数字电路与逻辑分析第三章.ppt

1、,数字电路与逻辑设计,第三章 集成逻辑门,西安邮电学院“校级优秀课程”,第三章 集成逻辑门,目的与要求： 了解半导体二极管、三级管和MOS的开关特性； 掌握TTL门电路和CMOS门电路的基本工作原理和外特性； 熟悉TTL门电路和CMOS门电路的主要参数，掌握门电路 的正确使用。 重点与难点： TTL门电路和CMOS门电路的外特性。,第三章 集成逻辑门,3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL集成逻辑门 3.3 MOS逻辑门电路 3.4 CMOS电路,3.1.1晶体二极管的开关特性,(a) 二极管符号表示,(b) 二极管伏安特性,二极管符号表示及伏安特性,3.1 晶体管的开关特性,晶体二极管开关

2、特性 晶体二极管是由PN结构成，具有单向导电的特性。 在近似的开关电路分析中，晶体二极管可以作为 一个理想开关来分析； 在严格的电路分析中或者在高速开关电路中， 晶体二极管则不能当作一个理想开关。,注意,3.1 晶体管的开关特性,1二极管的稳态开关特性,(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。,（a）二极管正向导通电路 （b）二极管正向导通等效电路 外加正向电压的情况,3.1 晶体管的开关特性,(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。,（b）二极管反向截至等效电路,可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压控制

3、的开关。,（a）二极管反向截至电路,外加反向电压的情况,3.1 晶体管的开关特性,2二极管的动态开关特性,电路处于瞬变状态下晶体管的开关特性称为动态开关特性。,二极管的反向恢复过程,二极管的动态开关特性,tS称为存储时间，tt称为渡越时间， tre=ts+tt称为反向恢复时间 ， 反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。,3.1 晶体管的开关特性,3.1.2晶体三极管的开关特性,1. 三极管稳态开关特性,（a）基本单管共射电路 （b）单管共射电路传输特性 基本单管共发射极电路,晶体三极管工作于截止区时，内阻很大，相当于开关断开。,工作于饱和区时，内阻很低，相当于开关接通状态。,放大区：

4、管子有放大能力，iC=iB,3.1 晶体管的开关特性,3.1 晶体管的开关特性,2三极管瞬态开关特性,晶体三极管截止和饱和两种工作状态之间的转换需要时间。,1）晶体三极管的开启时间ton：三极管从截止向饱和状态转换的时间。由延迟时间td和上升时间tr组成，即ton=td+tr。,2）晶体三极管的关闭时间toff ：三极管从饱和向截止状态转换的时间。由存储时间ts与下降时间tf组成，即toff=ts+tf。,3.1 晶体管的开关特性,晶体管内部电荷建立和消失过程,延迟时间td：从输入信号正跃变瞬间开始，到集电极电流ic上升到0.1Ics所需的时间。,上升时间 tr：集电极电流ic从0.1Ics开

5、始，上升到0.9Ics所需的时间,下降时间tf ：晶体三极管的集电极电流ic从0.9Ics开始，下降到0.1Ics所需要的时间,存储时间ts：从输入信号Vi负跳变瞬间开始，到集电极电流ic下降至0.9Ics所需的时间,3.1 晶体管的开关特性,3.1.3关于高低电平的概念及状态赋值,1. 关于高低电平的概念,电位指绝对电压的大小，电平指一定的电压范围。 高电平和低电平在数字电路中分别表示两段电压范围。,例：电路中规定高电平为3V，低电平为0.7V。 TTL电路中通常规定高电平的额定值为3V， 但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V， 但从0V到0.8V都算做低电平。,3.1 晶体管

6、的开关特性,2. 逻辑状态赋值,在数字电路中，用逻辑1和逻辑0分别表示输入、输出高电平 和低电平的过程称为逻辑赋值。,3.1 晶体管的开关特性,3.2.1 TTL逻辑门电路,1. TTL与非门电路,输入级是由多发射极晶体管T1和电阻R1组成的一个与门，其功能是实现输入逻辑变量A、B、C的与运算。,中间级是由T2、R2及R3组成的一个电压分相器，它在T2的发射极与集电极上分别得到两个相位相反的电压信号，用来控制输出级晶体管T3和T4的工作状态，使它们轮流导通。,是由 T3、D4、T4和R4构成的一个非门。输出级采用的推挽结构，使T3、T4轮流导通,（1）电路组成,3.2 TTL集成逻辑门,（2）

7、 功能分析,输入端至少有一个低电平(VIL=0.3V),T1的基极电位vB1=vBE1+VIL=1V,T2和T4处于截止状态,T1处于深饱和状态，vC1=VIL+ VCE（sat1）0.4V,输出高电平，与非门处于关闭状态。,T3和D4处于导通状态,3.2 TTL集成逻辑门,T1管处于倒置工作状态。,T2和T4处于饱和状态。, 输入端全部接高电平(VIH=3.6V),输出电压vO为： VO =VCES40.3V=VO 输出低电平，与非门处于开门状态,T3、D4处于截止状态。,3.2 TTL集成逻辑门,由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系。,在两种工作状态下，各晶体管工作情况如表所示：

8、 TTL与非门各级工作状态,3.2 TTL集成逻辑门,推拉输出电路的主要作用是提高带负载能力。当电路处于关态时，输出级工作于射极输出状态，呈现低阻抗输出；当电路处于开态时，T4处于饱和状态，输出电阻也很低。因此在稳态时，电路均具有较低的输出阻抗，大大提高了带负载能力。,推拉输出电路和多发射极晶体管大大提高了电路的开关速度。一般TTL与非门的平均延迟时间可以缩短到几十纳秒。,3.2 TTL集成逻辑门,(3)推拉输出电路和多发射极晶体管的作用,3.2.2 TTL与非门的主要外部特性,TTL与非门的电压传输特性,输出电压跟随输入电压变化的 关系曲线,即vO=f(vI),截止区：T2,T4截止,线性区

9、：T2处于放大状态,转折区：T3、D4截止，T4进入饱和状态。,饱和区：T2、T4饱和,重要参数：,（1）输出高电平VOH和输出低电平VOL,TTL与非门的电压传输特性,在电压传输特性曲线截止区的 输出电压为输出逻辑高电平VOH， 饱和区的输出电压为输出逻辑 低电平VOL。,3.2 TTL集成逻辑门,（2) 逻辑摆幅V,典型TTL逻辑门的逻辑摆幅 V= 3.6 V-0.3 V = 3.3 V。,（3）开门电平Von和关门电平Voff 及阈值电压Vth。,开门电平Von：保证输出为额定 低电平时，所允许输入高电平的 最低值 关门电平Voff：保证输出电平为 额定高电平的90%时,允许输入低 电平

10、的最大值 阈值电压Vth：指电压传输特性上 转折区中点所对应的输入电压,3.2 TTL集成逻辑门,（4）噪声容限VNL、VNH ,低电平噪声容限：VNL=Voff -VIL,高电平噪声容限： VNH= VIH -Von,抗干扰容限用来表征逻辑门的抗干扰能力，一旦干扰电平超过抗干扰容限，逻辑门将不能正常工作。,3.2 TTL集成逻辑门,2. 输入特性,输入电流与输入电压之间的关系曲线，即iI=f(vI),（2）输入漏电流IIH,输入特性曲线,（1）输入短路电流IIS,输入端接地时流经输入端的电流,当vIVth时的输入电流称为输入漏电流，其数值很小。,输入电流iI以流出T1发射极方向为正。,3.2

11、 TTL集成逻辑门,3. 输入负载特性,TTL与非门输入负载,将逻辑门的一个输入端通过电阻Ri接地，逻辑门的其余输入端 悬空，则有电源电流从该输入端流向Ri，并在Ri上产生压降VI,当Ri小于R0ff时输入为低电平; 当Ri高于Ron时输入为高电平。,典型TTL与非门选取输入端接地电阻时,Roff0.91k, Ron3.2k,由于Ri的存在使输入低电平提高,从而削弱了电路的抗干扰能力。,注意：,3.2 TTL集成逻辑门,4. 输出特性,TTL与非门的输出特性反映了输出电压和输出电流的关系,（1）与非门处于开态时：此时T4饱和，输出低电平， 输出电流iL从负载流进T4，形成灌电流。,TTL与非门

12、输出低电平的输出特性,3.2 TTL集成逻辑门,（2）与非门处于关态时：此时T4截止，T3、D4导通， 输出高电平 ,负载电流为拉电流,TTL与非门输出高电平时的输出特性,3.2 TTL集成逻辑门,5、TTL与非门的带负载能力,（1）灌电流负载,当驱动门输出低电平时,把允许灌 入输出端的电流定义为输出低电平 电流IOL,产品规定IOL=16mA,NOL称为输出低电平时的扇出系数,扇入系数是指输入端的个数； 扇出系数是指逻辑门 输出端最多能驱动同类门的个数。,3.2 TTL集成逻辑门,（2）拉电流负载,当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出， 把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH。

13、产品规定IOH=0.4mA。,NOH称为输出高电平时的扇出系数。,一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。,3.2 TTL集成逻辑门,当测出输出端为低电平时允许灌入的最大负载电流IOLmax后，则可求出驱动门的扇出系数NO：,IIS为TTL与非门的输入短路电流,逻辑门输出低电平时的扇出系数一般小于输出高电平时的扇出系数，因此，逻辑门的负载能力应以输出低电平时的扇出系数为准。,3.2 TTL集成逻辑门,6. 平均延迟时间tpd,tpd表示输出信号滞后于输入信号的时间,TTL与非门的平均延迟时间,定义：,导通延迟时间,截止延迟时间,一般TTL与非门传输延迟时间tpd的

14、值为几纳秒十几个纳秒。,3.2 TTL集成逻辑门,7电源特性平均功耗和动态尖峰电流,（1） 功耗是指逻辑门消耗的电源功率，常用空载功耗来表征。,平均功耗为：,逻辑门输出低电平时的功耗称为空载导通功耗PL，典型 数值约为16mW。,逻辑门输出高电平时的功耗称为空载截止功耗PH ，典型 数值约为5mW。,3.2 TTL集成逻辑门,（2）电源的动态尖峰电流,在动态情况下,特别是当输出电平由低突然变为高的过渡过程中,在某个瞬间,会使门电路中的所有管子均导通,使电源电流出现尖峰脉冲.尖峰电流有时可达40mA。,电源的动态尖峰电流引起的后果:,使电源的平均电流加大.而且,工作频率越高,平均电流增加越多;,

15、电源的动态尖峰电流通过电源和地线的内阻,形成系统内 部的噪声源。,3.2 TTL集成逻辑门,3.2.3 TTL其它门电路,TTL其它门电路,非门 或非门 集电极开路门（OC） 三态输出门等,3.2 TTL集成逻辑门,除了TTL与非门，还有一些TTL的其它门电路。,1.TTL非门,请大家自行分析一下非门的工作原理！,3.2 TTL集成逻辑门,2.TTL或非门,TTL或非门电路,T1和T1为输入级； T2和T2的两个集电极 并接，两个发射极并接， 构成中间级；T3、D4和T4 构成推拉式输出级。,输入端全部为低电平时， 输出高电平，有一个或 两个为高电平输入时， 输出就为低电平，该电路 实现或非逻

16、辑功能。,3.2 TTL集成逻辑门,TTL或非门具体工作状态如表所示：,3.2 TTL集成逻辑门,3.TTL异或门,VCC,T9,T8,D,T6,Y,TTL异或电路,B,A,T2,T3,T7,T4,T5,T1,p,x,y,3.2 TTL集成逻辑门,4.集电极开路的TTL与非门（OC门）,(a) 电路,(b)国标符号,3.2 TTL集成逻辑门,上 电,说明: 普通的TTL电路不能将输出端连在一起,输出端连在一起,可能使电路形成低阻通道,使电路因电流过大而烧毁;,由于OC门的集电极是开路的,要实现正常 的逻辑功能,需外加上拉电阻。,3.2 TTL集成逻辑门,5. 三态输出门(TS门),三态门(TS

17、L门)的输出有三个状态,即: 0,1和高阻, 在使用中,由控制端EN(称使能控制端)来控制电路的输出状态。,(a) 电路,(b)国标符号,当EN=1时,P=1,二 极管截止,电路等效为普通与非门。,2)当EN=0,P=0,T4 和T5均截止,输 出高阻态“Z”。,3.2 TTL集成逻辑门,三态门的应用,（a）组成单向总线， 实现信号的分时单向传送。,（b）组成双向总线， 实现信号的分时双向传送。,在总线结构中，任一时刻仅允许一个门工作; 输出并接，与OC门的并接不同；不需外接负载电阻，工作速度较快。,注意,3.2 TTL集成逻辑门,3.2.4 TTL门电路的改进,为了提高工作速度，降低功耗，提

18、高抗干扰能力， 各生产厂家对门电路作了多次改进。,1.74系列为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。 274L系列为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。 374H系列为高速TTL系列。 474S系列为肖特基TTL系列，进一步提高了速度，如图示。,3.2 TTL集成逻辑门,574LS系列为低功耗肖特基系列。 674AS系列为先进肖特基系列，它是74S系列的后继产品。 774ALS系列为先进低功耗肖特基系列，是74LS系列的后继产品。,此外，还有各种CT 54系列的TTL门电路，其电路结构和 电气性能参数与CT 74系列相同，但比74系列的工作温度 范围更宽，电源允许的工作范围也更大。,3

19、.2 TTL集成逻辑门,3.3.1 MOS晶体管,1N沟道增强型MOS管的输出特性和阈值电压,（a）结构示意图,（b）符号,N沟道增强型MOS场效应管,3.3 MOS逻辑门电路,N沟道MOS管输出特性曲线,非饱和区：沟道预夹断前对应的工作区,饱和区：vGS VGS(th）后， 随着vDS的增加，靠近D区 的导电沟道变窄,截止区：iDS =0以下的工作区域,MOS管作为开关使用时，基本交替工作在截止和导通状态。 当vGS大于管子的开启电压（或阈值电压）VTN时，N沟道管 开始导通。,3.3 MOS逻辑门电路,2增强型NMOS管的转移特性曲线,转移特性曲线反映了当vDS为常数时，vGS对iDS的控

20、制作用,当vGS VGS(th)N时，iDS=0,当vGS VGS(th)N后， 在vDS作用下形成iDS电流,N沟道MOS管转移特性,3.3 MOS逻辑门电路,3. MOS管分类,MOS管按其沟道和工作类型可分为四种,MOS管,N沟道增强型(enhancement type NMOS),P沟道增强型(enhancement type PMOS),N沟道耗尽型(depletion type NMOS),P沟道耗尽型(depletion type PMOS),由于NMOS管沟道中的载流子是电子，其迁移率较高， 工作速度较快，因而目前NMOS管应用十分广泛,由于空穴载流子的迁移率约为电子迁移率的一

21、半， 故PMOS管的工作速度较NMOS管的工作速度低。,P沟道耗尽型场效应管较难于制造， 在数字集成电路中很少使用。,3.3 MOS逻辑门电路,3.3.2 MOS反相器,MOS反相器分类,电阻负载MOS电路,E/E MOS（增强型/增强型MOS）反相器,E/D MOS（增强型/耗尽型MOS）反相器,CMOS（Complementary MOS）反相器,CMOS电路的工作速度高，功耗小，并且可用正电源， 便于和TTL电路连接，下面我们着重讨论CMOS逻辑门。,3.3 MOS逻辑门电路,3.4 CMOS电路,3.4.1 CMOS反相器,CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个 N沟道增强型M

22、OS管串联组成。通常P沟道管 作为负载管，N沟道管作为输入管。,两个MOS管的开启电压VGS(th)P0，通常为了保证正常工作，要求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。,下面分析一下CMOS反相器电路工作原理,若输入vI为高电平(如VDD)，则输入管导通， 负载管截止，输出电压接近0V，即输出低电平。,若输入vI为低电平(如0V)，则负载管导通，输入管截止，输出电压vO=VOHVDD,即输出高电平。,综上分析，可见该电路实现了“非逻辑”功能。,3.4 CMOS电路,3.4.2 CMOS反相器的主要特性,1.电压传输特性和电流传输特性,电压特性曲线大致分为AB、 BC、CD三个阶段。

23、,AB段：vIVTN，即输入为低电平时， vGS1VTN，|vGS2|VTP|，TN截止， TP导通，vO=VOHVDD， 输出高电平。,CD段：vIVDD-|VTP|，即输入为高电平时， TN导通，|vGS2|VTP|，TP截止， vO=VOL0，输出为低电平。,CMOS反相器的电压传输特性,3.4 CMOS电路,CMOS反相器的电压传输特性,BC段：VTNvI(VDD-|VTP|)，此时由于vGS1VTN，vGS2|VTP|，故TN、TP均导通。若TN、TP的参数对称，则vI=1/2VDD时两管导通内阻相等，vO=1/2VDD,BC段特性曲线很陡，可见CMOS反相器的传输特性接近理想开关特

24、性，因而其噪声容限大，抗干扰能力强。,3.4 CMOS电路,CMOS反相器的电流传输特性,CMOS反相器的电流传输特性如图所示,CMOS反相器的电流传输特性曲线， 只在工作区BC段时，由于负载管 和输入管都处于饱和导通状态， 会产生一个较大的电流。 其余情况下，电流都极小。,3.4 CMOS电路,CMOS反相器具有如下特点：,静态功耗极低。在稳定时，CMOS反相器工作总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。 抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为0.5VDD，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，随电源电压升高，抗干扰能力增强。 (3) 电源利

25、用率高。VOH=VDD，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围，一般为+3+18V。 (4) 输入阻抗高，带负载能力强。,3.4 CMOS电路,输入特性和输出特性 (1) 输入特性,为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，CMOS输入端都加有保护电路。 由于二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。,考虑输入保护电路后， CMOS反相器的输入特性如图所示。,3.4 CMOS电路,(2) 输出特性 a. 低电平输出特性,当输入vI为高电平时，负载管截止，输入管导通，负载电流IOL灌入输入管，如图所示。灌入的电流就是N沟道管的iDS，输出特性曲

26、线如图所示。 输出电阻的大小与vGSN(vI)有关，vI越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。,3.4 CMOS电路,b. 高电平输出特性,当输入vI为低电平时，负载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流。输出电压VOH=VDD-vSDP，拉电流IOH即为iSDP，输出特性曲线如图所示。 由曲线可见，|vGSP|越大，负载电流的增加使VOH下降越小，带拉电流负载能力就越强。,3.4 CMOS电路,3.电源特性,CMOS反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。 CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当C

27、MOS反相器工作在TP和TN短时间的同时饱和导通的时候，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功耗PT。 此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。,3.4 CMOS电路,3.4.3 CMOS传输门,CMOS传输门是由P沟道和N沟道增强型MOS管并联互补组成。,CMOS传输门及其逻辑符号,当C=0V，C=VDD时，两个MOS管 都截止。输出和输入之间呈现 高阻抗，传输门截止。,当C=VDD，C=0V时，总有一个MOS管 导通，使输出和输入之间呈低阻抗， 传输门导通。,3.4 CMOS电路,传输门一个重要用途是作模拟开关来传输连续变化的模拟电压信号。,当C=1时，开关接通

28、,C=0时，开关断开，因此只要一个控制 电压即可工作。和CMOS传输门一样，模拟开关也是双向器件。,CMOS模拟开关及其逻辑符号,3.4 CMOS电路,3.4.4 CMOS逻辑门电路,1CMOS与非门电路,当输入A、B中至少有一个为低电平时输出为高电平，F = 1,当输入A、B均为高电平时，T1和T2导通， T3和T4截止，输出为低电平，F=0,输出F和输入A、B的逻辑关系为,该电路实现了与非门的功能。,3.4 CMOS电路,2CMOS或非门电路,输入A、B 均为低电平时， TN1和TN2截止，TP1和TP2导通， 输出为高电平，因此F = 1； 输入A、B中至少有1个为高电平， TN1、TN

29、2中至少有1个导通， TP1、TP2中至少有1个截止， 输出为低电平，因此F = 0。,输出F和输入A、B的逻辑关系为,该电路实现了或非门的功能。,3.4 CMOS电路,3. CMOS三态非门,工作原理： 当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出,当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出为高阻状态。 所以，这是一个低电平有效的三态门。逻辑符号如图示。,同理，也有高电平选通的三态非门。,CMOS三态门可方便地用于构成总线结构。,3.4 CMOS电路,4. CMOS门电路的构成规律,(1) 判断是驱动管串联、负载管并联，还是驱动管并联、负 载管串联。 (2) 判断是驱动管先串后并

30、、负载管先并后串，还是驱动 管先并后串、负载管先串后并。 (3) 驱动管相串为“与”运算，相并为“或”运算。先串后并为 先“与”后“或”，先并后串为先“或”后“与”。驱动管组和 负载管组连接点引出输出为“取反”。,3.4 CMOS电路,3.4.5 集成门电路使用中的实际问题,1. TTL电路与CMOS电路的接口,(1) 用TTL电路驱动CMOS电路,驱动门为TTL电路,负载门为CMOS电路,主要考虑的是电平匹配。, 若CMOS门的电源为5V，在TTL电路的输出端接一个上拉电阻 (例如3.3 k)至电源VCC(+5V)。此时，CMOS电路相当于一个同 类TTL电路的负载。,3.4 CMOS电路,如果CMOS电路的电源较高，TTL的输出端仍可接一上拉电阻，但需使用集电极开路门(如T1006)电路。, 采用专用集成电路。如专用的CMOS电平移动器(例如40109