西电数电集成逻辑门

1、1获得高低电平的原理l 输入信号Ui晶体管起到开关S的作用：l 开关S断开时，输出电压UO为高电平；l 开关S导通时，输出电压UO为低电平；输入 输出电压的高低电平都是一个范围4Copyright by Gang Jin数字集成电路的分类按集成度3Copyright by Gang Jin名称缩写元件集成度等效门实例小规模集成电路(Small Scale Integration)SSI10100个1020个逻辑门 触发器等中规模集成电路(Medium Scale Integration)MSI1001000个20100个译码器 MUX加法器 计数器大规模集成电路(Large Scale Int

2、egration)LSI1000100000个1001000个RAM ROM 微处理器 单片机 DSP ASIC等超大规模集成电路(Large Scale Integration)VLSI100000个以上1000个以上3.1 数字集成电路的分类按有源器件ìì晶体管-晶体管逻辑(Transistor - Transistor Logic，TTL)ïïïïï双极型晶体管集成电路í射级耦合逻辑(Emitter Coupled Logic，ECL)ïïïïïï&

3、#238;集成注入逻辑(Integerated Injection Logic，I 2 L)íïïïïìNMOSï金属氧化物半导体(MOS )场效应管集成电路ïPMOSïíïîïCMOSî2Copyright by Gang Jin数字电子技术基础第3章 集成逻辑门23.2 TTL集成逻辑门l TTL反相器l TTL与非门l TTL三态门8Copyright by Gang Jin双极型三极管的开关等效电路截止时饱和导通时7Copyright by Gan

4、g Jin双极型三极管的开关特性l 双极型三极管在数字电路中用作开关，主要处于截止 饱和两个状态。l 适当调整RB和RC的阻值，可以使得三极管：Ui为低电iB=0，三极管截止，输出电压Uo为低电平；（输出特性曲线中A点） Ui为高电iB>0，当RB和RC为合适阻值时，RC上压降近乎等于UCC，UCE较小， 三极管饱和导通，输出电压Uo为低电平；（输出特性曲线中C点）输入特性曲线输出特性曲线三极管用作开关（反相器）6Copyright by Gang Jin二极管、三极管逻辑门二极管与门二极管或门三极管非门5Copyright by Gang Jin截33.2.4 三态门l G为低电：止，

5、G对上部电路无影响，F=1， A BVD1F与非逻辑。l G为高电F=0，VD1导通止，F反馈到呈现高阻状态，：，UC2被钳制在1V，V4截 V1发射极使V5都截止，输出端相当于悬空或断路状态。FCopyright by Gang JinGAB1××高阻0001001101010110TTL与非门的工作原理（续）l 输入全为高电：V1发射结截止，V1基级电压UB1=Ubc1+Ube2+Ube5=2 1V，V2 V5导通，从而UC2=UBE5+UCES1V ，V3导通，V3发射极电压UE3=UC2-UBE30 3V，V4截止，输出为低电平。l 输入至少有一个为低电：V1发射结

6、导通，UB1=0 9V，通过集电结作用到V2上时使V2 V5截止，UC2UCC，从而使V3 V4导通，输出为高电平。11 输入级 中间级 输出级Copyright by Gang Jin3.2.2 TTL与非门的工作原理10Copyright by Gang JinTTL反相器工作原理l 输入低电，即Ui=UIL=0.2V0： T1发射结导通，UB1=0.9V，通过集电结作用到T2上时使T2截止，从而使T4导通、T5截止，输出为高电平。l 输入高电，即Ui=UIHUCC： T1发射结截止，T1基级电压应为UB1=Ubc1+Ube2+Ube5=2.1V，T2、T5导通，从而UC2=UBE5+UC

7、ES1V ，无法使T4、D2导通，输出为低电平。9Copyright by Gang Jin4MOS场效应管开关原理MOS FET 简化开关特性：l NMOS： VGSVTn，NMOS导通； 否则，NMOS截止。l PMOS：|VGS|VTp|，PMOS导通； 否则，PMOS截止。16Copyright by Gang Jin3.3 MOS集成逻辑门l MOS集成逻辑门是采用半导体场效应管作为开关元件的数字集成电路。l MOS集成电路分为PMOS、NMOS、CMOS三种类型。l 优缺点：工作速度快、集成度高但带电容性负载的能力弱。l 应用：适于设计大规模集成电路，如：器、微处理器等；不适于制成

8、通用逻辑门电路。l CMOS电路意为互补MOS电路（Complementary M-Oxide Semiconductor）。15Copyright by Gang Jin三态门的应用l 在公用通道（总线）上轮流传送信息l 实现输入输出双向传输端口输入输出G=1G=014Copyright by Gang Jin三态门的图形符号低电平有效：高电平有效：三态缓冲门三态倒三态与门三态与非门13Copyright by Gang Jin5CMOS反相器主要特性电流特性l AB段：V1截止，阻抗很高，流过V1、V2的漏电流几乎为0 。l CD段：V2截止，阻抗很高，流过V1、V1的漏电流也几乎为0 。

9、l BC段：V1、V2均导通，此时才有iD流过V1、V2 ，且在UIUDD/2附近， iD最大。20Copyright by Gang JinCMOS反相器主要特性电压特性l AB段：UI<UTN（输入低电，UGS1<UTN、|UGS2|>|UTP|，V1 截止、V2导通，UO=UOHUDD（输出高电平）。l CD段：UI> UDD |UTP|（输入高电， V1导通，而|UGS2|<|UTP| ， 故V1截止，UO=UOL0（输出低电平）。l BC段：UTN < UI < (UDD |UTP|)， V1、V2均导通，UOUDD/2。19Copyrigh

10、t by Gang JinCMOS反相器电路分析l 当UI=UIL0时，UGS1=0<UTN，V1截止；此时，|UGS2|>|UTP|，V2导通（此时内阻很低）；所以UO=UOHUDD，输出为高电平；l 当UI=UIHUDD时，UGS1=UDD > UTN，V1导通；此时，|UGS2|=0 < |UTP|，V2截止；所以UO=UOL0，输出为低电平；l CMOS反相器工作有一个管子截止，截止阻抗极高，此时静态电流很小，因此反相器静态功耗低。18Copyright by Gang Jin3.3.1 CMOS反相器l 电路结构与工作原理：1由两个场效应管组成，V1为N管，称

11、驱动管；V2为P管，称负载管。2. N管栅源开启电压UTN为正值；P栅源开启电压UTP是负值；电压范围25伏。3电源电压UDD>(UTN + | UTP|)，UDD可在318V之间工作，范围较宽。17Copyright by Gang Jin6CMOS复合逻辑电路l CMOS复合逻辑门：利用N管和P管的不同连接关系，任意复合逻辑门。将任意逻辑函数F变换成F = G的形式， 则对逻辑函数G按下列方法：ì对NMOS：与运算对应串连，或运算对应并联；íî对PMOS：与运算对应并连，或运算对应串联；再将NMOS和NMOS连接起来即可得到F的CMOS逻辑电路24Cop

12、yright by Gang Jin3.3.2 CMOS逻辑门或非门l CMOS或非门注：此时的导通和截至只考虑栅极电压的影响， 不考虑晶体管连接关系。23Copyright by Gang JinABV1V2V3V4VFF00截止 截止 导通 导通VDD101导通 截止 导通 截止GND010截止 导通 截止 导通GND011导通 导通 截止 截止GND03.3.2 CMOS逻辑门与非门l 在CMOS反相器的基础上可以各种CMOS逻辑门。l 以与非门和或非门为例：注：此时的导通和截至只考虑栅极电压的影响， 不考虑晶体管连接关系。22Copyright by Gang JinABV1V2V3V

13、4VFF00截止 截止 导通 导通VDD101导通 截止 导通 截止VDD110截止 导通 截止 导通VDD111导通 导通 截止 截止GND0CMOS电路主要特点l 静态功耗低。工作有一个MOS管处于截止状态，此时漏电流极小，因此静态功耗低。l 能力强：过渡区变化陡峭，低电平和高电平噪声容限近似相等（0.45UDD）。l 电源电压工作范围宽，电源利用率高。标准CMOS电路电源电压可在318V范围内工作。21Copyright by Gang Jin73.3.3 CMOS传输门传输门电路图传输门图形符号C为0V，C为VDD时，UI 在0 VDD范围内变化时，V1、V2截止，传输门高阻；C为VD

14、DV，C为0时，UI 在0 VDD范围内变化时，V1、V2至少有一个导通，传输门导通；传输门属于双向器件，输入端和输以互换使用； 传输门主要用作开关器件来使用。28Copyright by Gang JinNMOS和PMOS电路NMOS电路PMOS电路27Copyright by Gang JinCMOS复合逻辑电路例（续）画出逻辑函数F = (a + b) × (a + c) × (b + d )的CMOS电路图。bcd方法二：F = (a + b) × (a + c) × (b + d )ab= (a + (b × c) × (b + d )dbbaF = (a + (b × c) × (b + d )c26Copyright by Gang JinCMOS复合逻辑电路例画出逻辑函数F = (a + b) × (a + c)