第4次课_与非门及外特征

1、清华大学计算机系清华大学计算机系陶品陶品办公室办公室：FIT 3FIT 3531 531 （6277 2129 6277 2129 ） 数字逻辑电路数字逻辑电路 ( (20132013级级本科生课程本科生课程) )第三章第三章 组合逻辑电路组合逻辑电路23.1 3.1 引言引言3.2 3.2 门电路门电路3.3 3.3 常用的中规模组合逻辑电路常用的中规模组合逻辑电路3.4 3.4 运算器与运算器与ALUALU3.5 3.5 组合逻辑电路中的竞争与冒险组合逻辑电路中的竞争与冒险问题问题3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（1 1）33.1 3.1 引言引言p组合逻辑的概念组合逻辑的概念p

2、组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的特点p典型的组合逻辑电路典型的组合逻辑电路p集成电路的分类集成电路的分类p集成电路发展历史集成电路发展历史3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（2 2）43.1 3.1 引言引言p组合逻辑的概念组合逻辑的概念p组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的特点p典型的组合逻辑电路典型的组合逻辑电路p集成电路的分类集成电路的分类p集成电路发展历史集成电路发展历史3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（3 3）5n组合逻辑的概念：组合逻辑的概念：组合逻辑函数的输出状态取决于所有输入状态的“逻辑组合”，如与非、与或逻辑等。n组合逻辑电路：组合逻辑电路：实现组合逻辑函数的电

3、路称为“组合逻辑电路”，是主要的一类数字逻辑电路。另一类数字逻辑电路是“时序逻辑电路”。组合与时序电路构成了数字逻辑电路的基础。3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（4 4）63.1 3.1 引言引言p组合逻辑的概念组合逻辑的概念p组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的特点p典型的组合逻辑电路典型的组合逻辑电路p集成电路的分类集成电路的分类p集成电路发展历史集成电路发展历史3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（5 5）7n组合逻辑电路的特点：组合逻辑电路的特点：p电路的输出只是和输入的当前状态有关，电路的输出只是和输入的当前状态有关，和过去的状态无关和过去的状态无关。p区别于时序电路：区

4、别于时序电路：和过去的状态有关和过去的状态有关。3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（6 6）8abca理想情况：门电路没有延迟t0t1t2t3组合逻辑：电路的输出只是和当组合逻辑：电路的输出只是和当前状态有关，和过去的状态无关。前状态有关，和过去的状态无关。c = a & bbc3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（7 7）9pDt实际情况：门电路存在延迟pDtabcac = a & bbcpDt3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（8 8）10abcabcpHLtpLHt实际情况：门电路存在延迟前沿延迟与后沿延迟不相等3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑

5、引言（9 9）113.1 3.1 引言引言p组合逻辑的概念组合逻辑的概念p组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的特点p典型的组合逻辑电路典型的组合逻辑电路p集成电路的分类集成电路的分类p集成电路发展历史集成电路发展历史3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（1010）12n典型的组合逻辑电路典型的组合逻辑电路p门电路（门电路（GatesGates）p译码器（译码器（DecodersDecoders）和编码器）和编码器（EncodersEncoders）p数据选择器（数据选择器（MultiplexerMultiplexer）p加法器（加法器（AddersAdders）p奇偶校验器奇偶校验器 p算术

6、算术逻辑单元逻辑单元 (ALU(ALU：Arithmetic Logic Arithmetic Logic Units Units ) )3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（11 11）133.1 3.1 引言引言p组合逻辑的概念组合逻辑的概念p组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的特点p典型的组合逻辑电路典型的组合逻辑电路p集成电路的分类集成电路的分类p集成电路发展历史集成电路发展历史3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（1212）14n集成电路的分类集成电路的分类p按功能分：按功能分：l模拟电路：也叫线性电路，如通信电路l数字电路：从门电路到微处理器、存储器等多种p按半导体制造工艺

7、：按半导体制造工艺：lTTL：（也叫双极型，TTL,LTTL,STTL,LSTTL,ECL)lMOS：(PMOS,NMOS,CMOS,BiCMOS)p按封装（外形）分：按封装（外形）分：l双列直插l表面封装lBGA(Ball Grid Array)lPLCC，等等p按集成规模按集成规模分：分：l小、中、大、超大、甚大规模集成电路.3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（1313）15n两两大类工艺技术的特点：大类工艺技术的特点：n目前常用器件的目前常用器件的工艺工艺: :pCMOSCMOS（互补金属氧化物半导体）（互补金属氧化物半导体） 速度速度 功耗功耗集成度集成度 TTL(晶体管晶体管

8、逻辑）晶体管晶体管逻辑） 快快 大大 低低 MOS（金属氧化物半导体）（金属氧化物半导体） 慢慢 小小 高高163.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（1414）173.1 3.1 引言引言p组合逻辑的概念组合逻辑的概念p组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的特点p典型的组合逻辑电路典型的组合逻辑电路p集成电路的分类集成电路的分类p集成电路发展历史集成电路发展历史3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（1515）18n集成电路发展历史集成电路发展历史p“集成电路” (Integrated Circuit：IC)是相对“分立原件”而言的，是所有以半导体工艺将电路集成到一块芯片的器件总称。p半导

9、体制造工艺的发展带动了集成电路的更新换代。pVLSI（超大规模集成电路)时代存储器件制造工艺带动了整个微处理器的更新换代。更新换代。没有没有ICIC制造工艺发展就没有现代计算机。制造工艺发展就没有现代计算机。3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（1616）19n集成电路集成度定律：集成电路集成度定律：p摩尔定律：单个芯片集成度每18个月翻一翻p集成电路内部的连线宽度是主要的指标: 0.8 m, 0.35 m, 0.25m, 0.18m,0.13 m . 3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（1717）20n按规模分：按规模分：p小规模集成电路（小规模集成电路（SSI SSI ：Sm

10、all Scale IC Small Scale IC ） p中规模集成电路中规模集成电路（MSIMSI：Medium Scale IC Medium Scale IC ）p大规模集成电路大规模集成电路（LSILSI：Large Scale IC Large Scale IC ）p超大规模集成电路超大规模集成电路（VLSIVLSI：Very large Very large Scale IC Scale IC ）p甚甚大规模集成电路（大规模集成电路（ULSIULSI：Ultra large Ultra large Scale IC Scale IC ）3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言

11、（1818）21（1 1） Small Small Scale Scale ICIC（SSISSI） 小规模小规模 IC 1965IC 1965年年 规模：规模： 1212个个门门/ /片电路以下片电路以下 主要产品：主要产品： 门电路门电路 触发器触发器（Flip Flip FlopFlop） 3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（1919）22（2 2） Medium Scale IC Medium Scale IC （MSIMSI） 中规模中规模 IC 1970IC 1970年年 规模：规模：12129999个个门门/ /片片 主要产品：逻辑功能部件主要产品：逻辑功能部件 4 4位

12、位ALUALU（8 8位寄存器）位寄存器） 3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（2020）23（3 3）Large Scale IC Large Scale IC （LSILSI） 大规模大规模 IC 1976IC 1976年年 规模：规模：10010099999999个个门门/ /片片 主要产品：规模更大的功能部件主要产品：规模更大的功能部件 存储器存储器，8 8位位CPUCPU3.1 3.1 组合逻辑引言（组合逻辑引言（2121）24（4 4）Very large Scale IC Very large Scale IC （VLSIVLSI） 超超大规模大规模 IC 80IC 80

13、年代初年代初 规模规模： 10,000-99,99910,000-99,999门门（5 5）Ultra large Scale IC Ultra large Scale IC （ULSIULSI） Giga Giga Scale IC (GSI)Scale IC (GSI) 甚甚大大( (极大）规模极大）规模ICIC ，现代，现代 规模规模： 1,000,0001,000,000门以上门以上130nm25随着芯片技术的随着芯片技术的发展，芯片特征发展，芯片特征尺寸及制作工艺尺寸及制作工艺不断缩小，芯片不断缩小，芯片集成度大大增加集成度大大增加微观效应越发凸微观效应越发凸显，芯片的显，芯片的延迟

14、延迟以及以及漏功耗不断漏功耗不断增大，影响芯片增大，影响芯片的性能的性能90nm45nm20-30nm集成度、规模不断集成度、规模不断增加，芯片的设计增加，芯片的设计面临着很大的困难面临着很大的困难26三维集成技术 三维 (Three-dimensional )集成芯片技术 使得摩尔定律得以延续 在垂直方向实现芯片层的互连，能够很好的减小线长，增加集成密度，提高芯片性能 存在形式263D SiP3D SOC综合集成27 新型的互连模式NoC(Network-on-chip) 将网络技术引入芯片中，通过“网络”实现互连 异构性、互连性、可扩展性等特点，能够简化互连复杂度，优化系统性能 NoC扩展

15、到3D NoC，可以大大提高芯片性能，具有很好的研究前景三维集成芯片网络三维集成技术三维集成芯片的挑战三维集成芯片的挑战28 三维集成面临的最大的问题就是高功耗 电力资源的浪费 严重的热问题 热区域会改变元件的属性，降低系统性能，甚至会烧毁元件 延迟问题 高功耗使得元件以及通信延迟增大 系统可靠性 系统功耗是影响三维集成芯片性能的关键因素低功耗设计成为三维芯片设计的重要环节29功耗低功耗优化的研究物理设计布图规划布局及布线高层级动态电压调节动态任务调度硬件级TSV热传导技术流通道技术各各类封装类封装30n安装半导体集成电路芯片用的外壳，起安装半导体集成电路芯片用的外壳，起着安放、固定、密封、保

16、护芯片和增强着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的电热性能的作用作用。n沟通沟通芯片内部世界与外部电路的芯片内部世界与外部电路的桥梁桥梁p芯片芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接其他器件建立连接。n封装封装对对CPUCPU和其他和其他LSILSI集成电路都起着重集成电路都起着重要的作用要的作用31nDIPDIP双列直插式封装双列直插式封装nPGAPGA插针网格阵列插针网格阵列封装封装nBGABGA球栅阵列球栅阵列封装封装nCSPCSP芯片尺寸芯片尺寸封装封装nMCMMC

17、M多芯片多芯片模块模块n还有还有PLCCPLCC等多种封装等多种封装3.1 3.1 组合逻辑引言组合逻辑引言小结小结323.1 3.1 引言引言p组合逻辑的概念组合逻辑的概念p组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的特点p典型的组合逻辑电路典型的组合逻辑电路p集成电路的分类集成电路的分类p集成电路发展集成电路发展历史，工艺带动历史，工艺带动ICIC发展，发展，p当集成度提高，功耗、散热、封装等要认当集成度提高，功耗、散热、封装等要认真考虑真考虑第三章第三章 组合逻辑电路组合逻辑电路333.1 3.1 引言引言3.2 3.2 门电路门电路3.3 3.3 常用的中规模组合逻辑电路常用的中规模组合逻辑电路3

18、.4 3.4 运算器与运算器与ALUALU3.5 3.5 组合逻辑电路中的竞争与冒险组合逻辑电路中的竞争与冒险问题问题3.2 3.2 门电路（门电路（1 1）343.2 3.2 门电路门电路p门电路的基本知识门电路的基本知识p典型与非门电路结构典型与非门电路结构p与非门电路的外部特性与级连与非门电路的外部特性与级连p集电极开路（集电极开路（OCOC）与非门）与非门p三态门三态门3.2 3.2 门电路（门电路（2 2）353.2 3.2 门电路门电路p门电路的基本知识门电路的基本知识p典型与非门电路结构典型与非门电路结构p与非门电路的外部特性与级连与非门电路的外部特性与级连p集电极开路（集电极开

19、路（OCOC）与非门）与非门p三态门三态门3.2 3.2 门电路（门电路（3 3）36n门电路构成数字逻辑电路的基本元件门电路构成数字逻辑电路的基本元件n门电路一般包括：门电路一般包括：p非门（也称反相器）非门（也称反相器）p与门与门p与非门与非门p或门或门p或非门或非门p与或非门与或非门 .AFAFBAFBAFBAFBAFBAF+BAFBAF+BAF+ABFCDDCBAF3.2 3.2 门电路（门电路（4 4）373.2 3.2 门电路（门电路（5 5）38n实际的与非门器件实际的与非门器件1714874LS0074LS002 2输入输入4 4与非门与非门1714874LS3074LS308

20、 8输入与非门输入与非门 Dual-in-line PackagePlastic or ceramic casingTop viewMetal pinsPin numbers3.2 3.2 门电路（门电路（6 6）n门电路的一些应用门电路的一些应用p用用与非门与非门实现封锁电路（由实现封锁电路（由C C控制）控制）101FCPFC101FCABFC40PCFABFC3.2 3.2 门电路（门电路（7 7）41n门电路的一些应用门电路的一些应用p用用与或非门与或非门实现封锁实现封锁+ABFCDECDABFE;0E=1 F=0实现封锁ECDABF3.2 3.2 门电路（门电路（8 8）42n门电路

21、的一些应用门电路的一些应用p用用与或非门与或非门实现数据选择实现数据选择当C1时，A被选中F+ABC当C0时，B被选中3.2 3.2 门电路（门电路（9 9）43n等价问题：逻辑等价则电路图等价，等价问题：逻辑等价则电路图等价，反之亦然。反之亦然。先先”与与”后后”非非”和和先先”非非”后后”或或”等价等价PCFPCF+PCFPCCPF3.2 3.2 门电路（门电路（1010）44PCFPCF+先先”或或”后后”非非”和和先先”非非”后后”与与”等价等价CPFCPCPF3.2 3.2 门电路（门电路（11 11）45n正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑p在逻辑电路中，常用电平的高、低表示逻辑在逻辑电

22、路中，常用电平的高、低表示逻辑0 0、1 1p若若H=1,L=0, H=1,L=0, 称正逻辑称正逻辑p若若H=0,L=1, H=0,L=1, 称负逻辑。称负逻辑。 p在本课程中，一律采用正逻辑。在本课程中，一律采用正逻辑。 1 10 0正逻辑0 01 1负逻辑3.2 3.2 门电路（门电路（1212）A BFL LH LL HH HHHHLA BF0 01 00 11 11110A BF1 10 11 00 00001ABF46功能表正逻辑负逻辑BAF正逻辑与负逻辑的不同表示3.2 3.2 门电路（门电路（1313）473.2 3.2 门电路门电路p门电路的基本知识门电路的基本知识p典型典型

23、TTLTTL与非门与非门电路结构电路结构pTTLTTL与非门与非门电路的外部特性与级连电路的外部特性与级连pTTLTTL集电极集电极开路（开路（OCOC）与非门）与非门pTTLTTL三态三态门门3.2 3.2 门电路（门电路（1414）48S输出信号RccV1 10 0正逻辑开关打开，V0“H”GND开关闭合，V0“L”最简单的二值逻辑最简单的二值逻辑开关开关输入信号ViV03.2 3.2 门电路（门电路（1515）49+-Iv+-ovccVBRCR晶体管的工作状态1.截止状态2.放大状态3.饱和状态4.倒置状态3.2 3.2 门电路（门电路（1616）50n截止状态截止状态cbe+-Iv+-

24、ovccVBRCRc be 条件：Vb0.7v 结果：Ib=0, Ic=0, VoVcc3.2 3.2 门电路（门电路（1717）51n放大状态放大状态cbe放大状态Vb=0.7v, Ic = Ib 放大系数: 20100条件：Vb=0.7v，Ib 较小，Ic 足够大。 结果：Ic= Ib+-Iv+-ovccVBRCRc be3.2 3.2 门电路（门电路（1818）52n饱和状态饱和状态cbe饱和状态Ic Ib ,Vb=0.7v, Vc=0.3v, 条件：Vb=0.7v， Ib 较大，Ic Vc，发射极电平高，集电极电平低+-Iv+-ovccVBReR bce 结果： Ie= Ib，放大系数

25、大约等于0.5ebc倒置状态3.2 3.2 门电路（门电路（2020）54n关于多发射极关于多发射极三极管：三极管：图中是双发射极三极管，对于不同的发射极可以接不同的电压，数字电路中一般有两种电压，一种是“高”（3.6V5V)，另一种是“低”（0.3V以下）+-Iv+-ovccVBRCRc be1e2Ve1Ve2图中是双发射极都可能为“高”或“低”，只要有一个为低（假设Ve1=0）， 当VI Ve10.7V,则整个三极管处于导通状态。3.2 3.2 门电路（门电路（2121）55n关于多发射极关于多发射极三极管：三极管：如果Ve1和Ve2都为高, VI Ve10.7V ,VI Ve20.7V,

26、则三极管处于截止状态。+-Iv+-ovccVBRCRc be1e2Ve1Ve2实际上多发射极可以完成逻辑“与”的功能。3.2 3.2 门电路（门电路（2222）56n与非门的外部功能与非门的外部功能A BF0 01 00 11 11110ABFABF3.2 3.2 门电路（门电路（2323）57R13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500Vcc5V输入A输入B输出 典型的五管TTL“与非门”只分析原理，不讲如何设计。3.2 3.2 门电路（门电路（2424）58n输入为输入为低低( (输入有低）输入有低）R13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500V

27、cc5VA=0.1VB=3.6V输出Vb1=VA+Vbe1=0.8V，Ic1很小， Ic1=Ib1 ，T1深饱和IR1流向A, 其电流为IAIIL (Vcc-Vbe1-VA)/R1=1.4 mA3.2 3.2 门电路（门电路（2525）59n输入为低输入为低R13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500Vcc5VA=0.1VB=3.6V输出T1深饱和，Vc1=VA+Vce1=0.1 V +0.3 V =0.4 V ，T2， T5截止3.2 3.2 门电路（门电路（2626）60n输入为低输入为低A=0.1VB=3.6V输出3.6VVc2Vcc， T3，T4导通，输出电压 :

28、Voh=Vc2-Vbe3-Vbe4=3.6 VR13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500Vcc5V输出电流 Ioh :从T4向外流。结论：与非门输入至少有一个为低时，输出为高。3.2 3.2 门电路（门电路（2727）61n输入均为高输入均为高R13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500Vcc5VA=3.6VB=3.6V输出Vb2最大只能到1.4V：因为当Vb2=1.4V时，T2和T5就处于导通状态，Vb2被嵌位在1.4V。T1工作在倒置状态。3.2 3.2 门电路（门电路（2828）62n输入为高输入为高R13KT1T2T3T4T5R5100R4

29、3KR3360R2500Vcc5VA=3.6VB=3.6V输出IR1全部流向T2基极，输入A和B的漏电流IIH，从多发射极流入T2工作在什么状态？3.2 3.2 门电路（门电路（2929）63n输入为高输入为高R13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500Vcc5VA=3.6VB=3.6V输出由于Ib2 I R1 =(VCC-2.1V)/3K 1mA，Ic2最大电流为10mA (=Vcc/R2) , Ic2 Ib2 所以T2工作在饱和状态下3.2 3.2 门电路（门电路（3030）64n输入为高输入为高R13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500Vcc

30、5VA=3.6VB=3.6V输出 Vc2=Vb3=Ve2+Vce2=0.7V0.3V=1V由于Vb3=Vc2=1V，所以T3处于导通状态，T4处于截止状态3.2 3.2 门电路（门电路（3131）65n输入为高输入为高R13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500Vcc5VA=3.6VB=3.6V输出 Ib5 Ic2IR3(5V-0.3V-0.7V)/5000.7V/360 6mA由于Ic5 由外部提供，外部不可能提供大于120mA以上的电流。所以T5工作在饱和状态。3.2 3.2 门电路（门电路（3232）66n输入为高输入为高R13KT1T2T3T4T5R5100R43

31、KR3360R2500Vcc5V由于T5工作在饱和状态，所以输出电压VC5=0.1V0.3VA=3.6VB=3.6V输出=0.3V结论：当输入都为高时，与非门的输出为低。3.2 3.2 门电路（门电路（3333）67T2分相器T3,T4“1”驱动极T5“0”驱动极T1与ABFR13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500 与非门结构T3-T4称“1”输出级，T5称“0”输出级，组成推-拉式输出结构，又称图腾柱结构（Totem）输出TTL与非门需要5个晶体管和5个电阻，CMOS与非门只需要4个MOS管，所以集成度高图腾柱3.2 3.2 门电路（门电路（3737）68开关特性：

32、开关特性：TTLTTL线路为什么线路为什么有有较快的开关较快的开关速度？速度？R13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500输入由“1”跳至“0”时，因T1射极突跳至“0”，IR1流入T1射极T2，T5此时尚未脱离饱和，VC1仍为1.4V，T1处于放大状态于是有很大的电流从T2基极流向T1，使T2基区存储电荷迅速消散加快T2退出饱和，T2截止，因而加快与非门输出由“0”向“1”的转换1 1 0 03.2 3.2 门电路（门电路（3838）69R13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500开关特性：TTL线路为什么有较快的开关速度？在T2由饱和向截止转换时

33、，VC2升高，使T3、T4同时导通1 1 0 0“1”驱动级给尚未脱离饱和的T5提供很大集流，使T5迅速脱离饱和。在T5脱离饱和时，VC2抬高，IR2减少，Ib5随之减少， T5吸收不了由T3,T4流来的电流。3.2 3.2 门电路（门电路（3939）70T3,T4流来的电流，它们大部分流向输出负载电容，使它迅速充电，加快输出电压上升 R13KT1T2T3T4T5R5100R43KR3360R2500开关特性：TTL线路为什么有较快的开关速度？1 1 0 0R3为T5基区电荷的逸散提供了通路，使T5截止过程加快 3.2 3.2 门电路门电路713.2 3.2 门电路门电路p门电路的基本知识门电

34、路的基本知识pTTLTTL典型典型与非门电路结构与非门电路结构pTTLTTL与非门与非门电路的外部特性与级连电路的外部特性与级连p集电极开路（集电极开路（OCOC）与非门）与非门p三态门三态门3.2 3.2 门电路门电路72n与非门电路的外部特性与非门电路的外部特性p开关特性开关特性p转移特性转移特性p直流参数直流参数n与非门电路的级联与非门电路的级联p负载计算负载计算p非正常状态分析非正常状态分析技术参数技术参数73n主要主要有下列参数有下列参数: : p扇入（扇入（Fan-inFan-in） 一个门的可用输入数目p扇出（扇出（Fan-outFan-out）一个门的输出可以驱动的标准门个数p

35、传输延迟传输延迟（Propagation DelayPropagation Delay） 从输入传输到输出所需要的时间。电路的处理速度与电路门的最大传输延迟成反比例关系p功耗（功耗（Power DissipationPower Dissipation） 逻辑门消耗的能量，以热的形式散发传输延迟传输延迟74n传输延迟传输延迟p是信号变化时从输入是信号变化时从输入传输传输到输出所需要的时间到输出所需要的时间p最大和最小值的中间最大和最小值的中间5050点作为时间参考点点作为时间参考点. .p高到低高到低 (t (tPHLPHL) ) 或低到高或低到高(t (tPLHPLH) ) 输出信号改变可能有

36、不同输出信号改变可能有不同的传输延迟的传输延迟p高到低高到低 (HL) (HL) 或或 低到高低到高 (LH)(LH)跃迁是根据输出关系定义跃迁是根据输出关系定义l不是输入关系l一个高到低（HL） 输入跃迁导致:如果是非门，则得到一个低到高的输出跃迁如果是同相门，则得到一个高到低的输出跃迁非门非门传输延迟传输延迟75n传输延迟以高低的中间点为参考点传输延迟以高低的中间点为参考点pt tPHLPHL=1.3ns t=1.3ns tPLHPLH =1.2ns t =1.2ns tpdpd=max(t=max(tPHLPHL,t ,tPLHPLH)=1.3ns)=1.3ns IN (volts)OU

37、T (volts)t (ns)1.0 ns per division1.31.2t (ns)3.2 3.2 门电路（门电路（4040）76CH1CH1CH2CH2CPCPOUTOUT红色波形为输入黑色波形是延迟后的 延迟时间的测量tpd=(tpd1+tpd2)/8tpd1tpd23.2 3.2 门电路（门电路（4141）77在曲线上，VOUT急剧下降时的VIN称：阈值电压VT，或称门槛电压 VINVOUT 转移特性：门电路中输出电压随输入电压的变化特性。VIN-VOUT关系曲线)3.2 3.2 门电路（门电路（4242）78n直流参数直流参数p“0”输入电流 IIL=1.6 mA p“1”输出

38、电流 I0H =3V (10个负载) p“1”输入电流 IIH =40 uA p“0”输出电流 I0L=16 mAp“0”输出电压 VoL与非门与非门承受能力的状态分析（承受能力的状态分析（I IOHOH）T1IHIOHI“1”“1”T3T4T1T2VccR2正常工作时，T3,T4处于导通状态，T3基极的电流非常小，R2上的压降可以忽略，所以T3基极的电压为5v输出电压为5v-0.7v-0.7v=3.6v当负载（IOH)非常大时，R2上的电流也增大，R2上的压降也会增大，T3基极的电压会下降所以输出的电压会降低。不能保持在3.6v左右结论结论88n负载大于与非门承受能力时，低电负载大于与非门承

39、受能力时，低电平变高，高电平变低。与非门处于平变高，高电平变低。与非门处于非正常工作方式，将会导致整个逻非正常工作方式，将会导致整个逻辑电路不能工作。辑电路不能工作。n所以，在实际设计逻辑电路过程中，所以，在实际设计逻辑电路过程中，一定要考虑带负载能力。一定要考虑带负载能力。89技术参数技术参数- -噪音容限噪音容限（Noise MarginNoise Margin）n噪音容限（噪音容限（Noise MarginNoise Margin）p叠加到正常输入值的最大的外部噪音电压，它不会在电路的输出产生不可预料的变化与非门的电压传输特性曲线 低电平电平噪声容限：VNL = VOFFVSL = VO

40、FF0.4高电平电平噪声容限：VNH = VSHVON = 2.4VON 5.04.03.02.01.00.0VoltsHIGHINPUTLOW3.2 3.2 门电路（门电路（5252）小结小结90n与非门电路的外部特性与非门电路的外部特性p开关特性开关特性p转移特性转移特性p直流参数直流参数n与非门电路的级联与非门电路的级联p负载计算负载计算p非正常状态分析非正常状态分析3.2 3.2 门电路（门电路（5353）913.2 3.2 门电路门电路p门电路的基本知识门电路的基本知识p典型与非门电路结构典型与非门电路结构p与非门电路的外部特性与级连与非门电路的外部特性与级连p集电极开路（集电极开路

41、（OCOC）与非门）与非门p三态门三态门3.2 3.2 门电路（门电路（5454）92n电路设计中电路设计中 “ “线与线与”问题！问题！p在电路设计中经常需要一些逻辑电路的在电路设计中经常需要一些逻辑电路的多多个输出直接连接在一起个输出直接连接在一起，实现，实现“线与线与”。p例如简单的中断逻辑示意。例如简单的中断逻辑示意。CPU外设1外设2外设3int“线与”3.2 3.2 门电路（门电路（5555）93n“线与线与”的定义的定义p如果把驱动电路如果把驱动电路A A、B B、CC的输出直的输出直接挂向总线，要求当某一驱动器向总线接挂向总线，要求当某一驱动器向总线发送数据发送数据D D时，其

42、余驱动器时，其余驱动器OFFOFF，输出，输出均为均为“1”1”。这样，总线状态为各驱动。这样，总线状态为各驱动器输出状态之器输出状态之“与与”，即，即D11=DD11=D，把这种与连接称为，把这种与连接称为“线与线与”（Wired ANDWired AND）。）。 3.2 3.2 门电路（门电路（5656）94n普通与非门输出实现普通与非门输出实现“线与线与”时的电流流向时的电流流向普通与非门是否可以实现“线与”功能？T4T4T5T5T5T5T4T4121210013.2 3.2 门电路（门电路（5757）95如果“线与”在一起，由于在Vcc和“地”之间形成了一个通路，流过这个通路的电流约为

43、5v/100=50mA。 不能!为什么普通与非门输出不能直接“线与”连在一起?R13KT1T2T3T4R5100R43KR3360R2500T5T5T40 01 1左面与非门的输出为“1”，T3和T4导通，右面与非门的输出为“0”，T2和T5导通3.2 3.2 门电路（门电路（5858）96这个电流数值以远远超过正常工作电流，将会损坏左面的T4或右面的T5。R13KT1T2T3T4R5100R43KR3360R2500T5T5T40 01 13.2 3.2 门电路（门电路（5959）97n使用普通逻辑门实现使用普通逻辑门实现“线与线与”时带来的时带来的问题问题p图腾输出结构的电路，是不能把它们

44、的输图腾输出结构的电路，是不能把它们的输出线与在一起的。出线与在一起的。p否则，当一门电路的输出为否则，当一门电路的输出为“H”H”，另一为，另一为“L”L”时，有大电流从时，有大电流从“H”H”端流向端流向“L”L”端，端，电流太大，会烧坏与非门。电流太大，会烧坏与非门。3.2 3.2 门电路（门电路（6060）98方法之一：采用集电极开路输出（OC)的门电路！逻辑设计中遇到“线与”时怎么办？3.2 3.2 门电路（门电路（6161）99n集电极开路输出门电路集电极开路输出门电路一般RL 称为上拉电阻，阻值为1.5K,所以当线与的输出为低电平时，T5上的最大电流为5V/1.5K =3.3mA

45、。不会损坏器件。把T3、T4网络去掉，这种输出结构称为OC输出结构。这种门电路称为OC门。线与时，输出回路间的电流通路不复存在。电流都是由VCC和RL 联合提供。RL1.5KVCCR13KT1T2R3360R2500VCC3.2 3.2 门电路（门电路（6262）100n集电极开路输出门电路线与在一起时情况分析集电极开路输出门电路线与在一起时情况分析RL1.5KVCCR13KT1T2R3360R2500VCCT50 0T51 112RL1.5KVCC3.2 3.2 门电路（门电路（6363）101n集电极开路输出与非门电路存在的问题：集电极开路输出与非门电路存在的问题：由于由于OCOC门输出不

46、是门输出不是TotemTotem结构，电路结构，电路的上升延迟很大的上升延迟很大pT5T5退饱和很慢退饱和很慢 p对输出负载电容的充电电流只能通过外接对输出负载电容的充电电流只能通过外接的的R RL L来提供。因此，输出波形的上升沿时来提供。因此，输出波形的上升沿时间很大。间很大。p采用采用OCOC门只适合速度较慢的电路，对于速门只适合速度较慢的电路，对于速度要求较快（例如度要求较快（例如CPUCPU的数据总线），就的数据总线），就不能使用不能使用OCOC门门3.2 3.2 门电路（门电路（6464）102n同学们回去自己思考：同学们回去自己思考：OCOC门是否可门是否可以和普通与非门实现以和普通与非门实现“线与线与”？3.2 3.2 门电路（门