数字电子技术基础 第三章%281%29.ppt

PanHongbingVLSIDesignInstituteofNanjingUniversity 数字电子技术基础第三章门电路 2 1概述 常用的门电路在逻辑功能上有 与门 或门 非门 与非门 或非门 与或非门 异或门等几种 图3 1 1获得高 低电平的基本原理 单开关电路互补开关电路 图3 1 2正逻辑与负逻辑 一些概念 1 片上系统 SoC 2 双极型TTL电路3 CMOS1961年美国TI公司 第一片数字集成电路 IntegratedCircuits IC VLSI VeryLargeScaleIntegration 3 2半导体二极管门电路 3 2 1半导体二极管的开关特性 图3 2 1二极管开关电路 图3 2 2二极管的伏安特性 可近似用PN结方程和下图所示的伏安特性曲线来描述 其中 i为流过二极管的电流 v为加到二极管两端的电压 图3 2 3二极管伏安特性的几种近似方法 图3 2 4二极管的动态电流波形 3 2 2二极管与门 缺点 1 输出的高 低电平数值和输入的高 低电平数值不相等 相差一个二极管的导通压降 2 输出端对地接上负载电阻时 负载电阻的改变有时会影响输出的高电平 一般仅用作集成电路内部的逻辑单元 3 2 3二极管或门 存在输出偏移的问题 只用于集成电路内部的逻辑单元 无法制作具有标准化输出电平的集成电路 3 3CMOS门电路 3 3 1MOS管的开关特性在CMOS集成电路中 以金属 氧化物 半导体场效应晶体管 Metal Oxide SemiconductorField EffectTransistor 简称MOS管 作为开关器件 一 MOS管的结构和工作原理 图3 3 1MOS管的结构和符号 二 MOS管的输入特性和输出特性 图3 3 2MOS管共源接法及其输出特性曲线 a 共源接法 b 输出特性曲线 几个概念 1 截止区 2 可变电阻区3 恒流区 图2 2 13MOS管的转移特性 三 MOS管的基本开关电路 图3 3 4MOS管的基本开关电路 四 MOS管的开关等效电路 图3 3 5MOS管的开关等效电路 a 截止状态 b 导通状态 五 MOS管的四种类型 1 N沟道增强型2 P沟道增强型3 N沟道耗尽型4 P沟道耗尽型 图3 3 6P沟道增强型MOS管 图3 3 7P沟道增强型MOS管的漏极特性 图3 3 8用P沟道增强型MOS管接成的开关电路 图3 3 9N沟道耗尽型MOS管的符号 图3 3 10P沟道耗尽型MOS管的符号 基本概念 1 夹断电压2 电压极性 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 一 CMOS反相器的电路结构 图2 6 1CMOS反相器 a 结构示意图 b 电路图 二 电压传输特性和电流传输特性 图3 3 12CMOS反相器的电压传输特性 基本概念 反相器的阈值电压 图3 3 13CMOS反相器的电流传输特性 三 输入端噪声容限 三 输入端噪声容限 图3 3 15不同VDD下CMOS反相器的噪声容限 图3 3 15CMOS反相器输入端噪声容限与VDD的关系 越高 噪声容限越大 3 3 3CMOS反相器的静态输入特性和输出特性 一 输入特性 图3 3 16CMOS反相器的输入保护电路 a CC4000系列的输入保护电路 b 74HC系列的输入保护电路 图3 3 17CMOS反相器的输入特性 a 图3 3 17 a 电路的输入特性 b 图3 3 17 b 电路的输入特性 二 输出特性 1 低电平输出特性 图3 3 18vO VOL时CMOS反相器的工作状态 图3 3 19CMOS反相器的低电平输出特性 2 高电平输出特性 图3 3 20vO VOH时CMOS反相器的工作状态 图3 3 21CMOS反相器的高电平输出特性 3 3 4CMOS反相器的动态特性 一 传输延迟时间tPHL tPLH 图3 3 22CMOS反相器传输延迟时间的定义 传输延迟时间 输出电压变化落后于输入电压变化的时间 tPHL 输出由高电平跳变为低电平的传输延迟时间 tPLH 输出由低电平跳变为高电平的传输延迟时间 tPD 经常用平均传输延迟时间tPD来表示tPHL和tPLH 通常相等 二 交流噪声容限 图3 3 23CMOS反相器的交流噪声容限 反相器对窄脉冲的噪声容限 交流噪声容限远高于直流噪声容限 交流噪声容限受电源电压和负载电容的影响 三 动态功耗 动态功耗 当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转变到另一种稳定的过程中 将产生附加的功耗 PD PC PTPD为总动态功耗PC为对负载电容充放电所消耗的功率PT为两个MOS管在短时间内道童所消耗的瞬时导通功耗 图3 3 24CMOS反相器对负载电容的充 放电电流 三 动态功耗 图3 3 26CMOS反相器的静态漏电流 a vI 0 b vI VDD 三 动态功耗 PC 负载电容充放电功耗CL 负载电容f 1 T为输入信号的重复频率VDD 电源电压 PT 瞬时导通功耗CPD 功耗电容 由制造商给出 不是一个实际的电容 f 1 T为输入信号的重复频率VDD 电源电压 例3 3 1P91 3 3 5其他类型的CMOS门电路 一 其他逻辑功能的CMOS门电路反相器 或非门 与非门 或门 与或非门 异或门等 图3 3 27CMOS与非门 图3 3 29带缓冲级的CMOS与非门电路 输入端增设反相器作为缓冲器 图3 3 28CMOS或非门 图3 3 30带缓冲级的CMOS或非门电路 二 漏极开路输出门电路 OD门 为了满足输出电平变换 吸收大负载电流以及实现线与连接等需要 图3 3 31漏极开路输出的与非门CC40107 例3 3 2P96 RL不能过大也不能过小 计算方法如下 RL VDD VOL IOL max m IIL 三 CMOS传输门 图3 3 35CMOS传输门的电路结构和逻辑符号 图3 3 36CMOS传输门中两个MOS管的工作状态 图3 3 38CMOS双向模拟开关的电路结构和符号 图3 3 39CMOS模拟开关接负载电阻的情况 C 0时Vo 0 C 1时Vo RL Vi RL RTG RTG越小越好 并且希望不受输入电压变化 四 三态输出的CMOS门电路 图3 3 40CMOS三态门电路结构之一 高阻态 此电路结构总是接在集成电路的输出端 图3 3 xxCMOS三态门电路结构之二 a 用或非门控制 b 用与非门控制 图3 3 xxCMOS三态门电路结构之三 可连接成总线结构 还能实现数据的双向传输 3 3 6CMOS电路的正确使用 一 输入电路的静电防护1 在存储和运输CMOS器件时最好采用金属屏蔽层作包装材料 避免产生静电 2 组装 调试时 应使电烙铁和其他工具 仪表 工作台面等良好接地 操作人员的服装 手套等选用无静电的原料制作 3 不用的输入端不应悬空 二 输入电路的过流保护 由于输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限 一般为1mA 1 输入端接低内阻信号源时 串保护电阻 2 输入端有大电容时 串保护电阻 3 输入端接长天线时 串保护电阻 三 CMOS电路锁定效应的防护 锁定效应 Latch Up 又称可控硅效应 是CMOS电路中的一个特有的问题 发生锁定效应后会造成器件永久失效 寄生三极管由寄生三极管形成的可控硅效应 保护措施 1 在输入和输出端设置钳位电路 2 在电源输入端加去耦电路 3 当系统由几个电源分别供电时 各电源的开 关顺序必须合理 3 3 7CMOS集成电路的各种系列 4000系列HC HCT系列AHC AHCT系列VHC VHCT系列LVC系列ALVC系列 3 4其他类型的MOS集成电路 3 4 1PMOS电路是最初的MOS电路 采用P沟道MOS管组成 两个严重的缺点 1 工作速度比较低 2 使用负电源 输出电平为负 不便与TTL电路连接 3 4 2NMOS电路增强型负载耗尽型负载 又称为HMOS电路 3 5TTL门电路 3 5 1双极型三极管的开关特性一 双极型三极管的结构 图3 5 1双极型三极管的两种类型 a NPN型 b PNP型 二 双极型三极管的输入特性和输出特性 图3 5 2双极型三极管的特性曲线 a 输入特性曲线 b 输出特性曲线 饱和区 截至区 三 双极型三极管的基本开关电路 图3 5 3双极型三极管的基本开关电路 图3 5 4用图解法分析图2 2 7电路 a 电路图 b 作图方法 负载线 四 双极型三极管的开关等效电路 图3 5 5双极型三极管的开关等效电路 a 截止状态 b 饱和导通状态 五 双极型三极管的动态开关特性 图3 5 6双极型三极管的动态开关特性 三极管在截至与饱和导通两种状态间迅速转换时 三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间 存在输出对应输入的滞后 六 三极管反相器 P114图3 5 7例3 5 1P115计算电路设计是否合理 3 5 2TTL反相器的电路结构和工作原理 一 电路结构 图3 5 9TTL反相器的典型电路 TTL电路 三极管 三极管逻辑电路 Transistor TransistorLogic 二 电压传输特性 图3 5 10TTL反相器的电压传输特性 AB段 截止区 BC段 线性区 CD段 转折区 中点为阈值电压或门槛电压VTH DE段 饱和区 三 输入端噪声容限 3 5 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 一 输入特性 图3 5 11TTL反相器的输入端等效电路 图3 5 12TTL反相器的输入特性 二 输出特性 1 高电平输出特性 图3 5 13TTL反相器高电平输出等效电路 图3 5 16TTL反相器高电平输出特性 2 低电平输出特性 图3 5 15TTL反相器低电平输出特性 图3 5 16TTL反相器低电平输出特性 例3 5 2计算G1门可驱动多少同样的门电路负载 三 输入端负载特性 图3 5 19TTL反相器输入端负载特性 图3 5 18TTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路 例3 5 3计算Rp的最大允许值 3 5 4TTL反相器的动态特性 图3 5 21TTL反相器的动态电压波形 一 传输延迟时间 74系列从导通转换到截止时的开关时间较长 tPLH略大于tPHL 如SN7404的典型参数 tPHL 8nstPLH 12ns 二 交流噪声容限 a 正脉冲噪声容限 b 负脉冲噪声容限 图3 5 22TTL反相器的交流噪声容限 三 电源的动态尖峰电流 图3 5 23TTL反相器电源电流的计算 a vO VOL的情况 b vO VOH的情况 图3 5 24TTL反相器的电源动态尖峰电流 图3 5 25TTL反相器电源尖峰电流的计算 图3 5 26电源尖峰电流的近似波形 例3 5 4计算f 5MHz下电源电流的平均值 P127 3 5 5其他类型的TTL门电路 一 其他逻辑功能的门电路1 与非门 图3 5 27TTL与非门电路 图3 5 28多发射极三极管 a 结构示意图 b 符号及等效电路 2 或非门 图3 5 29TTL或非门电路 3 与或非门 图3 5 30TTL与或非门 4 异或门 图3 5 31TTL异或门 二 集电极开路输出的门电路 OC门 图3 5 32推拉式输出级并联的情况 为了实现线与 输出级采用集电极开路的三极管结构 图3 5 33集电极开路与非门的电路和图形符号 图3 5 34OC门输出并联的接法及逻辑图 例3 5 5P133 P134求RL和合适取值 三 三态输出门电路 TS门 图3 5 38三态输出门的电路图和图形符号 a 控制端高电平有效 b 控制端低电平有效 3 5 6TTL数字集成电路的各种系列 最初 TI公司的54 74基本系列 74H 74L 74S 74LS 74ALS 74F等改进系列 图3 5 xx74H系列与非门 74H00 的电路结构 图3 5 39抗饱和三极管 优点 减少传输延时 缺点 增加了电路功耗 增大了输出低电平 最大可到0 5V左右 图3 5 4074S系列与非门 74S00 的电路结构 图3 5 4174S系列反相器的电压传输特性 图3 5 4274LS系列与非门 74LS00 的电路结构 采用大幅提高电路中电阻阻值的方法降低功耗 相比74S 74LS系列降低了80 的功耗 3 6其他类型的双极型数字集成电路 除了TTL电路外 还有 二极管 三极管逻辑 Diode TransistorLogic DTL 高阈值逻辑 HighThresholdLogic HTL 发射极耦合逻辑 EmitterCoupledLogic ECL 集成注入逻辑 IntegratedInhactionLogic I2L 3 6 1ECL电路 一 ECL电路的结构与工作原理非饱和型的高速逻辑电路 是发射极耦合逻辑电路 问 为什么D1 D2能做温度补偿 图3 6 1ECL或 或非门的电路及逻辑符号 图3 6 2ECL或 或非门的电压传输特性 二 ECL电路的主要特点 优点 一 目前工作速度最快 二 输出内阻低 带负载能力强 三 设有互补输出端 可将输出端并联实现线与 缺点一 功耗大 二 输出电平稳定性差 三 噪声容限比较低 3 6 2I2L电路 一 I2L电路的结构与工作原理 图3 6 3I2L电路的基本逻辑单元 a 结构和电路图 b 简化的电路图 图3 6 4I2L或 或非门电路 I2L电路的主要特点 优点 一 电路结构简单 二 各逻辑单元之间不需要隔离 三 I2L电路能够在低电压 微电流下工作 缺点 一 抗干扰能力差 二 开关速度较慢 3 7Bi CMOS电路 是双极型 CMOS Bipolar CMOS 电路的简称 图3 7 1Bi CMOS反相器 a 最简单的电路结构 b 常用的电路结构 图3 7 2Bi CMOS与非门电路 图3 7 3Bi CMOS或非门电路 3 8TTL电路与CMOS电路的接口 图3 8 1驱动门与负载门的连接 必须同时满足下列各式 VOH min VIH min VOL max VIL max IOH max nIIH max IOL max m IIL max 一 用TTL电路驱动CMOS电路 图3 8 3用接入上拉电阻提高TTL电路输出的高电平 二 用CMOS电路驱动TTL电路 图3 8 4通过电流放大器驱动TTL电路 从XILINXXPowerEstimator谈起 FPGAXILINX Field ProgrammableGateArray 即现场可编程门阵列 目前以硬件描述语言 Verilog或VHDL 所完成的电路设计 可以经过简单的综合与布局 快速的烧录至FPGA上进行测试 是现代IC设计验证的技术主流 ALTERA QuartusII XILINX ISE Package 芯片封装 DIP双列直插式封装 DualInlinePackage 中 小规模芯片封装 100pin以下 PQFP PFP组件式封装 PlasticQuadFlatPackage 大规模到超大规模芯片封装 必须用SMD 表面安装设备技术 将芯片与主板焊接起来 PGA插针网格阵列封装 BGA球栅阵列封装 封装形式有数十种 芯片封装图片 DIP双排引脚 塑封直插式 TSSOP 塑封贴片状 比SOP更薄 脚更密 QFP 塑封贴片状 四面脚 脚向外翻 PGA 脚为阵列式针状 脚位全部向下 BGA 无引脚 脚为锡点式 各种I O接口标准 LVDS LVDS Low VoltageDifferentialSignaling低压差分信号1994年由美国国家半导体公司提出的一种信号传输模式 是一种电平标准 广泛应用于液晶屏接口 它在提供高数据传输率的同时会有很低的功耗 另外它还有许多其他的优势 1 低电压电源的兼容性2 低噪声3 高噪声抑制能力4 可靠的信号传输5 能够集成到系统级IC内使用LVDS技术的的产品数据速率可以从几百Mbps到2Gbps 它是电流驱动的 通过在接收端放置一个负载而得到电压 当电流正向流动 接收端输出为1 反之为0他的摆幅为250mv 450mv 各种I O接口标准 LVCMOS LVCMOSCMOS ComplementaryMetalOxideSemiconductorPMOS NMOSVcc 5V VOH 4 45V VOL 3 5V VIL 3 2V VOL 2 0V VIL 2V VOL 1 7V VIL 0 7V CMOS使用注意 CMOS结构内部寄生有可控硅结构 当输入或输入管脚高于VCC一定值 比如一些芯片是0 7V 时 电流足够大的话 可能引起闩锁效应 导致芯片的烧毁 各种I O接口标准 LVPECL ECL EmitterCoupledLogic发射极耦合逻辑电路 差分结构 Vcc 0V Vee 5 2V VOH 0 88V VOL 1 72V VIH 1 24V VIL 1 36V 速度快 驱动能力强 噪声小 很容易达到几百M的应用 但是功耗大 需要负电源 为简化电源 出现了PECL ECL结构 改用正电压供电 和LVPECL PECL Pseudo PositiveECLVcc 5V VOH 4 12V VOL 3 28V VIH 3 78V VIL 3 64VLVPELC LowVoltagePECLVcc 3 3V VOH 2 42V VOL 1 58V VIH 2 06V VIL 1 94VECL PECL LVPECL使用注意 不同电平不能直接驱动 中间可用交流耦合 电阻网络或专用芯片进行转换 以上三种均为射随输出结构 必须有电阻拉到一