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1、湖南科技大学,第二章 逻辑门电路,3.1 MOS逻辑门电路3.2 TTL逻辑门电路*3.3 射极耦合逻辑门电路*3.4 砷化镓逻辑门电路3.5 逻辑描述中的几个问题3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题*3.7 用VerilogHDL描述逻辑门电路,湖南科技大学,教学基本要求：1、了解半导体器件的开关特性。2、熟练掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或门）、三态门、OD门（OC门）和传输门的逻辑功能。3、学会门电路逻辑功能分析方法。4、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。,第二章 逻辑门电路,湖南科技大学,3.1 MOS逻辑门,1、逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。,2
2、、逻辑门电路的分类,二极管门电路,三极管门电路,TTL门电路,MOS门电路,PMOS门,CMOS门,分立门电路,NMOS门,数字集成电路简介,湖南科技大学,1.CMOS集成电路:广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路,4000系列,74HC 74HCT,74VHC 74VHCT,速度慢与TTL不兼容抗干扰功耗低,74LVC 74VAUC,速度加快与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低,速度两倍于74HC与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低,低(超低)电压速度更加快与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低,74系列,74LS系列,74AS系列,74ALS,2.TTL 集成电路:广泛应用于中大规模集成电路,3.
3、1.1 数字集成电路简介,湖南科技大学,3.1.2 逻辑门电路的一般特性,1.输入和输出的高、低电平,输出高电平的下限值 VOH(min),输入低电平的上限值 VIL(max),输入高电平的下限值 VIL(min),输出低电平的上限值 VOH(max),湖南科技大学,VNH 当前级门输出高电平的最小值时允许负向噪声电压的最大值。,负载门输入高电平时的噪声容限：,VNL 当前级门输出低电平的最大值时允许正向噪声电压的最大值,负载门输入低电平时的噪声容限：,2.噪声容限,VNH=VOH(min)VIH(min),VNL=VIL(max)VOL(max),在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动
4、的范围。它表示门电路的抗干扰能力,湖南科技大学,3.传输延迟时间,传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。,CMOS电路传输延迟时间,湖南科技大学,4.功耗,静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流ID与电源电压VDD的乘积。,5.延时功耗积,是速度功耗综合性的指标.延时功耗积，用符号DP表示,扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。,6.扇入与扇出数,动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗,湖
5、南科技大学,扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。,（a)带拉电流负载,当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。,高电平扇出数:,IOH:驱动门的输出端为高电平电流,IIH:负载门的输入电流为。,湖南科技大学,(b)带灌电流负载,当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。,湖南科技大学,各类数字集成电路主要性能参数的比较,湖南科技大学,MOS开关及其等效电路,：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平,:MOS
6、管截止，输出高电平,当I VT,当I VT,湖南科技大学,MOS管相当于一个由vGS控制的无触点开关。,MOS管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合”，输出为低电平。,MOS管截止，相当于开关“断开”输出为低电平。,当输入为低电平时：,当输入为高电平时：,湖南科技大学,CMOS 反相器,1.工作原理,vi,vGSN,vGSP,TN,TP,vO,0 V,0V,-10V,截止,导通,10 V,10 V,10V,0V,导通,截止,0 V,VTN=2 V,VTP=-2 V,逻辑图,逻辑表达式,逻辑真值表,vi(A),vO(L),湖南科技大学,2.电压传输特性和电流传输特性,电压传输特性,湖南科技大学,3
7、.CMOS反相器的工作速度,在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭时间是相等的。平均延迟时间：10 ns。,带电容负载,湖南科技大学,与非门,1.CMOS 与非门,(a)电路结构,(b)工作原理,VTN=2 V,VTP=-2 V,N输入的与非门的电路?,输入端增加有什么问题?,3.1.5 CMOS 逻辑门,湖南科技大学,或非门,2.CMOS 或非门,VTN=2 V,VTP=-2 V,N输入的或非门的电路的结构?,输入端增加有什么问题?,湖南科技大学,3.异或门电路,=AB,湖南科技大学,4.输入保护电路和缓冲电路,采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输
8、出特性。,湖南科技大学,1.CMOS漏极开路门,1.）CMOS漏极开路门的提出,输出短接，在一定情况下会产生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定输出是高电平还是低电平。,3.1.6 CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路,0,1,湖南科技大学,（2）漏极开路门的结构与逻辑符号,(c)可以实现线与功能,电路,逻辑符号,(b)与非逻辑不变,漏极开路门输出连接,(a)工作时必须外接电源和电阻,湖南科技大学,(2)上拉电阻对OD门动态性能的影响,Rp的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快。但功耗大,且可能使输出电流超过允许的最大值IOL(max）。,电路带电容负载,
9、Rp的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值IOL(max）、功耗小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢。,湖南科技大学,最不利的情况：只有一个 OD门导通，,为保证低电平输出OD门的输出电流不能超过允许的最大值 IOL(max)且VO=VOL(max），RP不能太小。,当VO=VOL,IIL（total),湖南科技大学,当VO=VOH,为使得高电平不低于规定的VIH的最小值，则Rp的选择不能过大。Rp的最大值Rp(max)：,湖南科技大学,2.三态(TSL)输出门电路,1,0,0,1,1,截止,导通,1,0,0,截止,导通,0,1,0,截止,截止,X,1,逻辑功能：高电平有效
10、的同相逻辑门,0,1,湖南科技大学,3.1.7 CMOS传输门(双向模拟开关),1.CMOS传输门电路,电路,逻辑符号,湖南科技大学,2、CMOS传输门电路的工作原理,设TP:|VTP|=2V，TN:VTN=2VI的变化范围为5V到+5V。,5V,+5V,5V到+5V,GSN VTN,TN截止,GSP=5V(-5V到+5V)=(10到0)V,开关断开，不能转送信号,GSN=-5V(5V到+5V)=(0到-10)V,GSP0,TP截止,湖南科技大学,+5V,5V,GSP=5V(3V+5V)=2V 10V,GSN=5V(5V+3V)=(102)V,b、I=3V5V,GSNVTN,TN导通,a、I=
11、5V3V,TN导通，TP导通,C、I=3V3V,湖南科技大学,传输门组成的数据选择器,C=0,TG1导通,TG2断开 L=X,TG2导通,TG1断开 L=Y,C=1,传输门的应用,湖南科技大学,CMOS逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过TTL器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出数大，噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。,3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数,CMOS门电路各系列的性能比较,湖南科技大学,3.2 TTL逻辑门,3.2.1 BJT的开关特性,iB0，iC0，vOVCEVCC，c、e极之间近似于开路,vI=0V时:,iB ibs，iC i
12、cs，vOVCE0.2V，c、e极之间近似于短路,vI=5V时:,湖南科技大学,A.截止状态,.Je、Jc皆反偏，ib=0，ic=0.VO=VCE=VCC-iCRC VCC.可靠截止条件：VBE 0V。,B.放大状态,.Je正偏,Jc反偏,iC=iB；.VO=VCE=VCCiCRC，iC与iB增加VO减小。,C.饱和状态,.Je正偏.Jc正偏；.iB=IBS=ICS/；.iC=ICS=(VCC 0.7V)/RC VCC/RC；.VCES一般为0.1V 0.3V。,三极管B-E和C-E之间相当于一个闭合的开关。,1.BJT的开关条件,湖南科技大学,2.BJT的开关时间,从截止到导通开通时间ton
13、(=td+tr),从导通到截止关闭时间toff(=ts+tf),BJT饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成。,湖南科技大学,CL的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压O波形的上升时间和下降时间，导致基本的BJT反相器的开关速度不高。,基本BJT反相器的动态性能,若带电容负载,故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路。,湖南科技大学,输出级T3、D、T4和Rc4构成推拉式的输出级。用于提高开关速度和带负载能力。,中间级T2和电阻Rc2、Re2组成，从T2的集电结和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为T3和T4输出级的驱动信号；,输入级,中间级,输出级,3.2.3
14、TTL反相器的基本电路,1.电路组成,输入级T1和电阻Rb1组成。用于提高电路的开关速度,湖南科技大学,2.TTL反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善）,（1）当输入为低电平（I=0.2 V）,T1 深度饱和,T2、T3截止，T4、D导通,湖南科技大学,（2）当输入为高电平（I=3.6 V）,T2、T3饱和导通,T1:倒置的放大状态,T4和D截止,使输出为低电平.vO=vC3=VCES3=0.2V,湖南科技大学,逻辑真值表,湖南科技大学,1.TTL与非门电路,多发射极BJT,3.2.4 TTL逻辑门电路,湖南科技大学,2.TTL与非门电路的工作原理,任一输入端为低电平时:,TTL与非门各级工作
15、状态,当全部输入端为高电平时：,输出低电平,输出高电平,湖南科技大学,2.TTL或非门,若A、B中有一个为高电平:,若A、B均为低电平:,T2A和T2B均将截止，T3截止。T4和D饱和，输出为高电平。,T2A或T2B将饱和，T3饱和，T4截止，输出为低电平。,逻辑表达式,湖南科技大学,vOH,vOL,输出为低电平的逻辑门输出级的损坏,3.2.5 集电极开路门和三态门电路,1.集电极开路门电路,湖南科技大学,a）集电极开路与非门电路,b）使用时的外电路连接,C）逻辑功能,OC门输出端连接实现线与,湖南科技大学,2.三态与非门(TSL),当EN=3.6V时,三态与非门真值表,湖南科技大学,3.6
16、逻辑门电路使用中的几个实际问题,各种门电路之间的接口问题,门电路带负载时的接口问题,湖南科技大学,1)驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值（属于电压兼容性的问题）。,在数字电路或系统的设计中，往往将TTL和CMOS两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：,2)驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流（属于门电路的扇出数问题）。,各种门电路之间的接口问题,湖南科技大学,负载器件所要求的输入电压,VOH(min)VIH(min),VOL(max
17、)VIL(max),湖南科技大学,灌电流,IIL,IOL,拉电流,IIH,IOH,对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流,湖南科技大学,两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：驱动门的VOH（min）负载门的VIH（min）驱动门的VOL（max）负载门的VIL（max）驱动门的IOH（max）负载门的IIH（总）驱动门的IOL（max）负载门的IIL（总）,湖南科技大学,2、CMOS门驱动TTL门,VOH（min)=4.9V VOL(max)=0.1V,TTL门（74系列）：VIH(min)=2V VIL(max)=0.8V
18、,IOH（max)=-0.51mA,IIH（max)=20A,VOH(min)VIH(min),VOL(max)VIL(max),带拉电流负载,输出、输入电压,带灌电流负载?,CMOS门(4000系列）：,IOL（max)=0.51mA,IIL（max)=-0.4mA，,湖南科技大学,例 用一个74HC00与非门电路驱动一个74系列TTL反相器和六个74LS系列逻辑门电路。试验算此时的CMOS门电路是否过载？,VOH（min)=3.84V VOL(max)=0.33V,IOH（max)=-4mA,IOL（max)=4mA,74HC00：,IIH（max)=004mA,IIL（max)=1.6m
19、A,74系列：,VIH（min)=2V VIL(max)=0.8V,74LS系列,IIL（max)=-0.4mA,IIH（max)=0.02mA,VOH(min)VIH(min),VOL(max)VIL(max),湖南科技大学,总的输入电流:IIL(total)=1.6mA+60.4mA=4mA,灌电流情况,拉电流情况,74HC00:IOH(max)=4mA74系列反相器:IIH(max)=0.04mA74LS门：IIH(max)=0.02mA,总的输入电流:IIH(total)=0.04mA+60.02mA=0.16mA,74HC00:IOL(max)=4mA74系列反相器:IIL(max)
20、=1.6mA74LS门：IIL(max)=0.4mA,驱动电路能为负载电路提供足够的驱动电流,湖南科技大学,3.TTL门驱动CMOS门(如74HC）,CMOS（74HC）：VIH(min)=3.5V,TTL（74LS）：VOH(min)=2.7V,式2、3、4、都能满足，但式1 VOH(min)VIH(min)不满足,（IO：TTL输出级T3截止管的漏电流）,湖南科技大学,1.用门电路直接驱动显示器件,3.6.2 门电路带负载时的接口电路,门电路的输入为低电平，输出为高电平时，LED发光,当输入信号为高电平，输出为低电平时,LED发光,湖南科技大学,解：LED正常发光需要几mA的电流，并且导通
21、时的压降VF为1.6V。根据附录A查得，当VCC=5V时，VOL=0.1V，IOL(max)=4mA，因此ID取值不能超过4mA。限流电阻的最小值为,例 试用74HC04六个CMOS反相器中的一个作为接口电路，使门电路的输入为高电平时，LED导通发光。,湖南科技大学,2.机电性负载接口,用各种数字电路来控制机电性系统的功能,而机电系统所需的工作电压和工作电流比较大。要使这些机电系统正常工作，必须扩大驱动电路的输出电流以提高带负载能力，而且必要时要实现电平转移。,如果负载所需的电流不特别大，可以将两个反相器并联作为驱动电路，并联后总的最大负载电流略小于单个门最大负载电流的两倍。,如果负载所需的电
22、流比较大，则需要在数字电路的输出端与负载之间接入一个功率驱动器件。,湖南科技大学,本章小结,1最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集成逻辑门电路的基础。2目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由NPN型三极管组成，简称TTL集成电路；另一类由MOSFET构成，简称MOS集成电路。3TTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。在TTL系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外，还有集电极开路门和三态门。4MOS集成电路常用的是两种结构。一种是NMOS门电路，另一类是CMOS门电路。与TTL门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与TTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。5为了更好地使用数字集成芯片，应熟悉TTL和CMOS各个系列产品的外部电气特性及主要参数，还应能正确处理多余输入端，能正确解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。,
