第3章集成逻辑门 数字电路逻辑设计 XX理工大学教学课件

08 26 基本内容 3集成逻辑门 教学重点 二极管 三极管 场效应管的开关特性TTL逻辑门外部工作特性CMOS逻辑门外部工作特性 二极管 三极管 场效应管的开关应用电路正确使用TTL逻辑门的方法及其主要参数计算正确使用CMOS逻辑门的方法 08 26 3集成逻辑门 逻辑门分类 利用晶体二极管 三极管 MOS管的开关状态表示逻辑 1 和 0 08 26 3 1二极管与三极管的开关特性 3 1 1二极管的开关特性 1 理想开关特性 2 开关类型 触点 无触点 08 26 1 二极管稳态开关特性 1 二极管的伏安特性曲线 2 二极管开关等效电路 开关闭合 当Ua Ub时 D导通 当Ua Ub时 D截止 开关断开 08 26 uo uo ui 0V时 二极管截止 如同开关断开 uo 0V ui 5V时 二极管导通 如同0 7V的电压源 uo 4 3V 3 与理想开关差异 08 26 1 开关应用电路 理想特性 图3 1 3 2 二极管瞬态开关特性 二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关 当外加电压vi为一脉冲信号时 二极管将随着脉冲电压的变化在 开 态与 关 态之间转换 这个转换过程就是二极管开关的动态特性 2 实际波形特性 图3 1 4 过程及时间 结电容充放电 存储电荷 3 提高速度措施 08 26 1 二极管与门 2 工作原理 DaDb UY UaUb 0003v3v03v3v 3 真值表 状态表 4 输出函数式 Y A B 5 逻辑符号 Y 导通 导通 导通 导通 导通 导通 截止 截止 0 7V 0 7V 0 7V 3 7v AB 1 电路组成 以二输入为例 VCC R A B Da Db 设 VCC 5V UIH 3v UIL 0v 二极管正向压降0 7V 3 二极管开关应用电路 08 26 1 电路组成 以二输入为例 2 工作原理 UaUb0003v3v03v3v 3 真值表 4 输出函数式 Y A B 5 逻辑符号 截止 截止 截止 截止 导通 导通 导通 导通 DaDb UY 2 3v 2 3v 2 3v Y AB 1 0 2 二极管或门 08 26 二极管与门和或门电路的缺点 1 在多个门串接使用时 会出现低电平偏离标准数值的情况 2 负载能力差 08 26 3 1 2三极管的开关特性 1 三极管的三种工作状态 1 截止状态 当VI小于三极管发射结死区电压时 IB ICBO 0 IC ICEO 0 VCE VCC 三极管工作在截止区 对应图1 4 5 b 中的A点 三极管工作在截止状态的条件为 发射结反偏或小于死区电压 08 26 此时 若调节Rb 则IB IC VCE 工作点沿着负载线由A点 B点 C点 D点向上移动 在此期间 三极管工作在放大区 其特点为IC IB 三极管工作在放大状态的条件为 发射结正偏 集电结反偏 2 放大状态 当VI为正值且大于死区电压时 三极管导通 有 08 26 若再减小Rb IB会继续增加 但IC已接近于最大值VCC RC 不会再增加 三极管进入饱和状态 饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES 其典型值为 VCES 0 3V 三极管工作在饱和状态的电流条件为 IB IBS电压条件为 集电结和发射结均正偏 3 饱和状态 保持VI不变 继续减小Rb 当VCE 0 7V时 集电结变为零偏 称为临界饱和状态 对应图 b 中的E点 此时的集电极电流称为集电极饱和电流 用ICS表示 基极电流称为基极临界饱和电流 用IBS表示 有 08 26 08 26 当Ub为高电平UIH时 T饱和 当Ub为低电平UIL时 T截止 开关闭合 开关断开 三极管开关等效电路 理想情况下 2 三极管稳态开关特性 08 26 截止状态 饱和状态 iB IBS ui UIL 0 5V uo VCC ui UIH uo 0 3V 等效电路 08 26 3 三极管瞬态开关特性 开关特性图3 1 13 开关时间 影响因素 三极管结构 结电容 饱和 截止深度等 08 26 Vcc 3 真值表 A01 Y10 4 输出函数式 5 逻辑符号 2 工作原理 注 为了保证在输入低电平时三极管可靠截止 常将电路接成上图形式 由于接入了负电源VEE 即使输入低电平信号稍大于零 也能使三极管的基极为负电位 使三极管可靠截止 输出为高电平 1 电路原理图 Ua 0 3v T 截止 饱和 UY 0 4 三极管非门 08 26 3 2TTL集成逻辑门 1 DTL与非门工作原理 该电路满足与非逻辑关系 即 2TTL集成逻辑门类型 系列 08 26 1 74系列 为TTL集成电路的早期产品 属中速TTL器件 2 74H系列 为高速TTL系列 3 74S系列 为肖特基TTL系列 进一步提高了速度 如图示 4 74LS系列 为低功耗肖特基系列 5 74AS系列 为先进肖特基系列 它是74S系列的后继产品 6 74ALS系列 为先进低功耗肖特基系列 是74LS系列的后继产品 08 26 3 2 1TTL与非门的基本结构及工作原理1 TTL与非门的基本结构 输入级 倒相级 输出级 T1 T2 T3 T4 Y 08 26 2 工作原理 1 输入全为高电平3 6V时 T2 T3导通 VB1 0 7 3 2 1 V 由于T3饱和导通 输出电压为 VO VCES3 0 3V这时T2也饱和导通 故有VC2 VE2 VCE2 1V 使T4和二极管D都截止 实现了与非门的逻辑功能之一 输入全为高电平时 输出为低电平 08 26 2 输入有低电平0 3V时 该发射结导通 VB1 1V 所以T2 T3都截止 由于T2截止 流过RC2的电流较小 可以忽略 所以VB4 VCC 5V 使T4和D导通 则有 VO VCC VBE4 VD 5 0 7 0 7 3 6 V 实现了与非门的逻辑功能的另一方面 输入有低电平时 输出为高电平 3 结论该电路满足与非的逻辑功能 即 08 26 3 电路特点 3 2 2TTL与非门的主要外部特性及参数外部特性 传输特性输入特性输出特性 1 采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程 提高速度 2 采用了推拉式输出级 输出阻抗比较小 可迅速给负载电容充放电 提高负载能力和开关速度 08 26 1 TTL与非门的电压传输特性Vo f Vi 1 传输曲线 08 26 1 输出高电平电压VOH 在正逻辑体制中代表逻辑 1 的输出电压 VOH的理论值为3 6V 产品规定输出高电压值VOH 3V 额定值 2 输出低电平电压VOL 在正逻辑体制中代表逻辑 0 的输出电压 VOL的理论值为0 3V 产品规定输出低电压值VOL 0 35V 额定值 3 关门电平电压VOFF 是指输出电压下降到额定高电平的90 时对应的输入电压 即输入低电压的最大值 在产品手册中常称为输入低电平电压 用VIL max 表示 产品规定VIL max 0 8V 2 主要参数 08 26 4 开门电平电压VON 是指输出电压下降到VOL max 时对应的输入电压 即输入高电压的最小值 在产品手册中常称为输入高电平电压 用VIH min 表示 产品规定 VIH min 1 8V 5 阈值电压Vth 电压传输特性的过渡区所对应的输入电压 即决定电路截止和导通的分界线 也是决定输出高 低电压的分界线 近似地 Vth VOFF VON即Vi Vth 与非门关门 输出高电平 Vi Vth 与非门开门 输出低电平 Vth又常被形象化地称为门槛电压 Vth的值为1 3V 1 V 08 26 6 输入端的噪声容限 低电平噪声容限VNL VOFF VOL max 0 8V 0 3V 0 5V高电平噪声容限VNH VOH min VON 3 6V 1 8V 1 8V TTL门电路的输出高低电平不是一个值 而是一个范围 同样 它的输入高低电平也有一个范围 即它的输入信号允许一定的容差 称为噪声容限 08 26 2 TTL与非门输入特性 1 曲线 电流方向 08 26 等效简化电路如图 输入简化电路如图 近似分析时 常用IIS来代替 IIS是输入短路 UIL 0 时的电流 74系列门电路的每个输入端的IIH 40 A UIL IIL 截止 UIH IIH 导通 be2 be4 2 参数 1 输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低电平 从门电路输入端流出的电流 2 输入高电平电流IIH 是指当门电路的输入端接高电平时 流入输入端的电流 08 26 3 输入负载特性 4 多余输入端处理 2 对于或非门及或门 多余输入端应接低电平 比如直接接地 也可以与有用的输入端并联使用 1 对于与非门及与门 多余输入端应接高电平 比如直接接电源正端 或通过一个上拉电阻 1 3kW 接电源正端 在前级驱动能力允许时 也可以与有用的输入端并联使用 08 26 3 TTL与非门输出特性 08 26 1 输出为低电平时 U0 U0L 0 35V 由于T4管的导通电阻为RON 所以 UOL IOL RON 为了保证UOL 0 35v IOL max 最大灌流 截止 导通 UOL 驱动门 负载门 IIL IIL IOL 08 26 由于T3管的导通电阻为RON 所以 UOH VCC N2 IIH RC3 RON 0 7v 为了保证UOH 2 7v IOH max 最大拉流 2 输出端为高电平时 U0 UOH 2 7v 导通 截止 UOH 驱动门 负载门 IIH IIH IOH 08 26 4 TTL与非门传输延迟时间tpd 导通延迟时间tPHL 从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间 截止延迟时间tPLH 从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间 与非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值 即 一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒 十几个纳秒 08 26 1 灌电流负载 5 带负载能力 NOL称为输出低电平时的扇出系数 当驱动门输出低电平时 电流 IIL 从负载门灌入驱动门 当负载门的个数增加 灌电流增大 会使T3脱离饱和 输出低电平升高 把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL 产品规定IOL 16mA 08 26 2 拉电流负载 NOH称为输出高电平时的扇出系数 产品规定IOH 0 4mA 当驱动门输出高电平时 电流从驱动门拉出 流至负载门的输入端 IIH 拉电流增大时 RC4上的压降增大 会使输出高电平降低 把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH 一般NOL NOH 常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数 用NO表示 08 26 7 TTL与非门 应用举例 7400是一种典型的TTL与非门器件 内部含有4个2输入端与非门 共有14个引脚 引脚排列图如图所示 08 26 3 2 3TTL门电路的其他类型 1 非门 08 26 2 或非门 08 26 3 与或非门 08 26 4 集电极开路门 OC门 1 线与问题 在数字系统中 有些场合需要将门电路的输出端并联使用 即 线与 Y 0 2 OC门 解决上述问题的办法 需要线与时 用OC门 线与 电流大 损坏T4 导通 导通 截止 截止 1 0 IIL 1 结构 但推拉式输出的门电路不能并联 例如 如图所示情形时 门电路会损坏 2 逻辑符号 以OC与非门为例 08 26 3 OC门的使用 使用OC门时 应外接上拉电阻RL和电源VCC 4 线与输出函数式 若电路如图 Y RL VCC 则 与非与 与或非 RL的大小应根据公式计算 通常在1 2K 之间 VCC 的数值根据UOH的需要选定 08 26 OC门主要有以下几方面的应用 1 实现线与 电路如右图所示 逻辑关系为 2 实现电平转换 如图示 可使输出电平提高 3 用做驱动器 如图是用来驱动发光二极管的电路 08 26 1 当输出高电平时 RP不能太大 RP为最大值时要保证输出电压为VOH min 由 OC门进行线与时 外接上拉电阻RP的选择 得 08 26 2 当输出低电平时 RP不能太小 RP为最小值时要保证输出电压为VOL max 由 所以 RP min RP RP max 08 26 1 三态输出门的结构及工作原理 当EN 0时 G输出为1 D1截止 相当于一个正常的二输入端与非门 称为正常工作状态 当EN 1时 G输出为0 T4 T3都截止 这时从输出端L看进去 呈现高阻 称为高阻态 或禁止态 5 三态输出门 08 26 三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用 a 组成单向总线 实现信号的分时单向传送 b 组成双向总线 实现信号的分时双向传送 2 三态门的应用 08 26 5 74LS系列 为低功耗肖特基系列 6 74AS系列 为先进肖特基系列 它是74S系列的后继产品 7 74ALS系列 为先进低功耗肖特基系列 是74LS系列的后继产品 七 TTL集成逻辑门电路系列简介1 74系列 为TTL集成电路的早期产品 属中速TTL器件 2 74L系列 为低功耗TTL系列 又称LTTL系列 3 74H系列 为高速TTL系列 4 74S系列 为肖特基TTL系列 进一步提高了速度 如图示 08 26 3 4MOS逻辑门电路 3 4 1MOS管开关等效电路 理想情况下 当UGS 2v时 当UGS 2v时 2 PMOS管开关等效电路 当UGS 2v时 当UGS 2v时 等效开关图同上 TN截止 1 NMOS管开关等效电路 TN导通 TP导通 TP截止 08 26 工作原理电路 转移特性曲线 输出特性曲线 截止状态 ui UT uo VDD 导通状态 ui UT uo 0 08 26 所以输出为低电平 3 4 2NMOS门电路1 NMOS非门 逻辑关系 设两管的开启电压为VT1 VT2 4V 且gm1 gm2 1 当输入Vi为高电平8V时 T1导通 T2也导通 因为gm1 gm2 所以两管的导通电阻RDS1 RDS2 输出电压为 08 26 2 当输入Vi为低电平0V时 T1截止 T2导通 所以输出电压为VOH VDD VT 8V 即输出为高电平 所以电路实现了非逻辑 2 NMOS门电路 1 与非门 2 或非门 08 26 3 5CMOS门电路 基本电路用TP管和TN管构成 输入脉冲幅度通常为VDD VA 0V TPTN UY VDD 真值表 表达式 Y A 0 VDD VDD 截止 截止 导通 导通 0 TN TP VDD A Y 3 5 1CMOS反向器的工作原理 一 电路结构 二 工作原理 08 26 3 5 2CMOS反向器的外部特性 当UI VDD 2时 U0L 0 当UI VDD 2时 U0H VDD U0 U0 其阈值电平VTH VDD 2 VDD 2 VDD VDD 2 VDD 1 电压传输特性 08 26 由于CMOS反向器的栅极和衬底之间有SiO2绝缘层 所以CMOS反向器正常工作时 有II IG 0成立 但绝缘层非常薄 极易击穿 所以 制作CMOS器件时 集成了 输入保护电路 以保护绝缘层不被击穿 输入保护措施是有限度的 使用时还必须注意器件的正确使用方法 2 输入特性 08 26 由于UGS越大 TN管的导通电阻RON就越小 1 低电平输出特性 U0 U0L时 在同样的IOL值下 VDD越高 使TN管导通时的UGS就越大 其RON就越小 UOL也就越低 VDD UIH UOL IOL RL IOL从负载电路注入TN管 灌流 TN管导通 TP管截止 VDD 5V 10V 15V 3 输出特性 在VDD一定时 IOL UOL 所以IOL max 08 26 2 高电平输出特性 由于UGS越负 TP管的导通电阻RON就越小 U0 U0H时 所以 在同样的IOH值下 VDD越高 使TP管导通时的UGS就越负 其RON就越小 VOH也就越高 UIL UOH IOH RL IOH从TP管流向负载电路 拉流 TP管导通 TN管截止 VDD VDD 5V 10V 15V 在VDD一定时 IOH UOH 所以IOH max 08 26 3 5 4CMOS逻辑门一 与非门 以二输入为例 1 组成 两TP管在上 并联 两TN管在下 串联 2 工作原理 只有当AB同为1 使串联的TN管同时导通时 输出才为0 其它情况输出为1 AB 00 01 10 11 T3PT1PT2NT4N Y B A 功能特点 3 输出逻辑表达式 1 1 1 0 通 通 通 通 通 通 通 通 止 止 止 止 止 止 止 止 08 26 二 CMOS或非门 以二输入为例 3 输出逻辑表达式 Y A B 1 组成 两TP管在上 串联 两TN管在下 并联 2 工作原理 只有当AB同为0 使串联的TP管同时导通时 输出才为1 其它情况输出为0 功能特点 AB 00 01 10 11 T3PT1PT2NT4N Y B A 通止通止 通通止止 止止通通 止通止通 1 0 0 0 A B 08 26 为了克服上述缺点 可在门电路的输入 输出端增设 缓冲器 CMOS门电路的优点 电路结构简单 CMOS门电路的缺点 1 输出电阻RO的大小 受输入端状态的影响 2 输出电平UOL UOH 受输入端数目的影响 缓冲器可由CMOS非门组成 增加缓冲器后 电路的逻辑功能将改变 1 Y A B Y A B 三 带缓冲级的CMOS门电路 08 26 1 CMOS传输门 TG 组成和逻辑符号 如同TTLOC门 CMOSOD门 可用来实现 线与逻辑 工作时 要求UI在0 VDD之间变化 CMOS传输门是双向输入和输出器件 两端可以互易使用 C VI VO VO VI C VI VO VO VI 四 OD门 漏极开路的门电路 3 5 3CMOS传输门 T1 T2截止 传输门截止 08 26 2 CMOS传输门应用举例 利用CMOS传输门和CMOS非门可以组成各种复杂的逻辑电路 当C 0时 SW截止 CMOS双向模拟开关的组成和符号 CMOS三态门电路结构举例见下页 例如做模拟开关 用来传输模拟信号 这是一般的逻辑门无法实现的 C VI VO VO VI C VI VO VO VI 六 CMOS三态输出门 TS门 当C 1时 SW导通 08 26 例1 电路结构见图 工作原理 输出逻辑表达式和图形符号 Y 高阻 CMOS三态输出门 TS门 举例 00 10 11 T1P T1PT2NT2N 10高阻高阻 Y EN A 通止通止 止通止通 通通止止 通通止止 01 08 26 例2 电路结构见图 工作原理 00 10 11 B 1110 T1PT2NT2N Y 高阻高阻01 EN B 输出逻辑表达式和图形符号 Y A 高阻 ENA 止止止通 通通通止 止止通通 EN 1时 EN 0时 01 08 26 例3 电路结构见图 工作原理 TG Y 00 10 11 输出逻辑表达式和图形符号 Y A EN 0时 高阻 EN 1时 01 导通 截止 截止 导通 高阻 高阻 0 1 VCD 08 26 1 CMOS逻辑门电路的系列 1 基本的CMOS 4000系列 2 高速的CMOS HC系列 3 与TTL兼容的高速CMOS HCT系列 2 CMOS逻辑门电路主要参数的特点 1 VOH min 0 9VDD VOL max 0 01VDD 所以CMOS门电路的逻辑摆幅 即高低电平之差 较大 2 阈值电压Vth约为VDD 2 3 CMOS非门的关门电平VOFF为0 45VDD 开门电平VON为0 55VDD 因此 其高 低电平噪声容限均达0 45VDD 4 CMOS电路的功耗很小 一般小于1mW 门 5 因CMOS电路有极高的输入阻抗 故其扇出系数很大