第3章逻辑门-1

1、第第3章章 逻辑门逻辑门 第第3章章 逻辑门逻辑门 3.1 MOS管的开关特性管的开关特性 3.2 COMS门电路门电路3.3 双极型半导体二极管和三极管的双极型半导体二极管和三极管的开关特性开关特性 3.4 TTL门电路门电路第第3章章 逻辑门逻辑门 补：半导体基础知识补：半导体基础知识第第3章章 逻辑门逻辑门 半导体基础知识（半导体基础知识（1）本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。常用：硅Si，锗Ge两种载流子两种载流子第第3章章 逻辑门逻辑门 半导体基础知识（半导体基础知识（2）杂质半导体N型半导体多子：自由电子少子：空穴第第3章章 逻辑门逻辑门 半导体基础知识（半导体基础知识（2）

2、杂质半导体P型半导体多子：空穴少子：自由电子第第3章章 逻辑门逻辑门 半导体基础知识（半导体基础知识（3）PN结的形成空间电荷区（耗尽层）扩散和漂移第第3章章 逻辑门逻辑门 半导体基础知识（半导体基础知识（4）PN结的单向导电性外加正向电压第第3章章 逻辑门逻辑门 半导体基础知识（半导体基础知识（4）PN结的单向导电性外加反向电压第第3章章 逻辑门逻辑门 半导体基础知识（半导体基础知识（5）PN结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区qnkTVeIiTVVST)(1K:波耳兹曼常数波耳兹曼常数T:热力学温度热力学温度q: 电子电荷电子电荷第第3章章 逻辑门逻辑门 3.1 MOS管的开关特性管

3、的开关特性 3.1.1 TTL门电路 TTL门电路由双极型三极管构成,它的特点是速度快、抗静电能力强、集成度低、功耗大,目前广泛应用于中、小规模集成电路中。TTL门电路有74（商用）和54（军用）两大系列,每个系列中又有若干子系列,例如，74系列包含如下基本子系列：第第3章章 逻辑门逻辑门 74:标准TTL(Standard TTL)。74H:高速TTL(Highspeed TTL)。74S:肖特基TTL(Schottky TTL)。74AS:先进肖特基TTL(Advanced Schottky TTL)。74LS:低功耗肖特基TTL(Lowpower Schottky TTL)。74ALS:

4、先进低功耗肖特基TTL(Advanced Lowpower Schottky TTL)。第第3章章 逻辑门逻辑门 54系列和74系列具有相同的子系列,两个系列的参数基本相同,主要在电源电压范围和工作环境温度范围上有所不同,54系列适应的范围更大些,如表21所示。不同子系列在速度、功耗等参数上有所不同。TTL门电路采用5V电源供电。 表21 54系列与74系列的比较 系列 电源电压/V 环境温度/54 4.55.5 -55+125 74 4.755.25 070第第3章章 逻辑门逻辑门 2.1.2 CMOS门电路 CMOS门电路由场效应管构成,它的特点是集成度高、功耗低、速度慢、抗静电能力差。虽

5、然TTL门电路由于速度快和更多类型选择而流行多年,但CMOS门电路具有功耗低、集成度高的优点,而且其速度已经获得了很大的提高,目前已可与TTL门电路相媲美。因此，CMOS门电路获得了广泛的应用,特别是在大规模集成电路和微处理器中目前已经占据支配地位。第第3章章 逻辑门逻辑门 从供电电源区分,CMOS门电路有5VCMOS门电路和3.3VCMOS门电路两种。3.3VCMOS门电路是最近发展起来的,它的功耗比5VCMOS门电路低得多。同TTL门电路一样,CMOS门电路也有74和54两大系列。 74系列5VCMOS门电路的基本子系列如下： 74HC和74HCT:高速CMOS(Highspeed CMO

6、S),T表示和TTL直接兼容。第第3章章 逻辑门逻辑门 74AC和74ACT:先进CMOS(Advanced CMOS)。74AHC和74AHCT:先进高速CMOS(Advanced Highspeed CMOS)。74系列3.3VCMOS门电路的基本子系列如下：74LVC:低压CMOS(Lowvoltage CMOS)。74ALVC:先进低压CMOS(Advanced Lowvoltage CMOS)。第第3章章 逻辑门逻辑门 2.1.3 数字集成电路的品种类型 每个系列的数字集成电路都有很多不同的品种类型,用不同的代码表示,例如: 00:4路2输入与非门 02:4路2输入或非门 08:4路

7、2输入与门 10:3路3输入与非门 20:双路4输入与非门 27:3路3输入或非门 32:4路2输入或门 86:4路2输入异或门第第3章章 逻辑门逻辑门 具有相同品种类型代码的逻辑电路,不管属于哪个系列,它们的逻辑功能相同,引脚也兼容。 例如,7400,74LS00,74ALS00,74HC00,74AHC00都是引脚兼容的4路2输入与非门封装,引脚排列和逻辑图如图21所示。第第3章章 逻辑门逻辑门 图21 4路2输入与非门引脚排列和逻辑图 141312111098VCC&234567GND&1第第3章章 逻辑门逻辑门 2.1.4 数字集成电路的性能参数和使用 1.数字集成电路的性能参数 数字

8、集成电路的性能参数主要包括：直流电源电压、输入/输出逻辑电平、扇出系数、传输延时、功耗等。第第3章章 逻辑门逻辑门 1)直流电源电压UCC 一般TTL电路的直流电源电压为5V,最低4.5V,最高5.5V。CMOS电路的直流电源电压有5V和3.3V两种。CMOS电路的一个优点是电源电压的变化范围比TTL电路大,如5VCMOS电路当其电源电压在26V范围内时能正常工作,3.3VCMOS电路当其电源电压在23.6V范围内时能正常工作。第第3章章 逻辑门逻辑门 2) 输入/输出逻辑电平 数字集成电路有如下四个不同的输入/输出逻辑电平参数: 低电平输入电压UIL:能被输入端确认为低电平的电压范围。 高电

9、平输入电压UIH:能被输入端确认为高电平的电压范围。 低电平输出电压UOL:正常工作时低电平输出的电压范围。 高电平输出电压UOH:正常工作时高电平输出的电压范围。第第3章章 逻辑门逻辑门 图22和图23分别给出了TTL电路和CMOS电路的输入/输出逻辑电平。当输入电平在UIL(max)和UIH(min)之间时,逻辑电路可能把它当作0,也可能把它当作1，而当逻辑电路因所接负载过多等原因不能正常工作时,高电平输出可能低于UOH(min),低电平输出可能高于UOL(max)。第第3章章 逻辑门逻辑门 图22 标准TTL电路的输入/输出逻辑电平 逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输入5 V2 V0.8

10、 V0 VUIHUILUIH(min)UIL(max)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输出5 V2.4 V0.4 V0 VUOHUOLUOH(min)UOL(max)第第3章章 逻辑门逻辑门 3)扇出系数 扇出系数指在正常工作范围内,一个门电路的输出端能够连接同一系列门电路输入端的最大数目。扇出系数越大,门电路的带负载能力就越强。一般来说,CMOS电路的扇出系数比较高。计算公式为扇出系数= OHOLIHILIIII第第3章章 逻辑门逻辑门 图23 CMOS电路的输入/输出逻辑电平(a)5VCMOS电路;(b)3.3VCMOS电路逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输入5 V3.5 V1.5 V0

11、VUIHUILUIH(min)UIL(max)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输出5 V4.4 V0.33 V0 VUOHUOLUOH(min)UOL(max)(a)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输入3.3 V2 V0.8 V0 VUIHUILUIH(min)UIL(max)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输出3.3 V2.4 V0.4 V0 VUOHUOLUOH(min)UOL(max)(b)第第3章章 逻辑门逻辑门 其中,IOH为高电平输出电流;IIH为高电平输入电流;IOL为低电平输出电流;IIL为低电平输入电流。 例如,从74LS00与非门的参数表中可以查到,IOH=0.4mA,II

12、H=20A,IOL=8mA,IIL=0.4mA,因此:扇出系数= 400820200.4 这说明一个74LS00与非门的输出端能够连接74LS系列门电路（不一定是与非门）最多20个的输入端,如图24所示。 第第3章章 逻辑门逻辑门 图24 74LS系列门电路的扇出系数和带负载能力 (a)低电平输出时;(b)高电平输出时&0.4 mA10.4 mA10.4 mA 最多20个输入，否则，输出会超出正常低电平范围10.4 mA&0.4 mA(a)8 mA&11&20 A11 最多20个输入，否则，输出会超出正常高电平范围1&(b)0.4 mA&0120 A20 A20 A20 A第第3章章 逻辑门逻

13、辑门 4)传输延时tP 传输延时tP指输入变化引起输出变化所需的时间,它是衡量逻辑电路工作速度的重要指标。传输延时越短,工作速度越快,工作频率越高。tPHL指输出由高电平变为低电平时,输入脉冲的指定参考点（一般为中点）到输出脉冲的相应指定参考点的时间。tPLH指输出由低电平变为高电平时,输入脉冲的指定参考点到输出脉冲的相应指定参考点的时间。标准TTL系列门电路典型的传输延时为11ns;高速TTL系列门电路典型的传输延时为3.3ns。HCT系列CMOS门电路的传输延时为7ns;AC系列CMOS门电路的传输延时为5ns;ALVC系列CMOS门电路的传输延时为3ns。第第3章章 逻辑门逻辑门 5)功

14、耗PD 逻辑电路的功耗PD定义为直流电源电压和电源平均电流的乘积。一般情况下,门电路输出为低电平时的电源电流ICCL比门电路输出为高电平时的电源电流ICCH大。CMOS电路的功耗较低,而且与工作频率有关(频率越高功耗越大)；TTL电路的功耗较高,基本与工作频率无关。第第3章章 逻辑门逻辑门 2.数字集成电路的使用 1)类型选择 设计一个复杂的数字系统时,往往需要用到大量的门电路。应根据各个部分的性能要求选择合适的门电路,以使系统达到经济、稳定、可靠且性能优良。在优先考虑功耗,对速度要求不高的情况下,可选用CMOS电路；当要求很高速度时,可选用ECL电路；由于TTL电路速度较高、功耗适中、使用普遍,所以在无特殊要求的情况下,可选用TTL电路。表22给出了常用的TTL、ECL、CMOS电路的主要性能参数比较。第第3章章 逻辑门逻辑门 表22 常用系列门电路主要性能参数比较TTLECLCMOS功耗 中 大小传输延时 中小大抗干扰能力 中弱强系列 参数 第第3章章 逻辑门逻辑门 2) TTL门电路和CMOS门电路的连接 我们知道,TTL门电路和CMOS门电路是两种不同类型的电路,它们的参数并不完全相同。因此,在一个数字系统中,如果同时使用TTL门电路