第三章集成门电路

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1、 集成门电路集成门电路第三章第三章北京邮电大学北京邮电大学徐惠民徐惠民数字集成电路的发展数字集成电路的发展 第一块集成电路是第一块集成电路是1958年年9月由美国德州仪月由美国德州仪器公司的工程师器公司的工程师Jack Kilby制成的。制成的。 第一块集成电路只有第一块集成电路只有1个晶体管，几个电阻和个晶体管，几个电阻和一个电容一个电容 2000年年Jack Kilby为此获得了诺贝尔物理奖。为此获得了诺贝尔物理奖。 属于小规模集成电路属于小规模集成电路(100个晶体管以下个晶体管以下)。 1960年小规模集成电路每片价格是年小规模集成电路每片价格是1000美元。美元。 20世纪世纪60年

2、代后期，出现中规模集成电路年代后期，出现中规模集成电路（几百到（几百到1000个晶体管）个晶体管）数字集成电路的发展数字集成电路的发展 20世纪世纪70年代开始，出现大规模集成电路年代开始，出现大规模集成电路（几千到（几千到1万个晶体管）万个晶体管） 从从1980年到现在，是超大规模集成电路年到现在，是超大规模集成电路（VLSI）的时代，芯片中晶体管的数量已）的时代，芯片中晶体管的数量已经从几万，到几十亿。经从几万，到几十亿。 2007年，包含年，包含100亿个晶体管的亿个晶体管的FLASH存储器存储器芯片，开始问世。芯片，开始问世。 请查询最大容量请查询最大容量U盘的容量和价格，体会集成盘的

3、容量和价格，体会集成电路的发展电路的发展二极管与门电路二极管与门电路 二极管与门电路二极管与门电路 若规定：系统中的低电平是逻辑若规定：系统中的低电平是逻辑1，高电平，高电平是逻辑是逻辑0。这样的系统就是。这样的系统就是负逻辑系统负逻辑系统。 在负逻辑下表在负逻辑下表3-2改为：改为：电路实现的是逻辑或门的功能。电路实现的是逻辑或门的功能。正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑 所以，存在着两种逻辑系统：正逻辑系统所以，存在着两种逻辑系统：正逻辑系统和负逻辑系统。和负逻辑系统。 同样一个逻辑电路，在不同的逻辑系统中，同样一个逻辑电路，在不同的逻辑系统中，具有不同的逻辑功能。正逻辑系统中的与具有不同的逻辑

4、功能。正逻辑系统中的与门，在负逻辑系统就是或门。同样，正逻门，在负逻辑系统就是或门。同样，正逻辑系统中的或门，在负逻辑系统中就是与辑系统中的或门，在负逻辑系统中就是与门。门。 同一个电路，在正逻辑系统的的功能和负同一个电路，在正逻辑系统的的功能和负逻辑系统中的功能是逻辑系统中的功能是互为对偶互为对偶。三极管反相器三极管反相器 三极管反相器及其开关等效电路三极管反相器及其开关等效电路 ：输入高电平输入高电平3.0V时，基极电流时，基极电流i b和集电极电流和集电极电流ic为：为：mA54. 0k3 . 4V7 . 0V0 . 3ibmA7 . 4k0 . 1V3 . 0V0 . 5ic只要只要大

5、于大于9电路就是饱和状态，输出低电平电路就是饱和状态，输出低电平输入低电平输入低电平0.3V，晶体管截止，电路输出高电平，晶体管截止，电路输出高电平三极管反相器三极管反相器 反相器的灌电流负载：反相器的灌电流负载： 灌电流负载在三极管饱和时，灌电流负载在三极管饱和时，流入三极管；流入三极管； 灌电流太大，三极管能脱离灌电流太大，三极管能脱离饱和，输出低电平将提高；饱和，输出低电平将提高； 为了保证三极管可靠饱和，为了保证三极管可靠饱和，灌电流负载不能太大；灌电流负载不能太大； 加大集电极电阻，提高饱和加大集电极电阻，提高饱和深度，可以提高灌电流负载。深度，可以提高灌电流负载。 三极管反相器三极

6、管反相器 反相器的拉电流负载：反相器的拉电流负载： 拉电流负载在三极管截止时，拉电流负载在三极管截止时，流出反相器；流出反相器； 拉电流太大，输出高电平将拉电流太大，输出高电平将降低；降低； 为了保证反相器正常输出高为了保证反相器正常输出高电平，拉电流负载不能太大；电平，拉电流负载不能太大； 减小集电极电阻，可以提高减小集电极电阻，可以提高拉电流负载。拉电流负载。 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 TTL与非门：与非门：多发射极管多发射极管T1实现与门功能。实现与门功能。T5是非门。是非门。T3和和T4是非门是非门的负载。的负载。T2给给T5和它的和它的负载提供反相负载提供反相输入信号。输入

7、信号。 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 任一输入为低电平时：任一输入为低电平时：1V三个三个PN结，结，导通需导通需2.1VT2和和T5截止，截止， 输出高电平。输出高电平。 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 所有输入都是高电平所有输入都是高电平3.4V: 1V2.1V三个三个PN结，结，全部导通，全部导通，T2饱和饱和T3和和T4截止，截止，T5饱和，饱和，输出低电平。输出低电平。 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 例例3.2 若与非门的输入没有若与非门的输入没有外接信号。此时用一个电压外接信号。此时用一个电压表测量某一个输入端的电压，表测量某一个输入端的电压，结果等于多少？结果等于

8、多少？ 解：电压表上测出的电压应解：电压表上测出的电压应该是该是T1基极电压减去基极电压减去0.7V：2.1 0.7 = 1.4 电压表显示电压表显示1.4V。 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 例例3.3 如果如果TTL与非门的一与非门的一个输入端接一个可变电阻，个输入端接一个可变电阻，其余输入端开路。问：这个其余输入端开路。问：这个电阻值大于多少时就相当于电阻值大于多少时就相当于接输入高电平？接输入高电平？ 解：解：V4 . 1RRRV7 . 0V514.3R = 1.4(3+R)R = 4.2/2.9 = 1.45k所以，当输入电阻大于所以，当输入电阻大于1.45k时，相当于输入高电平

9、。时，相当于输入高电平。 TTL逻辑门的特性参数逻辑门的特性参数 电压传输特性电压传输特性 Ui小于小于0.6V，T2和和T5截截止，输出高电平止，输出高电平 Ui小于小于1.3V，T2导通，导通，T5截止，输出线性下降截止，输出线性下降 Ui大于大于1.3V，T2T5都导通，很快都导通，很快T4截止，输出截止，输出低电平低电平 输出高电平和输出低电平输出高电平和输出低电平 输入低电平最大值（关门电平）和输入高电平最输入低电平最大值（关门电平）和输入高电平最小值（开门电平）小值（开门电平） 抗干扰能力：抗干扰能力：VNL = VOFF VIL ;VNH = VIH VON TTL逻辑门的特性参

10、数逻辑门的特性参数 输入特性输入特性 高电平输入电流：是由高电平输入电流：是由T1晶体管倒置工作的集晶体管倒置工作的集电极电流，以及其他的电极电流，以及其他的漏电流构成的，电流流漏电流构成的，电流流入入T1，数量很小，数量很小 ，微，微安数量级安数量级 低电平输入电流是从输入端流出到前一级的输出，低电平输入电流是从输入端流出到前一级的输出，形成对于前一级的灌电流负载，数值较大，在毫形成对于前一级的灌电流负载，数值较大，在毫安数量级。安数量级。 TTL逻辑门的特性参数逻辑门的特性参数 输出特性输出特性 高电平输出电流：输出高电平输出电流：输出高电平将随着高电平输高电平将随着高电平输出电流的增加而

11、线性下出电流的增加而线性下降降 低电平输出电流：实际低电平输出电流：实际是灌电流输入，电流增是灌电流输入，电流增大时，输出缓慢增加大时，输出缓慢增加 输出短路电流：输出接地时的输出电流，是一种输出短路电流：输出接地时的输出电流，是一种极限参数。极限参数。 TTL逻辑门的特性参数逻辑门的特性参数 电源特性电源特性 低电平电源电流反映与非门在输出低电平时的电源消低电平电源电流反映与非门在输出低电平时的电源消耗。输出低电平时，耗。输出低电平时，T1的的bc结导通、结导通、T2、T5都是饱都是饱和状态，都有静态电流流过。消耗的电源功率较大。和状态，都有静态电流流过。消耗的电源功率较大。 高电平电源电流