教学课件PPT逻辑门电路

1、 一、数字集成电路简介一、数字集成电路简介 ttlttlcmoscmos 主要比较电路的工作速度、功耗、抗干扰主要比较电路的工作速度、功耗、抗干扰 二、逻辑电路的一般特性二、逻辑电路的一般特性 1 1、输入和输出的高、低电平、输入和输出的高、低电平 v vil(max il(max) ) 、 、 v vih(min ih(min) ) 、 、 v vol(max ol(max) ) 、v voh(min oh(min) ) 2 2、噪声容限、噪声容限电路的抗干扰能力电路的抗干扰能力 高电平噪声容限高电平噪声容限 低电平噪声容限低电平噪声容限 高电平所对应的高电平所对应的 电压范围电压范围 低电

2、平所对应的低电平所对应的 电压范围电压范围 v vnh nh=v =vohmin ohmin-v -vihmin ihmin v vnl nl=v =vilmax ilmax -v -volmax olmax vol vil vih voh vcc v 0 vnl 未定义域未定义域 对于对于cmoscmos门电路门电路(74hc(74hc系列），高低系列），高低 电平对应的标准电压和噪声容限为：电平对应的标准电压和噪声容限为： v vohmin ohmin=4.9v; =4.9v; v vihmin ihmin=3.5v; =3.5v; v volmax olmax=1.5v; =1.5v;

3、v vilmax ilmax=0.1v =0.1v v vnh nh=1.4v; v =1.4v; vnl nl=1.4v =1.4v 定义定义: :保证输出逻辑状态不变保证输出逻辑状态不变, ,输输 入逻辑电平允许噪声幅度的最大或最入逻辑电平允许噪声幅度的最大或最 小值小值, ,称噪声容限。称噪声容限。 3 3、传输延迟时间、传输延迟时间 plh t phl t plh t phl t 输入输入 同相同相 输出输出 反相反相 输出输出 phlplhpdttt + += =平均传输延迟时间：平均传输延迟时间： 输出波形相对输入波形延迟的时间；表输出波形相对输入波形延迟的时间；表 征门电路的开关

4、速度。征门电路的开关速度。 4 4、功耗、功耗 功耗功耗 静态功耗（输出没有状态转换）静态功耗（输出没有状态转换） 动态功耗（输出发生状态转换）动态功耗（输出发生状态转换） 5 5、延时、延时功耗积功耗积 d pd p t dp= = （越小越好）（越小越好） bicmosbicmos eclecl cmoscmos nmos nmos ttlttl pd tpd 0 6 6、扇入与扇出数、扇入与扇出数 （1 1）扇入数：输入端的个数）扇入数：输入端的个数 （2 2）扇出数：带同类门电路的最大数目力。）扇出数：带同类门电路的最大数目力。 灌电流灌电流工作情况工作情况： 拉电流工作情况：拉电流工

5、作情况： （负载门）（负载门） （驱动门）（驱动门） i iih ih i ioh oh n noh oh = = 表门电路输出端的驱动能力，与负载的类型有表门电路输出端的驱动能力，与负载的类型有 关。关。 （负载门）（负载门） （驱动门）（驱动门） n nol ol= = i iol ol i iil il 1 1、mosmos管的开关作用管的开关作用 vdd vi ov rd 饱和区饱和区 可变可变 电阻电阻 区区 u ugs gs= u = ut t vi vtvo vdd ，无功耗。，无功耗。 vi vtvo 。 2 2、mosmos管的开关特性管的开关特性 vdd ov rd vi

6、vt vi t o vo t o vih vdd tplhtphl 由于各种电容及电阻的存在，输出电压波形由于各种电容及电阻的存在，输出电压波形 就不是理想的脉冲，上升和下降都变慢了，且滞就不是理想的脉冲，上升和下降都变慢了，且滞 后。后。 ov rd vi vt vdd vdd ivov p沟道沟道 n沟道沟道 vdd ivov tn tp 简化电路简化电路要求：要求： |)|(tptnddvvv+ + 假设：假设：处于逻辑处于逻辑0 0时，相应的电压近似为时，相应的电压近似为0 0；处；处 于逻辑于逻辑1 1时，相应的电压近似为时，相应的电压近似为v vdd dd vdd ivov tn

7、tp vsgp vgsn id vovol 0 0 vgsn=vdd vsgp=0 输入为高电平，输出为低电平输入为高电平，输出为低电平 vdd ivov tn tp vsgp vgsn (2) v(2) vi i=0=0 id vo voh vdd 0 vsgp=vdd vgsn=0 输入为低电平，输出为高电平输入为低电平，输出为高电平 d c b a 246 vi/v vo/v 4 2 0 6 8 10 810 t tn n截止截止 t tn n在饱和区；在饱和区；t tp p在可变电阻区在可变电阻区 t tn n、 t tp p均在饱和区均在饱和区 t tp p在饱和区，在饱和区，t t

8、n n在可变电阻区在可变电阻区 t tp p截止截止 cmos cmos反相器在电容负载情况下，其开通时反相器在电容负载情况下，其开通时 间和关闭时间是相等的，平均传输延迟时间约间和关闭时间是相等的，平均传输延迟时间约 为为10ns10ns。 vdd iv ov tn tp cl vdd iv ov tp cl idp （0） cmoscmos反相器在电容负载下的工作情况反相器在电容负载下的工作情况 1 1、与非门电路、与非门电路 vdd tn2 tp2 tn1 tp1 a b l 2 2、或非门电路、或非门电路 vdd tn1 tp2 tn2 tp1 a b l =ab =a+b l vdd

9、 tp5 tp4 tp3 tn1 tp2 tn2 tp1 a b tn4 tn3 tn5 x a b x=a+b l=ab+x l=ab+a+b l=a b =1a b l=a b 逻辑符号逻辑符号 异或门的后面加一级反相器构成同或门异或门的后面加一级反相器构成同或门 （1 1）输入保护电路）输入保护电路 输入保护缓冲输入保护缓冲 输出缓冲输出缓冲 vdd vi ov 基本逻基本逻 辑功能辑功能 电路电路 （2 2）缓冲电路）缓冲电路 vdd vi1l vo2l vo1h vi2h 1 1、cmoscmos漏极开路门电路漏极开路门电路 （1 1）漏极开路门电路的结构和符号）漏极开路门电路的结构

10、和符号 线与：将两个门的输出端并联以实现与逻辑的线与：将两个门的输出端并联以实现与逻辑的 功能。功能。 由图可见：由图可见：电流很大电流很大, ,器件会损坏器件会损坏; ;且无法确且无法确 定输出是高还是低电平。定输出是高还是低电平。 截止截止 导通导通 导通导通 截止截止 漏极开路漏极开路(od)(od)的与非门电路的与非门电路 odod与非的与非的 输出级输出级 a b l 漏极漏极 开路开路 输出输出 a vces 0.20.3v cece间近似于短路，相当于开关闭合。间近似于短路，相当于开关闭合。 c vcc/rc vcc vces0 ibs ics 饱和特点：饱和特点： ib ibs

11、 ， ， ic = ics ， ，vce =vces 工作状态工作状态截止截止放大放大饱和饱和 条件条件ib 00 ib ics/ 偏置情况偏置情况 发射结和集发射结和集 电结均反偏电结均反偏 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏 发射结和集电发射结和集电 结均正偏结均正偏 集电极电集电极电 流流 ic 0ic ib ic =ics vcc/rc 管压降管压降vceo vcc vce=vcc- icrc vces=0.2 0.3v c c、e e间等间等 效电阻效电阻 很大，约数百很大，约数百 千欧，相当于千欧，相当于 开关断开开关断开 可变可变 很小，约数百欧，很小，约数百欧， 相当于

12、开关闭合。相当于开关闭合。 t vi ic +vb2 -vb1 td t ics 0.9ics 0.1ics 0 tr tstf 延迟时间：延迟时间： td 上升时间：上升时间：tr 存储时间：存储时间： ts 下降时间：下降时间：tf v vo o vcc 0 t 输出电压波形输出电压波形 1 1、电路、电路 3 3、逻辑符号、逻辑符号 rc rb t vcc a l 1a l=a 输入与输出量间满足输入与输出量间满足 逻辑关系，逻辑关系， rc rb vcc vi cl 考虑负载电容的考虑负载电容的bjtbjt反相器反相器 vo + + - - c cl l包括门电路之包括门电路之 间的接

13、线电容和门电间的接线电容和门电 路的输入电容。由于路的输入电容。由于 电容的充放电需要一电容的充放电需要一 定的时间，降低了电定的时间，降低了电 路的开关速度，所以路的开关速度，所以 bjtbjt反相器的开关速反相器的开关速 度较低度较低。 vcc（5v） rb1 4k rc2 1.6k rc4 130 rl dt1 re2 1k t2 t4 t3 + + - - u uo o u ui i + + - - 输入级输入级 中间倒中间倒 相级级相级级 输出级输出级 电路组成电路组成 vcc（5v） rb1 4k rc2 1.6k rc4 130 rl dt1 re2 1k t2 t4 t3 +

14、+ - - v vo o v vi i + + - - 输入为高电平输入为高电平3 3.6v.6v vccvccr rb1 b1 t t1 1t t2 2t t3 3 电流流向：电流流向： t t2 2饱和饱和t t4 4截止；截止； t t3 3饱和饱和输出为低电平。输出为低电平。 t t1 1工作在工作在 v vb1 b1=v =vbc1 bc1+v +vbe2 be2+v +vbe3 be3=0.7+0.7+0.7=2.1v =0.7+0.7+0.7=2.1v v vc2 c2=v =vces2 ces2+v +vbe3 be3=0.2+0.7=0.9v =0.2+0.7=0.9v vc

15、c（5v） rb1 4k rc2 1.6k rc4 130 rl dt1 re2 1k t2 t4 t3 + + - - v vo o v vi i + + - - 输入为低电平输入为低电平0 0.2v.2v vccvccr rb1 b1 t t1 1输入端输入端 电流流向：电流流向： t t3 3截止；截止； t t2 2截止截止t t4 4、d d导通导通 输出为高电平。输出为高电平。 v vb1 b1=v =vi i+v+vbe1 be1= =0.2+0.7=0.9v 0.2+0.7=0.9v v vo o = v = vcc cc-v -vbe4 be4 -v -vd d = 5-0.

16、7-0.7 =3.6v = 5-0.7-0.7 =3.6v 输入为低电平，输入为低电平， 输出为高电平输出为高电平。 vcc（5v） rb1 4k rc2 1.6k rc4 130 rl dt1 re2 1k t2 t4 t3 + + - - v vo o v vi i + + - - vi由由3.6v变为变为0.2v瞬间瞬间 vb1= 0.9v；vc1= 1.4v t t1 1工作在放大区，电流工作在放大区，电流 从从t t2 2的基极流入的基极流入t t1 1基极，基极， 使使t t2 2迅速地脱离饱和进迅速地脱离饱和进 入截止状态。入截止状态。 t t4 4也迅速导通，使也迅速导通，使t

17、 t3 3的的 存储电荷通过集电极快存储电荷通过集电极快 速消散而截止，加速了速消散而截止，加速了 状态转换速度。状态转换速度。 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力 vcc(5v） rb1 4k rc2 1.6k rc4 130 rl dt1 re2 1k t2 t4 t3 + + - - v vo o v vi i + + - - a.a.输出为低电平时，输出为低电平时，t t3 3深饱深饱 和和t t4 4截止较大的集电极电流截止较大的集电极电流 全为负载电流；全为负载电流； b.b.输出为高电平时，输出为高电平时，t t3 3截止截止 t

18、 t4 4导通的射极输出器输出电导通的射极输出器输出电 阻很小，带负载能力强。阻很小，带负载能力强。 c.c.输出端接有负载电容，由输出端接有负载电容，由 于于和和时的输出电阻很小，时的输出电阻很小， 输出上升沿及下降沿都很好。输出上升沿及下降沿都很好。 即开关即开关 反映输出电压反映输出电压u uo o与输入电压与输入电压u ui i之间关系的曲线之间关系的曲线 t t1 1 t t2 2t t3 3 123 vi/v vo/v 4 2 0 d c b at t2 2t t3 3 t t4 4和和 t t3 3 t t1 1 t t1 1 vcc（5v） rb1 4k rc2 1.6k rc

19、4 130 rl d re2 1k t2 t4 t3 + + - - u uo o a a b b c c iil = -1.6 ma; ioh= 0.4 ma; iih = 0.04 ma noh = = ioh iih = = 0.4 0.04 = = 10 74107410带同类门时的扇出数为带同类门时的扇出数为1010 nol = = iol iil = = 16 1.6 = = 10 注：若注：若nol noh，则应取较小者作为电路的扇出数。，则应取较小者作为电路的扇出数。 【例【例2 24 42 2】设】设ttlttl与非门与非门74ls01（oc）门驱动门驱动8 8个个 74ls

20、04（反相器），试确定一个合适的大小的上拉电阻（反相器），试确定一个合适的大小的上拉电阻 rp，设，设vcc=5v。 解：查附录解：查附录c（p463），得相关参数如下：），得相关参数如下： vol（max）= 0.5v; iol（max）= 8ma; iil（max）= 0.4ma; vih（min）= 2v; iih（min）= 0.02ma iil（total）= 8 0.4 = 3.2ma iih（total）= 8 0.02 = 0.16ma rp（min）= = - -vol（max）vcc - -iil（total）iol(max) = = 5-5-0.5 8-8-3.2 = =

21、 940 rp（max）= = - -vih（min）vcc iih（total） = = 5-5-2 0.160.16 = = 18.75k 可以选择标准值为可以选择标准值为1 1k 的电阻器。的电阻器。 rc t vcc vi 0.7v 0.3v 0.4v npn硅硅bjt饱和时各极电压的典型数据饱和时各极电压的典型数据 a b c vcc（5v） r 3k 二极管与门电路二极管与门电路 a b c vcc（5v） r 3k 二极管与门电路二极管与门电路 如上图，与门带同类与门负载的级数愈多，则如上图，与门带同类与门负载的级数愈多，则 每级的输出电压将如何变化？如何解决此缺点？每级的输出电

22、压将如何变化？如何解决此缺点？ 答：门的级数愈多，则由于每一级与门的输出答：门的级数愈多，则由于每一级与门的输出 电压对输入电压约有电压对输入电压约有07伏（硅管）的偏移，结伏（硅管）的偏移，结 果经过一串门电路后，高低电平就会严重偏离果经过一串门电路后，高低电平就会严重偏离 原来的数值（均升高）。要解决这个问题，可原来的数值（均升高）。要解决这个问题，可 采用二极管与三极管门的组合，如图采用二极管与三极管门的组合，如图232的电的电 路。如要求为与门输出，则可加两级反相器即路。如要求为与门输出，则可加两级反相器即 可。可。 习题习题232 ：分析电路为什么能实现与逻辑关系？：分析电路为什么能

23、实现与逻辑关系？ 二极管二极管d5d5起什么作用，可否省略起什么作用，可否省略d5 ？ vcc rc t bjt反相器反相器 a b c vcc（5v） r 3k 二极管与门电路二极管与门电路 d5 d4 答：当答：当a b c中有任一输入端为低电平，中有任一输入端为低电平，t截止截止, 输出高电平，只有输出高电平，只有a b c全为高电平时，全为高电平时，t导通，导通， 使输出为低电平，实现与非逻辑关系。使输出为低电平，实现与非逻辑关系。 d4 d5起电平转移作用，即当一个输入端处起电平转移作用，即当一个输入端处 于低电平时，使于低电平时，使t可靠截止（如省可靠截止（如省d5，则可能，则可能

24、 使使t导通），输出高电平。另外，加了导通），输出高电平。另外，加了d4 d5后，后， a b c全为高电平时，全为高电平时， d4前的电位被钳位在前的电位被钳位在21 伏左右，伏左右，d1d2d3截止，则输入端的干扰不能进截止，则输入端的干扰不能进 入到基极，从而提高了抗干扰的能力。入到基极，从而提高了抗干扰的能力。 【习题【习题2 24 43 3】试计算下列情况下】试计算下列情况下的扇出数的扇出数： lsttlttl与与 非门非门驱动同类门；驱动同类门； lsttlttl与非门与非门驱动基本的驱动基本的ttlttl门。门。 解：查附录解：查附录c（p463），得相关参数如下：），得相关参数如下： iol= 8 ma; iil = 0.4 ma; ioh= 0.4 ma; iih = 0.02ma noh = = ioh