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1、数字电路与逻辑设计,第二章 逻辑门电路,2.1 数字集成电路的特点和分类,集成电路的特点将元件和连线制作在一块半导体基片上.体积小、可靠性高、功耗低.集成度越来越高，功能、系统的集成.模拟和数字集成电路TTL和MOS集成电路通用、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,集成电路的发展:小规模集成电路:1020门中规模集成电路:20100门大规模集成电路:1001000门超大规模集成电路:1000门以上,奔腾IV拥有4200万只晶体管,标准SSI/MSI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，数字系统硬件规模大，印刷线路板走线复杂
2、，焊点多，系统可靠性差、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。,2.1 数字集成电路的特点和分类,集成电路的分类,通用集成电路:如RAM专用集成电路(ASIC)为满足特定功能需求而制造的专用芯片。集成度高，能减少系统的规模和功耗，提高系统的可靠性和工作速度，加密位可实现设计加密。全定制电路:由半导体器件生产厂家专门设计与制造。半定制电路:由生产厂家预先做好的单元电路组成,用 户可二次编程,有一定通用性。可编程逻辑器件PLD: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
3、工具，对器件进行编程，实现其功能。,2.2 晶体管的开关特性,晶体二极管的开关特性二极管的工作状态：截止、导通信号传输时延晶体三极管的开关特性三极管的工作状态：截止、饱和饱和深度信号传输时延,2.2.1 晶体二极管的开关特性,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，即单向导电性。因此，用两段折线近似表示伏安特性曲线，引入了间断点，二极管可视为理想单向导电开关。,二极管 二极管特性折线化 二极管开关模型,2.2.1 晶体二极管的开关特性,二、开关特性,反向恢复时间：tR=ts+tf其中：ts 存储时间 tf 下降时间,二极管由导通到截止,2.2.2 晶体三极管的开关特性
4、,四种工作状态,在放大状态：,晶体管反相器,2.2.2 晶体三极管的开关特性,开关时间,延迟时间 td上升时间 tr存储时间 ts下降时间 tf,开通时间,关断时间,2.3 二极管逻辑门,二极管与门电路 二极管或门电路,输出：高电平 5 V 低电平 0.7 V,输出：高电平 4.3 V 低电平 0 V,二极管与门输入和输出电平关系,二极管与门真值表,2.3 二极管逻辑门,二极管与门电路 二极管或门电路,输出：高电平 5 V 低电平 0.7 V,输出：高电平 4.3 V 低电平 0 V,二极管门电路的缺点1.输入/输出电平不一致.2.信号通过多级门电路时,会导致电平偏离.3.带负载能力低.,2.
5、4 三极管反相器,反相器的工作原理输入为脉冲信号：VIL=0V,VIH=3V晶体管工作在开关状态电路实现“逻辑非”功能,2.4 三极管反相器,饱和深度,临界饱和状态：,在深度饱和情况下：,2.4 三极管反相器,反相器的负载能力灌电流负载晶体管输出低电平负载电流流入反相器灌电流降低了饱和深度拉电流负载晶体管输出高电平负载电流流出反相器拉电流降低了输出电平,晶体管反相器,灌电流负载：见图,当晶体管VT饱和时，基极电流。灌电流IL流入集电极，IC=IRC+IL,IL,其中,饱和深度会随着IL的增加而减小，当IL进一步增加，VT将退出饱和，Vo将不再保持为低电平,2.4 三极管反相器,灌电流负载能力指
6、三极管从饱和退到临界饱和时所允许灌入的最大负载电流ILMAX,例如,输入高电平VIH=3V时，基极电流为Ib=0.82mA,加灌电流负载后，在临界饱和时，有：,Ec=12V,IL,2.4 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24.6mA,Ec=12V,IL,2.4 三极管反相器,拉电流负载 当反相器三极管截止，输出为高电平时，负载电流IL从反相器中流出来，形成拉电流。由于三极管截止，所以IC=0。,流经电阻RC的电流IRC分为两部分，有：,2.4 三极管反相器,IL,当负载电流IL增加时，IVDq将相应的减小。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
7、导通，有电流通过。,IVDq0时流过负载的电流是允许的最大拉电流。即：,2.4 三极管反相器,RC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,2.4 三极管反相器,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,输入有一个为低电平输出为高电平输入全部位高电平输出为低电平实现与非逻辑功能,逻辑电平：高电平 3.6V 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,与非门的输出端不允许直接相连。,TTL与非门的特性及参数电压传输特性,(1)阈值电压 VT=1.4 V 电压传输特性曲线转折区所对应的输入电压值.(
8、2)关门电平 VOFF 0.8 V 保证输出高电平时,输入低电平的最大值.(3)开门电平 VON 2 V 保证输出低电平时,输入高电平的最小值.,TTL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 VNL=ViLmax VoLmax=Voff VoLmax 保证输出高电平时,允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压.(5)高电平噪声容限 VNH=VoHmin ViHmin=VoHmin Von 保证输出低电平时,允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压.,TTL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 IiS-1.5mA 当Ui=0 时
9、的输入电流.(2)输入漏电流 IiH 10A 当Ui=UiH 时,VT1倒置工作的输入电流.(3)关门电阻ROFF 和开门电阻RON 关门电阻:保证与非门关闭，输出高电平(UOH 2.7V)时,允许Ri的最大值.开门电阻:保证与非门导通，输出低电平(UOL 0.2V)时,允许Ri的最小值.ROFF=700,RON=2 k 注:门电路输入端悬空,相当于接高电平.为避免干扰,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,扇出系数:推动同类门的个数，通常 N 8.N=ILmax/IiL,TTL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,采用OC门实现功能：,集
10、电极开路与非门,OC门负载电阻R的选取,例：假设有n个OC门并接在一起，其输出推动m个TTL与非门，试 计算负载电阻R的取值范围。,2.5.2 三态输出门,TTL逻辑门输出端始终有信号 高电平：3.6V 低电平：0.3V总线结构,TTL与非门,在数字系统中，广泛采用总线结构。,数据总线,子系统,部件,模块,2.5.2 三态输出门,三态门的输出有三种状态逻辑0逻辑1高电阻状态(禁止态)三态门的用途实现总线的分时使用实现数据双向传输,2.5.2 三态输出门,使能端EN1实现与非功能使能端EN0输出呈高阻,三态门,应用举例,试写出下列门电路的逻辑表达式。,(a)OC门电路,(b)三态门电路,所用的电
11、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,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,NMOS管结构示意图,MOS管的动态特性
12、,MOS管的电容效应,在数字电路中，MOS管的动态特性，即开关速度受这些电容充、放电过程的制约。MOS管导通电阻比晶体三极管的饱和导通电阻要大得多，RD也比RC大，所以它的开通和关闭时间，也比晶体管长，动态特性较差。,2.7 CMOS逻辑门电路,MOS管的开关特性,MOS单管反相器,输入和输出波形,2.7 CMOS逻辑门电路,工作原理：,1.输入为低电平VIL=0V时,VGS1VT1,T1管截止；,|VGS2|VT2,电路中电流近似为零（忽略T1的截止漏电流）,VDD主要降落在T1上，输出为高电平VOHVDD,T2导通,2.输入为高电平VIH=VDD时 T1导通T2截止，VDD主要降在T2上，
13、输出为低电平VOL0V。,电路实现逻辑“非”功能,2.7 CMOS逻辑门电路,CMOS与非门,CMOS与非门通过驱动管(NMOS管)串联，实现“与”功能.当A和B为高电平时输出低电平当A和B有一个或一个以上为低电平时输出高电平,电路实现“与非”逻辑功能,CMOS或非门,CMOS或非门通过驱动管并联，实现“或”功能。当A和B为低电平时输出高电平当A和B有一个或一个以上为高电平时输出低电平,电路实现“或非”逻辑功能,漏极开路与非门（OD门）,输出相连实现“线与”功能,CMOS三态门,在CMOS反相器的基础上增加NMOS管T1PMOS管T2EN=1,T1和T2截止,禁止态;EN=0,T1和T2导通,
14、F=A,CMOS传输门（TG）,工作原理：,1.当控制端C为低电平时，TN和TP截止，传输门相当于开关断开。,2.当控制端C为高电平时，TN、TP中至少有一只管子导通，使VO=VI，相当于开关接通，传输门传输信息。,由此可见传输门相当于,一个理想的双向开关。,CMOS模拟开关,电路图,逻辑符号,CMOS模拟开关是控制模拟信号传输的 一种电子开关，开关的通断由数字信 号控制。反相器的作用是为传输门提供两个反 相控制信号。,CMOS电路的优点,功耗小：CMOS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；CMOS电路功耗低内部发热量小，集成度可大大提高；抗幅射能力强，MOS
15、管是多数载流子工作，射线辐 射对多数载流子浓度影响不大；电压范围宽：CMOS门电路输出高电平VOH VDD，低电平VOL 0V；输出电流比较大：扇出能力较大，一般可以大于50；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,输出端不能直接接地或电源多余输入端的处理TTL门电路输入端接电阻的情况外接负载问题TTL与CMOS配合问题逻辑电平的配合驱动能力的配合,TTL/MOS门电路比较,74TTL系列74H 延迟时间:20 ns 功耗:22 mW74S 延迟时间:4 ns74LS 延迟时间:9 ns 功耗:2 mWECL门电路延迟时间:1 ns 功耗大MOS门电路NMOS,PMOS CMOS 延迟时间:9 ns 功耗低,
