第2章_逻辑门电路.pptx

2 数字逻辑电路组成 组合逻辑电路 简称组合电路 时序逻辑电路 简称时序电路 组合电路只是由 逻辑门电路 组成 3 第2章逻辑门电路 逻辑门电路的分类半导体器件的开关特性简单逻辑门电路集成电路的外部特性TTL集成逻辑门电路CMOS集成逻辑门电路 4 逻辑门电路的分类方法 按所采用的半导体器件分类按集成规模的大小分类按设计方法和功能定义分类 5 按所采用的半导体器件分类 双极型采用双极型半导体器件作为元件 速度快 负载能力强 但功耗较大 集成度较低 MOS采用金属 氧化物半导体场效应管作为元件 结构简单 制造方便 集成度高 功耗低 但速度较慢 6 双极型集成电路的种类 晶体管 晶体管逻辑电路TTL速度快 抗干扰能力和负载能力强 有不同型号的系列产品 其 性能价格比 最佳 应用最广泛发射极耦合逻辑电路ECL速度特别快 但工艺复杂 功耗大 抗干扰能力较弱 主要在高速系统中应用集成注入逻辑电路I2L电路结构简单 功耗低 抗干扰能力较差 适合于大规模和超大规模集成电路中应用 7 MOS集成电路的种类 PMOS P沟道MOS 早期产品 不仅工作速度低 而且由于电源电压为负压 构成的逻辑器件兼容性差 很少单独使用 NMOS N沟道MOS 工作速度相对较高 且电源电压为正压 构成的逻辑器件兼容性较好 广泛应用 CMOS 互补MOS 是由PMOS增强型管和NMOS增强型管组成的互补MOS电路 是继TTL电路问世后所开发的第二种广泛应用的电路 以其优越的综合性能被应用于各种不同规模的集成逻辑器件中 8 按集成规模的大小分类 小规模集成电路SSI 100以下个等效门 中规模集成电路MSI 100 999个等效门 大规模集成电路LSI 1000 99999个等效门 超大规模集成电路VLSI 100000个以上等效门 9 按设计方法和功能定义分类 非用户定制电路 Non customdesignIC 亦称标准集成电路 具有生产量大 使用广泛 价格便宜等优点 全用户定制电路 Full customdesignIC 是为了满足用户特殊应用要求而专门生产的集成电路 亦称专用集成电路 具有可靠性高 保密性好等优点 一般设计费用高 销售量小 半用户定制电路 Semi customdesignIC 由厂家设计出功能不确定的集成电路 再由用户根据要求进行适当处理 令其实现指定功能 即由用户通过对已有芯片进行功能定义将通用产品专业化 10 半导体器件的开关特性 晶体二极管晶体三极管MOS管 11 晶体二极管 二极管的伏安特性曲线 二极管最主要的特性是单向导电性 12 晶体二极管的开关特性 静态特性正向导通 相当于开关闭合反向截止 相当于开关断开动态特性开通时间反向恢复时间 13 晶体三极管 三极管的输入特性与输出特性 三极管是一种电流放大器件 14 晶体三极管的开关特性 静态特性截止状态 相当于开关断开 a 饱和状态 相当于开关闭合 b 放大状态动态特性开通时间关闭时间 15 MOS管 NMOS NMOS管的符号G栅极D漏极S源极BN衬底 栅极加高电平 漏极与源极间导通 D S相当于接通的开关 栅极加低电平 漏极与源极间截止 D S相当于断开的开关 16 MOS管 PMOS PMOS管的符号G栅极S源极D漏极Bp衬底 栅极加低电平 源极与漏极间导通 D S相当于接通的开关 栅极加高电平 源极与漏极间截止 D S相当于断开的开关 17 简单逻辑门电路 与门的电子线路与逻辑符号或门的电子线路与逻辑符号非门的电子线路与逻辑符号 18 与门 与门的电子电路 与门的逻辑符号 19 或门的电子电路 或门 或门的逻辑符号 20 非门 反相器 的电子电路 非门 非门的逻辑符号 21 逻辑电平的概念 表示的是一定的电压范围 不是一个固定值 逻辑电平 由半导体电子元器件组成的逻辑电路 表现为 0 和 1 两个不同的状态 常用一个电压范围表示 叫做逻辑0和逻辑1 或叫做0态和1态 统称逻辑电平 逻辑电平不是物理量 而是物理量的相对表示 正逻辑 22 正逻辑与负逻辑 负逻辑 用高电平H表示逻辑值 0 用低电平L表示逻辑值 1 与门电路 用正逻辑描述与门的逻辑功能 结果为与运算 用负逻辑描述 与门 的逻辑功能 结果为或运算 用电平表示与门的功能 23 正逻辑与负逻辑 为便于区分采用何种逻辑 在逻辑符号的输入端上加一个小圆圈表示负逻辑下的门电路符号 24 集成电路的外部特性 标称逻辑电平开门电平VON与关门电平VOFF输入高电平电流 IIH 与输入低电平电流 IIL 输出高电平电流 IOH 与输出低电平电流 IOL 扇入系数Nr扇出系数Nc开门电阻 Ron 与关门电阻 Roff 平均传输延迟时间tpd空载功耗 导通功耗Pon截止功耗Poff 25 主要外特性参数 标称逻辑电平 表示逻辑值1和0的理想电平值 开门电平 VON 表示使输出为低电平时的最小输入高电平值 关门电平 VOFF 表示使输出为高电平时所允许的最大输入低电平值 26 主要外特性参数 扇入系数Nr 器件的输入端数目 一般为1 5 最多不超过8 扇出系数Nc 输出端最多能驱动其它同类门的输入端的个数 标准TTL门为8 27 主要外特性参数 平均传输延迟时间tpd 信号通过实际逻辑门时 输出信号滞后于输入信号的平均时间 平均时延反映了门电路的工作速度 28 TTL集成逻辑门电路 典型TTL与非门及其外特性参数TTL集成电路芯片集电极开路门 OC门 三态输出门 TS门 29 TTL与非门电路 TTL与非门的电子电路 30 TTL与非门电压传输特性 TTL门电路标称逻辑电平 V 1 5VV 0 0V 高电平VH电压范围为2V 5V 额定值为3 6V低电平VL电压范围为0V 0 8V 额定值为0 2V 阈值电压VT 1 4V 开门电平VON 3V关门电平VOFF 0 4V TTL与非门抗干扰能力 31 31 Voff VSH Von VSL 低电平噪声容限VNL VNL VOL VSL 高电平噪声容限VNH VNH VSH VOH 标准高电平 标准低电平 32 TTL与非门扇入系数 一般Nr 5 最多不超过8 当需要的输入端数超过Nr时 可以用与扩展器来实现 扇入系数Nr 门电路的输入端数 33 其中IOLmax为最大允许灌电流 IIL是一个负载门灌入本级的电流 1 4mA TTL与非门扇出系数 扇出系数Nc是在保证门电路输出正确的逻辑电平和不出现过功耗的前提下 其输出端允许连接的下一级同类门输入端的个数 一般Nc 8 Nc越大 表明门的负载能力越强 34 TTL与非门平均传输延迟时间 平均传输延迟时间是衡量门电路运算速度的重要指标 当输入端接入输入信号后 需要经过一定的时间tpd 才能在输出端产生对应的输出信号 平均传输延迟时间 35 35 导通延迟时间tPHL 输入波形上升沿的50 幅值处到输出波形下降沿50 幅值处所需要的时间 截止延迟时间tPLH 从输入波形下降沿50 幅值处到输出波形上升沿50 幅值处所需要的时间 平均传输延迟时间tpd 通常tPLH tPHL tpd越小 电路的开关速度越高 一般tpd 10ns 40ns 36 TTL与非门集成电路芯片 TTL与非门集成电路芯片种类很多 常用的TTL与非门集成电路芯片有7400和7420等 UCC为电源引脚 GND为接地脚 NC为空脚 37 TTL集成电路芯片命名方式 38 TTL集成电路芯片封装形式 双列直插封装 DIP 扁平封装 QFP 阵列封装 针式阵列 PGA 球栅阵列 BGA 39 集电极开路门 OC门 在实际应用中 如果能将两个与非门的输出端直接对接 则可以实现与逻辑功能 然而 当将两个TTL 与非 门输出端直接并联时 会产生一个大电流 抬高其中一个门输出低电平 而且会因功耗过大损坏门器件 为了使TTL门电路能够实现 线与 TTL系列产品中专门设计了一种输出端可以直接相互连接的特殊逻辑门 线与 40 集电极开路与非门 逻辑符号 电子电路 41 OC门可实现 线与 逻辑 42 三态逻辑门 TS门 TS门有三种输出状态 三态门不是指具有三种逻辑值 43 三态门 三态门经常作为输出级与其它逻辑电路集成为一个逻辑器件最简单的器件有三态恒等门 三态非门 三态与非门等 商品名称为缓冲器 驱动门 如何使电路处在工作状态和禁止状态 通过外加控制信号 44 在一般与非门的基础上 附加使能控制端和控制电路 三态输出与非门 EN 0输出F A BEN 1输出F便被悬空 即处于高阻状态 电路逻辑功能如下 三态门使能端的两种控制方式 45 45 低电平使能 高电平使能 46 三态门应用 三态门的重要用途就是使多个发送信号的部件可以共用总线传输数据 实际的系统中 总线是由多条传输线组成 可以并行传送多位信号 每一输出端应通过一个三态门与一条传输线相连接 在比较复杂的系统中 三态门是一种扩展逻辑功能的输出级 也是一种控制开关 三态门的应用之一 47 三态门广泛用于数据总线结构 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 三态门的应用之二 48 双向传输 当E 0时 门1工作 门2禁止 数据从A送到B E 1时 门1禁止 门2工作 数据从B送到A 49 CMOS集成逻辑门电路 CMOS反相器CMOS传输门TGCMOS与非门 50 PMOS NMOS CMOS反相器 CMOS传输门TG 51 传输门工作原理 52 当C为低电平时 TN TP截止 传输门相当于开关断开 传输门保存信息 当C为高电平时 TN TP中至少有一