谭浩强C程序设计第四版.

1、第3章 集成门电路与触发器3.1 集成逻辑电路的分类3.2 正逻辑和负逻辑的概念3.3 TTL门电路3.4 触发器3.1集成逻辑电路的分类按功能分：数字电路、线性电路（模拟电路）两大类 数字电路：从门电路到微处理器、存储器等多种（1）按半导体制造工艺： 一类为双极型晶体管集成电路，它主要有晶体管晶体管逻辑(TTL-Transistor Transistor Logic)、射极耦合逻辑(ECL-Emitter Coupled Logic)和集成注入逻辑(I2L-Integrated Injection Logic)等几种类型。 (TTL,LTTL,STTL,LSTTL,ECL) 另一类为MOS(

2、Metal Oxide Semiconductor)集成电路， 其有源器件采用金属氧化物半导体场效应管，它又可分为NMOS、 PMOS和CMOS等几种类型。 MOS(PMOS,NMOS,CMOS,BiCMOS) 两大类工艺技术的特点：两大类工艺技术的特点： 速度 功耗集成度 TTL(晶体管晶体管逻辑） 快 大 低 MOS（金属氧化物半导体） 慢 小 高 二极管-晶体三极管逻辑门（DTL）集集 晶体三极管-晶体三极管逻辑门 （TTL）成成 双极型 射极耦合逻辑门 （ECL）逻逻 集成注入逻辑门电路 （ ）辑辑 N沟道MOS门 (NMOS)门门 单极型(MOS型) P 沟道MOS门 (PMOS)

3、互补MOS门 (CMOS)LI2（3）集成门电路按开关元件分类集成：集成：把晶体管、电阻、和导线等封装在一个芯片上。2.集成电路发展历史“集成电路集成电路” (IC)是相对是相对“分立原件分立原件”而言的，是所有而言的，是所有以半导体工艺将电路集成到一块芯片的器件总称。以半导体工艺将电路集成到一块芯片的器件总称。半导体制造工艺的发展带动了集成电路的更新换代。半导体制造工艺的发展带动了集成电路的更新换代。VLSI时代存储器件制造工艺带动了整个微处理器的更时代存储器件制造工艺带动了整个微处理器的更新换代。新换代。摩尔定律：每摩尔定律：每18个月集成度翻一翻。个月集成度翻一翻。集成电路内部的连线宽度

4、是主要的指标集成电路内部的连线宽度是主要的指标: 0.8 m, 0.35 m, 0.25 m, 0.18 m,0.13 m . 集成电路发展历史（续）（1） Small Scale IC （SSI） 小规模 IC 1965年 规模： 10个门/片电路以下 主要产品： 门电路 触发器（Flip Flop） 集成电路发展历史（续）（2） Medium Scale IC （MSI） 中规模 IC 1970年 规模：10100个门/片 主要产品：逻辑功能部件 4位ALU（8位寄存器） 集成电路发展历史（续）（3）Large Scale IC （LSI） 大规模 IC 1976年 规模：1009999个

5、门/片 主要产品：规模更大的功能部件 存储器，8位CPU集成电路发展历史（续）（4）Very large Scale IC （VLSI） 超大规模 IC 80年代初 规模： 10000个门以上 多个子系统集成集成电路发展历史（续）（5）Ultra large Scale IC （ULSI） 甚大规模IC（微处理器等） 每隔18个月，集成度翻一翻 价格1/2 品种多 性能高3.门电路说明：与非门（NANDNOT-AND） 功能：实现用“0”封锁电路，其中C为控制端101FCPFCPCFABFC101FCABFC与或非门（AND-OR-INVERT） 实现“与或非”逻辑 CDABF+ABFCD与或

6、非门应用(一） 实现封锁+ABFCDECDABFE ; 0E=1 F= 0实现封锁与或非门应用（二） 数据选择当S1时，A被选中F+ACS当S0时，C被选中关于门电路的几点说明 先先”与与”后后”非非”和和先先”非非”后后”或或”等价等价 先先”或或”后后”非非”和和先先”非非”后后”与与”等价等价 PCFPCF+PCFPCF+PCF PCCPF4.器件的开关特性门：具有开关作用。门：具有开关作用。门电路：具有控制信号通过或不通过能力的门电路：具有控制信号通过或不通过能力的电路。电路。一、器件的开关作用一、器件的开关作用二、半导体二极管的开关特性1.开关作用三、双极型三极管的输入特性Von=0

7、.7Vbe输入特性 +-Iv+-ovccVBRCR三、双极型三极管的输出特性0 0.3 5 10 15 5 4 3 2 1饱和区 Ic(mA)截止区 50uA 40uA 30uA 20uA10uA Ib=0 VcE(V)放 大 区IcIb+-Iv+-ovccVBRCR三、晶体管的工作状态三、晶体管的工作状态cbe+-Iv+-ovccVBRCR截止状态Vb0.7v, Ib=0, Ic=0,cbe饱和状态Ic Ib ,Vb=0.7v, Vc=0.3v, cbe放大状态Vb=0.7v, Ic = Ib晶体管的开关特性 NPN型三极管截止、放大、饱和3 种工作状态的特点工作状态截 止放 大饱 和条 件

8、iB00iBIBSiBIBS偏置情况发射结反偏集电结反偏uBE0，uBC0，uBC0，uBC0集电极电流iC0iCiBiCICSce间电压uCEVCCuCEVCCiCRcuCEUCES0.3V工作特点ce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合四、基本门电路四、基本门电路对应三种基本逻辑运算，有三种基本门电路二极管与门（二极管与门（D与门）与门）电路电路 5V A0V BFRD1D2Vcc（5V）原理原理VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 通通 通通0V 5V 0.7V 通通 止止5V 0V 0.7V 止止 通通5V 5V 5 V 止止 止止电路分析要求出输入的电路分析

9、要求出输入的各种组合与输出的关系各种组合与输出的关系电位表：电位表：二极管与门二极管与门(续续)VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 通通 通通0V 5V 0.7V 通通 止止5V 0V 0.7V 止止 通通5V 5V 5 V 止止 止止0低电位低电位1高电位高电位真值表真值表: A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1实现实现了与了与逻辑逻辑功能功能实现实现了与了与逻辑逻辑功能功能符号符号ABF&国标国标 惯用惯用 国外国外ABFABF 二极管或门（二极管或门（D或门）或门）电路电路 5V A0V BFRD1D2原理原理VA VB VF D1 D20V 0V 0

10、V 止止 止止0V 5V 4.3V 止止 通通5V 0V 4.3V 通通 止止5V 5V 4.3V 通通 通通电位表：电位表：0低电位低电位1高电位高电位真值表真值表: A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1实现实现了或了或逻辑逻辑功能功能实现实现了或了或逻辑逻辑功能功能符号符号国标国标 惯用惯用 国外国外FAB1ABFABF 晶体管非门晶体管非门 (反相器反相器)符号符号电路电路原理原理VA VF T0V 5V 止止5V 0.3V 通通电位表：电位表：真值表真值表: A F 0 1 1 0实现实现了非了非逻辑逻辑功能功能实现实现了非了非逻辑逻辑功能功能ARbRcVcc(

11、5V)FT国标国标 惯用惯用 国外国外FA1AFFA实际的与非门器件1714874LS002输入输入4与非门与非门1714874LS308输入与非门输入与非门3.2正逻辑与负逻辑 1.正逻辑与负逻辑的概念 在逻辑电路中，常把电平的高、低和逻辑0、1联系起来，若H=1,L=0, 称正逻辑；若H=0,L=1, 称负逻辑。 在本课程中，一律采用正逻辑。 S输出信号输入信号RccV0viv10正逻辑01负逻辑正逻辑与负逻辑 A BFL LH LL HH HHHHLA BF0 01 00 11 11110A BF1 10 11 00 00001功能表正逻辑负逻辑ABF BAF 正逻辑正逻辑 门电路的输入

12、、输出电压定义为：门电路的输入、输出电压定义为： 负逻辑负逻辑说明：说明： 前面所述基本门电路均以正逻辑定义。前面所述基本门电路均以正逻辑定义。 同一个逻辑门电路，在不同逻辑定义下，同一个逻辑门电路，在不同逻辑定义下， 实现的逻辑功能不同。实现的逻辑功能不同。 数字系统中，不是采用正逻辑就是采用数字系统中，不是采用正逻辑就是采用 负逻辑，而负逻辑，而不能混合使用不能混合使用。 本书中采用本书中采用正正逻辑系统。逻辑系统。低电位低电位 0高电位高电位 1 门电路的输入、输出电压定义为：门电路的输入、输出电压定义为：低电位低电位 1高电位高电位 0五、逻辑约定五、逻辑约定正负逻辑约定举例正负逻辑约

13、定举例VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 通通 通通0V 5V 0.7V 通通 止止5V 0V 0.7V 止止 通通5V 5V 5 V 止止 止止正逻辑正逻辑 5V A0V BFRD1D2Vcc（5V）电位表：电位表： A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1负逻辑负逻辑 A B F 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0真值表真值表真值表真值表正与逻辑正与逻辑负或逻辑负或逻辑FABFAB等价等价 正负逻辑转换正负逻辑转换（只需了解）（只需了解）依据依据:BAFBAFBAFABF 一个门的输入和输出同一个门的输入和输出同时取反，则：时取反，则： 正逻辑正

14、逻辑负逻辑负逻辑目的：目的：方法：方法：从后往前的奇数级上，输入、输出都取反，且与门或门，或门与门，即可化简电路。化简和转换电路。Y&AB&CDEF正负逻辑转换举例正负逻辑转换举例HECDABY Y&AB&CDEF1.奇数级，前后取反2.相互抵消3.与门或门11Y&AB&CDEH11HCDEABEHECDABY )(最简单的二值逻辑开关S输出信号输入信号RccV0viv10正逻辑开关打开，V0“H”开关闭合，V0“L”3.3TTL门电路1、电路、电路CBAF+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 多发射极多发射极输入级输入级中间中间倒相级倒相级推挽推挽输出级输出级输

15、入级由多发射极晶体管输入级由多发射极晶体管T1和基极电组和基极电组R1组成，它组成，它实现了输入变量实现了输入变量A、B、C的与运算。的与运算。BFRD1D3Vcc（5V）D2ACD4中间级是放大中间级是放大级，由级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极的集电极C2和和发射极发射极E2可以可以分提供两个相分提供两个相位相反的电压位相反的电压信号信号C2E2输出级：由输出级：由T3、T4、T5和和R4、R5组成，其中组成，其中T3、T4构成复合构成复合管，与管，与T5组成推拉式输出结构组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。，具有较强的负载能力。3.3.1、与非门、与非门“0”1VVb1

16、=0.1+0.7=0.8VVb1=0.1+0.7=0.8V三个三个PN结结导通需导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1VVV 3.63.60.1二、工作原理二、工作原理T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T5T5截止截止1. 输入有低电平（输入有低电平（0.1V）时）时不足以让不足以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube4 3.6V高电平！高电平！ 1. 输入有低电平（输入有低电平（0.1V）时）时(续续)T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T5T5截止截止T3T3微饱和微饱

17、和T4T4放大放大结论结论1:输入有低时输入有低时,输出为高输出为高与非门工作原理：(输入为低)设：”L”=0.1V， ”H”=3.6VVA=”L”， VB=”H”，IR1流向A, 其电流为IAIIL (Vcc-Vbe1-VA)/R1=1.4 mA Vb1=VA+Vbe1=0.8V，Ic1很小，T1深饱和， Vc1=VA+Vces1=0.1 V +0.3 V =0.4 V ，导致T2， T5截止，Vc2Vcc， T3，T4导通输出电压 :V0h=Vc2-Vbe3-Vbe4=3.6 V输出电流 Ioh :从T4向外流。“H”“L”“H”ABVcc=5VT1:T1:倒置倒置全饱和导通全饱和导通Vb

18、1=2.1VVc1=1.4V全反偏全反偏 1V截止截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时2.1V1.4VT1管管:Ve1=3.6V Vb1=2.1V Vc1=1.4VT1管在倒置工作状态管在倒置工作状态3.6VT2,T5管饱和导通,Vce2=0.3V所以:Vc2=1VT3:放大 Vb4=0.3V T4:截止0.3VT2:T2:饱和饱和T5:T5:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止放大放大+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC饱和饱和uF=0.3V 2. 输入全为高电平（输入全为高电

19、平（3.6V）时）时(续续)饱和饱和3.6VT1:T1:倒置倒置T2:T2:饱和饱和T5:T5:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止结论结论2:输入全高时输入全高时,输出为低输出为低T5饱和,Vce5=0.3V与非门工作原理：(输入为高)VA=VB=”H”=3.6V IR1全部流向T2基极输入漏电流IIH，从多发射极流入T2 , T5饱和, T2基极的电压为1.4v, T2发射极(T5基极)的电压为0.7V。由于T5饱和，所以：输出电压: VoL =Vces5=0.10.3V =”L”输出电流 IoL：从外电路流向T5由于T2饱和,所以T2集电极的电压为1V,T3,微导通， T4

20、截止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）输出图腾柱“H”“H”“L”与非门结构 ABABABT2分相器ABT3,T4“1”驱动极T5“0”驱动极ABT1与ABY基极输入，集电极输出，反相基极输入，发射极输出，同相工作原理小结工作原理小结:1. 输入有低电平（输入有低电平（0.1V）时）时 V VF F=3.6V=3.6V2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时 V VF F=0.3V=0.3VT1:T1:倒置倒置T2:T2:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止T5:T5:饱和饱和T1T1深饱和深饱和T2T2截

21、止截止T3T3微饱和微饱和T4T4放大放大T5T5截止截止CBAF3. 逻辑功能逻辑功能3.开关特性 TTL线路有较快的开 关速度，原因 ： 输入由“1”跳至“0”时，因T1射极突跳至“0”，IR1流入T1射极，因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，因而加快与非门输出由“0”向“1”的转换 3.开关特性 在T2由饱和向截止转换时，VC2升高，使T3、T4同时导通，“1”驱动级给尚未脱离饱和的T5提供很大集流，从而使T5迅速脱离饱和。在T5脱离饱和时，VC2抬高，Ib5随之减少，这时T

22、5吸收不了由T3,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 R3为T5基区电荷的逸散提供了通路，使T5截止过程加快 4.电路设计中 “线与” 在电路设计中经常需要一些逻辑电路的输出直接连接在一起，实现“线与”。 例如简单的中断逻辑示意。CPU外设1外设2外设3int“线与”（1）“线与”的定义 如果把驱动电路A、B、C的输出直接挂向总线，要求当某一驱动器向总线发送数据D时，其余驱动器OFF，输出均为“1”。这样，总线状态为各驱动器输出状态之“与”，即D11=D，把这种与连接称为“线与”（Wired AND）。 （2）普通与非门输出实现“线与”时电流流向T4T5

23、T5T41212普通与非门是否可以实现“线与”功能？（3）为什么普通与非门输出不能直接连在一起上面与非门的输入为上面与非门的输入为“0”，T3和和T4导通，与非门的输出为导通，与非门的输出为“1”。下面与非门的输入为下面与非门的输入为“1”，T2和和T5导通，与非门的输出为导通，与非门的输出为“0”。如果如果“线与线与”在一起，由于在在一起，由于在Vcc和和“地地”之间形成了一个通之间形成了一个通路，流过这个通路的电流约为路，流过这个通路的电流约为5v/100=50mA。这个电流数值。这个电流数值以远远超过正常工作电流，将以远远超过正常工作电流，将会损坏上面的会损坏上面的T4或下面的或下面的T

24、5。“0”“1”“0”“1”（4）使用普通逻辑门实现“线与”时带来的问题 图腾输出结构的电路，是不能把它们的输出线与在一起的。否则，当一门电路的输出为“H”，另一为“L”时，有大电流从“H”端流向“L”端，电流太大，会烧坏与非门。逻辑设计中遇到“线与”时怎么办？（5）集电极开路输出门电路把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Vdd和RL 联合提供。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。不会损坏器件。OUTLRLR（6）集电极开路输出与非

25、门电路 由于OC门输出不是Totem结构，电路的上升延迟很大，这是因为： T5退饱和很慢 对输出负载电容的充电电流只能通过外接的RL来提供。因此，输出波形的上升沿时间很大。采用OC门只适合速度较慢的电路，对于速度要求较快（例如CPU的数据总线），就不能使用OC门3.3.2与或非门 当输入当输入A，B都为高电平时，都为高电平时，T2、T5导通，导通，T3、T4截止，从而使输出截止，从而使输出Y为低电平；当为低电平；当C、D都为高都为高电平时，电平时，T2、T5导通，导通，T3、T4截止，而使输出截止，而使输出Y为低电平。即使（为低电平。即使（A、B）和（）和（C、D）这两组输）这两组输入中至少有

26、一组全为高电平时，入中至少有一组全为高电平时，T5导通，导通，T3、T4截止，输出截止，输出Y为低电平；而当（为低电平；而当（A、B）中至少有）中至少有一个为低电平，（一个为低电平，（C、D）中至少有一个为低电平，）中至少有一个为低电平，T2，T2同时截止，才使同时截止，才使T5截止，截止，T3，T4导通，导通，输出为高电平，因此实现与或非关系。输出为高电平，因此实现与或非关系。3.3.3与门 当输入当输入A、B都为低电平或至少有一个为低都为低电平或至少有一个为低电平时，电平时，T2、 T3、T4截止，截止，T2、T5导通，导通，从而使输出为低电平；当输入从而使输出为低电平；当输入A、B都为高

27、都为高电平，电平，T2、T3、T4导通，导通，T2、T5截止，截止，输出为高电平。输出为高电平。 3.3.4异或门和异或非门 只要只要T6和和T7当中有一个基极为高电平，都使当中有一个基极为高电平，都使T8、T9截止、截止、T10导通，输出为低电平。若导通，输出为低电平。若A、B同时为高电平，则同时为高电平，则T6、T10导通而导通而T8、T9截止，输出为低电平。反之，若截止，输出为低电平。反之，若A、B同时为低电平，则同时为低电平，则T4和和T5同时截止，使同时截止，使T7和和T10导通而导通而T8、T9截止，输出也为低电平。当截止，输出也为低电平。当A、B不同时（即一个不同时（即一个是高电

28、平而另一个是低电平），是高电平而另一个是低电平），T1正向饱和导通、正向饱和导通、T6截截止同时，由于止同时，由于A、B中必有一个是高电平，使中必有一个是高电平，使T4、T5中有中有一个导通，从而使一个导通，从而使T7截止。截止。T6、T7同时截止以后，同时截止以后，T8、T9导通，导通，T10截止，故输出为高电平。因此，截止，故输出为高电平。因此，Y和和A、B间间为异或关系。为异或关系。门电路级联：前一个器件的输出就是后一个器件的输入，后一个是前一个的负载，两者要相互影响。OHIIHI“1”ILIOLI“0”“1”“0”负载能力的计算“1”IoH=N*IIHN=IoH/IIH=400 /40

29、 =10门电路级联“0”IoL=N*IILN=IoL/IIL=16mA/1.6mA=10负载大于与非门承受能力的状态分析（IOL）T1ILIOLI“0”T5T4T1正常工作时，正常工作时，T5处于深饱和状态，处于深饱和状态，T5的的Vc=0.3v，Ic远小远小于于 Ib 。当负载增大时，。当负载增大时，IOL 增大到增大到Ic Ib , T5将脱离将脱离饱和状态进入放大状态，饱和状态进入放大状态， Vc不能保持不能保持0.3v，将会增大，将会增大，所以所以T5的输出就无法保持的输出就无法保持“低低”的有效状态。的有效状态。负载大于与非门承受能力的状态分析（IOH）“1”T1IHIOHI“1”T

30、3T4T1T2VccR2正常工作时，正常工作时，T3,T4处于导通状态，处于导通状态，T3基极的电流非基极的电流非常小，常小，R2上的压降可以忽略，所以上的压降可以忽略，所以T3基极的电压为基极的电压为5v。输出的电压为。输出的电压为5v-0.7v-0.7v=3.6v。当负载（。当负载（IOH)非常大时，非常大时，R2上的电流也增大，上的电流也增大，R2上的压降也会增上的压降也会增大，大，T3基极的电压会下降，所以输出的电压会降低。基极的电压会下降，所以输出的电压会降低。不能保持在不能保持在3.6v左右。左右。结论 负载大于与非门承受能力时，低电平变高，高电平变低。与非门处于非正常工作方式，将

31、会导致整个逻辑电路不能工作。直流参数 “0”输入电流 IIL=1.6 mA “1”输出电流 I0H =3V (10个负载) “1”输入电流 IIH =40 uA “0”输出电流 I0L=16 mA” “0”输出电压 VoL=0.35V (10个负载)“0”“1”“0“1”3.3.5设计速度较快“线与”逻辑需要采用三态门1.三态门电路（ Tri-State Circuit ）的基本原理 三态门电路即保留了Totem输出结构，又具有OC门输出可以“线与”的特点 基本原理 三态电路 Tri-State CircuitABG功能表ABGFXX0Z0011101101111110高阻态正常态没有接反相器两种基本的三态NAND G功能表100010ZX1FBA G功能表101011ZX0FBAABGABGABG两个三态门和总线相连 电路1、2只能有一个处于正常态 若要求D1向BUS传送，则应有： 若要求D2向BUS传送，则应有： 1, 021GG0, 121GG1BUS21G1D2D2G高阻高阻正常正常三态电路