逻辑门电路.ppt.ppt

第二章逻辑门电路,概述,标准ttl与非门,其它类型ttl门电路,最简单的逻辑门电路,晶体管的开关特性,mos逻辑门电路,逻辑门的接口电路,小结,2.1概述,双极型集成逻辑门,mos集成逻辑门,按器件类型分,按集成度分,ssi：100个等效门,msi：103个等效门,lsi：104个等效门,vlsi：104个以上等效门,本章内容：集成逻辑门的基本结构、工作原理；集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。,ttl、ecli2l、htl,pmosnmoscmos,2.1概述,门电路：用以实现逻辑运算的单元电路常用门：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门。高、低电平的获得,高低电平只是一个范围，而非一个确切的数值,2.2二极管、三极管的开关特性,一、二极管的开关特性工作状态：导通、截止开关电路：,二极管伏安特性及其几种近似,伏安特性,伏安特性的几种近似：,二极管的开关特性：,正向电流建立时间,反向恢复时间,三极管的开关特性,双极型三极管的开关特性输入特性,发射结正偏,输出特性：（npn）,发射结正偏集电结反偏,发射结反偏,发射结正偏集电结正偏,双极型三极管的基本开关电路,发射结反偏,开关断开,三极管处于饱和状态相当于开关接通,且,其中,动态开关特性,上升时间,下降时间,2.4最简单的与、或、非门电路,一、二极管与门,二、二极管或门,三、三极管非门,2.4标准ttl与非门,ttl与非门电路组成,ttl与非门工作原理,ttl与非门工作速度,ttl与非门外特性及主要参数,ttl标准与非门的改进型,ttl集成电路产品,ttl与非门电路组成,ttl与非门工作原理,输入端至少有一个（设a端）接低电平：,0.3v,3.6v,1v,3.6v,t1管:a端发射结导通，ub1=ua+ube1=1v，其它发射结反偏截止。,（5-0.7-0.7）v=3.6v,因为ub1=1v,所以t2、t5截止,uc2ucc=5v。,t4：工作在放大状态,5v,电路输出高电平：,输入端全接高电平：,3.6v,2.1v,0.3v,t1:ub1=ubc1+ube2+ube5=0.7v3=2.1v,电路输出低电平：uol=0.3v,3.6v,t1：发射结反偏，集电极正偏，工作在倒置放大状态且t2、t5导通。,t2：工作在饱和状态,t4：uc2=uces2+ube51v，t4截止。,t5：处于深饱和状态,ttl与非门工作原理,输入端全接高电平，输出为低电平。,输入端至少有一个接低电平时，输出为高电平。,由此可见，电路的输出与输入之间满足与非逻辑关系：,ttl与非门工作原理,t1：倒置放大状态t2：饱和状态t4：截止状态t5：深度饱和状态,t1：深度饱和状态t2：截止状态t4：放大状态t5：截止状态,ttl与非门工作速度,存在的问题：一是与非门内部晶体管工作在饱和状态对电路开关速度产生影响，二是与非门输出端接容性负载时对工作速度产生影响。,采取的措施：1.采用多发射极晶体管t1，加速t2管脱离饱和状态。2.t4和t5同时导通，加速t5管脱离饱和状态。3.降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。,ttl与非门的外特性及主要参数,外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护和设计电路的重要依据。介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。,ttl与非门的外特性及主要参数,ttl与非门输入电压ui与输出电压uo之间的关系曲线，即uo=f（ui）。,截止区：当ui0.6v，ub11.3v时，t2、t5截止，输出高电平uoh=3.6v。,线性区：当0.6vui1.3v，0.7vub21.4v时，t2导通，t5仍截止，uc2随ub2升高而下降，经t4射随器使uo下降。,转折区：当ui1.3v时，输入电压略微升高，输出电压急剧下降，因为t2、t4、t5均处于放大状态。,饱和区：ui继续升高，t1进入倒置工作状态ub1=2.1v，此时t2、t5饱和，t4截止，输出低电平uol=0.3v，且uo不随ui的增大而变化。,ttl与非门的外特性及主要参数,1.输出高电平uoh和输出低电平uol：ab段所对应的输出电压为uoh。de段所对应的输出电压为uol。一般要求uoh3v，uol0.4v。,3.开门电平uon：开门电平uon也称输入高电平电压uih，指的是输出电平uo=0.3v时，允许输入高电平的最小值。uon典型值为1.4v，一般产品要求uon1.8v。,4.关门电平uoff：关门电平uoff也称输入低电平电压uil，指的是在保证输出电压为额定高电平uoh的90%时，允许输入低电平的最大值。一般产品要求uoff0.8v。,2.阈值电压uth：cd段中点所对应的输入电压称为阈值电压uth，也称门槛电压。uth=1.31.4v。,低电平噪声容限unl：,高电平噪声容限unh：,ttl与非门的外特性及主要参数,噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。,输入电流与输入电压之间的关系曲线，即ii=f（ui）。,1.输入短路电流iis（输入低电平电流iil）,当uil=0v时由输入端流出的电流。,2.输入漏电流iih（输入高电平电流）,指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，流入该输入端的电流，约10a左右。,ttl与非门的外特性及主要参数,假定输入电流ii流入t1发射极时方向为正，反之为负。,前级驱动门导通时，iis将灌入前级门，称为灌电流负载。,前级驱动门截止时，iih从前级门流出，称为拉电流负载。,ui在一定范围内会随着ri的增加而升高，形成ui=f（ri）变化曲线，称为输入负载特性。,ttl与非门的外特性及主要参数,若要使与非门稳定在截止状态，输出高电平，应选择riroff。,若要保证与非门可靠导通，输出低电平，应选择riron。,1.扇入系数ni是指合格输入端的个数。,2.扇出系数no表示门电路带负载能力的大小，no表示可驱动同类门的个数。no分为两种情况，一是灌电流负载nol，二是拉电流负载noh。no=min（nol，noh）。,iolmax为驱动门的最大允许灌电流，iil是一个负载门灌入本级的电流。iohmax为驱动门的最大允许拉电流，iih是负载门高电平输入电流。,ttl与非门的外特性及主要参数,ttl标准与非门的改进型,肖特基74s系列与标准74系列相比有两点改进。一是增加了有源泄放电路代替t2射极电阻r3。,二是将标准门电路中所有可能工作在饱和区的晶体管都用肖特基三极管代替。,由t6、r6和r3构成的有源泄放电路来代替原t2射极电阻r3。一是提高工作速度，二是提高抗干扰能力。,工作速度和抗干扰能力提高。一般74s系列电路的tpd小于10ns。,ttl标准与非门的改进型,为降低功耗，提高电路各电阻的阻值,将电阻r5原接地端改接到输出端，减小t3导通时电阻r5上的功耗。为缩短传输延迟时间，用肖特基管和有源泄放电路；还将输入级的多发射极管改用sbd代替。,ttl集成电路产品,系列,名称,特点,54/74系列,ttl通用标准系列,ttl最早产品，中速器件，目前仍使用。,54h/74h系列,ttl快速系列,74系列改进型，速度较74系列高，功耗大。,54s/74s系列,ttl肖特基系列,采用肖特基晶体管和有源泄放回路，速度高，品种较74ls系列少。,54ls/74ls系列,ttl低功耗肖特基系列,目前主要应用的产品，品种齐全，价格低廉。,54as/74as系列,ttl先进的肖特基系列,74s系列的改进产品，速度和功耗得到改进。,54als/74als系列,ttl先进的低功耗肖特基系列,74ls系列的改进产品，速度和功耗有较大改进，但品种少，价格略高。,54f/74f系列,ttl高速系列,与74als及74as产品相当，属高速型产品，品种较少。,2.5其它类型ttl门电路,集电极开路门（oc门）三态输出逻辑门（tsl门）或非门、与或非门和异或门,集电极开路门（oc门）,1,0,两个ttl与非门输出端直接并联，设门1输出高电平、门2输出低电平，则产生一个大电流。,门1输出高电平，t4导通、t5截止。,门2输出低电平，t5导通。,1.抬高门2输出低电平；2.会因功耗过大损坏门电路。注：普通ttl输出端不能直接并联使用。,ucc门1的r5、t4门2的t5产生一个大电流。,当输入端全为高电平时，t2、t5导通，输出f为低电平；,输入端有一个为低电平时，t2、t5截止，输出f高电平接近电源电压uc。,oc门实现与非逻辑功能。,集电极开路门（oc门）,输出低电平0.3v高电平为uc（530v）,逻辑符号：,负载电阻rl的选择,（见课本）,集电极开路门（oc门）,相当于与逻辑,等效逻辑符号,oc门需外接电阻，所以电源ucc可以选5v30v。oc门作为ttl电路可以和其它不同类型、不同电平的逻辑电路进行连接。,集电极开路门（oc门）,当udd=ucc时，如cmos电源电压udd=5v，一般ttl门可以直接驱动cmos门。,ttl电路驱动cmos电路图,当udducc时，如cmos的udd=5v18v，特别是udducc时，可以选用ttl的oc门电路实现电平变换。,在数字设备中，常会碰到用门电路驱动大电流的情况，例如驱动感性器件，利用oc门可以实现大电流的驱动。合理选择uc，使驱动电流小于oc门中t5所能承受的最大值。,集电极开路门（oc门）,驱动干簧继电器的电路连接,驱动脉冲变压器的电路连接,三态输出逻辑门（tsl门）,1,0,输出f端处于高阻状态记为z。,z,tsl门输出具有高、低电平状态外，还有第三种输出状态高阻状态，又称禁止态或失效态。,非门是三态门的状态控制部分,六管ttl与非门,t6、t7、t9、t10均截止,增加部分,低电平使能,高电平使能,三态输出逻辑门（tsl门）,1.实现总线结构,任何时刻只能有一个控制端有效，即只有一个门处于数据传输，其它门处于禁止状态。,2.实现双向数据传输,当e=0时，门1工作，门2禁止，数据从a送到b；,当e=1时，门1禁止，门2工作，数据从b送到a。,三态输出逻辑门（tsl门）,总线,0,1,a=1时，t2、t4导通，t3截止，输出f=0；b=1时，t12、t4导通，t3截止，输出f=0。,或非门、与或非门、异或门,结构：r1、t1、t2构成的电路和r11、t11、t12构成的电路完全相同，t2和t12对应的集电极和发射极并联。,只有当a=b=0时，t2和t12同时截止，才有t4截止，t3、d3导通，输出f=1。电路实现或非逻辑功能。,由于三极管多发射极之间实现与逻辑运算，即a、b之间或c、d之间实现与逻辑运算，整个电路实现与或非逻辑运算。,或非门、与或非门、异或门,结构：将或非门电路中的每个输入端改用多发射极三极管，其余部分相同。,a=b=0：t2、t3导通，t4、t5截止，t7、t9导通，t8、d3截止，因此f=0。,或非门、与或非门、异或门,a=b=1：t1、t2、t3倒置，t6、t7导通，t8、d3截止，因此f=0。,a=0，b=1或a=1，b=0：t1导通，t6截止；t4、t5必有一个导通，t7截止。由于t6、t7同时截止，因此t9截止，t8、d3导通，故f=1。,输出f与输入a、b之间实现异或逻辑：,00,0,1,0110,11,2.6cmos逻辑门电路,cmos反相器,为提高工作速度，降低输出阻抗和功耗，目前广泛采用由pmos和nmos两管组成的互补型mos电路，简称cmos电路。,其它类型的cmos门电路,cmos门电路的改进型,cmos电路的特点,cmos门电路主要参数,mos晶体管的分类1.pmos管pmos管的导电沟道是p沟道，参与导电的多数载流子是空穴。mos管只有当栅极和衬底之间外加一定电压，且栅源电压ugs大于某一值时，才能在漏源之间形成沟道。我们称使漏源之间形成沟道的外加栅源电压，叫mos管的开启电压。pmos管的开启电压utp0。当|ugs|utp|时，pmos管才导通。,2.nmos管nmos管的导电沟道是n沟道，参与导电的多数载流子是电子。nmos管的阈电压ut=utn0。只有当ugsutn时，nmos管才导通。由于它是电子导电，因此，nmos管的工作速度比pmos管高。nmos管的衬底要接电路中最低电位点，pmos管的衬底要接电路中最高电位点。,3.增强型mos管和耗尽型mos管当mos管栅源之间未加任何电压时，漏源之间的衬底表面无沟道形成，只有在栅源之间外加一定电压时，即当ugsut时，才形成沟道，这种mos管叫增强型mos管。反之，当mos管栅源之间未加电压即ugs=0时，就已形成表面沟道的，则称为耗尽型mos管。在数字集成电路中，多采用增强型mos管。,mos管的三个工作区截止区当|ugs|ut|时，mos管处于截止区，id0。恒流区当|ugs|ut|、|uds|ugs|-|ut|时，mos管工作在恒流区。此时id基本上不随uds变化。可调电阻区当|ugs|ut|，且|uds|ut|时，管子导通，导通电阻很小，d、s之间相当开关闭合。当|ugs|ut|时，管子截止，d、s之间相当于开关断开。,nmos,pmos,cmos反相器,1.输入低电平uil=0v:,ugs1ut1,t1截止,|ugs2|ut2,电路中电流近似为零，udd主要降在t1，输出高电平uohudd。,t2导通,2.输入高电平uih=uddt1通、t2止，udd主要降在t2，输出低电平uol0v。,实现逻辑非功能：,两管特性对称，nmos管的衬底接到电路的最低电位，pmos管的衬底接到电路的最高电位。衬底与漏源间的pn结始终处于反偏。,电源电压uddut1+|ut2|，udd适用范围较大(318v)。ut1：nmos的开启电压;ut2：pmos的开启电压。,cmos反相器,ab段：由于ui=ugs1ut1，|ugs2|ut2|，故t1截止，t2导通。输出高电平uohudd。,cd段：ui=ugs1ut1，t1导通。uiudd|ut2|，则|ugs2|ut2|，t2截止。输出低电平uol0v。,电源电压uddut1+|ut2|，t1和t2的参数对称，ut1=|ut2|。ut1：nmos的开启电压;ut2：pmos的开启电压。,bc段：由于ut1uiudd|ut2|，所以ugs1ut1，|ugs2|ut2|，t1和t2同时导通。,t1和t2参数完全对称的情况下，cmos反相器的阈值电压等于电源电压的一半，获得较大的噪声容限。转折区的变化率很大，cmos反相器更接近于理想开关特性。,cmos反相器的电流特性在静态输入时，反相器的电流近似等于0。当cmos反相器输入电压信号改变状态时，无论从逻辑“0”变到逻辑“1”，还是从逻辑“1”变到逻辑“0”，都有一段短暂的过渡时间使vtp管和vtn管同时导通，在电源udd和地之间建立起低阻通道。,cmos反相器的电流特性,3.3.3.cmos反相器的功耗静态功耗ps=iddudd由于静态电流很小，静态功耗也很小。动态功耗pd=cpd(udd)2fi功耗电容cpd20pf。随着工作频率fi的增加，动态功耗也会增加。,3.3.4.cmos反相器的平均传输时间,tpd1,tpd2,cmos反相器,cmos反相器的输出电阻比ttl电路的输出电阻大，容性负载对前者传输延迟时间会产生更大的影响。cmos反相器的输出电阻与uih（uihudd）有关，因此cmos反相器的传输延迟时间与udd有关。根据cmos反相器的互补对称性可知，当反相器接容性负载时，它的导通延迟时间tphl和截止延迟时间tplh是相等的。cmos反相器的平均传输延迟时间约为10ns。,cmos反相器,在每个固定的udd情况下，unl和unh始终相等。国产4000系列cmos电路的测试结果表明，unl=unh30%udd。,随着电源电压udd的增加，噪声容限也相应地变大。为了提高cmos反相器的噪声容限，可以适当提高电源电压udd。,cmos其它逻辑门电路是由nmos管组成的逻辑模块和pmos管组成的逻辑模块连接而成的。每个输入信号同时接一个nmos管和一个pmos管，即nmos管和pmos管永远成对出现。nmos逻辑块按“串与并或”的规律组成，pmos逻辑块按“串或并与”的规律组成。即nmos管串联实现“与”逻辑，nmos管并联实现“或”逻辑。pmos管则刚好相反。,1.cmos与非门,与非门电路结构：,当a和b为高电平时：输出低电平,当a和b有一个或一个以上低电平时：电路输出高电平,结论：电路实现与非逻辑功能。,其它类型的cmos门电路,与非门工作原理：,每个输入端与一对nmos和pmos管的栅极相连。,2.cmos或非门,或非门电路结构：,当a和b为低电平时：输出高电平,当a和b有一个或一个以上高电平时：电路输出低电平,结论：电路实现或非逻辑功能。,其它类型的cmos门电路,或非门工作原理：,当a和b为低电平时，t1和t2截止，t3和t4导通，输出高电平。,a和b有一个或一个以上为高电平时，与高电平相连的nmos管导通、pmos管截止，输出低电平。,每个输入端与一对nmos和pmos管的栅极相连。,3.cmos异或门,a=b=1：tg接通，c=b=1，反相器2的两只mos管都截止，输出f=0。,输入a、b相同,其它类型的cmos门电路,输入a、b不同,a=1，b=0：tg通，f=1；,a=0，b=1：tg断，f=1。,结论：电路实现异或逻辑功能。,0,0,1,1,0,工作原理：,1.c为低电平：t1、t2截止，传输门相当于开关断开。cl上电压保持不变，传输门可以保存信息。,2.c为高电平：t1、t2中至少有一只管子导通，使uo=ui，相当于开关闭合，传输门传输信息。,结论：传输门相当于一个理想的双向开关。,其它类型的cmos门电路,cmos传输门与cmos反相器一样，也是构成各种逻辑电路的一种基本单元电路。,组成：t1是nmos管，t2是pmos管，开启电压分别为ut1、ut2，设udd（ut1+|ut2|），t1和t2的参数对称。有一对互补的电压控制信号，cl为负载电容。,信号特点：cmos传输门的输出与输入端可以互换。一般输入电压变化范围为0udd，控制电压为0或udd。,逻辑符号,门控信号,传输门的导通电阻为几百欧，截止电阻达50m以上，平均延迟时间为几十至一二百ns。,电路结构：,逻辑符号：,其它类型的cmos门电路,控制模拟信号传输的电子开关。开关通与断由数字信号控制。,工作原理：,控制信号c=1时：模拟开关闭合；c=0时，模拟开关断开。传输控制信号高、低电平之间任意大小的模拟电压。,cmos传输门输入和输出关系可以写为f=cs。如果pmos的栅极和控制信号c直接连接，则,cmos传输门和cmos反相器一样，是最基本的cmos单元电路，它和其它cmos门电路一起可以组成各种复杂的cmos逻辑电路。,以下用四个cmos传输门组成的电路的表达式为：,这个电路实际完成了一种多功能逻辑电路。,电路的功能可以如以下的表格所示,在cmos集成电路中有三种输出结构：推挽输出、三态输出和漏极开路输出。推挽输出,一般反相器的输出就是这种结构。nmos管和pmos管轮流工作，形成推挽结构。,三态输出当en0时，vtp和vtn都截止，f为高阻抗,当en1时，输出f的值由另一个输入a来决定。,三态门的基本用途是在数字系统中构成总线(单向总线和双向总线)，以实现用一根导线分时传送多路不同数据信号。,为了使任何时刻只有一个三态门处于工作状态，三态门的控制信号在任一时刻只能是一个控制信号有效。,漏极开路输出在漏极开路输出级中都没有pmos负载管。如图是漏极开路与非门的逻辑图。,必须外接负载电阻才可以工作。漏极开路门的符号：,外接电阻电阻的最小值受与非门低电平输出电流的限制。要保证流入与非门的电流不超过负载电流的允许值。最坏情况：只有一个与非门输出低电平：,电阻最大值主要受输出电容充电时间的限制，不能太大。,漏极开路电路并联后，实现“线与”逻辑：即几个并联输出的相与,“线与”逻辑也相当于“与或非”逻辑。线与逻辑用一级门电路实现了两级门电路（与或非）的逻辑功能。,cmos逻辑根据输入、输出电平的不同分为两大类：1.输入和输出电平都是cmos电平;2.输入电平为ttl电平，输出电平是cmos电平；通常在cmos系列名称中加一个“t”来表示它和ttl电路是兼容的。,cmos门电路的改进型,cmos4000系列ic虽然以其低功耗、高抗干扰能力等独特的优点和完整的系列产品，受到用户的普遍欢迎，发展也相当迅速，但是它的工作速度低，应用范围受到一定限制。在cmos4000系列ic基础上的改进型电路有高速cmos和双极型cmos电路，这两种改进型cmos集成电路的出现是cmos集成电路最重要的突破，改进型的cmos集合了cmos和ttl的优点。,cmos门电路的改进型,cmos4000系列集成电路于60年代开发，70年代逐步完善，由于受到当时工艺条件的限制，该系列用金属栅工艺制造，因此在mos管各极之间存在着较大的寄生电容，这些寄生电容的存在降低了mos管的开关速度。,高速cmos电路从工艺上作了改进：1.采用硅栅工艺制造；2.尽可能地减小沟道的长度；3.缩小mos管的尺寸。使高速cmos的寄生电容减小，高速cmos的开关速度达到标准4000系列的810倍。高速cmos有三种系列：hc系列：输入和输出都是cmos电平，有输出缓冲级。hct系列：输入是ttl电平，输出是cmos电平，且有输出缓冲级。hcu系列：输入和输出都是cmos电平，无输出缓冲。多数产品集中在前两个系列中，hcu系列的产品较少。,cmos门电路的改进型,高速cmos系列电路具有以下特点：1.有简单门到大规模集成电路的全系列产品；2.器件功能、器件引脚与ttl74系列相同；3.电源电压和工作温度范围宽，功耗低，噪声容限高；4.高速cmos门的典型传输延迟为811.5ns，与ttl基本相同，比cmos4000系列提高一个数量级；5.相邻输入端之间电流耦合小，有助于在交通或重工业噪声环境中使用。,cmos门电路的改进型,bi-cmos电路特点：采用cmos电路实现逻辑功能，采用驱动能力强的ttl电路实现输出级。bi-cmos性能特点：具有cmos电路的低功耗，同时具有ttl输出电阻低、负载能力强、传输延迟时间短等特点。,cmos门电路的改进型,1.bi-cmos非门,cmos门电路的改进型,组成：t1和t3是驱动管，t5和t6是输出管，t2和t4分别是t5和t6基极的下拉负载管，形成有源负载。cl为负载电容。,输入高电平：t2、t3和t6导通，t1、t4和t5截止，输出低电平。,输入低电平：t1、t4和t5导通，t2、t3和t6截止，输出高电平。输入与输出之间实现非逻辑。,2.bi-cmos与非门,cmos门电路的改进型,a、b中有低电平：输出高电平。a、b全为高电平：输出低电平。输入与输出之间实现与非逻辑。,3.bi-cmos或非门,cmos门电路的改进型,a、b全为低电平：则t1和t4导通，且t7导通，使得t8导通、t9截止，输出高电平。,a、b中有高电平：输出低电平。a、b全为低电平：输出高电平。输入与输出之间实现或非逻辑。,a、b中有高电平：a为高电平，则有t2、t3导通，t7截止，使得t8截止、t9导通，输出低电平。,cmos电路的特点,1.静态功耗低：小规模约2.55w；中规模约25100w。2.集成度高、温度稳定性好。3.抗辐射能力强：mos管是多数载流子受控导电器件，射线辐射对多数载流子浓度影响不大。4.电源利用率高：逻辑摆幅约等于电源电压，使电源电压得到充分利用。5.扇出系数大。6.电源取值范围宽：国产cc74hc系列电源范围为318v，cc74c系列为715v。7.易受静态干扰：由于输入阻抗高，容易受静电感应，因此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。cmos门电路不用的输入端不能悬空。低速场合可将多余的输入端和有用的信号端并联使用。,cmos门电路主要参数,2.7逻辑门的接口电路,ttl门驱动cmos门,系统设计的需要，将从速度、复杂性和功能等方面选择合适的系列芯片，或者从几种系列中选择性能最佳的芯片，组装起来。在不同逻辑器件混合使用的系统中，常常碰到不同系列逻辑芯片的接口问题。,cmos门驱动ttl门,门电路带负载的接口电路,有两个方面的接口问题需要考虑。1.驱动门为负