数字电子技术基础-第3章 集成逻辑门电路 2010.3.22

1,第 3 章集成逻辑门电路,(10课时）,2,3.1 概述3.2 半导体二极管门电路3.3 TTL集成门电路3.4 CMOS门电路3.5 各逻辑门的性能比较,3,作业,3-63-83-133-153-20,4,3.1 概述,用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为门电路。常用的门电路有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。从制造工艺方面来分类，数字集成电路可分为双极型、单极型和混合型三类。,5,3.2 半导体二极管门电路 3.2.1正逻辑与负逻辑,在数字电路中，用高、低电平来表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态。获得高、低电平的基本原理电路如图表示。开关S为半导体二极管或三极管，通过输入信号控制二极管或三极管工作在截止和导通两个状态，以输出高低电平。,6,若用高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0，则称这种表示方法为正逻辑；反之，若用高电平表示0，低电平表示1，则称这种表示方法为负逻辑。若无特别说明，本书中将采用正逻辑。,3.2.1正逻辑与负逻辑,7,由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平就可以知道它所表示的逻辑状态了，所以高、低电平都有一个允许的范围。正因如此，在数字电路中无论是对元器件参数精度的要求还是对供电电源稳定度的要求，都比模拟电路要低一些。,正逻辑负逻辑,补充半导体基础知识,8,3.2.2半导体二极管的开关特性,9,3.2.2半导体二极管的开关特性,1. 二极管的符号,10,2. 二极管的伏安特性,600,400,200,0.1,0.2,0,0.4,0.7,50,100,二极管/硅管的伏安特性,V/V,I/mA,正向特性,死区电压,反向特性,反向击穿特性,11,二极管（PN结）的单向导电性：PN结外加正偏电压（P端接电源正极，N端接电源负极）时，形成较大的正向电流，PN结呈现较小的正向电阻；外加反偏电压时，反向电流很小，PN结呈现很大的反向电阻。,2. 二极管的伏安特性-二极管的单向导电性,12,3. 二极管等效电路,图3-5 二极管伏安特性的几种等效电路,13,导通电压VON硅管取0.7V锗管取0.2V,结论：只有当外加正向电压（P极电压大于N极电压）大于VON时，二极管才导通。二极管导通后具有电压箝位作用。,14,4. 二极管的动态特性,在动态情况下，亦即加到二极管两端的电压突然反向时，电流的变化过程如图所示。,15,因为半导体二极管具有单向导电性，即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关。,5. 半导体二极管的开关特性,16,VCC=5V当vI为高电平VIH时，VD可能截止，可能导通，vO为高电平VIH + VON。当vI为低电平VIL时，VD导通，vO= VIH +0.7V，为低电平。,5. 半导体二极管的开关特性,17,3.2.3 二极管与门电路,二极管与门电路及逻辑符号,与门真值表,18,3.2.4二极管或门电路,二极管或门电路及逻辑符号,或门真值表,19,3.3 TTL（Transistor-Transistor-Logic)集成门电路,TTL集成门电路中采用双极型三极管作为开关器件。首先介绍一下双极型三极管。,20,3.3.1 双极型三极管的开关特性,1.双极型三极管的结构双极型三极管具有三个电极，分为NPN型和PNP型两种类型。由于它们在工作时有电子和空穴两种极性不同的载流子参与导电，故称为为双极型三极管。,在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，三个区分别叫发射区、基区和集电区。,引出的三个电极分别为：发射极e 、基极b和集电极c。,基区和集电区形成集电结，发射区和基区形成发射结。,发射结,集电结,22,图3.9 双极型三极管的两种类型,箭头表示PN结的正偏 方向,23,2.双极型三极管的输入特性和输出特性1) 输入特性曲线,共发射极电路。表示输入电压vBE和输入电流iB 之间的特性曲线，称为输入特性曲线。,输入回路,输出回路,24,三极管的输入特性曲线与PN结（二极管）的伏安特性曲线很相似，分析时可采用PN结（二极管）的等效模型。,25,在不同iB值下集电极电流iC和集电极电压vCE之间关系的曲线，称为输出特性曲线。,2) 输出特性曲线,iB取不同值时对应不同的曲线,26,三极管输出特性上的三个工作区,截止区：发射结反偏，集电结反偏,放大区：发射结正偏，集电结反偏,饱和区：发射结正偏，集电结正偏。,27,三极管输出特性上的三个工作区,放大区：iC=iB饱和区：VCES=0.3V截止区：ICEO1A,28,3.双极型三极管的开关电路,用NPN型三极管取代下图中的开关S，就得到了三极管开关电路。,29,当vI为低电平时，三极管工作在截止状态（截止区），输出高电平vOVCC 。,当vI为高电平时，三极管工作在饱和导通状态（饱和区），输出低电平vO0V（VCES ）。,3.双极型三极管的开关电路,三极管相当一个受vI控制的开关,30,双极型三极管的开关等效电路,截止状态 饱和导通状态,31,4. 双极型三极管的动态开关特性,在动态情况下，亦即三极管在截止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，输出电压的变化滞后于输入电压的变化，这种滞后现象是由于三极管的b-e间、c-e间都存在结电容效应的原因。,32,33,4. 三极管非门电路,由三极管开关电路组成的最简单的门电路就是非门电路（反相器）。,当输入A为低电平时，三极管截止，F输出为高电平；当输入A为高电平时，三极管饱和导通，输出F为低电平。实现了逻辑非功能。,34,5. 二极管三极管门电路(1)与非门电路,将二极管与门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了二极管三极管与非门电路。,35,（2）或非门电路,将二极管或门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了二极管三极管或非门电路。,36,3.3.2 TTL与非门的电路结构和工作原理,1.电路结构,输入级V1、R1倒相级V2、R2 、R3输出级V4、V5 、VD3 、R4保护二极管:VD1 、VD2,图3-18所示,37,输入端接有用于保护的二极管VD1和VD2。当输入端加正向电压时，相应二极管处于反向偏置，具有很高的阻抗，相当于开路；如果一旦在输入端出现负极性的干扰脉冲，VD1和VD2便会导通，使A、B两端的电位被钳制在-0.7V左右，以保护多发射极晶体管V1不致被损坏。,38,2.工作原理,任意一个输入端加入低电平，例如A=vI=0.3V，则 vB1= 0.3+0.7= 1V,vB1=1V,V2 、V5 截 止,V4 、VD3导 通,vo= VCC VR2 Vbe4 VVD3 5 0.7 0.7 = 3.6V,F= 1(高电平）,较小,设PN结导通电压为0.7V三极管饱压降为0.3V， 电源电压VCC=5V,39,vB1=2.1V,vo=0.3V,vC2=1V,V2 ,V5导通，三个PN结的箝位作用使vB1=2.1V，V1发射结反偏。,vC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V，不足以使V4 、VD3同时导通,V5导通， V4 、VD3截止， vo=0.3V, F=0 低电平,2）两输入端同时输入高电平，A=B=vI=3.6V，,40,3.其它几个系列与非门的主要区别,（1）CT54H/74H高速系列2输入门 电路中所有的电阻值都减少了。输出级V5管的有源负载改由V3和V4组成的复合管，通常叫做达林顿图腾柱结构，进一步提高了驱动负载的能力和工作速度，但其功耗增加了一倍以上，目前，这类产品的生产已经很少了。,41,图3-19 CT54H/74H高速系列输入与非门,42,2) 肖特基系列2输入与非门。,43,3.3.3 TTL与非门的静态特征,1.电压传输特性如果将图3-18所示与非门的输入A（或B）接高电平3.6V，则输出电压随输入端B（A）所加电压的变化而变化的特征曲线，叫做TTL与非门的电压传输特性。,44,(1)AB段当vI 0.6V时， vb11.3V，V2和V5管都截止，VD3和V4管导通，输出为高电平。 故段称为电压传输特性的截止区。,45,(2) BC段当0.6V vI1.3V时，0.7Vvb11.4V， V2管开始导通，处于放大状态，所以其集电极电压 vC2 和输出电压vO 随输入电压的增高而线性地降低，但V5管仍截止，此段称为线性区。,46,(3)CD段当1.3VvIRON时认为输入为高电平，当RIRon，VOL0 ,(开关闭合),3) MOS三极管的基本开关电路,105,MOS管相当于一个由栅源电压vGS 控制的无触点开关，当输入信号为低电平时，MOS管截止，相当于开关“断开”，输出为高电平；当输入信号为高电平时，MOS管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合”，输出为低电平。图中Ron为MOS管导通时的等效电阻，约为1K。,106,图 3-44 MOS管的开关电路,4) MOS管开关电路的动态特性,107,5) 三极管、 MOS管的比较,电流控制电流源,电压控制电流源,108,3.4.2CMOS反相器的电路结构及工作原理,CMOS反相器是组成CMOS数字集成系统最基本的逻辑单元电路。由NMOS管和PMOS管组合而成。,109,当vI为高电平时，VN导通，VP截止，vO为低电平。当vI为低电平时，VP导通，VN截止，vO为高电平。,由于CMOS反相器工作时总是只有一个管子导通，而另一个管子截止，故通常称之为互补式工作方式，因而把这种电路叫做互补对称式金属-氧化物-半导体电路，简称CMOS电路。,110,3.4.3COMS反相器的传输特性,用以描述COMS反相器输出电量与输入电量之间关系的特性曲线，称为传输特性。输出电压vO随输入电压vI 的变化而变化的关系曲线，叫做电压传输特性。电源流入反相器的功耗电流 IDD与输入电压vI之间的关系曲线，叫做电流传输特性。,111,1. CMOS反相器的电压传输特性,电压传输特性分为5个工作区域：AB段，vI|VTP|，VP管导通，输出为高电平。,112,BC段，vIVTN，VN管开始导通，但vO下降不多，而|vGSP|VTP|，VP管导通，输出为高电平。,113,CD段随着vI的继续升高，输出vO将进一步下降， VN和VP管均导通，并工作在饱和区，所以vO随vI改变而急剧变化，这一区段称为传输特性的转折区或放大区。转折区的中点约在vI =1/2VDD, vO =1/2VDD的位置上。,114,DE段vI继续增加时，vO将进一步下降，VN管进入了低内阻的线性区， VN仍工作在饱和区，输出vO趋于低电平。,115,EF段当输入电压增加到高电平（如VDD）时，VN导通且工作在线性区， |vGSP|=| vI-VDD|VTP| ，VP管截止，输出为低电平，近似为0。,116,CMOS器件的电源电压从3V到18V都能正常工作，当电源电压VDD取不同数值时，CMOS反相器的电压传输特性如图所示。由图可以看出，随着电源电压VDD的增加，其噪声容限VNL和VNH也都相应地增大。,117,2.COMS反相器的电流传输特性,漏极电流iD随输入电压vI的变化而变化的关系曲线，叫做电流传输特性。,118,CMOS反相器在静态工作情况下，无论其输出是低电平或是高电平，其功耗都极小，这是CMOS反相器得以广泛运用的主要原因之一。,119,3.4.4 CMOS与非门及或非门,1.CMOS与非门,当输入A、B中只要有一个输入为低电平时，两个串联的NMOS驱动管中相应的一个截止，两个并联的PMOS负载管相应的一个导通， 输出为高电平,120,只有当A、B的输入同时为高电平时，NMOS管均导通，PMOS管都截止，输出为低电平。,121,2. CMOS或非门,当输入A、B中只要有一个输入为高电平时，两个串联的PMOS驱动管中相应的一个截止，两个并联的NMOS负载管相应的一个导通， 输出为低电平。,只有当A、B的输入同时为低电平时，PMOS管均导通，NMOS管都截止，输出为高电平。,122,3.4.5 CMOS传输门和双向模拟开关,当C为低电平时，VN和VP管均截止，输入与输出之间为高阻状态，相当于开关断开。,123,当C为高电平时，对于0至VDD之间的输入信号，两管总有一个导通，所以vI=vO，相当于开关闭合。,VN管导通条件：,VP管导通条件：,124,由于结构的对称性，传输门可作为双向传输器件使用，即输入和输出可以互换。用CMOS传输门和反相器可构成双向模拟开关。采用数字信号控制，传输模拟信号。,125,当控制端C加高电压平时，开关导通，输入信号vI 便传输到输出端，vIvO；当控制端C加低电平时，输入与输出之间被阻断，输出呈高阻状态，相当于开关断开。,126,3.4.6 CMOS漏极开路门（OD门）,127,3.4.7 CMOS三态门（TS门）,和TTL门电路一样，CMOS电路三态输出门。,1. 在CMOS反相器的基础上增加一个附加的N沟道增强型MOS驱动管VN和一个附加的P沟道增强型MOS负载管VP。,128,三态门原理分析,当使能端为低电平时，VN和VP管导通，电路实现反相功能。（低电平有效）当使能端为高电平时， VN和VP管均截止，电路为高阻状态。,低电平有效,129,2. 在CMOS反相器的输出端串接一个CMOS双向模拟开关实现三态输出。,当使能端为低电平时，TG门导通，电路实现反相功能。（低电平有效）当使能端为高电平时， TG门截止，电路为高阻状态。,130,3. 增加附加管和门电路组成的CMOS三态门,（1）在CMOS反相器的基础上附加一个负载管VP及控制用的或非门。,当使能端为低电平时，或非门打开，VP管导通，F=A。 （低电平有效）当使能端为高电平时， 或非门封锁，电路为高阻状态。,131,(2)在CMOS反相器的基础上附加一驱动管VN 及控制用的与非门，也能组成CMOS三态门。,当使能端为高电平时，与非门打开，VN管导通，F=A。（高电平有效）当使能端为低电平时， 与非门封锁，电路为高阻状态。,高电平有效,132,3.4.8CMOS门电路的构成规律与使用时的注意事项,1. CMOS门电路的构成规律(1) 驱动管串联，负载管并联；驱动管并联，负载管串联。(2) 驱动管先串后并，负载管先并后串；驱动管先并后串，负载管先串后并。 驱动管相串为“与”，相并为“或”，先串后并为先“与”后“或”，先并后串为先“或”后“与”。驱动管组和负载管组连接点引出输出为“取反”。,133,2.使用CMOS集成电路的注意事项,由于CMOS输入端很容易因感应静电而被击穿。使用时要注意以下几点：（1）采用金属屏蔽盒储存或金属纸包装，防止外来感应电压击穿器件。（2）工作台面不宜用绝缘良好的材料，如塑料、橡皮等，防止积累静电击穿器件。,134,(3) 不用的输入端或者多余的门都不能悬空；输出级所连电容负载不能大于500pF，否则，输出级功率过大会损坏电路。(4) 焊接时，应采用20W或25W内热式电烙铁，烙铁要接地良好，烙铁功率不能过大。(5) 调试时，所用仪器仪表、电路箱、板都应良好接地。,135,(6) 严禁带电插、拔器件或拆装电路板，以免瞬态电压损坏CMOS器件。(7) 在CMOS门电路与TTL逻辑电路混用时，一般要注意逻辑电平的匹配。,136,3.5各类逻辑门的性能比较,3.5.1 集成逻辑门系列简介 1. 集成逻辑门系列简介 （1） TTL门电路系列 TTL门电路分为54（军用）和74（商 用）两大系列，每个系列又有若干子系列。,137,74 标准系列74L 低功耗系列74H 高速系列74S 肖特基系列74LS 低功耗肖特基系列74AS 先进的肖特基系列74ALS 先进的低功耗肖特基系列,138,相同品种类型代码的逻辑电路，逻辑功能及引脚排列相同。7400、74LS00、74ALS00、74HC0