第3章集成门电路与触发器zyz

1、第三章 n集成门电路和触发器等逻辑器件是集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的物质基础。实现数字系统功能的物质基础。n随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的集成电路块，集成电路块，通常又称为通常又称为集成电路芯片。集成电路芯片。n采用集成电路进行数字系统设计的优点：优点：n可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大大简化设计和调试过程。优点，可以大大简化设计和调试过程。n本章知识要点本章知识要点: n半导体器件的开关特性；半导体器件的

2、开关特性；n逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法；逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法；n常用触发器的功能、触发方式与外部工作特常用触发器的功能、触发方式与外部工作特性。性。n双极型集成电路n采用双极型半导体器件作为元件n主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、 集成度较低。n单极型集成电路(又称为MOS集成电路)n 采用金属-氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)作为元件n主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。n双极型集成电路又可进一步可分为：nTTL(Transistor Trans

3、istor Logic)电路； nTTL电路的“性能价格比”最佳，应用最广泛nECL(Emitter Coupled Logic)电路；nI2L(Integrated Injection Logic)电路nMOS集成电路又可进一步分为：nPMOS( P-channel Metal Oxide Semiconductor)nNMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor )nCMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor)nCMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路的设计，而且综合性能最好 。 n数字集成电路通常按照所

4、用半导体器件的不同或者根据集成规模的大小进行分类。n通常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数，分为 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。 nSSI (Small Scale Integration ) 小规模集成电路小规模集成电路:n逻辑门数小于10 门(或元件数小于100个)n MSI (Medium Scale Integration ) 中规模集成电路中规模集成电路:n逻辑门数为10 门99 门(或元件数100个999个)；nLSI (Large Scale Integration ) 大规模集成电路大规模集成电路:n逻辑门数为100 门9999 门(或元件数1000个9

5、9999个)；nVLSI (Very Large Scale Integration) 超大规模集成电路超大规模集成电路n逻辑门数大于10000 门(或元件数大于100000个)n数字电路中的晶体二极管、三极管和数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是以开关方式运用的，管等器件一般是以开关方式运用的，其工作状态相当于相当于开关的其工作状态相当于相当于开关的“接通接通”与与“断开断开”。n数字系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中，通常开关状态变化的速度可高达每秒百万次数量级甚至千万次数量级n因此，研究这些器件的开关特性时，不仅要研究它们在导通与截止两种状态下的静止特性静止特

6、性，而且还要分析它们在导通和截止状态之间的转变过程，即动态特性动态特性。n数字电路中，二极管(diode)工作在开关状态n接通状态n阻抗很小，相当于短路（导通）n断开状态n阻抗很大，相当于开路（截止）n二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止状态之间的转换过程。P NVi+-+-n指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性典型二极管的静态特性曲线(又称伏安特性曲线)n正向特性 ：n二极管在外加正向电压 UF作用下，处于导通状态。n门槛电压 ( UTH )：n使二极管开始导通的正向电压，有时又称为导通电压 (一般锗管约0.1V，硅管约0.5V)。伏安特性曲线正向电压正向电压 UF UTH ：管子截

7、止，电阻很大、管子截止，电阻很大、正向电流正向电流 IF 接近于接近于 0， 二极管类似于开关的断二极管类似于开关的断开状态开状态 ；正向电压正向电压 UF = UTH：管子开始导通，正向电管子开始导通，正向电流流 IF 开始上升；开始上升；正向电压正向电压 UF UTH (一般锗管为一般锗管为0.3V，硅，硅管为管为0.7V) ：管子充管子充分导通，分导通， 电阻很小，电阻很小，正向电流正向电流IF 急剧增加，急剧增加，二极管类似于开关的二极管类似于开关的接通状态。接通状态。n反向特性 n二极管在反向电压 UR作用下，处于截止状态，类似于开关断开n反向电阻很大，反向电流 IR 很小（将其称为

8、反向饱和电流，用 IS 表示，通常可忽略不计 ）n反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。伏安特性曲线反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛增，致使二极管被击穿反向电阻很大，反向电流 IR 很小（将其称为反向饱和电流，用 IS 表示，通常可忽略不计 ）通常将该反向电压极限值称为反向击穿电压UBR，一般不允许反向电压超过此值。n由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它当作开关使用 二极管开关电路及其等效电路DU0RR断开R关闭(a)(b)导通(c)截止n二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性n它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间n反向恢复时间n开通时间vi

9、tVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRitRLviiD在ot1期间，Vi VF时，D导通电路中电流RLviiDvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit当作用在二极管两端的电压由正向导通电压 UF 转为反向截止电压 UR 时，在理想情况下二极管应该立即由导通转为截止，电路中只存在极小的反向电流。在t1 时，突然Vi VR时，电路中电流 i = ?vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit正向电流IF 变到一个很大的反向电流IR UR /R, IR ，并维持一段时间tsts后反向电流开始逐渐下降，经过一段时间tt后下降到一个很小的数值0.1IR(接近反向饱和电流 IS)

10、，二极管进入反向截止状态。在t1 时刻，输入电压由正向电压VF 转为反向电压VRvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存储时间存储时间渡越时间渡越时间n通常将二极管从导通转为截止所需的时间称为反向恢复时间n tre= ts+ttn产生反向恢复的过程的原因存储电荷消散需要时间n正向（饱和）电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，存储的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。 P 区区 N 区区 势势垒垒区区 + - P 区区的的电电子子浓浓度度分分布布 N 区区的的空空穴穴浓浓度度分分布布 n二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。n由于PN结在正向电压作用下空间电荷区迅速变窄，正向

11、电阻很小，因而它在导通过程中及导通以后，正向压降都很小，比VF小得多，故电路中的正向电流IF VF / RL 。主要由外电路参数决定。n而且加入输入电压VF后，回路电流几乎是立即达到IF的最大值。n二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，可以二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，可以忽略不计忽略不计。n晶体三极管（BJT）由集电结和发射结两个PN结构成。: 集电极n根据两个PN结的偏置极性，三极管有截止、放大、饱和3种工作状态。n一个用NPN型共发射极晶体三极管组成的简单电路及其输出特性曲线如下图所示。截止状态截止状态 Ub0，两个PN结均为反偏，Ib0，IC 0,Uce Ucc。三极管呈现

12、高阻抗，类似于开关断开。放大状态放大状态 Ub0，发射结正偏，集电结反偏， iC =iB饱和状态饱和状态 Ub 0，两个PN结均为正偏; ib IBS (基极临界饱和电流)，ib Ucc/Rc; ic = Ics(集电极饱和电流)UCC/Rc;Vce 0.3V 三极管呈现低阻抗，类似于开关接通n在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭合”与“断开”三极管截止的三极管截止的等效电路等效电路三极管饱和的三极管饱和的等效电路等效电路n晶体三极管在饱和与截止两种状态转换晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称为三极管的动态特过程中具有的特性称

13、为三极管的动态特性。性。n三极管的开关过程和二极管一样，管子内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此，两种状态的转换也需要一定的时间才能完成。 tOttdtr0.1ICS0.9ICSICStstf-U1U2n延迟时间延迟时间tdn当输入电压ui由-U1 跳变到+U2时，三极管从截止到开始导通所需要的时间n上升时间上升时间trn经过延迟时间td后，ic不断增大。ic上升到最大值的90%所需要的时间n开通时间开通时间ntON =td + tr n三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间 tOttdtr0.1ICS0.9ICSICStstf-U1U2n存储时间tsn当输入电压ui由+U2跳变到-U1时，

14、集电极电流从Ics开始下降到0.9Ics所需要的时间n下降时间tfn集电极电流由0.9Ics降至0.1Ics所需的时间n关闭时间关闭时间 n三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间ntOFF =tS + tfn开通时间ton和关闭时间toff是影响电路工作速度的主要因素。n本章知识要点本章知识要点: n半导体器件的开关特性；半导体器件的开关特性；n逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法；n常用触发器的功能、触发方式与外部工作特常用触发器的功能、触发方式与外部工作特性。性。n实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的逻辑器件统称为逻辑门电路，它们是组成数字系统的基本单元

15、电路。n从实际应用的角度出发，主要介绍TTL集成逻辑门和CMOS集成逻辑门。n学习时应重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性，以及器件的使用方法。n对其内部结构和工作原理只要求作一般了解。二极管与门电路二极管与门电路与逻辑符号与逻辑符号 VCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C B & L=ABC A C VCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 0 v 输 入输 出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHH0V5V5V 输 入输 出VAVBVCVL000000+5 V00+5 V000+5 V+5 V0+5 V

16、0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V+5 V00+5 V+5 V+5 V+5 V 输 入输 出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHVCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 5 v5V5V5V 输 入输 出ABCL00000010010001101000101011001111二极管或门电路二极管或门电路或逻辑符号或逻辑符号 R 3kW D1 D2 D3 A B C L B ? L=ABC A C 1 1 R 3kW D1 D2 D3 A B C L 0 V输 入输 出ABCL00000011010101111001101111011

17、111输 入输 出ABCL000000110101011110011011110111110V0V0V R 3kW D1 D2 D3 A B C L 5 V输 入输 出ABCL00000011010101111001101111011111输 入输 出ABCL000000110101011110011011110111110V5V5V A 1 L=A 非逻辑符号非逻辑符号 vO O V1 V2 v2 逻逻辑辑 1 逻逻辑辑 0 饱饱和和 截止 放放大大 反相器传输特性反相器传输特性UQ（2.5v） VCC Rc L T Rb A UB VCC Rc L T Rb A UB0 vcc1输入A输出

18、L01非逻辑真值表非逻辑真值表 VCC Rc L T Rb A UB1 0.3v0输入A输出L0110非逻辑真值表非逻辑真值表 输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级 Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1K W VCC(5V) n当输入为低电平（当输入为低电平（ I = 0.3 V）1.0V 0.3V I低电平(0.3V)T1深饱和T2截止T4放大T3截止O高电平（3.6V）OVCCVBE4VD 50.70.7 =3.6V Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 D T2 T1 + v

19、I T3 + vO 负载 Re2 1KW VCC(5V) VB1 3.6V 4.3V 2.1V 1.4V 0.3V I全为高电平(3.6V)T1倒置放大T2饱和T4截止T3饱和O低电平0.3V）n当输入为高电平（当输入为高电平（ I = 3.6 V） Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1KW VCC(5V) VB1 多发射极多发射极 VCC(5V) Rc4 130W Rc2 1.6kW Rb2 1.6kW T4 T2 T3 T1 A B Re2 1kW D A B C & CBAL T1 e e e e

20、b b c c n任一输入端为低电平时: T1的发射结正向偏置而导通，T2截止。输出为高电平。 VCC(5V) Rc 4 130 W W Rc2 1.6k W W Rb 2 1.6k W W T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k W W D n只有当全部输入端为高电平时：T1将转入倒置放大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。 VCC(5V) Rc 4 130 W W Rc2 1.6k W W Rb2 1.6k W W T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k W W D IT1T2T4T3 O输入有输入有低电平低电平 (0.3V)深饱和深饱和截截止止放放大大截截止止高电高电平

21、平（3.6V）输入全输入全为高电为高电平平 (3.6V)倒置使倒置使用的放用的放大状态大状态饱饱和和截截止止饱饱和和低电低电平平（0.3V）输出高电平VOH ：输出高电平VOH是指至少有一个输入端接低电平时的输出电平。VOH的典型值是3.6V。产品规范值为VOH2.4V。输出低电平VOL：输出低电平VoL是指输入全为高电平时的输出电平。VoL的典型值是0.3V，产品规范值为VOL0.4Vn输出的高、低电压n开门电平VON n开门电平VON是指确保与非门输出为低电平时所允许的最小输入高电平，它表示使与非门开通的输入高电平最小值。nVON的典型值为1.5V，VON的产品规范值为VON1.8V。开门

22、电平的大小反映了高电平抗干扰能力，VON 愈小，在输入高电平时的抗干扰能力愈强。 n关门电平VOFF n关门电平VOFF是指确保与非门输出为高电平时所允许的最大输入低电平，它表示使与非门关断所允许的输入低电平的最大值。nVOFF 的典型值是1.3V，产品规范值VOFF0.8V。关门电平的大小反映了低电平抗干扰能力，VOFF越大，在输入低电平时的抗干扰能力越强。n扇入系数Ni n扇入系数Ni是指与非门允许的输入端数目。n一 般Ni为25，最多不超过8n当应用中要求输入端数目超过Ni时，可通过分级实现的方法减少对扇入系数的要求。n扇出系数Non扇出系数NO是指与非门输出端连接同类门的最多个数。n它

23、反映了与非门的带负载能力，一般No8。n 扇入和扇出是反映门电路互连性能的指标。n扇出数:则区分灌电流和拉电流n灌电流n是指负载电流IL从负载流入反相器。n当负载门的个数增加时，总的灌电流IIL将增加,引起输出低电压VOL的升高。n拉电流n是指负载电流IL从反相器流入负载。n当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低。负载门负载门驱动门驱动门0 VCC(5V) Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D NIIOLOLIL()()驱动门负载门“1”“0”IILIOLn当负载门的个数增加时，总的灌电流IIL将增加,IC=IIL+IRc,则IC增加，对应的基极饱和电流IBS

24、也增加，当IbIBS被破坏时，T3由饱和进入放大状态，引起输出低电压VOL随着T3的Uce的升高而升高。nVo2.4v NIIOHOHIH()()驱动门负载门负载门负载门驱动门驱动门1 VCC(5V) Rb1 4kW T1 IIH T4 T3 Rc4 130W D “0”“1”IIHIOHn输入短路电流IIS n当与非门的某一个输入端接地而其余输入端悬空时，流过接地输入端的电流。n在实际电路中，IIS是流入前级与非门的灌电流，它的大小将直接影响前级与非门的工作情况。输入短路电流的产品规范值IiS1.6mA。n输入漏电流IIHn某一输入端接高电平，而其他输入端接地时，流入高电平输入端的电流n 一

25、般IIH50A。n传输延迟时间n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。ntPLH 为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间(从输入波下沿中点到到输出波上沿中点)ntPHL为由高电平转换到低电平所经历的时间(从输入波上沿中点到到输出波下沿中点)n平均传输延迟时间tPd(tPLH tPHL)/2n平均延迟时间是反映与非门开关速度的一个重要参数。Tpd的典型值约10ns ，一般小于40ns。n空载功耗Pn空载功耗是当与非门空载工作时所消耗的功率（电源总电流Icc和电源电压Ucc的乘积）。n输出为低电平时的功耗称为空载导通功耗PON，输出为高电平时的功耗称为空载截止

26、功耗POFF ，PON大于POFF 。n平均功耗 P =(PON + POFF)/2 n一般P50mW,如74H系列门电路平均功耗为22mW。 VCC(5V) R4 R2 R1 T4 T2 T3 T1 A Re2 D R1 T2 T1 B 1AFBBAF7402引脚分配图 VCC(5V) R4 R2 R1 T4 T2 T3 T1 A1 Re2 D R1 T2 T1 B1 A2 B2 2121BBAAFA2&1A1B1B2F7451的引脚排列图的引脚排列图 实际应用中，可将两个与非门的输出直接对接就可实现与的功能，即“线与”。但是，前面所介绍的一般逻辑门输出端不能对接。 VC C(5V

27、) Rc 4 130W Rc 2 1.6kW Rb2 1.6kW T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1kW D VC C(5V ) Rc 4 130W Rc 2 1.6kW Rb2 1.6kW T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1kW D vOHvOLX 集电极开路门集电极开路门(Open Collector Gate）是一种输出端可以直接相互连接的特殊逻辑是一种输出端可以直接相互连接的特殊逻辑门，简称门，简称OC门。门。 OC门电路将一般门电路将一般TTL与非门电路的与非门电路的推拉式输出级改为三极管集电极开路输出。推拉式输出级改为三极管集电极开路输出。下图给出了一个集电极开

28、路与非门的电路结下图给出了一个集电极开路与非门的电路结构图和逻辑符号。构图和逻辑符号。 按此结构，只要负载电阻按此结构，只要负载电阻RL和和电源电源VCC选择恰当，便能既保证输出选择恰当，便能既保证输出的高电平符合要求，又能使流过的高电平符合要求，又能使流过T4的电流不至于过大。的电流不至于过大。 注意！集电极开路与非门只有在注意！集电极开路与非门只有在外接负载电阻外接负载电阻RL和电源和电源VCC后才能正后才能正常工作。常工作。 TTL 电路电路 TTL 电路电路 D C B A T1 T2 VCC RP L A B C D & )()(CDABL VCC(5V) Rc 4 130

29、W Rc2 1.6k W Rb2 1.6k W T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k W D n集电极开路与非门在计算机中应用很广泛，可以用它实现线与逻辑、电平转换以及直接驱动发光二极管、干簧继电器等。n例如，下图所示电路中，只要有一个门输出为低电平，输出F便为低电平；仅当两个门的输出均为高电平时，输出F才为高电平。即F=F1F2=A1B1C1 A2B2C2该电路实现了两个与非门输出相“与”的逻辑功能。由于该“与”逻辑功能是由输出端引线连接实现的，故称为“线与线与”逻辑。n三态输出门有三种输出状态n输出高电平、输出低电平和高阻状态n前两种状态为工作状态，后一种状态为禁止状态n简称三态

30、门(Three state Gate)、TS门等。三态与非门三态与非门(TSL ) R 1 R 2 R 4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B DENEN数据输入端输出端LAB10010111011100高阻三态与非门真值表三态与非门真值表 =AB R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B DEN当当EN= 1时时EN数据输入端输出端LAB10010111011100高阻三态与非门真值表三态与非门真值表 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B DEN当当EN= 0时时1V三态与非门三态与非门(TSL ) AB EN & L 高电平使能高

31、电平使能高阻状态高阻状态与非功能与非功能 ZL ABLEN = 0_EN =1n三态与非门主要应用于总线传送，它既可用于单向数据传送，也可用于双向数据传送n当某个三态门的控制端为1时，该逻辑门的输入数据经反相后送至总线。n为了保证数据传送的正确性，任意时刻，任意时刻，n个三态门个三态门的控制端只能有一个为的控制端只能有一个为1，其余均为其余均为0，即只允许一个，即只允许一个数据端与总线接通，其余数据端与总线接通，其余均断开，以便实现均断开，以便实现n个数据个数据的分时传送。的分时传送。n如下图所示，用两种不同控制输入的三态门可构成的双向总线。n EN=1时时nG1工作，G2处于高阻状态，数据D

32、1被取反后送至总线；n EN=0时时n G2工作，G1处于高阻状态，总线上的数据被取反后送到数据端D2。n 实现了数据的分时双向传送。nMOS型集成门电路的主要优点优点n制造工艺简单、集成度高、功耗小、抗干制造工艺简单、集成度高、功耗小、抗干扰能力强等扰能力强等n主要缺点主要缺点n速度相对速度相对TTL电路较低电路较低。nMOS门电路有三种类型门电路有三种类型n使用P沟道管的PMOS电路；n使用N沟道管的NMOS电路；n同时使用PMOS管和NMOS管的CMOS电路。n相比之下，CMOS电路性能更优电路性能更优，是当前应用较普遍的逻辑电路之一nMOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态

33、nMOS管是电压控制元件，主要由栅源电压UGS决定其工作状态。n由NMOS增强型管构成的等效开关电路如下图所示n当当UGS开启电开启电压压UT时时nMOS管工作在截止区，漏源电流IDS基本为0，输出电压UDS UDD，MOS管处于“断开”状态n当当UGS开启电压开启电压UT时时nMOS管工作在导通区n漏源电流iDS=UDD/(RD + rDS)。其中，rDS为 MOS 管导通时的漏源电阻。n输出电压UDS=UDD rDS /(RD+rDS), 若rDSRD，则UDS 0V，MOS管处于“接通”状态nMOS管本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的n动态特性主要取决于电路中杂散动态特性主要取

34、决于电路中杂散电容充、放电所需的时间电容充、放电所需的时间n当电压Ui由高变低，MOS管由导通转换为截止时，电源UDD通过RD向杂散电容CL充电，充电时间常数1 = RDCLn当电压Ui由低变高，MOS管由截止转换为导通时，杂散电容CL上的电荷通过rDS进行放电，其放电时间常数2rDSCL。n因为rDS比RD小得多，因此，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短n由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻rCES要大得多，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。n为了提高MOS器件的工作

35、速度，引入了CMOS电路。n在CMOS电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使CMOS电路有较高的开关速度。gdsgds(a) NMOS (b) PMOSn高电平“1” (positive VGS ) 使 NMOS导通 PMOS截止n低电平“0” (negative VGS ) 使NMOS截止PMOS导通nVIN=0nTP 导通nTN截止nVO=1nVIN=1n TP截止nTN导通nVO=0nVOUT=VINgdsgsVINVOUTVDDTNTPn电路正常工作条件nVDD大于TN管开启电压VTN和TP管开启电压VTP的绝对值之和n VDDVTN +|VT

36、P|。gdsgsVINVOUTVDDTNTPVOUTVDD0VINgdsgsVINVOUTVDDTNTPnVIN VTNnTN开始导通n输出电压VOUT开始下降nVIN VDD/2nTN， TP饱和导通n输出电压VOUT急剧下降nVINVTNnTN截止，TP导通n输出VOUTVDDnVIN VDD/2n输出电压VOUT变小nVIN VDD |VTP|nTN导通， TP截止n输出电压VOUT0nVi=0nTN截止，TP导通nVOUTVDD为高电平nVi = VDDnTN导通，TP截止nVOUT0Vn实现了非 的逻辑功能。gdsgsVINVOUTVDDTNTP注意！注意！CMOS反相器除有较好的动

37、态特性外，由于它处在开关状态下反相器除有较好的动态特性外，由于它处在开关状态下总有一个管子处于截止状态，因而电流极小，电路静态功耗很低总有一个管子处于截止状态，因而电流极小，电路静态功耗很低(W数量级数量级)。nA=1, B=1nTP1& TP2 截止nTN1& TN2 导通nVO=0nA=0 (B=O)n TN1(TN2) 截止nTP1(TP2) 导通nVO=1ssgAVOUTVDDTN2gBTN1TP2TP1n VOUT=ABnA=0, B=0nTN1& TN2 截止nTP1& TN2 导通nVO=1nA=1 (B=1)n TP1(TP2) 截止nTN1(T

38、N2) 导通nVO=0n VOUT=A+BssgAVOUTVDDTP1gBTP2TN1TN2n低电平使能控制的三态非门n该电路是在CMOS反相器的基础上增加NMOS管TN 和PMOS管TP 构成的。nEN=0 nTN 和TP同时截止n输出F呈高阻状态nEN =1 nTN 和TP同时导通n非门正常工作，实现非门的功能。nCMOS三态门也可用于总线传输。110001n两管的栅极分别与一对互补的控制信号C和C 相接。nTN 和TP 的结构和参数对称GATE (栅极)DRAIN (漏极)SOURCE (源极)gdsNPPCurrent channelP-N junction (depletion re

39、gion)nMOS管的结构是对称的，源管的结构是对称的，源极和漏极可以互换使用极和漏极可以互换使用n因此，传输门的输入端和输因此，传输门的输入端和输出端可以互换使用出端可以互换使用n即即MOS传输门具有双向性，传输门具有双向性，故又称为可控双向开关故又称为可控双向开关前面讨论各种逻辑门电路的逻辑功能时，约定用高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0。事实上，既可以规定用高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0，也可以规定用高电平表示逻辑0，低电平表示逻辑1。这就引出了正逻辑和负逻辑的概念。n正逻辑：正逻辑：用高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0。n负逻辑：负逻辑：用高电平表示逻辑0，低电平表示逻辑1。对于同

40、一电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。正逻辑与负逻辑的规定不涉及逻辑电路本身的结构与性能好坏，但不同的规定可使同一电路具有不同的逻辑功能。例如，假定某逻辑门电路的输入、输出电平关系如下表所示。 输入输出电平关系输入输 出ABFLHLLLLLLHHHH按正逻辑与负逻按正逻辑与负逻辑的规定，电路的逻辑的规定，电路的逻辑功能分别如何？辑功能分别如何？ 输入输出电平关系输入输 出ABFLHLLLLLLHHHH 正逻辑真值表正逻辑真值表输输 入入输输 出出ABF010000001111 负逻辑真值表负逻辑真值表输入输入输输 出出ABF101111110000电路是一个正逻辑的正逻辑的“与与”门，门，

41、负逻辑的负逻辑的“或或”门门。即正逻辑与门等价于负逻辑或门即正逻辑与门等价于负逻辑或门。上述逻辑关系可以用反演律证明。假定一个正逻辑与门的输出为F，输入为A、B，则有F = AF = AB B根据反演律，可得根据反演律，可得BABAF可见，若将一个逻辑门的输出和所有输入都反相，则若将一个逻辑门的输出和所有输入都反相，则正逻辑变为负逻辑正逻辑变为负逻辑。据此，可将正逻辑门转换为负逻辑门。前面讨论各种逻辑门电路时，都是按照正逻辑规定来定义其逻辑功能的。在本课程中，若无特殊说明，约定按正逻辑讨论在本课程中，若无特殊说明，约定按正逻辑讨论问题，所有门电路的符号均按正逻辑表示。问题，所有门电路的符号均按

42、正逻辑表示。n本章知识要点本章知识要点: n半导体器件的开关特性；半导体器件的开关特性；n逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法；逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法；n常用触发器的功能、触发方式与外部工作特常用触发器的功能、触发方式与外部工作特性性n触发器(flip-flop)是一种具有记忆功能的电子器件，能用来存储一位二进制信息n在数字系统中，为了构造实现各种功能的逻辑电路，除了需要实现逻辑运算的逻辑门之外，还需要有能够保存信息的逻辑器件。n集成触发器的种类很多，分类方法也各不相同，但就其结构而言，都是由逻辑门加上适当的反馈线耦合而成。n本节将从实际 应用出发，介绍几种最常用的集成触发器，重

43、点掌握它们的外部工作特性。n有两个稳定状态”1”和”0”nQ = 1（ = 0 ）为“1”状态nQ = 0（ = 1）为“0” 状态n有两个互补的输出端 Q 和 QQQRSQ&Qn有两个稳定状态”1”和”0”n当输入信号不发生变化时，触发器状态稳定不变。n在一定输入信号作用下，触发器可以从一个稳定状态转移到另一个稳定状态。n现态(present state)n输入信号作用前的状态，记作 Qn 和Qn n 一般简记为 Q和Q n次态(next state)n输入信号作用后的状态，记作 Q(n+1)和Qn+1 n次态是现态和输入的函数n基本R-S触发器是直接复位置位触发器的简称，由于它是构

44、成各种功能触发器的基本部件，故称为基本R-S触发器。RSQ&nR称为置0端或者复位端nS称为置1端或置位端QRSQQ01110110R=1, S=1Present state10QQOutput next state10QQ&a&bQRSQR=1, S=110111001Present state01QQOutput next state01QQ&a&bQRSQR=0, S=110QQ11001010Output next state10QQPresent state&a&bQRSQR=0, S=101QQ01111010Output n

45、ext state10QQPresent state&a&bQRSQR=1, S=010QQ10101011Output next state01QQPresent state&a&bQRSQ01QQ00110101Present stateR=1, S=0Output next state01QQ&a&bQRSQR=0, S=00011Present stateOutput next state11QQ&a&bQRSQRSQ&Q110, 0101, 0010, 11, 111111111nnnnnnnnQQSRQQSRQ

46、QSRQRQQQQSQSR00R=0, S=01R=1, S=111R SQG1G2 TG1TG2Output next state10QQ& G1& G2Q00R=0, S=01R=1, S=111R SQG1G2 TG1TG2Output next state01QQ& G1& G2Q00R=0, S=01R=1, S=111R SQG1G2 TG1=TG2& G1& G2Qn与非门构成的R-S触发器的逻辑功能描述如下RSQ(n+1)功能说明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不变基本R-S触发器功能表n表中“d”表示触发器次态不

47、确定n该表又称为次态次态真值表。真值表。现态Q01次态Qn1n状态表反映了触发器在输入作用下现态和次态之间的转移关系RSQ(n+1)功能说明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不变基本R-S触发器功能表RS00ddRS0100RS1101RS1011n状态图是一种反映触发器两种状态之间转移关系的有向图。RS=10RS=01RS=01RSQ(n+1)功能说明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不变RS=11RS=10RS=11n状态图是一种反映触发器两种状态之间转移关系的有向图。RS=10RS=01RS=10,11RS=01,11n若把触发器次态 Q(n+1)表示成现态

48、Q和输入RS的函数RSQ(n+1)功能说明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不变000111100101236745RSQ11dd10000 1 1 1 101010101dd001101 R S Qn Qn+100110011n若把触发器次态 Q(n+1)表示成现态 Q和输入RS的函数RSQ(n+1)功能说明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不变000111100101236745RSQ11dd1nQn+1=S+RQnR+S=1 (limitation)n触发器的激励表反应了触发器从现态Q转移到某种次态Qn+1时，对输入信号的要求RSQ(n+1)功能说明0 00

49、11 01 1d01Q不定置 0置 1不变 次态真值表0011 d101101d Qn Qn+1 R S0101n注意：当与非门构成的基本R-S触发器的同一输入端连续出现多个负脉冲信号时，仅第一个使触发器状态发生改变。n这一性质可以用来消除毛刺。SRQ150v05v1kkR5v1kk5v1kSRS QQv0VSVRQK由R到SK由S到RSRQ11QRSQQSRQ11Q破坏正常功能实现1, 1100, 1011, 00, 0111111SRQQSRQQSRQRQQQQSQSRnnnnnnRSQ(n+1)功能说明0 00 11 01 1Q10d不变置 1置 0不定基本R-S触发器功能表RS=01R

50、S=10RS=00,01RS=00,10现态Q01次态Qn1RS0001RS0111RS11ddRS1000n触发器的激励表反应了触发器从现态Q转移到某种次态Qn+1时，对输入信号的要求0011 d010010d Qn Qn+1 R S0101000111100101236745RSQ1101ddnQn+1=S+RQnRS=0 (limitation)n基本R-S触发器的优点是结构简单n它不仅可作为记忆元件独立使用，而且由于它具有直接复位、置位功能，因而被作为各种性能完善的触发器的基本组成部分n但由于R、S之间的约束关系，以及不能进行定时控制，使它的使用受到一定限制n具有时钟脉冲控制的触发器称

51、为“时钟控制触发器(clocked flip-flop)”或者“定时触发器”n时钟脉冲控制触发器的工作特点：n由时钟脉冲确定状态转换的时刻(即何时转换) n由输入信号确定触发器状态转换的方向(即如何转换) RSQRSCP & & & &QRSQCQnR-S NAND LatchnR=1, S=1 Qn+1=Q; nR=1, S=0 Qn+1=1; nR=0, S=1 Qn+1=0; nR=0, S=0RSQQRSCP & & & &RSQQ&nCP=1nR=0, S=0 Qn+1=Q; nR=0, S=1 Qn+1=1;n

52、R=1, S=0 Qn+1=0;nR=1, S=1 不允许;nCP=0nQn+1=Q; nQn+1=Q;RSQRSCP & & & &QRSQ(n+1)功能说明0 00 11 01 1Q10d不变置 1置 0不定 时钟R-S触发器功能表0011 d010010d Qn Qn+1 R S0101现态Q01次态Qn1RS0001RS0111RS11ddRS1000现态Q01次态Qn1RS0001RS0111RS11ddRS1000000111100101236745RSQ111ddRS=01RS=10RS=00,01RS=00,1000011110010123674

53、5RSQ111dd现态Q01次态Qn1RS0001RS0111RS11ddRS1000nQn+1=S+RQnRS=0 (limitation)nRS=00, remain samenRS=01/10, Qn+1=SnRS=11, indeterminaten为了解决时钟控制R-S触发器在输入端R、S同时为1时状态不确定的问题，可对时钟控制R-S触发器的控制电路稍加修改n形成了只有一个输入端的D触发器。RSQRSCP & & & &QCPRSQDD&QDQCQCPRSQDD&Q(S)(R)nS=R, Qn+1=S=DnRS=00, remain s

54、amenRS=01/10, Qn+1=SnRS=11, indeterminateRSQRSCP & & & &QCPRSQDD&QnCP=1nD=0 Qn+1=0; nD=1 Qn+1=1; nCP=0 nQn+1=Q; CPRSQDD&QDQ(n+1)功能说明0 1D触发器功能表0 1置0 置10011 0101 Qn Qn+1 D0101现态Q01次态Qn1D=000D=111D=1D=0D=1D=0nQn+1=DCPRSQDD&QRSQKJCP&QKJQCQnCP=1nJ=0, K=0 nQn+1=Q;nQn+1 =Q;

55、00RSQKJCP&QnR=1, S=1 Qn+1=SQ=Q; Qn+1=RQ=Q; nCP=1nJ=1, K=0 ,Q=1 nQn+1=1;nQn+1 =0; 0 1RSQKJCP&QnR=1, S=1 Qn+1=SQ=Q; Qn+1=RQ=Q; 01nCP=1nJ=1, K=0 ,Q=0 nQn+1=1;nQn+1 =0; RSQKJCP&QnR=1, S=0 Qn+1=1; Qn+1=0; 01nCP=1nJ=1, K=0nQn+1=1;nQn+1 =0; RSQKJCP&Q10nCP=1nJ=0, K=1nQn+1=0;nQn+1 =1; RSQKJCP

56、&QnR=0, S=1 Qn+1=0; Qn+1=1; nCP=1nJ=1, K=1 ,Q=1 nQn+1=1;nQn+1 =0; 11RSQKJCP&QnR=1, S=0 Qn+1=1; Qn+1=0; nCP=1nJ=1, K=1 ,Q=0 nQn+1=1;nQn+1 =0; 11QRSQKJCP&11nCP=1nJ=1, K=1nQn+1=Q;nQn+1 =Q; RSQKJCP&QnCP=1nJ=0, K=0 Qn+1=Q; nJ=0, K=1 Qn+1=0;nJ=1, K=0 Qn+1=1;nJ=1, K=1 Qn+1=Q;nCP=0nQn+1=Q; n

57、Qn+1=Q;JKQ(n+1)功能说明0 00 11 01 1Q01Q不变置 0置 1翻转 时钟J-K触发器功能表0011 01dddd10 Qn Qn+1 J K0101现态Q01次态Qn1JK0001JK0100JK1110JK1011JK=10,11JK=01,1100,1000,01000111100101236745JKQ1111现态Q01次态Qn1JK0001JK0100JK1110JK1011nQn+1=JQ+KQnJK=00, remain samenJK=01/10, Qn+1=JnJK=11, toggleRSQTCP&QTQCQnCP=1nT=1 Qn+1=Q;

58、Qn+1=Q; nT=0 Qn+1=Q; Qn+1=Q;nCP=0nQn+1=Q; nQn+1=Q;RSQTCP&QTQ(n+1)功能说明0 1T触发器功能表Q Q不变 翻转0011 0110 Qn Qn+1 T0101现态Q01次态Qn1T=001T=110T=1T=1T=0T=0nQn+1=TQ+TQ =T Q n T=0, remain samen T=1, toggleRSQTCP&Qn电位控制触发器n触发器状态转移被控制在一个约定的时间间隔内，而不是控制在某一时刻。nCP=0，触发器保持状态不变nCP=1，触发器在输入信号作用下发生状态变化 n存在空翻的问题存在空翻的

59、问题CLKD Qn“空翻”n同一个时钟脉冲作用期间触发器状态发生两次或两次以上变化的现象n“空翻”原因n在时钟脉冲作用期间，输入信号直接控制着触发器状态的变化nCP为1时，输入信号发生变化，触发器状态会跟着变化n时钟宽度控制不够nCP为1时间过长，输入的多次变化得到完全响应，使得一个时钟脉冲作用期间触发器多次翻转 n“空翻”将造成状态的不确定和系统工作的混乱，这是不允许的。CLKJ KQn主从触发器可以看作是两个简单触发器串联而成。&SRG5G6&G7G8CPmasterslave&QG1G2&G3G4MQQMQSDRD1G9&SRG5G6&G7G8CPmaste