晶体管逻辑门电路PPT教案

1、会计学1晶体管逻辑门电路晶体管逻辑门电路教学基本要求：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、OD门（OC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。3. 逻辑门电路第1页/共79页3.1 MOS逻辑门 数字集成电路简介 逻辑门的一般特性 MOS开关及其等效电路 CMOS反相器 CMOS逻辑门电路 CMOS漏极开路门和三态输出门电路 CMOS传输门 CMOS逻辑门电路的技术参数第2页/共79页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

2、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 数字集成电路简介第3页/共79页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 74HCT74VHC 74VHCT速度慢与TTL不兼容抗干扰功耗低74LVC 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 74ALS2.TTL 集成电路:广泛应用于中大规模集成电路数字集成电路简介第4页/共79页逻辑门电路的一般特性1.

3、 输入和输出的高、低电平 vO vI 驱动门G1 负载门G2 1 1 输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值 VIH(min)输出低电平的上限值 VOL(max)输出高电平+VDD VOH(min)VOL(max) 0 G1门vO范围 vO 输出低电平 输入高电平VIH(min) VIL (max) +VDD 0 G2门vI范围 输入低电平 vI P70 表第5页/共79页VNH 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：VNL 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

4、噪声容限：2. 噪声容限VNH =VOH(min)VIH(min) VNL =VIL(max)VOL(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 vo 1 负载门 vI 噪声 第6页/共79页类型类型参数参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或或tPHL(ns)782.10.93.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 tPHL 输出 50% 90% 50%

5、10% tPLH tf tr 输入 50% 50% 10% 90% 第7页/共79页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ID与电源电压VDD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门电路有动态功耗第8页/共79页扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。（a)带拉电流负载(负载电流从驱动门流向外电路)当负载门的个数增加时，总的拉

6、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)(IN负载门负载门驱动门驱动门IHOHOH 高电平扇出数:IOH :驱动门的输出端为高电平电流IIH :负载门的输入电流(拉电流)。第9页/共79页(b)带灌电流负载(负载电流从外电路流入驱动门)(I)(IN负负载载门门驱驱动动门门ILOLOL 当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起输出低电压VOL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。IOL ：驱动门的输出端为低电平电流IIL ：负载门输入端电流之和第10页/共79页电路类型电路类型电源电电源电压压/V传输

7、延传输延迟时间迟时间/ns静态功耗静态功耗/mW功耗延迟积功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限直流噪声容限输出逻输出逻辑摆幅辑摆幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速高速CMOS5811038 1031.0

8、1.55各类数字集成电路主要性能参数的比较第11页/共79页 MOS开关及其等效电路 MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。 MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。第12页/共79页N沟道增强型MOS场效应管结构漏极D集电极C源极S发射极E绝缘栅极G基极B衬底B 由于栅极与源极、漏极之间均无电接触，故称绝缘栅极。箭头方向由P（衬底）指向N（沟道）增强型MOS场效应管电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管第13页/共79页 NMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （

9、b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小 （1）NMOS管的开关特性 第14页/共79页 PMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特性D接负电源 （2）PMOS管的开关特性 导通导通电阻相当小截止第15页/共79页 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 VT第16页/共79页MOS管相当于一个由vGS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：第17页/共79页 CMOS 反相器1.工作原理AL1+

10、VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止导通 10 V10 V 10V 0V导通截止 0 VVTN = 2 VVTP = 2 V逻辑图AL 逻辑表达式vi (A)0vO(L)1逻辑真值表10)VVVTPTNDD( 第18页/共79页2. 电压传输特性和电流传输特性)v(fvIO 电压传输特性BE段：转折区转折区中点：电流最大 CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC、DE段。第19页/共79页3.CMOS反相器的工作速度 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

11、负载第20页/共79页A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 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1110与非门1.CMOS 与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)电路结构(b)工作原理VTN = 2 VVTP = 2 V0V10VN个输入的与非门电路?逻辑门输入端增加有什么问题?第21页/共79页或非门BAL 2.CMOS 或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 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

12、截止导通导通1000AB10V10VVTN = 2 VVTP = 2 VN输入的或非门的电路的结构?第22页/共79页3. 异或门电路BA BABAXBAL BABA BA 第23页/共79页4.输入保护电路和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 输输入入保保护护缓缓冲冲电电路路 输输出出缓缓冲冲电电路路 vi vo 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。第24页/共79页BABAL 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第2

13、5页/共79页1.CMOS漏极开路门1.）CMOS漏极开路门的提出输出短接，在一定情况下会产生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定输出是高电平还是低电平。 漏极开路（OD）门和三态输出门电路 +VDDTN1TN2AB+VDDAB01第26页/共79页C D RP VDD L A B & & （2）漏极开路门的结构与逻辑符号(c) 可以实现线与功能;CDAB CDAB +VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABLA B L 电路A B L & 逻辑符号(b)与非逻辑不变RP VDD L A B 漏极开路门输出连接21PPL RP VDD L A B C D

14、(a)工作时必须外接电源和电阻;上拉电阻第27页/共79页(3) 上拉电阻对OD门动态性能的影响RP VDD L A B C D Rp的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快。但功耗大,且可能使输出电流超过允许的最大值IOL(max） 。电路带电容负载10CLRp的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值IOL(max）、功耗小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢。第28页/共79页2.三态(TSL)输出门电路三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。何为高阻状态？悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。测电阻为，故称为高阻状态。测电压为0V，但不是接地

15、。因为悬空，所以测其电流为0A。第29页/共79页1TP TN VDD L A EN & 1 1 EN A L 1 0011截止导通111高阻 0 输出L输入A使能EN001100截止导通10截止截止X逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门0 1高阻100 1(1)三态门的电路结构第30页/共79页控制端高电平有效的三态门(2)逻辑符号控制端低电平有效的三态门用“”表示输出为三态。高电平有效低电平有效第31页/共79页(3)三态门的主要应用实现总线传输要求各门的控制端EN轮流为高电平，且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平。 用三态门实现总线传输 如有8个门，则8个EN端的波形应依次为高电平

16、，如下页所示。第32页/共79页第33页/共79页传输门(双向模拟开关) 1. CMOS传输门电路TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 电路vI /vO vO /vI C C T G 逻辑符号I / Oo/ IC等效电路由于VTP和VTN在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。第34页/共79页2、CMOS传输门电路的工作原理 设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2VI的变化范围为5V到+5V。 5V+5V5V到+5VGSN0, TP截止TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 1）当c=0， c =1时c=0=-5V， c

17、 =1=+5V第35页/共79页 C TP vO/vI vI/vO +5V 5V TN C +5V5VGSP= 5V (3V+5V)=2V 10VGSN=5V (5V+3V)=(102)V b、I=3V5VGSNVTN, TN导通a、I=5V3VTN导通，TP导通GSP |VT|, TP导通C、I=3V3VIOvv 2）当c=1， c =0时第36页/共79页3.CMOS传输门(双向数字开关) （a）电路 （b）逻辑符号第37页/共79页传输门组成的数据选择器C=0TG1导通, TG2断开 L=XTG2导通, TG1断开 L=YC=14. 传输门的应用12第38页/共79页CMOS逻辑集成器件

18、发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过TTL器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出数大，噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。参数参数系列系列传输延迟时间传输延迟时间tpd/ns(CL=15pF)功耗功耗(mW)延时功耗积延时功耗积(pJ)4000B751 (1MHz)10574HC101.5 (1MHz)1574HCT131 (1MHz)13BiCMOS2.90.00037.50.0008722逻辑门电路的技术参数CMOS门电路各系列的性能比较第39页/共79页逻辑门电路P91第40页/共79页3.2 TTL逻辑门 BJT的开关特性 基本BJT反相器的动态特性 TTL反

19、相器的基本电路 TTL逻辑门电路 集电极开路门和三态门第41页/共79页 (1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。 闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON = 0，电压U = 0。 (2) 动态特性：开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0 理想开关的开关特性： 第42页/共79页客观世界中，没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。

20、TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。第43页/共79页3.2 TTL逻辑门 BJT的开关特性在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。（a）电路 （b）输出特性曲线第44页/共79页T截止, vOVCEVCC，c、e极之间近似于开路vI=0V时: T饱和, vOVCE0.2V，c、e极之间近似于短路vI=5V时:第45页/共79页输出级T3、D、T4和Rc4构成推拉式的输出级。用于提高开关速度和带负载能力。中间级T2和电阻Rc2、Re2组成，从T2的集电结和发射极同时输出两个

21、相位相反的信号，作为T3和T4输出级的驱动信号； Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1K W VCC(5V) 输入级 中间级输出级 反相器的基本电路1. 电路组成输入级T1和电阻Rb1组成。用于提高电路的开关速度第46页/共79页2. TTL反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善） （1）当输入为低电平（I = 0.2 V）T1 深度饱和V 3.6V 70705DBE4B4O ).(vvvv截止导通导通截止饱和低电平T4D4T3T2T1输入高电平输出T2 、 T3截止，T4 、D导通0.2V0.9V3.6V第

22、47页/共79页（2）当输入为高电平（I = 3.6 V） T2、T3饱和导通 T1:倒置的放大状态。 T4和D截止。使输出为低电平.vO=vC3=VCES3=0.2V3.6V2.1V0.2V第48页/共79页输入输入A输出输出L0110逻辑真值表 逻辑表达式 L = A 饱和截止T4低电平截止截止饱和倒置工作高电平高电平导通导通截止饱和低电平输出D4T3T2T1输入第49页/共79页1. TTL与非门电路多发射极BJT T1e e bc eeb cA& BALB TTL逻辑门电路第50页/共79页2. TTL或非门 若A、B中有一个为高电平:若A、B均为低电平:T2A和T2B均将截止

23、，T3截止。 T4和D饱和导通，输出为高电平。T2A或T2B将饱和导通，T3饱和导通，T4截止，输出为低电平。BAL 逻辑表达式第51页/共79页vOHvOL输出为低电平的逻辑门输出级的损坏集电极开路门和三态门电路1.集电极开路门电路 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 第52页/共79页a） 集电极开路与非门电路b） 使用时的外电路连接C） 逻辑功能L = A BOC门输出端连接实现线与VCC

24、T1 Re2 Rc2 Rc4 Rb1 T2 T3 T4 D A B L VCC T1 Re2 Rc2 Rb1 T2 T3 A B L VCCC D RP VDD L A B & & 第53页/共79页2. 三态与非门(TSL ) 当EN= 3.6V时EN数据输入端数据输入端输出端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表 第54页/共79页当EN= 0.2V时EN数据输入端数据输入端输出端输出端L LAB10010111011100高阻高阻高电平使能高阻状态与非逻辑 ZL ABLEN = 0_EN =1真值表逻辑符号ABEN & L EN第55页/共79页

25、正负逻辑问题3.5 逻辑描述中的几个问题基本逻辑门的等效符号及其应用第56页/共79页正负逻辑问题1. 正负逻辑的规定 01 10正逻辑负逻辑3.5 逻辑描述中的几个问题正逻辑体制:将高电平用逻辑1表示，低电平用逻辑0表示负逻辑体制:将高电平用逻辑0表示，低电平用逻辑1表示第57页/共79页 A B L 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 _与非门A B L 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 某电路输入与输出电平表A B L L L H L H H H L H H H L 采用正逻辑_或非门采用负逻辑与非 或非负逻辑 正逻辑2. 正负逻辑等效变换 与 或非 非第58页

26、/共79页基本逻辑门电路的等效符号及其应用1、 基本逻辑门电路的等效符号ABL LA B & B A 与非门及其等效符号 B A BAL 1 利用摩根定律对基本逻辑运算进行变换，可以得到不同形式的表达式。输入端的小圆圈表示先对输入信号进行非运算。BA 第59页/共79页BABAL B A LAB 1 或非门及其等效符号BAL & B A 第60页/共79页 & B A B A ABBAL 1 L=AB BABAL B A 1 & B A L=A+B BAABL BABAL 第61页/共79页 & B A L 1 & B A & B A L

27、 1 & B A & B A L & & B A 逻辑门等效符号的应用 利用逻辑门等效符号，可实现对逻辑电路进行变换，以简化电路，能减少实现电路的门的种类。LA B & B A 第62页/共79页 RE & 1 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 IC L EN AL G1 G2 控制电路AL REL0 AL1 RE逻辑门等效符号强调低电平有效L=0第63页/共79页 RE & L G2 AL & AL G2 L RE & AL G2 L RE 如RE、AL都要求

28、高电平有效，EN高电平有效如RE、AL都要求低电平有效，EN高电平有效如RE、AL都要求高电平有效，EN低电平有效 低电平有效，输入端加小圆圈；高电平有效，输入端不加小圆圈。第64页/共79页3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题 各种门电路之间的接口问题 门电路带负载时的接口问题第65页/共79页1) 驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值（属于电压兼容性的问题）。 在数字电路或系统的设计中，往往将TTL和CMOS两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个

29、条件：2) 驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流（属于门电路的扇出数问题）； 各种门电路之间的接口问题第66页/共79页vOvI驱动门 负载门1 1 VOH(min)vO VOL(max) vI VIH(min)VIL(max) 负载器件所要求的输入电压VOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)第67页/共79页灌电流IILIOLIIL拉电流IIHIOHIIH101111n个011101n个对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流 IOH(max) IIH(total)IOL(max) IIL(total)第68页/共79页驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱

30、动电流驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平 驱动电路 负载电路1、 VOH(min) VIH(min)2、 VOL(max) VIL(max)4、 IOL(max) IIL(total) IOH(max) IIH(total)3、第69页/共79页1、 CMOS门驱动TTL门VOH（min)=4.9V VOL(max) =0.1VTTL门（74系列）： VIH(min) = 2V VIL(max )= 0.8VIOH（max)=-0.51mAIIH（max)=20AVOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)带拉电流负载输出、输入电压带灌电流负载?T3

31、VCC VDD T4 R1 R2 R3 T1 T2 CMOS门(4000系列）：IOL（max)=0.51mAIIL（max)=-0.4mA，IOH(max) IIH(total)第70页/共79页例 用一个74HC00与非门电路驱动一个74系列TTL反相器和六个74LS系列逻辑门电路。试验算此时的CMOS门电路是否过载？VOH（min)=3.84V， VOL(max) =0.33VIOH（max)=-4mAIOL（max)=4mA 74HC00：IIH（max)=004mAIIL（max)=1.6mA74系列：VIH（min)=2V， VIL(max) =0.8V&111CMOS门74系列74LS系列74LS系列IIL（max)=-0.4mA，IIH（max)=0.02mA，VOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)第71页/共79页总的输入电流IIL(total)=1.6mA+60.4mA=4mA灌电流情况 拉电流情况 74HC00: IOH(max)=4mA74系列反相器: IIH(max)=0.04mA74LS门： IIH(max)=0.02mA总的输出电流IIH(total)=0.04mA+60.02mA=0.16mA 74HC00: