逻辑门电路v4.pptx

2.1 数字集成电路的特点和分类数字集成电路的特点和分类 n集成电路的特点集成电路的特点n将元件和连线制作在一块半导体基片将元件和连线制作在一块半导体基片上上.n体积小、可靠性高、功耗低体积小、可靠性高、功耗低.n集成度越来越高，功能、系统的集成集成度越来越高，功能、系统的集成.n模拟和数字集成电路模拟和数字集成电路nTTL和和MOS集成电路集成电路n通用、专用集成电路，可编程逻辑器件通用、专用集成电路，可编程逻辑器件2.1 数字集成电路的特点和分类数字集成电路的特点和分类n集成电路的发展集成电路的发展:n小规模集成电路小规模集成电路:10 20门门n中规模集成电路中规模集成电路:20 100门门n大规模集成电路大规模集成电路:100 1000门门n超大规模集成电路超大规模集成电路:1000门以上门以上奔腾奔腾IV拥有拥有4200万只晶体管万只晶体管 标准标准SSI/MSI具有批量大、价格便宜等特点，是传统具有批量大、价格便宜等特点，是传统数字系统设计中的主要逻辑器件。它的缺点是密度低，数数字系统设计中的主要逻辑器件。它的缺点是密度低，数字系统硬件规模大，印刷线路板走线复杂，焊点多，系统字系统硬件规模大，印刷线路板走线复杂，焊点多，系统可靠性差、功耗大、时延大。可靠性差、功耗大、时延大。微处理器和单片机等逻辑器件虽然较好地弥补了标准微处理器和单片机等逻辑器件虽然较好地弥补了标准器件的缺陷，但它们本身工作速度不够高，需要配合若干器件的缺陷，但它们本身工作速度不够高，需要配合若干标准器件搭成的外围电路才可以工作。标准器件搭成的外围电路才可以工作。2.1 数字集成电路的特点和分类数字集成电路的特点和分类 n集成电路的分类集成电路的分类n通用集成电路通用集成电路:如如RAMn专用集成电路专用集成电路(ASIC)为为满满足足特特定定功功能能需需求求而而制制造造的的专专用用芯芯片片。集集成成度度高高，能能减减少少系系统统的的规规模模和和功功耗耗，提提高高系系统统的的可可靠靠性性和和工工作作速速度度，加密位可实现设计加密。加密位可实现设计加密。n全定制电路全定制电路:由半导体器件生产厂家专门设计与制造。由半导体器件生产厂家专门设计与制造。n半定制电路半定制电路:由由生产厂家预先做好的生产厂家预先做好的单元电路组成单元电路组成,用用 户可二次编程户可二次编程,有一定通用性。有一定通用性。n可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLDPLD:器件内部集成大量功能独立的单器件内部集成大量功能独立的单 元和可配置的连线，用户可以借助开发工具，元和可配置的连线，用户可以借助开发工具，对器件进行编程，实现其功能。对器件进行编程，实现其功能。2.2 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 n晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性n二极管的工作状态：截止、导通n信号传输时延n晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性n三极管的工作状态：截止、饱和n饱和深度n信号传输时延2.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性 一、工作状态一、工作状态 在大信号情况下，二极管的伏安特性曲线表现为强非线性，在大信号情况下，二极管的伏安特性曲线表现为强非线性，即即单向导电性单向导电性。因此，用两段折线近似表示伏安特性曲线，引。因此，用两段折线近似表示伏安特性曲线，引入了间断点，二极管可视为入了间断点，二极管可视为理想单向导电开关理想单向导电开关。二极管二极管 二极管特性折线化二极管特性折线化 二极管开关模型二极管开关模型2.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性二、开关特性二、开关特性反向恢复时间：反向恢复时间：tR=ts+tf其中：其中：ts 存储时间存储时间 tf 下降时间下降时间二极管由导通到截止二极管由导通到截止2.2.2 晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性n四种工作状态四种工作状态工作状态工作状态发射结发射结集电结集电结放放 大大正正 偏偏反反 偏偏饱饱 和和正正 偏偏正正 偏偏截截 止止反反 偏偏反反 偏偏反反 向向反反 偏偏正正 偏偏在放大状态：在放大状态：晶体管反相器2.2.2 晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性n开关时间开关时间n延迟时间延迟时间 tdn上升时间上升时间 trn存储时间存储时间 tsn下降时间下降时间 tf开通时间开通时间关断时间关断时间2.3 二极管逻辑门二极管逻辑门二极管与门电路二极管与门电路 二极管或门电路二极管或门电路输出：输出：高电平高电平 5 V 低电平低电平 0.7 V输出：输出：高电平高电平 4.3 V 低电平低电平 0 VABCYLLLLLLHLLHHHH二极管与门输入和输出电平关系二极管与门输入和输出电平关系ABCY0000001001111二极管与门真值表二极管与门真值表2.3 二极管逻辑门二极管逻辑门二极管与门电路二极管与门电路 二极管或门电路二极管或门电路输出：输出：高电平高电平 5 V 低电平低电平 0.7 V输出：输出：高电平高电平 4.3 V 低电平低电平 0 V二极管门电路的缺点二极管门电路的缺点1.输入输入/输出电平不一致输出电平不一致.2.信号通过多级门电路时信号通过多级门电路时,会导致电平偏离会导致电平偏离.3.带负载能力低带负载能力低.2.4 三极管反相器三极管反相器n反相器的工作原理反相器的工作原理n输入为脉冲信号：输入为脉冲信号：VIL=0V,VIH=3Vn晶体管工作在开关状态晶体管工作在开关状态n电路实现电路实现“逻辑非逻辑非”功能功能2.4 三极管反相器三极管反相器n饱和深度饱和深度临界饱和状态：临界饱和状态：在深度饱和情况下：在深度饱和情况下：2.4 三极管反相器三极管反相器n反相器的负载能力反相器的负载能力n灌电流负载灌电流负载n晶体管输出低电平晶体管输出低电平n负载电流负载电流流入流入反相器反相器n灌电流降低了饱和深度灌电流降低了饱和深度n拉电流负载拉电流负载n晶体管输出高电平晶体管输出高电平n负载电流负载电流流出流出反相器反相器n拉电流降低了输出电平拉电流降低了输出电平晶体管反相器晶体管反相器灌电流负载灌电流负载：见图：见图 当晶体管当晶体管VT饱和时，基极电流饱和时，基极电流 。灌电流灌电流IL流入集电极流入集电极，IC=IRC+ILIL其中其中饱和深度会随着饱和深度会随着IL的增加的增加而减小，当而减小，当IL进一步增加，进一步增加，VT将退出饱和，将退出饱和，Vo将将不再不再保持为低电平保持为低电平2.4 三极管反相器三极管反相器灌电流负载能力灌电流负载能力指三极管从指三极管从饱和饱和退到临界饱和时所允许灌入的退到临界饱和时所允许灌入的最大负载电流最大负载电流ILMAX 例如例如,输入高电平输入高电平VIH=3V时，时，基极电流为基极电流为Ib=0.82mA加灌电流负载后，加灌电流负载后，在临界饱和时，有：在临界饱和时，有：Ec=12VIL2.4 三极管反相器三极管反相器因此，在保证管子饱和的前提下最大可能的集电极电流是24.6mAEc=12VIL2.4 三极管反相器三极管反相器拉电流负载拉电流负载 当反相器三极管截止，输出为高电平时，负载电当反相器三极管截止，输出为高电平时，负载电流流IL从反相器中流出来，形成拉电流。由于三极管从反相器中流出来，形成拉电流。由于三极管截止，所以截止，所以IC=0。IL流经电阻流经电阻RC的电流的电流IRC分为分为两部分，有：两部分，有：2.4 三极管反相器三极管反相器IL 当负载电流当负载电流IL增加时，增加时，IVDq将相应的将相应的减小。为了保证电路正常工作，高电减小。为了保证电路正常工作，高电平输出稳定，钳位二极管必须始终导平输出稳定，钳位二极管必须始终导通，有电流通过。通，有电流通过。IVDq0时流过负载的时流过负载的电流是允许的最大拉电流是允许的最大拉电流。即：电流。即：2.4 三极管反相器三极管反相器RC越小，带拉电流负载能力越大越小，带拉电流负载能力越大RC越大，带灌电流负载能力越强越大，带灌电流负载能力越强2.4 三极管反相器三极管反相器矛盾矛盾2.5 TTL与非门图2.5.1 LSTTL与非门电路2.5.1 TTL与非门工作原理n输入有一个为低电平输入有一个为低电平n输出为高电平输出为高电平n输入全部位高电平输入全部位高电平n输出为低电平输出为低电平n实现实现与非逻辑与非逻辑功能功能 逻辑电平：逻辑电平：高电平高电平 3.6V 低电平低电平 0.3V输入级中间级输出级2.5.1 TTL与非门工作原理n与非门的输出端与非门的输出端不允许不允许直接相连。直接相连。TTL与非门的特性及参数电压传输特性(1)阈值电压阈值电压 VT=1.4 V 电电压压传传输输特特性性曲曲线线转转折折区所对应的输入电压值区所对应的输入电压值.(2)关门电平关门电平 VOFF 0.8 V 保保证证输输出出高高电电平平时时,输输入入低电平的最大值低电平的最大值.(3)开门电平开门电平 VON 2 V 保保证证输输出出低低电电平平时时,输输入入高电平的最小值高电平的最小值.TTL与非门电压传输特性与非门电压传输特性TTL与非门的特性及参数电压传输特性(4)低电平噪声容限低电平噪声容限 VNL=ViLmax VoLmax =Voff VoLmax 保保证证输输出出高高电电平平时时,允允许许叠叠加加在在输输入入低低电电平平上上的的最最大大噪噪声电压声电压.(5)高电平噪声容限高电平噪声容限 VNH=VoHmin ViHmin =VoHmin Von 保保证证输输出出低低电电平平时时,允允许许叠叠加加在在输输入入高高电电平平上上的的最最大大噪噪声电压声电压.TTL与非门电压传输特性与非门电压传输特性TTL与非门的特性及参数输入特性(1)输入短路电流输入短路电流 IiS -1.5mA 当当Ui=0 时的输入电流时的输入电流.(2)输入漏电流输入漏电流 IiH 10 A 当当Ui=UiH 时时,VT1倒置工作的输入电流倒置工作的输入电流.(3)关门电阻关门电阻ROFF 和开门电阻和开门电阻RON 关门电阻关门电阻:保证与非门关闭，输出高电平保证与非门关闭，输出高电平 (UOH 2.7V)时时,允许允许Ri的最大的最大值值.开门电阻开门电阻:保证与非门导通，输出低电平保证与非门导通，输出低电平 (UOL 0.2V)时时,允许允许Ri的最小的最小值值.ROFF=700 ,RON=2 k 注注:门电路输入端悬空门电路输入端悬空,相当于接高电平相当于接高电平.为避免干扰为避免干扰,不用的输入端应接高电平不用的输入端应接高电平.TTL与非门的特性及参数输出特性n扇出系数扇出系数:推动同类门的个数，推动同类门的个数，通常通常 N 8.N=ILmax/IiLTTL与非门的灌电流与拉电流负载与非门的灌电流与拉电流负载或非门与或非门TTL集成逻辑门OC门n采用OC门实现功能：集电极开路与非门集电极开路与非门R的取值范围?OC门负载电阻R的选取例：假设有例：假设有n个个OC门并接在一起，其输出推动门并接在一起，其输出推动m个个TTL与非门，试与非门，试 计算负载电阻计算负载电阻R的取值范围。的取值范围。(1)计算Rlmax 当所有OC门均为截止态时，并接输出高电平：若使：则：(2)计算Rlmin 当有一个OC门输出低电平时，并接输出低电平，流入电流：若使：则：2.5.2 三态输出门nTTL逻辑门逻辑门n输出端始终有信号输出端始终有信号 高电平：高电平：3.6V 低电平：低电平：0.3Vn总线结构总线结构TTL与非门与非门在数字系统中，广泛采用在数字系统中，广泛采用总线结构。总线结构。数据总线数据总线子系统子系统部件部件模块模块2.5.2 三态输出门n三态门的输出有三种状态三态门的输出有三种状态n逻辑逻辑0n逻辑逻辑1n高电阻状态高电阻状态(禁止态禁止态)n三态门的用途三态门的用途n实现总线的分时使用实现总线的分时使用n实现数据双向传输实现数据双向传输2.5.2 三态输出门n使能端使能端EN1n实现与非功能实现与非功能n使能端使能端EN0n输出呈高阻输出呈高阻FAB E三态门三态门应用举例试写出下列门电路的逻辑表达式。试写出下列门电路的逻辑表达式。(a)OC门电路门电路(b)三态门电路三态门电路 所用的电源电压应该在指定范围内工作，74系列电路的VCC=4.755.25V 除集电极开路门（简称OC门）和三态门外，多个TTL电路的输出端不能直接相连。所有TTL电路的输出端也不允许直接接电源或接地。TTL电路使用中注意的问题电路使用中注意的问题 为避免干扰，不使用的输入端应该根据逻辑功能的要求接低电平或接高电平。对于LSTTL，接低电平可经过一个小于300电阻接地，或直接接地；接高电平可经过一个小于10K的电阻接电源或直接接电源。在驱动电路中允许情况下，也可和已使用端并联使用（对于与非门，输入并联一般不会加重负载，其它门将根据内部电路情况确定）。TTL电路使用中注意的问题电路使用中注意的问题NMOS管结构示意图管结构示意图nMOS管的动态特性管的动态特性nMOS管的电容效应管的电容效应 在数字电路中，在数字电路中，MOS管的管的动态特性，即开关速度受这些动态特性，即开关速度受这些电容充、放电过程的制约。电容充、放电过程的制约。MOS管导通电阻比晶体三管导通电阻比晶体三极管的饱和导通电阻要大得多，极管的饱和导通电阻要大得多，RD也比也比RC大，所以它的开通大，所以它的开通和关闭时间，也比晶体管长，和关闭时间，也比晶体管长，动态特性较差。动态特性较差。2.7 CMOS逻辑门电路逻辑门电路nMOS管的开关特性管的开关特性 MOS单管反相器单管反相器输入和输出波形输入和输出波形2.7 CMOS逻辑门电路逻辑门电路工作原理：工作原理：1.输入为低电平输入为低电平VIL=0V时时VGS1VT1T1管截止；管截止；|VGS2|VT2 电电路路中中电电流流近近似似为为零零（忽忽略略T1的的截截止止漏漏电电流流）,VDD主主要要降降落落在在T1上上，输输出出为高电平为高电平VOHVDDT2导通导通2.输入为高电平输入为高电平VIH=VDD时时 T1导通导通T2截止，截止，VDD主要降在主要降在T2上，上，输出为低电平输出为低电平VOL0V。电路电路实现逻辑实现逻辑“非非”功能功能2.7 CMOS逻辑门电路逻辑门电路CMOS与非门nCMOS与非门与非门通过驱动管通过驱动管(NMOS管管)串联，串联，实现实现“与与”功能功能.n当当A和和B为高电平时为高电平时n输出低电平输出低电平n当当A和和B有有一一个个或或一一个个以以上上为低电平时为低电平时n输出高电平输出高电平 电路实现电路实现“与非与非”逻辑功能逻辑功能CMOS或非门nCMOS或非门或非门通通过过驱驱动动管管并并联联，实实现现“或或”功功能。能。n当当A A和和B B为低电平时为低电平时n输出高电平输出高电平n当当A A和和B B有有一一个个或或一一个个以以上上为为高电平时高电平时n输出低电平输出低电平 电路实现电路实现“或非或非”逻辑功能逻辑功能漏极开路与非门（OD门）输出相连实现“线与线与”功能CMOS三态门n在在CMOS反相器的基础上增加反相器的基础上增加nNMOS管管T1nPMOS管管T2EN=1,T1和和T2截止截止,禁止态禁止态;EN=0,T1和和T2导通导通,F=ACMOS传输门（传输门（TG）工作原理：工作原理：1.当当控控制制端端C为为低低电电平平时时，TN和和TP截截止止，传传输输门门相相当当于开关断开。于开关断开。2.当当控控制制端端C为为高高电电平平时时，TN、TP中中至至少少有有一一只只管管子子导导通通，使使VO=VI，相相当当于于开开关接通，传输门传输信息。关接通，传输门传输信息。由此可见传输门相当于由此可见传输门相当于一个理想的双向开关一个理想的双向开关。CMOS模拟开关模拟开关电路图逻辑符号 CMOS模拟开关模拟开关是是控制模拟信号传输的控制模拟信号传输的 一种电子开关，开关的通断由数字信一种电子开关，开关的通断由数字信 号控制。号控制。反相器的作用是为传输门提供两个反反相器的作用是为传输门提供两个反 相控制信号。相控制信号。CMOS电路的优点n功耗小功耗小：CMOS门工作时，总是一管导通另一管截止，因而几乎门工作时，总是一管导通另一管截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小；不由电源吸取电流其功耗极小；nCMOS电路功耗低内部发热量小，电路功耗低内部发热量小，集成度可大大提高；集成度可大大提高；n抗幅射能力强抗幅射能力强，MOS管是多数载流子工作，射线辐管是多数载流子工作，射线辐 射对多数载流射对多数载流子浓度影响不大；子浓度影响不大；n电压范围宽电压范围宽：CMOS门电路输出高电平门电路输出高电平VOH VDD，低电平，低电平VOL 0V；n输出电流比较大输出电流比较大：扇出能力较大，一般可以大于：扇出能力较大，一般可以大于50；n在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好；在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好；2.8 门电路使用中的问题门电路使用中的问题n输出端不能直接接地或电源输出端不能直接接地或电源n多余输入端的处理多余输入端的处理nTTL门电路输入端接电阻的情况门电路输入端接电阻的情况n外接负载问题外接负载问题nTTL与与CMOS配合问题配合问题n逻辑电平的配合逻辑电平的配合n驱动能力的配合驱动能力的配合TTL/MOS门电路比较n74TTL系列系列n74H 延迟时间延迟时间:20 ns 功耗功耗:22 mWn74S 延迟时间延迟时间:4 nsn74LS 延迟时间延迟时间:9 ns 功耗功耗:2 mWnECL门电路门电路n延迟时间延迟时间:1 ns 功耗大功耗大nMOS门电路门电路nNMOS,PMOS nCMOS 延迟时间延迟时间:9 ns 功耗低功耗低