数字电子技术基础 第3章

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1、数字电子技术基础第三章门电路PanHongbingVLSIDesignInstituteofNanjingUniversity2.1概述常用的门电路在逻辑功能上有:与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。单开关电路图3.1.1获得高、低电平的基本原理互补开关电路图3.1.2正逻辑与负逻辑一些概念1、片上系统（SoC）2、双极型TTL电路3、CMOS1961年美国TI公司,第一片数字集成电路（IntegratedCircuits,IC）。VLSI(VeryLargeScaleIntegration)3.2半导体

2、二极管门电路3.2.1半导体二极管的开关特性图3.2.1二极管开关电路可近似用PN结方程和下图所示的伏安特性曲线来描述。v/VTiIe1s其中：i为流过二极管的电流。v为加到二极管两端的电压。nkTVTq图3.2.2二极管的伏安特性图3.2.3二极管伏安特性的几种近似方法图3.2.4二极管的动态电流波形3.2.2二极管与门一般仅用作集成电路内部的逻辑单元。缺点：1、输出的高、低电平数值和输入的高、低电平数值不相等。相差一个二极管的导通压降。2、输出端对地接上负载电阻时，负载电阻的改变有时会影响输出的高电平。3.2.3二极管或门

3、存在输出偏移的问题。只用于集成电路内部的逻辑单元。无法制作具有标准化输出电平的集成电路。3.3CMOS门电路3.3.1MOS管的开关特性在CMOS集成电路中，以金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，简称MOS管）作为开关器件。一、MOS管的结构和工作原理图3.3.1MOS管的结构和符号二、MOS管的输入特性和输出特性几个概念：1)截止区。图3.3.2MOS管共源接法及其输出特性曲线(a)共源接法(b)输出特性曲线2)可变电阻区3）恒流区2v

4、iIGS1DDSVGS(th)图2.2.13MOS管的转移特性三、MOS管的基本开关电路图3.3.4MOS管的基本开关电路四、MOS管的开关等效电路图3.3.5MOS管的开关等效电路(a)截止状态(b)导通状态五、MOS管的四种类型1、N沟道增强型2、P沟道增强型3、N沟道耗尽型4、P沟道耗尽型图3.3.6P沟道增强型MOS管图3.3.7P沟道增强型MOS管的漏极特性图3.3.8用P沟道增强型MOS管接成的开关电路基本概念：1）夹断电压2）电压极性图3.3.9N沟道耗尽型图3.3.10P沟道耗尽型MOS管的符号MO

5、S管的符号3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、CMOS反相器的电路结构图2.6.1CMOS反相器（a）结构示意图（b）电路图二、电压传输特性和电流传输特性基本概念：反相器的阈值电压VTH图3.3.12CMOS反相器的电压传输特性图3.3.13CMOS反相器的电流传输特性三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限图3.3.15不同VDD下CMOS反相器的噪声容限V越高，噪声容限DD越大图3.3.15CMOS反相器输入端噪声容限与VDD的关系3.3.3CMOS反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性图3.3.16CMOS反相器的输

6、入保护电路（a）CC4000系列的输入保护电路（b）74HC系列的输入保护电路图3.3.17CMOS反相器的输入特性（a）图3.3.17(a)电路的输入特性（b）图3.3.17(b)电路的输入特性二、输出特性1、低电平输出特性图3.3.18vO=VOL时CMOS反相器的工作状态图3.3.19CMOS反相器的低电平输出特性2.高电平输出特性图3.3.20vO=VOH时CMOS反相器的工作状态图3.3.21CMOS反相器的高电平输出特性3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间tPHL、tPLH传输延迟时间：输出电压变化落后于输入

7、电压变化的时间。tPHL：输出由高电平跳变为低电平的传输延迟时间。tPLH：输出由低电平跳变为高电平的传输延迟时间。tPD:经常用平均传输延迟时间tPD来表示tPHL和tPLH（通常相等）图3.3.22CMOS反相器传输延迟时间的定义二、交流噪声容限反相器对窄脉冲的噪声容限—交流噪声容限远高于直流噪声容限。交流噪声容限受电源电压和负载电容的影响。图3.3.23CMOS反相器的交流噪声容限三、动态功耗动态功耗：当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转变到另一种稳定的过程中，将产生附加的功耗。PD=PC+PTPD为总动态功耗PC为对负

8、载电容充放电所消耗的功率PT为两个MOS管在短时间内道童所消耗的瞬时导通功耗图3.3.24CMOS反相器对负载电容的充、放电电流三、动态功耗图3.3.26CMOS反相器的静态漏电流（a）vI