《数字电路与逻辑设计》课程教学资源（PPT课件讲稿）第三章 集成门电路与触发器

第三章集成门电路与触发器 第三章 集成门电路与触发器

1 第 三 章 第三章 集成门电路与触发器 集 成 门 电 路 与 触 发 器

第三章集成门电路与触发器 集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的 物质基础。 随着微电子技术的发展,人们把实现各种逻辑功能的元 器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上,并封 装在一个壳体中,通过引线与外界联系,即构成所谓的集成 电路块,通常又称为集成电路芯片。 采用集成电路进行数字系统设计的优点: 可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点,可以大 大简化设计和调试过程

2 集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的 物质基础。 随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元 器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封 装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的集成 电路块，通常又称为集成电路芯片。 第三章 集成门电路与触发器 采用集成电路进行数字系统设计的优点： 可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大 大简化设计和调试过程

第三章集成门电路与触发器 本章知识要点 半导体器件的开关特性; 逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法; ●常用触发器的功能、触发方式与外部工作特性

3 第三章 集成门电路与触发器 本章知识要点: ● 半导体器件的开关特性； ● 逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法； ● 常用触发器的功能、触发方式与外部工作特性

第三章集成门电路与触发器 31数字集成电路的分类 数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据 集成规模的大小进行分类 根据所采用的半导体器件进行分类 根据所采用的半导体器件,数字集成电路可以分为两大类。 1双极型集成电路:釆用双极型半导体器件作为元件。主要特 点是速度快、负载能力强,但功耗较大、集成度较低。 2单极型集成电路(又称为MOS集成电路):采用金属氧化 物半导体场效应管( Metel oxide semiconductor field effect Transister作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集 成度高、功耗低,但速度较慢

4 第三章 集成门电路与触发器 3.1 数字集成电路的分类 数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据 集成规模的大小进行分类。 一. 根据所采用的半导体器件进行分类 根据所采用的半导体器件，数字集成电路可以分为两大类。 1.双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主要特 点是速度快、负载能力强，但功耗较大、 集成度较低。 2.单极型集成电路(又称为MOS集成电路):采用金属-氧化 物半导体场效应管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Transister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集 成度高、功耗低，但速度较慢

第三章集成门电路与触发器 双极型集成电路又可进一步可分为: TTL( Transistor Transistor Logic)电路; ECI( Emitter Coupled Logic)电路 PL( Integrated Injection Logic)电路。 TTL电路的“性能价格比”最佳,应用最广泛。 MOS集成电路又可进一步分为: PMOS(P-channel Metel Oxide semiconductor) NMOS(N-channel Metel Oxide semiconductor) CMOS( Complement Metal Oxide semiconductor) CMOS电路应用较普遍,因为它不但适用于通用逻电路 的设计,而且综合性能最好

5 第三章 集成门电路与触发器 双极型集成电路又可进一步可分为： TTL(Transistor Transistor Logic)电路； ECL(Emitter Coupled Logic)电路； I 2L(Integrated Injection Logic)电路。 ┊ TTL电路的“性能价格比”最佳，应用最广泛。 MOS集成电路又可进一步分为： PMOS( P-channel Metel Oxide Semiconductor)； NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)； CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor)。 ┊ CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路 的设计，而且综合性能最好

第三章集成门电路与触发器 根据集成电路规模的大小进行分类 通常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件 个数,分为SSI、MSI、LSI、VLSI。 .ss( Small Scale Integration)小规模集成电路: 逻辑门数小于10门(或元件数小于100个) 2.MSI( Medium Scale Integration)中规模集成电路: 逻辑门数为10门~99门(或元件数100个~99个) 3.LSI( Large Scale Integration)大规模集成电路: 逻辑门数为100门~9990门(或元件数1000个~9999个); 4.VLsI( Very Large Scale Integration)超大规模集 成电路: 逻辑门数大于10000(或元件数大于10000)

6 第三章 集成门电路与触发器 二．根据集成电路规模的大小进行分类 通常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件 个数，分为 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。 1. SSI (Small Scale Integration ) 小规模集成电路: 逻辑门数小于10 门(或元件数小于100个)； 2. MSI (Medium Scale Integration ) 中规模集成电路: 逻辑门数为10 门～99 门(或元件数100个～999个)； 3. LSI (Large Scale Integration ) 大规模集成电路: 逻辑门数为100 门～9999 门(或元件数1000个～99999个)； 4. VLSI (Very Large Scale Integration) 超大规模集 成电路: 逻辑门数大于10000 门(或元件数大于100000个)

第三章集成门电路与触发器 3.2半导体器件的开关特性 数字电路中的晶体二极管、三极管和MO管等器件一般是 以开关方式运用的,其工作状态相当于相当于开关的“接通” 与“断开”。 由于数子系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电 路中(通常开关状态变化的速度可高达每秒百万次数量级甚至千 万次数量级,因此,研究这些器件的开关特性时,不仅要研究 它们在导通与截止两种状态下的静止特性,而且还要分析它们 在导通和截止状态之间的转变过程,即动态特性

7 第三章 集成门电路与触发器 3. 2 半导体器件的开关特性 数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是 以开关方式运用的，其工作状态相当于相当于开关的“接通” 与“断开” 。 由于数子系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电 路中(通常开关状态变化的速度可高达每秒百万次数量级甚至千 万次数量级)，因此，研究这些器件的开关特性时，不仅要研究 它们在导通与截止两种状态下的静止特性，而且还要分析它们 在导通和截止状态之间的转变过程，即动态特性

第三章集成门电路与触发器 321晶体二极管的开关特性 .静态特性 静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性 典型二极管的静态特性曲线(又称伏安特性线)如下图所示。 1.正向特性: 门槛电压(Um):使二极管开始导通的正向电压,有时又称 为导通电压(一般锗管约0.V,硅管约0.5V)。 ★正向电压U≤Um:管子截止,电阻很大、正向电流I接近 于0,二极管类似于开关的断开状态; ★正向电压UF=Um:管子开始导通,正向电流I开始上升; ★正向电压UF>Um(一般锗管为0.3V,硅管为0.7V):管子充 分导通,电阻很小,正向电流急剧增加,二极管类似于开关的接通 状态。 圖8國

8 静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。 典型二极管的静态特性曲线(又称伏安特性曲线)如下图所示。 第三章 集成门电路与触发器 3.2.1 晶体二极管的开关特性 一．静态特性 1. 正向特性 ： 门槛电压 ( UTH )：使二极管开始导通的正向电压，有时又称 为导通电压 (一般锗管约0.1V，硅管约0.5V)。 ★正向电压 UF ≤ UTH ：管子截止，电阻很大、正向电流 IF 接近 于 0， 二极管类似于开关的断开状态 ； ★正向电压 UF = UTH ：管子开始导通，正向电流 IF 开始上升； ★正向电压 UF ＞UTH (一般锗管为0.3V，硅管为0.7V) ：管子充 分导通， 电阻很小，正向电流IF 急剧增加，二极管类似于开关的接通 状态

第三章集成门电路与触发器 2.反向特性 二极管在反向电压UR作用下,处于截止状态,反向电阻 很大,反向电流取很小(将其称为反向饱和电流,用l表 示,通常可忽略不计),二极管的状态类似于开关断开。而 且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。 注意事项: 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成 实际电路时通常要串接一只电阻R,以限制二极管的正向电 流 ●反向电压超过某个极限值时,将使反向电流I突然猛 增,致使二极管被击穿(通常将该反向电压极限值称为反向击 穿电压UB),一般不允许反向电压超过此值

9 第三章 集成门电路与触发器 2． 反向特性 二极管在反向电压 UR 作用下，处于截止状态，反向电阻 很大，反向电流 IR 很小（将其称为反向饱和电流，用 IS 表 示，通常可忽略不计 ），二极管的状态类似于开关断开。而 且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。 注意事项： ● 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成 实际电路时通常要串接一只电阻 R，以限制二极管的正向电 流； ● 反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛 增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向击 穿电压UBR），一般不允许反向电压超过此值

第三章集成门电路与触发器 由于二极管的单向导电性,所以在数字电路中经常把它 当作开关使用。 二极管组成的开关电路图如图(a)所示。二极管导通 状态下的等效电路如图b)所示,截止状态下的等效电路如图 (c)所示,图中忽略了二极管的正向压降。 D 关闭 断开 R R R 二极管开关电路及其等效电路

10 第三章 集成门电路与触发器 二极管组成的开关电路图如图（a）所示。二极管导通 状态下的等效电路如图(b)所示，截止状态下的等效电路如图 (c)所示，图中忽略了二极管的正向压降。 二极管开关电路及其等效电路 D U 0 R R 断开 R 关闭 (a) (b) (c) 由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它 当作开关使用