第二章-逻辑门电路.ppt

,第二章逻辑门电路,Chapter2LogicGateCircuits,第二章逻辑门电路,数字电子技术,2.1,概述,2.1概述,数字电子技术,1、用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路。2、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。3、在电子电路中，用高、低电平分别表示1、0两种二值逻辑状态，此为正逻辑，否则为负逻辑。如图2.1.1所示。,数字电子技术,2.1概述,图2.1.1正逻辑和负逻辑,对元、器件参数精度和电源稳定度较模拟电路低一些。,数字电子技术,2.1概述,图2.1.2获得高、低电平的基本原理,(a)单开关电路,(b)互补开关电路,4、获得高、低电平的基本原理如图2.1.2所示。,缺陷？,2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,一、半导体二极管的开关特性,图2.2.1二极管开关电路结构及电路示意,VON:硅0.60.7V;锗0.20.3V,2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,(a),图2.2.2二极管伏安特性的几种近似方法（静态分析）(a)Von和rD均不可忽略(b)Von不可忽略(c)Von和rD均可忽略,(b),(c),2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,图2.2.3二极管的动态电流波形,V,2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,二、半导体三极管的开关特性,1、三极管的特点：,图2.2.4双极型(NPN)三极管的输出特性曲线,思考：模电和数电的区别？,2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,2、三极管开关电路分析：,图2.2.5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,(a),(b),2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,3、三极管开关电路动态分析：,图2.2.6双极型三极管的动态开关特性（结电容效应）,2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术基础,三、MOS管的开关特性,1、MOS管的结构：,图2.2.7MOS管的结构和符号,VGS(TH):14V,2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,2、MOS管的输入特性和输出特性：,图2.2.8MOS管共源接法和输出特性曲线（a）共源接法（b）输出特性曲线,恒流区,截止区,可变电阻区,2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,3、MOS管的基本开关电路：,图2.2.9MOS管的基本开关电路及其等效电路,2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,4、MOS管的四种类型（列表）：,2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,4、MOS管的四种类型（续）：,2.2半导体器件的开关特性,数字电子技术,2.3,分立元件门电路,2.3分立元件门电路,数字电子技术,一、二极管与门,图2.3.1二极管与门,2.3分立元件门电路,数字电子技术,二、二极管或门,图2.3.2二极管或门,2.3分立元件门电路,数字电子技术,三、三极管非门（反相器）,图2.3.3三极管非门（反相器）,2.3分立元件门电路,数字电子技术,四、其它电路,图2.3.4与非门电路,2.3分立元件门电路,数字电子技术,思考：如何用分立元件画出与或非门、异或门和同或门的电路图？,图2.3.5或非门电路,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,2.4.1集成电路概述,目前，数字电路中，集成电路已几乎取代了分立元件电路。所谓集成电路，即把电路中的半导体器件、电阻、电容及连线等制作在一个半导体基片上，构成一个完整的电路，并封装在一个管壳内。集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、功耗小、成本低、工作速度高。通常把一个封装内含有等效逻辑门的个数或元器件的个数定义为集成度。,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,图2.4.1集成电路图例,亚微米(0.5到1微米)深亚微米(小于0.5m)超深亚微米(小于0.25m，目前已经到了0.03m)。,集成电路工艺特征尺寸,单个芯片上的晶体管数,集成电路芯片面积,集成电路的电源电压,集成电路的时钟频率,平均每个晶体管价格,SSI-MSI-LSI-VLSI-ULSI-GSI-SOC,集成电路发展的规模,集成电路发展,集成电路的迅速发展，关键就在于集成电路的布图设计水平的迅速提高，集成电路的布图设计由此而日益复杂而精密。这些技术的发展，使得集成电路的发展进入了一个新的发展的里程碑。,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,数字集成电路按输出结构分可分为：#推拉式输出或CMOS反相器输出#OC输出或OD输出三态输出,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,数字集成电路按制造工艺不同可分为：双极型：*TTL常用之一，速度较快，功率较大；*HTL抗干扰强，速度低；*ECL速度快，功耗大；*IIL集成度很大，功耗最低，抗干扰差，速度低；MOS型：*CMOS常用之一，低功耗，抗干扰能力强；*NMOS*PMOSBi-CMOS型：功率小，输出阻抗小。,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,2.4.2TTL集成门电路,（一）TTL集成门电路的结构,图2.4.2TTL集成门电路结构图,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,1、输入级形式（一）,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,1、输入级形式（二）,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,2、中间级形式,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,3、输出级形式（一）,输出电阻很低；输出高低电平固定；驱动能力较弱。,输出电平可变；驱动能力增强；可“线与”。,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,3、输出级形式（二）,达林顿结构,可加速开关过程；输出电阻减小，速度增快；静态功耗增加，驱动能力增强。,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,一、TTL反相器,（二）几种典型的TTL集成门电路,A,A,电路结构,2.3双极型集成门电路,数字电子技术,一、TTL反相器,电压传输特性,2.3双极型集成门电路,数字电子技术,一、TTL反相器,输入噪声容限,噪声容限：在保证输出高、低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度）的条件下，允许输入电平有一定的波动范围。,74系列门电路输入高电平和低电平时的噪声容限分别为：VNH=VOH(min)-VIH(min)=0.4VVNL=VIL(max)-VOL(max)=0.4V,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,二、TTL集成与非门,AB,AB,悬空？,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,三、其它逻辑功能的TTL门电路,A,B,A+B,或非门,1、几种复合门电路,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,AB,CD,AB+CD,与或非门,2.4双极型集成门电路,数字电子技术基础,AB,异或门,AB,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,2、集电极开路（OC）与非门,图2.4.3推拉式输出级并联的情况,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,图2.4.4OC门与非门电路结构及国标符号,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,图2.4.5OC门输出并联的接法和逻辑图,2.3双极型集成门电路,数字电子技术,工作时需外接负载电阻（RL）和电源（Vcc）;可根据要求选择电源，灵活得到下级电路所需电压;可将OC门输出端直接并联，进行“线与”；有些OC门的输出管设计尺寸较大，足以承受较大电流和较高电压，可以直接驱动小型继电器。,集电极开路（OC）门的特点,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,3、三态输出门,使T4也截止，输出呈高阻态,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,图2.4.6三态与非门的电路结构和逻辑符号（a）高电平有效三态门（b）低电平有效三态门,使T4也截止，输出呈高阻态,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,图2.4.7用三态输出门接成总线结构,图2.4.8用三态输出门实现数据的双向传输,2.3双极型集成门电路,数字电子技术,三态：低电平、高电平、高阻;可实现在同一根导线上分时传送若干门电路的输出信号（即接成总线结构）;可做成单输入、单输出的总线驱动器；还可实现数据的双向传输等。,三态门（TS）的特点,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,2.4.3ECL门电路（*）,一、ECL（EmitterCoupledLogic）门电路的基本单元：,图2.4.9ECL门电路的基本单元（差动放大器）,T1、T3均工作在非饱和状态,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,二、四输入ECL或/或非门电路介绍：,图2.4.10ECL或/或非门的电路及逻辑符号,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,三、ECL门电路的主要特点：,优点：由于三极管导通时为非饱和状态，所以其工作速度是各种集成门电路中最高的一种，tpd可缩短至2ns以下。电路中电阻取值较小，逻辑电平摆幅小(0.8V)，或/或非互补输出，使用方便、灵活。输出采用射随器，所以输出阻抗低、带负载能力强。由于在开关工作状态下的电源电流基本不变，所以电路内部的开关噪声很低。,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,缺点：噪声容限低。电路功耗大。输出电平的稳定性较差。,目前，ECL电路的产品只有中、小规模的集成电路，主要用在高速、超高速的数字系统和设备当中。,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,2.4.4IIL门电路（*）,一、（IntegratedInjectionLogic）电路简介：,电路的基本单元是由一只NPN多集电极三极管构成的反相器，反相器的偏流由另一只PNP三极管提供。,图2.4.11IIL电路的基本逻辑单元,2.4双极型集成门电路,数字电子技术,二、电路的主要特点：,优点：1）电路结构简单，这样节省了硅片面积又降低了功耗；2）各逻辑单元之间无需隔离，这样简化了工艺，省了片上的隔离槽，使集成度大大提高；3）IIL电路能够在低电压、微电流下工作。正因为此，IIL是目前双极型电路中功耗最低的一种，且其集成度可相当大。另外，IIL还可以与TTL电平相兼容，工艺也兼容。,缺点：1）抗干扰能力差（）；2）开关速度较慢（饱和型电路，）。,目前，IIL电路主要用于制作大规模集成电路的内部逻辑电路。,2.5MOS型门电路,数字电子技术,2.5.1CMOS门电路,CMOS（Complementary-SymmeteryMetalOxideSemiconductor）即“互补对称金属氧化物半导体”，由于CMOS电路中巧妙的利用了N沟道增强型MOS管和P沟道增强型MOS管特性的互补性，因而不仅电路结构简单，而且具有低功耗、抗干扰能力强等突出特点，且其工作速度也在逐步提高。正因如此，CMOS电路的制作工艺在数字集成电路中得到了广泛应用。,2.5MOS型门电路,数字电子技术,一、CMOS非门（反相器）,图2.5.1CMOS反相器（a）结构示意图（b）电路图,2.4MOS型门电路,数字电子技术,二、CMOS与非门（P并N串）,图2.4.2CMOS与非门,2.5MOS型门电路,数字电子技术,图2.5.3带缓冲级的CMOS与非门,2.4MOS型门电路,数字电子技术,三、CMOS或非门（P串N并）,图2.4.4CMOS或非门,缺陷？,2.5MOS型门电路,数字电子技术,图2.5.5带缓冲级的CMOS或非门,2.5MOS型门电路,数字电子技术,四、CMOS传输门和双向模拟开关,图2.5.6CMOS传输门电路及逻辑符号,导通时电阻为一常数，百欧级,2.5MOS型门电路,数字电子技术,图2.5.7CMOS传输门的应用之一CMOS模拟开关,2.5MOS型门电路,数字电子技术,CMOS传输门特点：当C接低电平，接高电平时，传输门断开；当C接高电平，接低电平时，或者VTP导通，或者VTN导通，或者二者同时导通，传输门导通；由于二管为对称结构，所以源漏极可互换；当传输门导通时，当一管导通电阻减小，则另一管导通电阻就增加，由于两管并联运行，可近似认为开关的导通电阻近似为一个常数，约几百欧姆，后接运放等输入阻抗较大的器件时可忽略不计；当传输门导通时，可直接传输模拟信号，作模拟开关使用，可广泛地用于采样保持、数/模和模/数转换、斩波等电路中。,2.5MOS型门电路,数字电子技术,五、CMOS集成门电路的特点（一）与TTL集成电路相比，CMOS电路具有如下特点：（1）静态功耗低。例：电源电压VDD5V时，MSI电路的静态功耗100M。,2.5MOS型门电路,数字电子技术,（4）扇出能力强。例：低频工作时，一个输出端可驱动50个以上的CMOS器件的输入端。（5）抗干扰能力强。例：CMOS集成电路的电压噪声容限可达电源电压的45，而且高低电平噪声容限基本相等。（6）逻辑摆幅大。例：空载时输出高电平VOH=(VDD-0.05V)VDD，输出低电平VOL=VSS(VSS+0.05V)。（7）温度稳定性好，且有较强的抗辐射能力。（8）集成度高，功耗低，成本低。,2.5MOS型门电路,数字电子技术,（二）CMOS电路的不足：（1）4000系列的工作速度一般比TTL电路低。（2）功耗随频率的升高而显著增大。,2.6TTL电路与CMOS电路的接口电路,数字电子技术,2.6,TTL电路与CMOS电路的接口电路,当需要将TTL门与CMOS门两种器件互相连接时，驱动门与负载门之间必须满足以下关系：驱动门负载门VOH(min)VIH(min)（1）VOL(max)VIL(max)（2）IOH(max)nIIH(max)（3）IOL(max)mIIL(max)（4）其中：n和m分别表示负载电流中IIH、IIL的个数。,2.6TTL电路与CMOS电路的接口电路,数字电子技术,表2.6.1TTL、CMOS电路的输入、输出特性参数,P,2.6TTL电路与CMOS电路的接口电路,数字电子技术,一、用TTL电路驱动CMOS电路,例：用TTL电路驱动4000和74HC系列CMOS电路,74HCT?,图2.6.1用接入上拉电阻提高TTL输出的高电平,耐压可达30V,VDD=+15V,2.6TTL电路与CMOS电路的接口电路,数字电子技术,二、用CMOS电路驱动TTL电路,例：用4000系列CMOS电路驱动74系列TTL电路,方法1：将同一个封装内的门电路并联使用。,2.6TTL电路与CMOS电路的接口电路,数字电子技术,方法2：在CMOS电路的输出端增加一级CMOS驱动器。,CC4010（同相驱动器）:IOL3.2mA,m=2;CC40107（OD驱动器）:IOL16mA,m=10.注：VDD=+5V.,2.6TTL电路与CMOS电路的接口电路,数字电子技术,方法3：使用分立元件接口电路实现电流扩展。,接口电路,工作在开关状态,2.6TTL电路与CMOS电路的接口电路,数字电子技术,当时，三极管截止，此时：,当时，三极管饱和导通，此时：,2.6TTL电路与CMOS电路的接口电路,数字电子技术,三、使用数字集成电路的注意事项,一、TTL集成电路（一）TTL输出端输出端（OC门和三态门除外）不允许并联使用，也不允许直接与+5V电源或地线连接，否则会使电路的逻辑混乱并损坏器件。（二）TTL输入端输入端外接电阻需慎重(对应开门电阻ROFF和关门电阻RON)，否则会影响电路的正常工作。,2.6TTL电路与CMOS电路的接口电路,数字电子技术,（三）多余输入端的处理输入端可以串入1只的电阻或直接接电源来获得高电平输入，直接接地为低电平输入。与门、与非门等TTL电路的多余输入端可以悬空（相当于接1），但因悬空时对地呈现的阻抗很高，容易受到外界干扰。,（四）电源滤波TTL电路的高速切换将产生电流跳变，其幅度约为4-5mA，该电流在公共走线上的压降会引起噪声，因此要尽量缩短地线，减小干扰。（五）严禁带电操作要在电路切断电源的时候，插拔和焊接集成电路块，否则容易引起集成电路块的损