数字电子技术3.ppt

1、,数字电子技术,3 逻辑门电路,3.1 MOS逻辑门电路 3.2 TTL逻辑门电路 *3.3 射极耦合逻辑门电路 *3.4 砷化镓逻辑门电路 3.5 逻辑描述中的几个问题 3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题 3.7 用Verilog HDL 描述逻辑门电路 作业,3.1 MOS逻辑门电路,3.1.1 数字集成电路简介 3.1.2 逻辑电路的一般特性 3.1.3 MOS开关及其等效电路 3.1.4 CMOS反相器 3.1.5 CMOS逻辑门电路 3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路 3.1.7 CMOS传输门 3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数,3.1.1 数字集成电路简介,

2、一、数字集成电路分类 两大类：TTL CMOS MOS分类：NMOS PMOS CMOS CMOS电路已成为占主导地位的逻辑器件。 二、CMOS门电路系列,4000系列,4000B系列,74HC 74HCT系列,低功耗 宽电压 抗干扰 速度慢,速度快 负载能力强,3.1.1 数字集成电路简介,74VHC 74VHCT系列,二、CMOS门电路系列,74LVC 74AUC系列,54系列,3.1.1 数字集成电路简介,三、双极型数字集成电路系列 四、砷化镓器件 新一代半导体材料。速度快，功耗低 ，抗辐射。,TTL系列,ECL系列,74XXX,74LXXX,74LSXXX,74ASXXX,速度极高，用

3、于高速、超高速系统,3.1.2 逻辑电路的一般特性,一、输入和输出的高、低电平,3.1.2 逻辑电路的一般特性,二、噪声容限 噪声容限表示门电路的抗干扰能力。,高电平噪声容限,VNH=VOH(min)-VIH(min),低电平噪声容限,VNL=VIL(max)-VOL(max),3.1.2 逻辑电路的一般特性,三、传输延迟时间 表征门电路开关速度。,平均传输时间,Tpd=(tpLH+tpHL)/2,3.1.2 逻辑电路的一般特性,四、功耗 功耗：静态，动态。 静态功耗：当电路的输出没有状态转换时的功耗。静态时，CMOS电路的电流非常小， 使得静态功耗非常低。 动态功耗：当CMOS电路在输出发生

4、状态转换时的功耗。,3.1.2 逻辑电路的一般特性,动态功耗：,电流： VDDCMOS-GND CPD功耗电容,CL负载电容,总动态功耗：,正比于f和VDD平方,低电源电压器件,3.1.2 逻辑电路的一般特性,五、延时功耗积 六、扇入扇出系数 1、扇入系数 取决于输入端的个数。,DP值愈低，其特性愈接近理想,3.1.2 逻辑电路的一般特性,六、扇入扇出系数 2、扇出系数 在正常工作情况下，所能带的同类门电路的最大数目。 负载能力的指标。 两种情况：,拉电流,灌电流,3.1.2 逻辑电路的一般特性,2、扇出系数,拉电流,驱动门输出为高电平， 电流IOH从驱动门流入 负载门,驱动,负载,驱动门,负

5、载门,3.1.2 逻辑电路的一般特性,2、扇出系数,灌电流,驱动,负载,驱动门输出为低电平， 电流IOL从负载门流入 驱动门,驱动门,负载门,3.1.2 逻辑电路的一般特性,扇入扇出系数 一般情况,应选择数值小系数来确定负载的个数,如何扩展带载能力？,并接驱动门,外部扩流,3.1.3 MOS开关及其等效电路,一、MOS管的开关作用,N沟道 增强型,开启电压 VT,直流负载线,vIVT，截止，iD=0，v=VDD,ViVT，饱和，iD=0，v=VDD,3.1.3 MOS开关及其等效电路,一、MOS管的开关作用 等效电路,3.1.3 MOS开关及其等效电路,二、MOS管的开关特性,3.1.4 CM

6、OS反相器,一、工作原理,TP,TN,vI=VDD,vGSN=VDD,vGSP=0,vOL=0,3.1.4 CMOS反相器,一、工作原理,vI=0,vGSN=0,vGSP=VDD,vOH=VDD,iD0,3.1.4 CMOS反相器,二、电压传输特性和电流传输特性,转折点,抗干扰容限：VDD/2,3.1.4 CMOS反相器,三、工作速度,tpLH=tpHL,平均传输时间10ns,3.1.5 CMOS逻辑门电路,一、与非门,电路功能：有低出高，全高为低。,A=0,B=1,TN1断,TP2断,TP1通,TN2通,L=1,A=1,B=0,TN1通,TN2断,TP2通,TP1断,L=1,A=1,B=1,

7、TN1通,TN2通,TP1断,TP2断,L=0,3.1.5 CMOS逻辑门电路,二、输入输出保护电路和缓冲电路,缓冲电路具有 统一的参数,输入输出不因内部 逻辑功能不同而变化,电路的性能 得到改善,3.1.5 CMOS逻辑门电路,1、输入保护电路,D1、D2保护二极管,0vIVDD,D1、D2不作用,vI(VDD+ VDF),嵌位，栅极电压VDD+ VDF,vI-VDF,嵌位，栅极电压- VDF,RS积分电阻,3.1.5 CMOS逻辑门电路,2、CMOS逻辑门的缓冲电路,输入缓冲,输出缓冲,3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路,一、CMOS漏极开路门的提出 将门电路输出端并联-线与逻

8、辑。,TP1通、TN2通,电流大，损坏器件,普通门电路输出端 不能直接并接！,3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路,二、CMOS漏极开路门电路 1、结构及符号,符号,标记,上拉,3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路,2、RP对OD门动态性能的影响,影响因素： 驱动门的输出电容 负载门的输入电容 接线电容,RP影响充 放电时间,当速度较快时 应避免驱动大 电容负载,3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路,3、上拉电阻的计算 作用：提供高电平输出的驱动电流、低电 平输出限流。 选择依据： 输出低电平 IOLIOL(max)，VOLVOL(max),IOL1=(VDD-V

9、OLmax)/RP,IOL2=nIIL,3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路,3、上拉电阻的计算 选择依据： 输出高电平,VOHVOH(min),(VDD-VOHmin)/RP=NIOZ+nIIH,RP(max),RP(min),RP(min)RPRP(max),3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路,4、OD门电路的主要用途 实现线与逻辑功能； 扩流； 逻辑电平变换。,3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路,二、三态(TSL)输出门电路 三态：高电平，低电平，高阻(禁止)。,EN=1,A=0,B=1,C=1,L=0,A=0,B=0,C=0,L=1,TP断，TN通,T

10、P通，TN断,EN=0,TP断，TN断,高阻,使能端,符号,标记,3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路,二、三态(TSL)输出门电路 三态门的主要用途：,总线传输,分时 工作,3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路,构成总线转输结构,三态,3.1.7 CMOS传输门,主要用途：,数控模拟开关,开关电阻数百欧,数据 选择,3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数,一、CMOS 集成电路的主要特点 功耗极低。 电源电压范围宽。 抗干扰能力强。 逻辑摆幅大。 输入阻抗极高。 扇出能力强。 集成度很高，温度稳定性好。 抗辐射能力强。,LSI：几个 W ， MSI：100 W,CC40

11、00 系列：VDD = 3 18 V,输入端噪声容限 = 0.3VDD 0.45VDD,3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数,二、主要技术参数 见产品数据手册。 三、CMOS门电路各系列的性能比较,3.2 TTL逻辑门电路,3.2.1 BJT的开关特性 3.1.2 基本BJT反相器的动态性能 3.2.3 TTL反相器的基本电路 3.2.4 TTL逻辑门电路 3.2.5 集电极开路门和三态门电路 3.2.6 BiCMOS门电路 3.2.7 改进型TTL门电路-抗饱和TTL电路,3.2.1 BJT的开关特性,一、BJT的开关作用,vI=5V,iB=VCC/RC,VCE=VCES,IC=ICS,

12、vI=0V,iB=0,IC=0,VCE=VCC,3.2.1 BJT的开关特性,一、BJT的开关作用,注意： 饱和、 放大 的区 别 。,外部电路判断依据,外部电路判断依据,3.2.1 BJT的开关特性,二、BJT的开关时间,td：延迟时间,tr：上升时间,ton= td+ tr,-开通时间,ts：存储时间,tf：下降时间,-关闭时间,toff= ts+ tf,3.1.2 基本BJT反相器的动态性能,一、限制BJT反相器开关速度的主要因素 1、基区电荷建立时间（ton）和存储电荷消散的时间（toff)； 2、容性负载的充放电时间。 二、提高BJT开关速度的 主要途径 1、内部：材料、结构 2、外

13、部：选择基极电流 临界饱和电流,3.2.3 TTL反相器的基本电路,一、TTL反相器的工作原理,输入,中间,输出,vI=0.2v,vB1=0.9v,T2断,T3断,T4通,D通,vo=3.6v,vI=3.6v,vB1=2.1v,T2通,T3通,T4断,D断,vo=0.2v,VIH=VOH=3.6v,VIL=VOL=0.2v,3.2.3 TTL反相器的基本电路,一、TTL反相器的工作原理 TTL反相器的特点：,1、通过输入级 提高工作速度,vI=VIHVIL,Ve1=0.2v,Vb1=0.9v,Vc1=1.4v,T1 放大,-iB2大，加速T2截止，提高开关速度。,3.2.3 TTL反相器的基本

14、电路,一、TTL反相器的工作原理 TTL反相器的特点： 2、推拉式输出，提 高开关速度和带 载能力。,vO=VOL,T3饱和,vO=VOH,T4跟随,输出带载能力强,输出内阻低，对容性负载时间常数小,3.2.3 TTL反相器的基本电路,二、TTL反相器的传输特性 传输特性为门 电路的输入输出特 性参数提供依据。,3.2.4 TTL逻辑门电路,一、与非门电路,输入等效电路,3.2.4 TTL逻辑门电路,二、或非门电路,3.2.5 集电极开路门和三态门电路,一、集电极开路门（OC）,使用方法： 与OD门相同。,与OD门相比，OC门可以承受更高的电压和电流。,3.2.5 集电极开路门和三态门电路,二

15、、三态 (TSL)输出门电路,EN=1,EN=0,T3、T4断： 输出端呈高阻。,3.2.6 BiCMOS门电路,一、基本BiCMOS反相器电路,特点：,BJT管作为CMOS的输出级， 结合了MOS低功耗、双极 型管速度快、驱动能力 强的优势。,3.2.7 改进型TTL门电路-抗饱和TTL电路,影响开关速度的主要因素：BJT的存储时间ts。 限制BJT的饱和深度减少ts 。 一、肖特基势垒二极管,特点：,1、单向导电性；,2、导通阈值低：0.40.5v,3、没有内部电荷的建立和消 散过程，转换速度加快。,嵌位,抗饱和,3.2.7 改进型TTL门电路-抗饱和TTL电路,二、肖特基TTL电路,复合

16、管 电流增益大，,减少负载电容 时间常数,提高了开关速度,输入 保护,有源下拉,有源下拉， 缩短转换时间,3.5 逻辑描述中的几个问题,一、正负逻辑问题 正逻辑：逻辑1-高电平；逻辑0-低电平。 负逻辑：逻辑1-低电平；逻辑0-高电平。 正、负逻辑与逻辑电路无关，但采用的逻辑体制不同，即使同一个电路也会有不同的逻辑功能。,3.5 逻辑描述中的几个问题,一、正负逻辑问题,电路输入输出关系始终不变，正、 负逻辑只是分析问题的方法不同！,无特别声明， 一律采用正逻辑！,3.5 逻辑描述中的几个问题,二、正负逻辑的等效互换 三、基本逻辑门电路的等效符号及其应用 1、基本逻辑门电路的等效符号,3.5 逻

17、辑描述中的几个问题,三、基本逻辑门电路的等效符号及其应用 1、基本逻辑门电路的等效符号,图示的逻辑符号及其等效符号，是在同一 逻辑体制下，用两种不同的方法描述统一逻辑运 算。因此，不能将等效符号看成是负逻辑体制或 者负逻辑表示方法。,3.5 逻辑描述中的几个问题,三、基本逻辑门电路的等效符号及其应用 2、逻辑门等效符号的应用,利用逻辑门等效符号对逻辑电路进行变换， 在不改变逻辑功能的前提下，可以简化电路，减 少实现电路的门的种类或芯片的种类。,3.5 逻辑描述中的几个问题,三、基本逻辑门电路的等效符号及其应用 3、逻辑门等效符号强调低电平有效,低电平输出具 有较大的带载 能力。,低有效,高有效

18、,等效符号强调低有效,3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题,在数字电路或系统的设计中，往往将TTL和CMOS两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满足驱动器件和负载器件的电流、电压要求。,3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题,一、各种门电路之间的接口问题 1、考虑的主要因素： 1)逻辑电路的扇出问题（驱动器输出电流） IOL(max)IIL(total) IOH(max)IIH(total) 2)逻辑电平兼容 VOH(min)VIH(min) VOL(max)VIL(max) 3)其他：噪声容限、开关速度、Ci、

19、Co,驱动门,负载门,3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题,2、TTL与CMOS门电路之间的接口技术 1) CMOS门驱动TTL门,CMOS电源 5V,逻辑电平匹配，直接连接；,按电流大小计算扇出系数；,3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题,一、各种门电路之间的接口问题 2、TTL与CMOS门电路之间的接口技术 2) TTL门驱动CMOS门,逻辑电平匹配，直接连接；,TTL驱动74HCT,TTL驱动74HC,低电平匹配，高电平不匹配；,上拉,3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题,一、各种门电路之间的接口问题 3、低电压CMOS电路及接口 同一系统中采用不同供电电压的逻辑器件需要考虑之间的接口问题。 3.3V供电的CMOS 74LVC系列具有5V输入容限，即输入端可以承