数字电路域逻辑设计3-1.ppt

1、本章内容是了解各种逻辑的硬件结构。如“与或非”集成逻辑门电路等。要求对于各逻辑器件重点了解其外特性。对于其内部结构，不做太多要求。特别是在门电路这部分内容的教学中,重点强调门电路的外部特性,包括输入特性、输出特性及电压转移特性等外部特性及其使用方法。,第3章 集成逻辑门,3.1晶体管的开关特性,3.1.1晶体二极管开关特性,3.1.2晶体三极管开关特性,由于集成逻辑门电路的主要组成部分是晶体管，所以有必要先简单了解一下晶体管的开关特性。,S,R,V,图3-1-1 理想开关,iD,vD,Vth,IS,O,iD,vD,当外加正向电压时，正向电流随电压的增加按指数规律增加。图中Vth称为阈值电压。,

2、图3-1-2 二极管伏安特性,(a) 二极管电路表示,(b) 二极管伏安特性,二极管的开关特性：当电路处于相对稳定的状态时，晶体二极管呈现出开关特性。,二极管的伏安特性方程为：,iD,vD,O,iD,vD,Vth,O,图3-1-2 二极管伏安特性,(c) 理想二极管开关特性,(d) 二极管特性折线简化,当二极管作为开关使用时，可将其伏安特性折线化。当正向偏置时，二极管导通，压降为Vth值，相当于开关闭合；当反向偏置时，二极管截止，流过的电流为反向饱和电流，非常小，相当于开关断开。,3.1.2晶体三极管开关特性,在脉冲与数字电路中，在大幅度信号作用下，晶体管交替工作于截止区与饱和区，作为开关元件

3、使用。,三极管稳态开关特性,如图3-1-11所示基本单管共射电路。,传输特性是指电路的输出电压与输入电压的函数关系。基本单管共射电路的传输特性曲线大体上分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。,图3-1-12 单管共射电路传输特性,vI/V,vO/V,10,5,0,0.5,1,1.5,截止,放大,饱和,当vIVth时，工作于截止区。此时iB0， iC0，vOVCC。晶体管没有电流流过，相当于开关断开。,当vIVth而小于某一数值（图中约为1V）时，工作于放大区。此时iB、iC随vI的增加而增加，vO随vI的增加而下降。,当vI大于某一数值时，工作于饱和区。此时，vO=VCE(sat)0； iC=

4、(VCCVCE(sat)/RC VCC/ RC。晶体管间有电流流过，相当于开关闭合。,RC,VBB,vI,vO,VCC,R1,T,C,VL,R1,R2,R2,VBB,B,E,VH,R1,R2,VBB,B,E,VBE(sat),iB,i1,i2,(a),(b),(c),图3-1-15 晶体三极管反相器（a)等效电路(b)( c),2反相器电路,当vI=VL（输入低电平）时，可靠工作于截止状态（输出高电平）；vI=VH时（输入高电平），可靠工作于饱和状态（输出低电平）。输出电压与输入电压反相，故称反相器。,A,T3,R4,T2,R5,R3,T1,B,C,R1,R2,图3-2-1 TTL与非门,3.

5、2TTL集成逻辑门,R6,VCC,T4,D,Y,Y与ABC的关系为： Y=ABC,是与非的关系,1. TTL与非门,分析：电路是一个反相器，X与Y的关系是： Y=X 而X与A，B，C的关系是： X=ABC,X,TTL或非门由输入级、中间级和输出级组成。,2TTL或非门,VCC,T4,T3,D4,T2,Y,图3-2-13 TTL或非门电路,T2,B,A,T1,T1,TTL或非门也是由输入级、中间级和推拉式输出级组成。 Y与AB的关系为： Y=A+B,思考:TTL或非门多余端如何处理?,VCC,T9,T8,D,T6,Y,图3-2-14 TTL异或电路,B,A,T2,T3,T7,T4,T5,T1,p

6、,x,y,3TTL异或门,Y=A,B,B,A,Y,图3-2-15 非门的线与连接,A,B,图3-2-17 集电极开路的与非门 及其逻辑符号,VCC,T4,Y,B,A,T1,T2,Y,B,A,&,(a),(b),为了使TTL门能够“线与”,将输出级改动一下,取消集电级的电阻, 这种电路叫集电极开路门(OC门).其逻辑与普通与非门相同： Y=AB,OC门电路,图3-2-18表示了n个OC门并联使用的情况，其输出,综合“线与”概念及OC门电路概念，将多个OC门电路线与使用，可以得到如下的式子：,VCC,T4,T3,D4,T2,Y,图3-2-19 三态门电路及逻辑符号,T1,D,P,G1,G2,A,B

7、,EN,EN,A,&,B,EN,A,&,B,Y,Y,(a),(c),(b),高电平有效,低电平有效,图3-2-20 三态门接成总线结构,B1,EN1,&,A1,B2,EN2,&,A2,Bn,ENn,&,An,三态门实现总线结构,轮流定时地使各个EN端为1，可把各门的输出信号轮流传送到总线上。,注：只有OC门与三态门才允许将输出端相接。,3.4MOS逻辑门,MOS（Metal Oxide Semiconductor）集成电路的基本元件是MOS晶体管。MOS集成电路以耗能低，可靠性高获得了很高的市场份额。TTL晶体管为基础的集成电路称为双极性电路，MOS管为基础的集成电路称为单极性电路。在很多产品

8、系列中，二种电路实现的逻辑是相同的，其产品型号也类似。,图3-4-1 N沟道增强型MOS管,N+,N+,S,G,D,SiO2,P-Si,(a) 结构示意图,(b) 符号,S,G,D,3.4.1MOS晶体管,MOS管有三个电极：源极S、漏极D和栅极G。它是用栅极电压来控制漏源电流。,MOS管有P型沟道和N型沟道两种，按其工作特性又分为增强型和耗尽型两类。下面以N沟道增强型MOS管为例进行讨论。,IDS,图3-4-2 N沟道增强型MOS管输出特性曲线,O,iDS,vDS,()非饱和区,()饱和区,()截止区,vDS= vGS-VGS(th)N,vGS0,3.5CMOS电路,3.5.1CMOS反相器

9、工作原理,3.5.2CMOS反相器的主要特性,3.5.3CMOS传输门,3.5.4CMOS逻辑门电路,3.5.5CMOS电路的锁定效应及 正确使用方法,CMOS集成电路是以一个N沟道MOS管与一个P沟道MOS管串联为基本单元的组件。,图3-5-1 CMOS反相器,D,G,S,S,G,D,vO,VDD,TL,T0,vI,3.5.1CMOS反相器工作原理,CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS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。,若输入vI为低电平(如0V)，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。 若输入vI为高电平(如VDD)，则输入管导通，

10、负载管截止，输出电压接近0V。,P沟道,N沟道,图3-5-2 CMOS反相器电压传输特性,vI,vO,O,VDD,VDD,VDD+VGS(th)P,VGS(th)N,3.5.2CMOS反相器的主要特性,电压传输特性和电流传输特性,当vI值小于阈值电压Vth时，输入管截止，故vO=VDD，输出高电平。 当vI值大于阈值电压Vth时， PMOS和NMOS均处于饱和状态，所以vO0V，输出低电平。,综上，电路实现了反相器的逻辑。,图3-5-4 CMOS输入保护电路,vO,VDD,TP,TN,vI,C1,D2,N ,D1 D1,C2,P,P,P,N,R,TP,图3-5-10 CMOS传输门及其逻辑符号,VDD,C,C,vO/vI,vI/vO,vO/vI,vI/vO,C,C,TG,C,vO/vI,vI/vO,C,TN,3.5.3CMOS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。可以双向传输，C为控制端。,Y,VDD,T1,B,TP,图3-5-12 CMOS与非门,TP,A,TN,TN,T4,T3,T2,Y,VDD,T1,B,图3-5-13 CMOS或非门,A,T4,T3,T2,3.5.4CMOS逻辑门电路,CMOS与非门、或非门,当输入信号为0时，与之相连的N沟道MOS管截止，