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文档简介
逻辑门电路Chapter2LogicGateCircuit本章主要内容第一节概述第二节半导体器件的开关特性第三节分立元件门电路第四节双极型集成门电路第五节MOS型门电路第六节使用数字集成电路的注意事项§2.1概述1、用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路。2、常用的门电路在逻辑功能上有:与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。3、在电子电路中,用高、低电平分别表示1、0两种二值逻辑状态,此为正逻辑,否则为负逻辑。如图2.1.1所示。4、获得高、低电平的基本原理如图2.1.2所示。图2.1.1正逻辑和负逻辑对元、器件参数精度和电源稳定度较模拟电路低一些。图2.1.2获得高、低电平的基本原理(a)(b)缺陷?§2.2半导体器件的开关特性一、半导体二极管的开关特性:二、半导体三极管的开关特性:1、三极管的特点:图2.2.2双极型三极管的输出特性曲线模电和数电的区别?2、三极管开关电路分析:图2.2.3双极型三极管的动态开关特性三、MOS管的开关特性:1、MOS管的结构:图2.2.4MOS管的结构和符号2、MOS管的输入特性和输出特性:图2.2.5MOS管共源接法和输出特性曲线(a)共源接法(b)输出特性曲线恒流区截止区可变电阻区3、MOS管的基本开关电路:图2.2.6MOS管的基本开关电路4、MOS管的四种类型(列表):§2.3分立元件门电路一、二极管与门二、二极管或门三、三极管非门(反相器)四、其它电路图2.3.4与非门电路思考:如何用分立元件画出与或非门、异或门和同或门的电路图?图2.3.5或非门电路§2.4.1集成电路概述
目前,数字电路中,集成电路已几乎取代了分立元件电路。所谓集成电路,即把电路中的半导体器件、电阻、电容及连线等制作在一个半导体基片上,构成一个完整的电路,并封装在一个管壳内。集成电路的优点:体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、功耗小、成本低、工作速度高。通常把一个封装内含有等效逻辑门的个数或元器件的个数定义为集成度。§2.4双极型集成门电路图2.4.1集成电路图例
数字集成电路按集成度分可分为:
小规模(SSI:SmallScaleIntegration):1~10门/片或10~100个元件/片
中规模(MSI:MediumScaleIntegration):10~100门/片或100~1000个元件/片大规模(LSI:LargeScaleIntegration):>100门/片或>1000个元件/片超大规模(VLSI:VeryLargeScaleIntegration):>10万个元件/片数字集成电路按输出结构分可分为:
数字集成电路按制造工艺不同可分为:
双极型:*TTL——常用之一,速度较快,功率较大;*HTL——抗干扰强,速度低;*ECL——速度快,功耗大;*IIL——集成度很大,功耗最低,抗干扰差,
速度低;
MOS型:*CMOS——常用之一,低功耗,抗干扰能力强;*NMOS*PMOS
Bi-CMOS型:功率小,输出阻抗小。§2.4.2TTL集成门电路(一)TTL集成门电路的结构图2.4.2TTL集成门电路结构图1、输入级形式(一)1、输入级形式(二)2、中间级形式3、输出级形式(一)输出电阻很低;输出高低电平固定;驱动能力较弱。输出电平可变;驱动能力增强;可“线与”。3、输出级形式(二)达林顿结构;输出电阻减小,速度增快;静态功耗增加。一、TTL反相器(二)几种典型的TTL集成门电路AAAA二、TTL集成与非门ABABABAB悬空?三、其它逻辑功能的TTL门电路A+BABA+BA+B或非门1、几种复合门电路ABCDAB+CDAB+CDAB+CD与或非门A+BAB异或门A⊕B2、集电极开路(OC)与非门图2.4.6推拉式输出级并联的情况图2.4.7OC门输出并联的接法和逻辑图3、三态输出门使T4也截止,输出呈高阻态图2.4.8三态与非门的电路结构和逻辑符号(a)高电平有效三态门(b)低电平有效三态门使T4也截止,输出呈高阻态图2.4.9用三态输出门接成总线结构图2.4.10用三态输出门实现数据的双向传输§2.4.3ECL门电路一、ECL(EmitterCoupledLogic)门电路的基本单元:图2.4.11ECL门电路的基本单元(差动放大器)T1、T3均工作在非饱和状态二、四输入ECL或/或非门电路介绍:图2.4.12ECL或/或非门的电路及逻辑符号-1.3V三、ECL门电路的主要特点:优点:1)由于三极管导通时为非饱和状态,电路中电阻取值较小,逻辑电平摆幅小(0.8V),所以其工作速度是各种集成门电路中最高的一种。
2)或/或非互补输出,使用方便、灵活。
3)输出采用射随器,所以输出阻抗低、带负载能力强。
4)由于在开关工作状态下的电源电流基本不变,所以电路内部的开关噪声很低。缺点:
1)噪声容限低。
2)电路功耗大。
3)输出电平的稳定性较差。目前,ECL电路的产品只有中、小规模的集成电路,主要用在高速、超高速的数字系统和设备当中。§2.4.4IIL门电路一、(IntegratedInjectionLogic)电路简介:
电路的基本单元是由一只NPN多集电极三极管构成的反相器,反相器的偏流由另一只PNP三极管提供。图2.4.13IIL电路的基本逻辑单元二、电路的主要特点:优点:1)电路结构简单,这样节省了硅片面积又降低了功耗;2)各逻辑单元之间无需隔离,这样简化了工艺,省了片上的隔离槽,使集成度大大提高;3)IIL电路能够在低电压、微电流下工作。正因为此,IIL是目前双极型电路中功耗最低的一种,且其集成度可相当大。另外,IIL还可以与TTL电平相兼容,工艺也兼容。缺点:1)抗干扰能力差();
2)开关速度较慢(饱和型电路,)。目前,IIL电路主要用于制作大规模集成电路的内部逻辑电路。§2.5MOS型门电路§2.5.1CMOS门电路一、CMOS非门(反相器)图2.5.1CMOS反相器(a)结构示意图(b)电路图
CMOS电路具有低功耗、抗干扰能力强等特点,但其工作速度比较低。二、CMOS与非门(P并N串)图2.5.2CMOS与非门图2.5.3带缓冲级的CMOS与非门三、CMOS或非门(P串N并)图2.5.4CMOS或非门缺陷?图2.5.5带缓冲级的CMOS或非门四、CMOS传输门和双向模拟开关图2.5.6CMOS传输门电路及逻辑符号SDDSVI/VOVO/VI图2.5.7CMOS传输门的应用之一——CMOS模拟开关五、CMOS集成门电路的特点(一)与双极型(如TTL)集成电路相比,CMOS电路具有如下特点:(1)静态功耗低。
例:电源电压VDD=5V时,MSI电路的静态功耗<100mW,比较适于LSI电路。
(2)电源电压范围宽。
例:CC4000系列VDD为3~18V。
(3)输入阻抗高。
例:正常工作的CMOS集成电路工作频率较低时直流输入阻抗>100MΩ。
(4)扇出能力强。
例:低频工作时,一个输出端可驱动50个以上的CMOS器件的输入端。
(5)抗干扰能力强。
例:CMOS集成电路的电压噪声容限可达电源电压的45%,而且高低电平噪声容限基本相等。
(6)逻辑摆幅大。
例:空载时输出高电平VOH=(VDD-0.05V)~VDD,输出低电平VOL=VSS~(VSS+0.05V)。
(7)温度稳定性好,且有较强的抗辐射能力。
(8)成本低。(二)CMOS电路的不足:
(1)4000系列的工作速度一般比TTL电路低。
(2)功耗随频率的升高而显著增大。§2.5.2NMOS门电路一、NMOS非门图2.5.8NMOS非门
NMOS电路工作速度快,尺寸小,目前常用于高速LSI集成电路中。在制造NMOS电路时,通常将负载管的沟道宽长比做得比驱动管的小得多,则可使RDS2为RDS1的10~100倍。二、NMOS或非门图2.5.9NMOS或非门三、NMOS与非门图2.5.10NMOS与非门思考:如何较好地实现较多变量的与非运算?四、NMOS与或非门图2.5.11NMOS与或非门§2.5.3TTL门与CMOS门接口电路当需要将TTL门与CMOS门两种器件互相连接时,驱动门与负载门之间必须满足以下关系:
驱动门负载门
VOH(min)≥VIH(min)(1)
VOL(max)≤VIL(max)(2)
IOH(max)
≥nIIH(max)(3)
IOL(max)≥mIIL(max)(4)其中:n和m分别表示负载电流中IIH、IIL的个数。表2.5.1TTL、CMOS电路的输入、输出特性参数一、用TTL电路驱动CMOS电路例:用TTL电路驱动4000和74HC系列CMOS电路74HCT?二、用CMOS电路驱动
TTL电路例:用4000系列CMOS电路驱动74系列TTL电路方法1:将同一个封装内的门电路并联使用。方法2:在CMOS电路的输出端增加一级CMOS驱动器。CC4010:IOL>3.2mA,m=2;CC40107:IOL>16mA,
m=10.方法3:使用分离元件电流放大器实现电流扩展。§2.6使用数字集成电路的注意事项一、TTL集成电路
(一)TTL输出端
输出端(OC门和三态门除外)不允许并联使用,也不允许直接与+5V电源或地线连接,否则会使电路的逻辑混乱并损坏器件。
(二)TTL输入端
输入端外接电阻需慎重,否则会影响电路的正常工作。
(三)多余输入端的处理
输入端可以串入1只的电阻或直接接电源来获得高电平输入,直接接地为低电平输入。与门、与非门等TTL电路的多余输入端可以悬空(相当于接高电平),但因悬空时对地呈现的阻抗很高,容易受到外界干扰。(四)电源滤波
TTL电路的高速切换将产生电流跳变,其幅度约为4-5mA,该电流在公共走线上的压降会引起噪声,因此要尽量缩短地线,减小干扰。(五)严禁带电操作
要在电路切断电源的时候,插拔和焊接集成电路块,否则容易引起集成电路块的损坏。二、CMOS集成电路
(一)防静电
在存放、运输、高温老化过程中,CMOS器件应收藏于金属铝箔盒内或用金属铝箔包装,防止外来
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