第二章 第一节 数电课件

1、信息工程学院,2,逻辑门电路,2.1 MOS,逻辑门电路,2.2,TTL,逻辑门电路,2.3,逻辑描述中的几个问题,2.4,逻辑门电路使用中的几个实际问题,信息工程学院,教学基本要求：,1,、了解半导体器件的开关特性。,2,、,熟练掌握,基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或,门）、三态门和传输门的逻辑功能。,3,、学会门电路逻辑功能分析方法。,4,、,掌握,逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。,2.,逻辑门电路,信息工程学院,2.1 MOS,逻辑门,2.1.1,数字集成电路简介,2.1.2,逻辑门的一般特性,2.1.3,MOS,开关及其等效电路,2.1.4,CMOS,反相器,2.1.5,CM

2、OS,逻辑门电路,2.1.6,CMOS,三态输出门电路,2.1.7,CMOS,传输门,2.1.8,CMOS,逻辑门电路的技术参数,信息工程学院,1,、逻辑门,:,实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。,2,、,逻辑门电路的分类,二极管门电路,三极管门电路,TTL,门电路,MOS,门电路,PMOS,门,CMOS,门,逻辑门电路,分立门电路,集成门电路,NMOS,门,2.1.1,数字集成电路简介,信息工程学院,1.CMOS,集成电路,:,广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路,4000,系列,74HC 74HCT,74VHC 74VHCT,速度慢,与,TTL,不兼容,抗干扰,功耗低,74LVC

3、74VAUC,速度加快,与,TTL,兼容,负载能力强,抗干扰,功耗低,速度两倍于,74HC,与,TTL,兼容,负载能力强,抗干扰,功耗低,低,(,超低,),电压,速度更加快,与,TTL,兼容,负载能力强,抗干扰功耗低,74,系列,74LS,系列,74AS,系列,74ALS,2.TTL,集成电路,:,广泛应用于中大规模集成电路,2.1.1,数字集成电路简介,信息工程学院,2.1.2,逻辑门电路的一般特性,1.,输入和输出的高、低电平,v,O,v,I,驱动门,G,1,负载门,G,2,1,1,输出高电平的下限值,V,OH(min),输入低电平的上限值,V,IL(max),输入高电平的下限值,V,IH

4、(min),输出低电平的上限值,V,OL(max),输出,高电平,+,V,DD,V,OH(,min,),V,OL(max),0,G,1,门,v,O,范围,v,O,输出,低电平,输入,高电平,V,IH(min),V,IL(max),+,V,DD,0,G,2,门,v,I,范围,输入,低电平,v,I,信息工程学院,V,NH,当前级门输出高电平的最小,值时允许负向噪声电压的最大值。,负载门输入高电平时的噪声容限：,V,NL,当前级门输出低电平的最大,值时允许正向噪声电压的最大值,负载门输入低电平时的噪声容限,：,2.,噪声容限,V,NH,=,V,OH(min),V,IH(min),V,NL,=,V,I

5、L(max),V,OL(max),在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。,它表示门电路的抗干扰能力,1,驱动,门,v,o,1,负载门,v,I,噪声,信息工程学院,类型,参数,74HC,V,DD,=5,V,74HCT,V,DD,=5,V,74LVC,V,DD,=3.3,V,74AUC,V,DD,=1.8,V,t,PLH,或,t,PHL,(ns),7,8,2.1,0.9,3.,传输延迟时间,传输延迟时间是表征门电路开关速度,的参数，它说明门电路在输入脉冲波,形的作用下，其输出波形相对于输入,波形延迟了多长的时间,。,CMOS,电路传输延迟时间,t,PHL,输出,50,%,90,%,5

6、0%,10%,t,PLH,t,f,t,r,输入,50,%,50%,10%,90,%,信息工程学院,4.,功耗,静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时,电源总电流,I,D,与电源电压,V,DD,的乘积。,5.,延时,?,功耗积,是速度功耗综合性的指标,.,延时,?,功耗积，用符号,DP,表示,扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。,6.,扇入与扇出数,动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，,对于,TTL,门电路来说，静态功耗是主要的。,CMOS,电路的静态功耗非常低，,CMOS,门电路有动态功耗,信息工程学院,扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。,

7、（,a),带拉电流负载,当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压,的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的,个数。,),(,I,),(,I,N,负载,门,驱动,门,IH,OH,OH,?,高电平扇出数,:,I,OH,:,驱动门的输出端为高电平电流,信息工程学院,(b),带灌电流负载,),(,I,),(,I,N,负,载,门,驱,动,门,IL,OL,OL,?,当负载门的个数增加时，总的灌电流,I,OL,将增加，同时也将引起,输出低电压,V,OL,的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输,出低电平的上限值。,I,OL,：驱动门的输出端为低电平电流,信息工程学院,电路类型

8、,电源电,压,/V,传输延,迟时间,/ns,静态功耗,/mW,功耗延迟积,/mW-ns,直流噪声容限,输出逻,辑摆幅,/V,V,NL,/V,V,NH,/V,TTL,CT54/74,5,10,15,150,1.2,2.2,3.5,CT54LS/74LS,5,7.5,2,15,0.4,0.5,3.5,HTL,15,85,30,2550,7,7.5,13,ECL,CE10K,系列,5.2,2,25,50,0.155,0.125,0.8,CE100K,系列,4.5,0.75,40,30,0.135,0.130,0.8,CMOS,V,DD,=5V,5,45,5,10,3,225,10,3,2.2,3.4

9、,5,V,DD,=15V,15,12,15,10,3,180,10,3,6.5,9.0,15,高速,CMOS,5,8,1,10,3,8,10,3,1.0,1.5,5,各类数字集成电路主要性能参数的比较,信息工程学院,2.1.3,MOS,开关及其等效电路,：,MOS,管工作在可变电阻区，输出低电平,:,MOS,管截止，,输出高电平,当,I,V,T,当,I,V,T,信息工程学院,MOS,管相当于一个由,v,GS,控制的,无触点开关。,MOS,管工作在可变电阻区，,相当于开关“闭合”，,输出为低电平。,MOS,管截止，,相当于开关“断开”,输出为高电平。,当输入为低电平时：,当输入为高电平时：,信息

10、工程学院,2.1.4,CMOS,反相器,1.,工作原理,A,L,1,+,V,DD,+10V,D,1,S,1,v,i,v,O,T,N,T,P,D,2,S,2,0V,+,10V,v,i,v,GSN,v,GSP,T,N,T,P,v,O,0 V,0V,-10V,截止,导通,10 V,10 V,10V,0V,导通,截止,0 V,V,TN,= 2 V,V,TP,=,?,2 V,逻辑图,A,L,?,逻辑表达式,v,i,(A),0,v,O,(L),1,逻辑真值表,1,0,),V,V,V,TP,TN,DD,(,?,信息工程学院,P,沟道,MOS,管输出特性曲线坐标变换,输入高电平时的工作情况,输入低电平时的工作

11、情况,作图分析：,信息工程学院,2.,电压传输特性和电流传输特性,),v,(,f,v,I,O,?,电压传输特性,信息工程学院,3.CMOS,反相器的工作速度,在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关,闭时间是相等的。平均延迟时间：,10 ns,。,带电容负载,信息工程学院,A,B,T,N1,T,P1,T,N2,T,P2,L,0 0,0 1,1 0,1 1,截止,导通,截止,导通,导通,导通,导通,截止,截止,导通,截止,截止,截止,截止,导通,导通,1,1,1,0,与非门,1.CMOS,与非门,v,A,+,V,DD,+10V,T,P1,T,N1,T,P2,T,N2,A,B,L,v,B,v

12、,L,A,B,&,(a),电路结构,(b),工作原理,V,TN,= 2 V,V,TP,=,?,2 V,0V,10V,2.1.5 CMOS,逻辑门,信息工程学院,或非门,B,A,L,?,?,2.,CMOS,或非门,+,V,DD,+10V,T,P1,T,N1,T,N2,T,P2,A,B,L,A,B,T,N1,T,P1,T,N2,T,P2,L,0 0,0 1,1 0,1 1,截止,导通,截止,导通,导通,导通,导通,截止,截止,导通,截止,截止,截止,截止,导通,导通,1,0,0,0,A,B,1,0V,10V,V,TN,= 2 V,V,TP,=,?,2 V,信息工程学院,3.,异或门电路,B,A,?

13、,B,A,B,A,X,B,A,L,?,?,?,?,?,?,?,B,A,B,A,?,?,?,?,B,A,?,?,=,A,B,信息工程学院,4.,输入保护电路和缓冲电路,基本逻辑功能电路,基本逻辑,功能电路,输入保护缓冲电路,输出缓冲电路,v,i,v,o,采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路,具有相同的输入和输出特性。,信息工程学院,（,1,）输入端保护电路,:,(1) 0 ,v,A,V,DD,+,v,DF,(2),v,A,V,DD,+,v,DF,二极管导通电压：,v,DF,(3),v,A,?,v,DF,当输入电压不在正常电压范围时,二极管导通，限制了电容两端电,压的增加,保护了输

14、入电路。,D,1,、,D,2,截止,D,1,导通, D,2,截止,v,G,=,V,DD,+,v,DF,D,2,导通, D,1,截止,v,G,=,?,v,DF,R,S,和,MOS,管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延,迟且衰减后到栅极。,D,2,-,分布式二极管,(,i,D,大,),V,D,v,I,C,N,T,P,R,s,D,2,D,1,T,N,C,P,v,O,信息工程学院,B,A,B,A,L,?,?,?,?,（,2,）,CMOS,逻辑门的缓冲电路,输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路的,逻辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功能,为与非功能,信息工程学院,1,T,P,T

15、,N,V,DD,L,A,EN,&,1,1,EN,A,L,1,0,0,1,1,截止,导通,1,1,1,高阻,0,输出,L,输入,A,使能,EN,0,0,1,1,0,0,导通,0,1,0,截止,截止,X,1,逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门,0,1,2.1.6 CMOS,三态输出门电路,信息工程学院,2.1.7 CMOS,传输门,(,双向模拟开关,),1,. CMOS,传输门电路,v,I,/v,O,v,O,/v,I,C,C,TG,逻辑符号,I,/,O,o,/,I,C,等效电路,C,T,P,v,O,/,v,I,v,I,/,v,O,+5V,0,T,N,C,信息工程学院,2,、,CMOS,传输门电路的工

16、作原理,设,T,P,:|V,TP,|=2V,，,T,N,:V,TN,=2V,?,I,的变化范围为,0V,到,+5V,。,0V,+5V,0V,到,+5V,?,GSN, V,TN, T,N,截止,?,GSP,=5V,?,(0V,到,+5V)=(5,到,0)V,开关断开，不能转送信号,?,GSN,= 0V,?,(0V,到,+5V)=(0,到,-5)V,?,GSP,0, T,P,截止,1,）当,c=0,，,c =1,时,C,T,P,v,O,/,v,I,v,I,/,v,O,+5V,0V,T,N,C,信息工程学院,C,T,P,v,O,/,v,I,v,I,/,v,O,+5V,5V,T,N,C,+5V,0V,?,GSP,= 0,V,?,(2V5V),=,?,2V,?,5V,?,GSN,=,5V,?,(0V+3V)=(52)V,b,、,?,I,=2V5V,?,GSN,V,TN, T,N,导通,a,、,?,I,=0V3V,?,GSP, |V,T,|, T,P,导通,结果：,I,O,v,v,?,2,）当,c=1,，,c,=0,时,0,到,+5V,信息工程学院,传输门组成的数据选择器,C=0,TG1,（上）导通, TG2,断开,L=X,TG2,导通, TG1,断开,L=Y,C=1,传输门的应用,信息工程学院,CMOS,逻辑集成器件发展使它的技