第三章集成门电路

1、 集成门电路集成门电路第三章第三章北京邮电大学北京邮电大学徐惠民徐惠民数字集成电路的发展数字集成电路的发展 第一块集成电路是第一块集成电路是1958年年9月由美国德州仪月由美国德州仪器公司的工程师器公司的工程师Jack Kilby制成的。制成的。 第一块集成电路只有第一块集成电路只有1个晶体管，几个电阻和个晶体管，几个电阻和一个电容一个电容 2000年年Jack Kilby为此获得了诺贝尔物理奖。为此获得了诺贝尔物理奖。 属于小规模集成电路属于小规模集成电路(100个晶体管以下个晶体管以下)。 1960年小规模集成电路每片价格是年小规模集成电路每片价格是1000美元。美元。 20世纪世纪60年

2、代后期，出现中规模集成电路年代后期，出现中规模集成电路（几百到（几百到1000个晶体管）个晶体管）数字集成电路的发展数字集成电路的发展 20世纪世纪70年代开始，出现大规模集成电路年代开始，出现大规模集成电路（几千到（几千到1万个晶体管）万个晶体管） 从从1980年到现在，是超大规模集成电路年到现在，是超大规模集成电路（VLSI）的时代，芯片中晶体管的数量已）的时代，芯片中晶体管的数量已经从几万，到几十亿。经从几万，到几十亿。 2007年，包含年，包含100亿个晶体管的亿个晶体管的FLASH存储器存储器芯片，开始问世。芯片，开始问世。 请查询最大容量请查询最大容量U盘的容量和价格，体会集成盘的

3、容量和价格，体会集成电路的发展电路的发展二极管与门电路二极管与门电路 二极管与门电路二极管与门电路 若规定：系统中的低电平是逻辑若规定：系统中的低电平是逻辑1，高电平，高电平是逻辑是逻辑0。这样的系统就是。这样的系统就是负逻辑系统负逻辑系统。 在负逻辑下表在负逻辑下表3-2改为：改为：电路实现的是逻辑或门的功能。电路实现的是逻辑或门的功能。正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑 所以，存在着两种逻辑系统：正逻辑系统所以，存在着两种逻辑系统：正逻辑系统和负逻辑系统。和负逻辑系统。 同样一个逻辑电路，在不同的逻辑系统中，同样一个逻辑电路，在不同的逻辑系统中，具有不同的逻辑功能。正逻辑系统中的与具有不同的逻辑

4、功能。正逻辑系统中的与门，在负逻辑系统就是或门。同样，正逻门，在负逻辑系统就是或门。同样，正逻辑系统中的或门，在负逻辑系统中就是与辑系统中的或门，在负逻辑系统中就是与门。门。 同一个电路，在正逻辑系统的的功能和负同一个电路，在正逻辑系统的的功能和负逻辑系统中的功能是逻辑系统中的功能是互为对偶互为对偶。三极管反相器三极管反相器 三极管反相器及其开关等效电路三极管反相器及其开关等效电路 ：输入高电平输入高电平3.0V时，基极电流时，基极电流i b和集电极电流和集电极电流ic为：为：mA54. 0k3 . 4V7 . 0V0 . 3ibmA7 . 4k0 . 1V3 . 0V0 . 5ic只要只要大

5、于大于9电路就是饱和状态，输出低电平电路就是饱和状态，输出低电平输入低电平输入低电平0.3V，晶体管截止，电路输出高电平，晶体管截止，电路输出高电平三极管反相器三极管反相器 反相器的灌电流负载：反相器的灌电流负载： 灌电流负载在三极管饱和时，灌电流负载在三极管饱和时，流入三极管；流入三极管； 灌电流太大，三极管能脱离灌电流太大，三极管能脱离饱和，输出低电平将提高；饱和，输出低电平将提高； 为了保证三极管可靠饱和，为了保证三极管可靠饱和，灌电流负载不能太大；灌电流负载不能太大； 加大集电极电阻，提高饱和加大集电极电阻，提高饱和深度，可以提高灌电流负载。深度，可以提高灌电流负载。 三极管反相器三极

6、管反相器 反相器的拉电流负载：反相器的拉电流负载： 拉电流负载在三极管截止时，拉电流负载在三极管截止时，流出反相器；流出反相器； 拉电流太大，输出高电平将拉电流太大，输出高电平将降低；降低； 为了保证反相器正常输出高为了保证反相器正常输出高电平，拉电流负载不能太大；电平，拉电流负载不能太大； 减小集电极电阻，可以提高减小集电极电阻，可以提高拉电流负载。拉电流负载。 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 TTL与非门：与非门：多发射极管多发射极管T1实现与门功能。实现与门功能。T5是非门。是非门。T3和和T4是非门是非门的负载。的负载。T2给给T5和它的和它的负载提供反相负载提供反相输入信号。输入

7、信号。 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 任一输入为低电平时：任一输入为低电平时：1V三个三个PN结，结，导通需导通需2.1VT2和和T5截止，截止， 输出高电平。输出高电平。 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 所有输入都是高电平所有输入都是高电平3.4V: 1V2.1V三个三个PN结，结，全部导通，全部导通，T2饱和饱和T3和和T4截止，截止，T5饱和，饱和，输出低电平。输出低电平。 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 例例3.2 若与非门的输入没有若与非门的输入没有外接信号。此时用一个电压外接信号。此时用一个电压表测量某一个输入端的电压，表测量某一个输入端的电压，结果等于多少？结果等于

8、多少？ 解：电压表上测出的电压应解：电压表上测出的电压应该是该是T1基极电压减去基极电压减去0.7V：2.1 0.7 = 1.4 电压表显示电压表显示1.4V。 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 例例3.3 如果如果TTL与非门的一与非门的一个输入端接一个可变电阻，个输入端接一个可变电阻，其余输入端开路。问：这个其余输入端开路。问：这个电阻值大于多少时就相当于电阻值大于多少时就相当于接输入高电平？接输入高电平？ 解：解：V4 . 1RRRV7 . 0V514.3R = 1.4(3+R)R = 4.2/2.9 = 1.45k所以，当输入电阻大于所以，当输入电阻大于1.45k时，相当于输入高电平

9、。时，相当于输入高电平。 TTL逻辑门的特性参数逻辑门的特性参数 电压传输特性电压传输特性 Ui小于小于0.6V，T2和和T5截截止，输出高电平止，输出高电平 Ui小于小于1.3V，T2导通，导通，T5截止，输出线性下降截止，输出线性下降 Ui大于大于1.3V，T2T5都导通，很快都导通，很快T4截止，输出截止，输出低电平低电平 输出高电平和输出低电平输出高电平和输出低电平 输入低电平最大值（关门电平）和输入高电平最输入低电平最大值（关门电平）和输入高电平最小值（开门电平）小值（开门电平） 抗干扰能力：抗干扰能力：VNL = VOFF VIL ;VNH = VIH VON TTL逻辑门的特性参

10、数逻辑门的特性参数 输入特性输入特性 高电平输入电流：是由高电平输入电流：是由T1晶体管倒置工作的集晶体管倒置工作的集电极电流，以及其他的电极电流，以及其他的漏电流构成的，电流流漏电流构成的，电流流入入T1，数量很小，数量很小 ，微，微安数量级安数量级 低电平输入电流是从输入端流出到前一级的输出，低电平输入电流是从输入端流出到前一级的输出，形成对于前一级的灌电流负载，数值较大，在毫形成对于前一级的灌电流负载，数值较大，在毫安数量级。安数量级。 TTL逻辑门的特性参数逻辑门的特性参数 输出特性输出特性 高电平输出电流：输出高电平输出电流：输出高电平将随着高电平输高电平将随着高电平输出电流的增加而

11、线性下出电流的增加而线性下降降 低电平输出电流：实际低电平输出电流：实际是灌电流输入，电流增是灌电流输入，电流增大时，输出缓慢增加大时，输出缓慢增加 输出短路电流：输出接地时的输出电流，是一种输出短路电流：输出接地时的输出电流，是一种极限参数。极限参数。 TTL逻辑门的特性参数逻辑门的特性参数 电源特性电源特性 低电平电源电流反映与非门在输出低电平时的电源消低电平电源电流反映与非门在输出低电平时的电源消耗。输出低电平时，耗。输出低电平时，T1的的bc结导通、结导通、T2、T5都是饱都是饱和状态，都有静态电流流过。消耗的电源功率较大。和状态，都有静态电流流过。消耗的电源功率较大。 高电平电源电流

12、反映与非门在输出高电平时的电源消高电平电源电流反映与非门在输出高电平时的电源消耗。输出高电平时，耗。输出高电平时，T1的的be结导通、结导通、T3、T4都是导都是导通状态，在不考虑负载时，流过的电流都不大，消耗通状态，在不考虑负载时，流过的电流都不大，消耗的电源功率较小。的电源功率较小。 在与非门状态转换时，在与非门状态转换时，T4和和T5晶体管同时导通，流过晶体管同时导通，流过的电流较大，消耗功率也大。当与非门工作频率提高的电流较大，消耗功率也大。当与非门工作频率提高时，转换的频度加快，消耗的电源功率也会加大。时，转换的频度加快，消耗的电源功率也会加大。 TTL逻辑门的特性参数逻辑门的特性参

13、数 动态特性：平均传输延迟时间动态特性：平均传输延迟时间 等于高到低传输延迟等于高到低传输延迟tPHL和低到高传输延迟和低到高传输延迟tPLH的算术平均值：的算术平均值： tpd = (tPHL + tPLH) /2其他其他TTL集成门电路集成门电路 抗饱和抗饱和TTL电路电路 增加抗饱和二增加抗饱和二极管限制三极极管限制三极管的饱和深度，管的饱和深度，减少延迟减少延迟 增加增加T6管，为管，为T5由饱和转向由饱和转向截止时，提供截止时，提供基极存储电荷基极存储电荷的有源泄放通的有源泄放通道。道。 用于高速的用于高速的54S/74S系列，以系列，以及及54LS/74LS系列系列 。其他其他TT

14、L集成门电路集成门电路 TTL或非门电路或非门电路 T1A和和T1B是或非是或非门输入门输入 T2A和和T2B构成共构成共发射极电路，发发射极电路，发射极是两个输入射极是两个输入的的“或或”，集电，集电极是两个输入的极是两个输入的“或非或非” 通过通过T5，实现或，实现或非功能非功能 其他其他TTL集成门电路集成门电路 集电极开路门集电极开路门(OC门门) 典型的典型的TTL电路不电路不允许输出并联允许输出并联 OC门的输出级没门的输出级没有负载管，集电极有负载管，集电极是开路的，由此得是开路的，由此得名名 几个几个OC门的输出门的输出是可以并联的是可以并联的集电极开路与非门及逻辑符号集电极开

15、路与非门及逻辑符号 其他其他TTL集成门电路集成门电路 OC门并联后的逻辑功门并联后的逻辑功能能 F1、F2和和F的逻辑功能的逻辑功能用表格来显示：用表格来显示： F=F1F2 一般称为一般称为“线与线与”。 也可以写为：也可以写为： F1F2F000010100111CDABCDAB2F1FF实现对于输入的实现对于输入的“与或非与或非”功功能能其他其他TTL集成门电路集成门电路 TTL三态门三态门 EN=1，二极管，二极管截止，电路按截止，电路按正常逻辑工作正常逻辑工作 EN=0，二极管，二极管导通，导通，T3输入输入低电平，低电平，T4截截止，止，T5也是截也是截止：输出高阻止：输出高阻抗

16、。抗。 三态门电路及其逻辑符号三态门电路及其逻辑符号 其他其他TTL集成门电路集成门电路 三态门是有三种输出状态的逻辑门：逻辑三态门是有三种输出状态的逻辑门：逻辑0，逻辑逻辑1和高阻抗，由使能信号来控制。使能和高阻抗，由使能信号来控制。使能信号可以是高电平有效，也可以是低电平信号可以是高电平有效，也可以是低电平有效有效 几个三态门的输出是可以并联的，但是要几个三态门的输出是可以并联的，但是要求只能有一个三态门的使能信号是有效的求只能有一个三态门的使能信号是有效的 三态门经常用作三态缓冲器三态门经常用作三态缓冲器其他其他TTL集成门电路集成门电路 74LS244八输入缓冲器八输入缓冲器CMOS集

17、成电路集成电路 MOS集成电路有集成电路有NMOS、PMOS、CMOS等许多不同的品种。由于等许多不同的品种。由于CMOS集成电路集成电路的特出的优点。现在实际使用的的特出的优点。现在实际使用的MOS集成集成电路，几乎都是电路，几乎都是CMOS电路。电路。 MOS管分为耗尽型管分为耗尽型MOS管和增强型管和增强型MOS管。管。在数字集成电路中，采用都是增强型在数字集成电路中，采用都是增强型MOS管。管。 增强型增强型MOS管管 必须在栅源之间的电压大于必须在栅源之间的电压大于开启电压时，开启电压时，MOS管才导通。管才导通。CMOS集成电路集成电路 PMOS管的开启电压管的开启电压 UTP 0

18、 。当。当|UGS| |UTP| 时，时，PMOS管才导通。管才导通。 NMOS管的开启电压管的开启电压 UTN0。只有当。只有当UGSUTN 时，时， NMOS管才导通。管才导通。 NMOS管的衬底要接电路中最低电位点，管的衬底要接电路中最低电位点， PMOS管的衬底要接电路中最高电位点。管的衬底要接电路中最高电位点。 CMOS反相器反相器 TN是是NMOS管，是反相器的驱管，是反相器的驱动管。动管。TP是是PMOS管，是反相器管，是反相器的负载管。的负载管。 当输入当输入ui=0V时，时，TP管导通，故管导通，故TN管截止。输出管截止。输出uo等于高电平等于高电平VDD 。 当当ui= V

19、DD 时，时，TP管截止，管截止，TN管管导通，输出导通，输出uo等于低电平等于低电平0V。 电路实现了反相器的功能。电路实现了反相器的功能。 CMOS反相器反相器 电压传输特性电压传输特性 输出高电平接近输出高电平接近VDD，输出低电平接近输出低电平接近0V，输，输出信号幅度大。出信号幅度大。 状态转换发生在输入等状态转换发生在输入等于约于约VDD/2。 最大输入低电平最大输入低电平VILmax较大，最小输入高电平较大，最小输入高电平VIHmin较小，所以抗干较小，所以抗干扰能力较强。扰能力较强。 CMOS反相器反相器 电源特性电源特性 CMOS反相器处于静止反相器处于静止状态时，流过反相器

20、的状态时，流过反相器的电流近似等于电流近似等于0。 在状态转换时，两个管在状态转换时，两个管子都会导通，有瞬时的子都会导通，有瞬时的大电流流过，动态功耗大电流流过，动态功耗较大：较大： PD = CPDUDD2 fi 动态功耗随工作频率增大而增大。动态功耗随工作频率增大而增大。其他其他CMOS逻辑电路逻辑电路 CMOS与非门与非门 电路分析可以用表格表示：电路分析可以用表格表示：电路实现与非逻辑，是与非门。电路实现与非逻辑，是与非门。其他其他CMOS逻辑电路逻辑电路 CMOS或非门或非门 电路分析可以用表格表示：电路分析可以用表格表示：电路实现或非逻辑，是电路实现或非逻辑，是CMOS或非门。或

21、非门。其他其他CMOS逻辑电路逻辑电路 一般的一般的CMOS逻辑门逻辑门 由一个由一个PMOS网络和一个网络和一个NMOS网络连接而成。两个网网络连接而成。两个网络的连接点是电路的输出。络的连接点是电路的输出。 NMOS网络中，网络中，NMOS管串联管串联实现逻辑实现逻辑“与与”的功能，的功能，NMOS管并联实现逻辑管并联实现逻辑“或或”的功能。的功能。 PMOS网络中，网络中，PMOS管的串管的串联对应逻辑联对应逻辑“或或”的功能，的功能，PMOS管的并联对应逻辑管的并联对应逻辑“与与”的功能。的功能。 同一个输入信号要连接到相应同一个输入信号要连接到相应的的NMOS管和管和PMOS管。管。

22、 整个网络还要实现逻辑整个网络还要实现逻辑“非非”功能。功能。其他其他CMOS逻辑电路逻辑电路 CMOS异或门异或门 先对异或函数求反：先对异或函数求反： NMOS网络中，应该是两个网络中，应该是两个NMOS管的串联，再由两个这管的串联，再由两个这样的串联电路的并联样的串联电路的并联 PMOS网络中，应该是两个网络中，应该是两个PMOS管的并联，再由两个这管的并联，再由两个这样的并联电路的串联样的并联电路的串联 两个网络的连接点输出异或函两个网络的连接点输出异或函数数Y。ABBA)BA)(BA(Y其他其他CMOS逻辑电路逻辑电路 CMOS三态门三态门 CMOS三态门的电路形式可三态门的电路形式

23、可以有多种。以有多种。 如图是一个高电平控制的三如图是一个高电平控制的三态门。当使能输入态门。当使能输入EN是低是低电平时，与非门电平时，与非门G1输出输出1，或非门或非门G2输出输出0，使得，使得PMOS管管TP和和NMOS管管TN都都截止，输出高阻抗。而当截止，输出高阻抗。而当EN是高电平时，不会对是高电平时，不会对G1和和G2的输出产生影响，的输出产生影响，F =A。实现了三态同相缓冲。实现了三态同相缓冲器的逻辑要求。器的逻辑要求。 其他其他CMOS逻辑电路逻辑电路 CMOS 传输门传输门 CMOS传输门是由一传输门是由一个个PMOS管和一个管和一个NMOS管并联而构成管并联而构成 CM

24、OS传输门相当于传输门相当于一个可控的开关。由一个可控的开关。由栅极的控制信号决定栅极的控制信号决定开关是断开还是接通。开关是断开还是接通。而且由于而且由于MOS管源极管源极和漏极的对称性，开和漏极的对称性，开关的传输可以是双向关的传输可以是双向的。的。 ECL集成电路集成电路 ECLECL也是一种双极型晶体三极管逻辑电路。也是一种双极型晶体三极管逻辑电路。 它和它和TTLTTL逻辑电路不同之处是：逻辑电路不同之处是：ECLECL所含的所含的三极管只工作在截止区和临界饱和区。因三极管只工作在截止区和临界饱和区。因而三极管的基区没有多余的存储电荷，所而三极管的基区没有多余的存储电荷，所以三极管没有存储时间以三极管没有存储时间; ;且电路的输入、输且电路的输入、输出逻辑振幅小，从而进一步提高了逻辑电出逻辑振幅小，从而进一步提高了逻辑电路的开关速度。路的开关速度。 是当前速度最快的逻辑电路。是当前速度最快的逻辑电路。 ECL集成电路集成电路 基本基本ECL电路电路 |图中图中VTVT1 1、VTVT2 2组成差分放大器，其中组成差分放大器，其中VTVT1A1A、VTVT1B1B并并联电路完成线联电路完成线“或或”逻辑功能逻辑功能; VT; VT3 3、R R3 3和和VTVT4 4、R R4 4是两