功耗取决于电路处于稳定的逻辑状态时的电流，动态功耗则取决于在逻辑状态发生变化的过程中额外的那部分交流电流。由于电路中器件数目增加时。电路的功耗会随着加大路中每一器件的功耗必须设法设计得越小越好。5.2电路的主要性能3．芯片面积电路的物理版图尺寸将决定芯片面积的大小。芯片尺寸不仅影响成本，还会受到管壳容积的限制、出此尽可能采用最小的工艺尺寸来减小芯片而积。但是我们从下面的讨论中可以看到，电路单元的物理尺寸还取决于电路设计方法。一般来讲，要同时做到速度快、功耗低和面积小是很困难的，通常要做一些折衷，例如为了达到更快的速度，电路的功耗就只能大一些。5.3双极晶

7、体管的开关特性共发射极双极型晶体管可作为开关，它的电路如图5-5(a)，其近似的大信号模型如图5-5(b)，传输特性(即输入与输山的关系)见图5-5(c)。5.3双极晶体管的开关特性当输入电压VIN小于300mV时，晶体管处于关断状态，收集极电流可以忽略，RL上没有电压降，因而输出电压VOUT=VCC。而当输入电压VIN升到0.6V时，收集极电流快速上升，这时晶体管处于导通状态，输出电压迅速下降。在这一电压范围内，基极电流(为)也同