第二章 -集成逻辑门.ppt

1、第二章 集成逻辑门,1、了解各种门电路的外特性 2、掌握特殊门电路（三态门，OD门，传输门，OC门等）的逻辑符号及应用 3、掌握CMOS器件和TTL器件在使用时，应该注意的问题 4、掌握CMOS和TTL的接口问题,本章重点和难点：,1 、逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。,2、 逻辑门电路的分类,二极管门电路,三极管门电路,TTL门电路,MOS门电路,PMOS门,CMOS门,分立门电路,NMOS门,数字集成电路简介,3.CMOS集成电路: 广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路,4000系列,74HC 74HCT,74VHC 74VHCT,速度慢 与TTL不兼容 抗干扰 功耗低,

2、74LVC 74VAUC,速度加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低,速度两倍于74HC 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低,低(超低)电压 速度更加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰功耗低,74系列,74LS系列,74AS系列,74ALS,4.TTL 集成电路: 广泛应用于中大规模集成电路,5.二极管的门电路,二极管门电路的缺点：,（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。 （2）负载能力差。,2.2 MOS集成门电路,一、MOS管开关电路及其开关特性,开关状态：,转移特性曲线,输出特性曲线,截止状态,当uiUT时,uo=+VDD,导通状态,当uiUT时,uo

3、0,传输延迟时间tpd,传输延迟时间是表征门电路开关速度 的参数，它说明门电路在输入脉冲波 形的作用下，其输出波形相对于输入 波形延迟了多长的时间。,CMOS电路传输延迟时间,二、CMOS反相器,工作原理： 当输入VI为低电平时，T1管导通，T2管截至，VO输出为高电平； 当输入VI为高电平时，T1管截至，T2管导通，VO输出为低电平；,真值表,逻辑符号,带保护的CMOS电路:,(1) 0 vA VDD + vDF,(2) vA VDD + vDF,二极管导通电压：vDF,(3) vA - vDF,当输入电压不在正常电压范围时,二极管导通，限制了电容两端电压的增加,保护了输入电路。,D1、D2

4、截止,D1导通, D2截止,vG = VDD + vDF,D2导通, D1截止,vG = - vDF,RS和MOS管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延迟且衰减后到栅极。,D2 -分布式二极管(iD大),CMOS反相器的外特性,1、电压传输特性,门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。,2、抗干扰能力,同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。,低电平噪声容限 VNLVIL(max)-VOL（max）0.8V-0.4V0.4V 高电平噪声容限 VNHVOH（min）-VIH(min)2.4V-2.0V0.4V,3、电流传输特性,vI（V）,

5、4、输入特性,5、输出特性 （1）低电平输出特性 （2）高电平输出特性,6、动态传输延迟时间,tpd=(ton+ toff)/2,三、其他的CMOS门电路,1与非门,2、或非门,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。,3 CMOS三态门,当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门， 输出,三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。 （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。,三态门的应用,4、OD门（漏极开路门）,（1）实现线与。 逻辑关系为:,OD门主要有以下几方面的应用：,（2）实现电

6、平转换。 如图示，可使输出高电平变为10V。,（3）用做驱动器。 如图是用来驱动发光二极管的电路。,+10V,V,&,O,5 CMOS传输门,工作原理：（设两管的开启电压VTN=|VTP|）,（1）当C接高电平VDD， 接低电平0V时，若Vi在0VVDD的范围变化，至少有一管导通，相当于一闭合开关，将输入传到输出，即Vo=Vi。,（2）当C接低电平0V， 接高电平VDD，Vi在0VVDD的范围变化时，TN和TP都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开。,1CMOS逻辑门电路的系列 （1）基本的CMOSCC4000/C000系列。 （2）高速的CMOSHC系列/54/74HC、HCU。 （3）与T

7、TL兼容的高速CMOSHCT系列。 2CMOS逻辑门电路主要的特点 （1）电源电压工作范围大。 （2）逻辑摆幅大。 （3）抗干扰能力强。 （4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门； （5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。 （6）集成度高，温度稳定性好。 （7）抗辐射能力强，成本低。,四、 CMOS逻辑门电路的系列及主要特点和使用中应该注意的问题,3、注意的问题： （1）注意输入端的静电防护。 （2）注意输入电路的过流保护。 （3）注意电源电压的极性，防止输出断短路。,所以输出为低电平。,一、 NMOS门电路 1NMOS非门,2.3 其它MOS逻辑门电路,逻

8、辑关系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1gm2 ） （1）当输入Vi为高电平8V时，T1导通，T2也导通。因为gm1gm2，所以两管的导通电阻RDS1RDS2，输出电压为：,（2）当输入Vi为低电平0V时，,2NMOS门电路 （1）与非门,T1截止，T2导通。 VO=VDD-VT=8V =VOH ，即输出为高电平。 所以电路实现了非逻辑。,（2）或非门,2.4 TTL集成门电路,截止状态,饱和状态,iBIBS,ui=UIL0.5V,uo=+VCC,ui=UIH,uo=0.3V,饱和区,截止区,放,大,区,1.TTL与非门的基本结构,一. TTL与非门,2TTL与非门的逻辑关系

9、,（1）输入全为高电平3.6V时。 T2、T3饱和导通，,实现了与非门的逻 辑功能之一： 输入全为高电平时，输出为低电平。,由于T2饱和导通，VC2=1V。,T4和二极管D都截止。,由于T3饱和导通，输出电压为： VO=VCES30.3V,该发射结导通，VB1=1V。T2、T3都截止。,（2）输入有低电平0.3V 时。,实现了与非门的逻辑 功能的另一方面： 输入有低电平时， 输出为高电平。,忽略流过RC2的电流，VB4VCC=5V 。,由于T4和D导通，所以： VOVCC-VBE4-VD =5-0.7-0.7=3.6（V）,综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：,3、TTL与非门的开

10、关速度,(1) TTL与非门提高工作速度的原理 采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。,(2)TTL与非门传输延迟时间tpd,导通延迟时间tPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。,一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。,截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。,与非门的传输延迟时间tpd：,4、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力,(1)电压传输特性曲线： Vo=f（Vi）,TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。,(2)抗干扰能力,同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定

11、的容差，称为噪声容限。,低电平噪声容限 VNLVOFF-VOL（max）0.8V-0.4V0.4V 高电平噪声容限 VNHVOH（min）-VON2.4V-2.0V0.4V,5、TTL与非门举例7400,7400是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。引脚排列图如图所示。,在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为线与。普通的TTL门电路不能进行线与。 为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开路门。,二集电极开路门（ OC门）,（1）当输出高电平时， RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min）。,OC门进行线与

12、时，外接上拉电阻RP的选择：,得：,（2）当输出低电平时,所以： RP（min）RPRP（max）,由：,得：,RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max）。,（1）三态输出门的结构及工作原理。 当EN=0时，G输出为1，D1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。 当EN=1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。,三三态门,去掉非门G，则EN=1时，为工作状态， EN=0时，为高阻态。,四、TTL集成逻辑门电路系列简介,174系列为TTL集成电路的早期产品，P=10mW,t=9ns。属中速TTL器件 274L系

13、列为低功耗TTL系列， P=1mW,t=33ns。 374H系列为高速TTL系列, P=22mW,t=6ns 。 474S系列为肖特基TTL系列，进一步提高了速度,P=19mW,t=3ns 。 5. 74LS系列为低功耗肖特基TTL系列，P=2mW,t=9ns 。,674AS系列为先进肖特基系列， 774ALS系列为先进低功耗肖特基系列。,1、TTL与CMOS器件之间的接口问题 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件： 驱动门的VOH（min）负载门的VIH（min） 驱动门的VOL（max）负载门的VIL（max） 驱动门的IOH（max）负载门的IIH（总） 驱动门的IOL（max）负载门的IIL（总）,（b）用TTL门电路驱动5V低电流继电器，其中二极管D作保护，用以防止过电压。,2、TTL和CMOS电路带负载时的接口问题,（1）对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。 （a）用TTL门电