第2章 集成逻辑门 [兼容模式].pdf

第二章第二章集成逻辑门集成逻辑门第二章第二章集成逻辑门集成逻辑门晶体三极管反相器晶体三极管反相器2.1晶体三极管反相器晶体三极管反相器2.2TTL集成逻辑门集成逻辑门2.4MOS逻辑门逻辑门2 5CMOS电路电路2.5CMOS电路电路重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹1概 述概 述门：门：是用来控制开和关的工具。是用来控制开和关的工具。门电路门电路：按一定的条件去控制信号的通按一定的条件去控制信号的通、断的电路断的电路。门电路门电路：按一定的条件去控制信号的通按一定的条件去控制信号的通、断的电路断的电路。逻辑门电路：逻辑门电路：用来实现（基本）逻辑关系的门电路。用来实现（基本）逻辑关系的门电路。RTL(Resistor-transistor logic)基本逻辑门电路：基本逻辑门电路：与、或、非门。与、或、非门。RTL(Resistor-transistor logic)DTL(Diode-transistor logic)TTL(Transistor-transistor logic)集成逻辑集成逻辑门系列门系列TTL(Transistor-transistor logic)ECL(Emitter-coupled logic)MOS(Metal-oxide semiconductor)门系列门系列MOS(Metal-oxide semiconductor)CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor)重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹2oxide semiconductor)2.1 晶体三极管反相器晶体三极管反相器RCCj+VCC 功能：功能：完成输出电压与输入电压的反相。完成输出电压与输入电压的反相。工作原理工作原理：RCR1vIvO 工作原理工作原理：当当 vi=VL时，并满足时，并满足VBE 0时，时，T-，v=V=VR1R2Vvo=VoH=VCC当当 vi=VH时，并满足时，并满足IB IBS时，时，T+，v=VL=VCES=0.3v-VBBvo VoL VCES 0.3vvo=vi 逻辑符号逻辑符号:1vIvo 逻辑符号逻辑符号:1IotVIVHVL 反相器的工作波形：反相器的工作波形：tV00t重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹3t0 采用加速电容改善输出波形采用加速电容改善输出波形：V 采用加速电容改善输出波形采用加速电容改善输出波形：VCCR作用：缩短延迟时间，提高开关速度。作用：缩短延迟时间，提高开关速度。RCCjvR1TvivoR2-VBB重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹4 二极管与门和或门电路的缺点：二极管与门和或门电路的缺点：（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况的情况。的情况的情况。（2）负载能力差）负载能力差+V+V（+5V）CCCC（+5V）3kRR3k0VLDDDD21120.7V1.4V5V5VDD22重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹5 解决办法解决办法：解决办法解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。+V（+5V）CC+VCC（+5V）3kRRCCC（+5V）LAD3k1ALT123RbBD2重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹6三、三、DTL与非门电路与非门电路工作原理工作原理：工作原理工作原理：（1）当）当A、B、C全接为高电平全接为高电平5V时，时，VL=0.3V，即输出低电平。，即输出低电平。（2）A、B、C中只要有一个为低电平中只要有一个为低电平0 3V时时，VV5V，即输即输（2）A、B、C中只要有一个为低电平中只要有一个为低电平0.3V时时，VL=VCC=5V，即输即输出高电平。出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系所以该电路满足与非逻辑关系，即即：CBAL所以该电路满足与非逻辑关系所以该电路满足与非逻辑关系，即即：+VCC（+5V）L+VD3DDRCC（+5V）Rc453k1kABLDD123DD12R1T45PCD34.7k重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹72.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门TTL (Transistor-Transistor Logic)(g)晶体管晶体管逻辑电路晶体管晶体管逻辑电路常见的常见的TTL门电路系列有门电路系列有：常见的常见的TTL门电路系列有门电路系列有：标准通用系列标准通用系列CT54/74系列系列 高速系列高速系列CT54H/74H系列系列 肖特基系列肖特基系列CT54S/74S系列系列54系列系列(军用军用)：电源电压电源电压(50.5)V，使用环境温度范围使用环境温度范围55125 低耗肖特基系列低耗肖特基系列CT54LS/74LS系列系列54系列系列(军用军用)：电源电压电源电压(50.5)V，使用环境温度范围使用环境温度范围55125 74系列系列(民用民用)：电源电压电源电压(50.25)V，使用环境温度范围，使用环境温度范围 070 重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹8一一、TTL与非门与非门CT5410/7410典型电路典型电路2.2.1 晶体管晶体管逻辑门电路晶体管晶体管逻辑门电路V、TTL与非门与非门CT5410/7410 典型电路典型电路VCC(+5V)R1R2R4R14k 1.6k 130 T3多发射极多发射极晶体管晶体管推拉式推拉式输出级输出级T2TT3D4A晶体管晶体管输出级输出级T1T4BYR31k C保护保护二极管二极管D1 D2 D3输入级中间级输出级输入级中间级输出级二极管二极管重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹9二、二、TTL与非门与非门CT5410/7410 的特点的特点 多发射极晶体管的作用是实现与运算多发射极晶体管的作用是实现与运算；多发射极晶体管的作用是实现与运算多发射极晶体管的作用是实现与运算；推拉式输出级有助于提高开关速度和增强电路带推拉式输出级有助于提高开关速度和增强电路带负载能力；负载能力；重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹101、A、B、C中至少有一个为低电平中至少有一个为低电平0 3V 时时：1、A、B、C中至少有一个为低电平中至少有一个为低电平0.3V 时时：VCC(+5V)R1R2RR14k R21.6k R4130 T31V深饱和深饱和导通导通vo=VOH=3.6VT2T1T4D4ABY0.4VR31k T4CVL0.3V截止截止关态关态！关态关态！实现了与非门的逻辑功能的之一实现了与非门的逻辑功能的之一：实现了与非门的逻辑功能的之一实现了与非门的逻辑功能的之一：输入有低电平时输入有低电平时，输出为高电平输出为高电平。重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹11输入有低电平时输入有低电平时，输出为高电平输出为高电平。2、A、B、C全部为高电平全部为高电平3.6V 时：时：VCC(+5V)R14k R21.6k R4130 倒置倒置T2TT3D4A2.1V1.4V倒置倒置截止截止1Vvo=VOL=0.3VR3T1T4CBY1.4V饱和饱和0.7V开态！开态！31k VH3.6V饱和饱和实现了与非门的逻辑功能的之二：实现了与非门的逻辑功能的之二：输入全为高电平时输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。输入全为高电平时输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹12三、三、TTL与非门与非门CT5410/7410 的逻辑功能的逻辑功能1000YCBA 真值表真值表:101011001000CBAY 逻辑功能逻辑功能:10011110&逻辑符号逻辑符号:0111101111010111重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹13四、TTL与非门四、TTL与非门CT5410/7410 的开关速度的开关速度与非门提高工作速度的原理与非门提高工作速度的原理 TTL与非门提高工作速度的原理与非门提高工作速度的原理1、采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。、采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。V+VRc2CCRb1iB11.6k3.6V11VB14kV1331231BAT2CT1.4ViB1o0.3V12 3CRTe20.7V1k重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹142、采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电、采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。容充放电。+V+V（+5V）CCCC（+5V）VV33（+5V）CCc4T4Rc4CC（+5V）4TR123D123D4导通充电4截止VV1313oT3导通o3T截止22截止CL导通放电CL（a）（b）重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹15 TTL与非门与非门平均延迟时间平均延迟时间平均延迟时间平均延迟时间tpd导通延迟时间导通延迟时间tPHLtpHLtpLH导通延迟时间导通延迟时间PHL截止延迟时间截止延迟时间tPLH与非门的平均延迟时间与非门的平均延迟时间是是和和的平均值的平均值。即即)(1LHHLdttt与非门的平均延迟时间与非门的平均延迟时间tpd是是tPHL和和tPLH的平均值的平均值。即即)(2pLHpHLpdttt一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹162.2.2 TTL与非门的主要外部特性与非门的主要外部特性 电压传输特性电压传输特性：输入输入、输出电压之间关系输出电压之间关系电压传输特性电压传输特性：输入输入、输出电压之间关系输出电压之间关系 输入特性：输入特性：输入电压与输入电流之间关系输入电压与输入电流之间关系 输出特性：输出特性：输出电压与输出电流之间关系输出电压与输出电流之间关系电源特性电源特性：电源特性电源特性：平均功耗平均功耗 传输延迟特性传输延迟特性：动态特性动态特性 传输延迟特性传输延迟特性：动态特性动态特性重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹17 电压传输特性：电压传输特性：Vo=f（Vi）vO(V)标称输出逻辑电平标称输出逻辑电平、VCC(+5V)R1R21 6k R4130 vO(V)Va bVOH3.6V、VOL0.3V 阈值电压阈值电压T4k 1.6k 130 T3DA3.63VOHa b 阈值电压阈值电压Vth1.4VT2T1T4D4ACBY2cR31k D D DC0 31VNLVOLVNHdeD1 D2 D3vI(V)00.3VthVoffVonVOLVIL3de关门电平关门电平Voff 0.8V和开门电平和开门电平Von1.8V重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹18噪声容限噪声容限噪声容限噪声容限重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹191、输入特性曲线输入特性曲线（输入伏安特性输入伏安特性）&输入特性：输入特性：Ii=f（Vi）1、输入特性曲线输入特性曲线（输入伏安特性输入伏安特性）iI(mA)7.0vViICCIIH1IIS17.0RvViICCI当vI=0时vI(V)0IIH1当vI0时iI=IIS 1.07mA012输入短路电流输入短路电流 I输入短路电流输入短路电流 IIS输入漏电流输入漏电流 I 40 A输入漏电流输入漏电流 IIH40 A重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹20要求要求TTL工作于关态工作于关态：V V=V V稳定稳定2、输入特性（输入负载特性）、输入特性（输入负载特性）&P要求要求TTL工作于关态工作于关态：V VO O=V VOHOHV VI I=iIRi=Ri i 0.8V稳定稳定V VCCCC-V-VBE1BE1R RR&RiiIvIPV VI I=Iii iR Ri+R1可求得可求得：Ri0.91k关门电阻关门电阻I输入端接地电阻的影响输入端接地电阻的影响可求得可求得：i关门电阻关门电阻要求要求TTL工作于开态：工作于开态：VO=VOL稳定稳定当当Ri 3.2 k 时，时，P点输入高电平，点输入高电平，VI=iIRi1.8VRi1.8V/iI(iI=iB1-iB2)相当于输入逻辑相当于输入逻辑1当当Ri 0.91 k 时，时，P点输入低电平点输入低电平，可求得可求得:Ri3.2k开门电阻开门电阻Ri1.8V/iI(IB1B2)P点输入低电平点输入低电平，相当于输入逻辑相当于输入逻辑0i重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹21A&BY&A&BY&例例BA=1BB“1”“0”100 10k A&BY1A&BY10BABB“1”“0”100 10k 重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹22 输出特性：输出特性：1、输出等效电路输出等效电路1、输出等效电路输出等效电路TTL与非门工作于开态时等效电路与非门工作于开态时等效电路:&VO=VOL=0.3VRO=rCES=1020io0 3VIHVO VOL0.3V0.3vTTL与非门工作于关态时等效电路与非门工作于关态时等效电路:TTL与非门工作于关态时等效电路与非门工作于关态时等效电路:RO 100VV&3.6vVO=VOH&VILVO=VOH重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹23v(V)开态时开态时2、输出特性曲线、输出特性曲线vo(V)3关态时关态时带拉电流负载能带拉电流负载能开态时开态时带灌电流负载能带灌电流负载能力稍强力稍强12带拉电流负载能带拉电流负载能力较弱力较弱力稍强力稍强io(mA)0120404020020404020扇出系数扇出系数NO：输出端最多能带同类门的个数，输出端最多能带同类门的个数，它规定了它规定了与非门的最大负载容限与非门的最大负载容限它规定了它规定了TTL与非门的最大负载容限与非门的最大负载容限OOINmax&ISOIN&重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹24 TTL与非门举例与非门举例7400与非门举例与非门举例7400是一种典型的是一种典型的TTL与非门器件，内部含有与非门器件，内部含有4个个2输输入端与非门入端与非门，共有共有14个引脚个引脚。引脚排列图如图所示引脚排列图如图所示。入端与非门入端与非门，共有共有14个引脚个引脚。引脚排列图如图所示引脚排列图如图所示。重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹252.2.3 TTL集成门电路使用注意集成门电路使用注意1输出端连接输出端连接(1)输出端不能直接接地输出端不能直接接地(1)输出端不能直接接地输出端不能直接接地(2)输出端不能直接接电源输出端不能直接接电源VCC(3)输出端不能线与输出端不能线与(3)输出端不能线与输出端不能线与V 直接接直接接V输出直接接地输出直接接地输出线与输出线与VO直接接直接接VCC输出直接接地输出直接接地输出线与输出线与重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹26 TTL与非门多余输入端的连接与非门多余输入端的连接：2、输入端连接、输入端连接（1）接高电平）接高电平（2）和有用端并接和有用端并接 TTL与非门多余输入端的连接与非门多余输入端的连接：（2）和有用端并接和有用端并接（3）该输入端接一个大于）该输入端接一个大于3.2 k的电阻。的电阻。TTL与非门多余输入端接法与非门多余输入端接法重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹27TTL或非门多余输入端的连接或非门多余输入端的连接：TTL或非门多余输入端的连接或非门多余输入端的连接：（1）接低电平）接低电平（）和有用端并接和有用端并接（2）和有用端并接和有用端并接（3）该输入端接一个小于）该输入端接一个小于0.91 k的电阻。的电阻。TTL或非门多余输入端接法或非门多余输入端接法重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹28TTL或非门多余输入端接法或非门多余输入端接法1、集电极开路与非门集电极开路与非门（OC门门）2.2.4TTL与非门的改进电路与非门的改进电路1、集电极开路与非门集电极开路与非门（OC门门）OC Open CircuitVCC线与的定义线与的定义？线与的定义线与的定义？线与的作用线与的作用？BABABA线与的作用线与的作用？BA1AYB重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹29VCC OC门的电路和逻辑符号门的电路和逻辑符号：OC门的电路和逻辑符号门的电路和逻辑符号：T2T1AYA&Y&1T4ABBY集电极开路与非门的逻辑符号集电极开路与非门的逻辑符号集电极开路与非门的逻辑符号集电极开路与非门的逻辑符号 OC门使用特点：门使用特点：外接电阻外接电阻和外接电源和外接电源。外接电阻外接电阻RL和外接电源和外接电源V。重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹301、实现线与实现线与。OC门的应用：门的应用：+VCC1、实现线与实现线与。CDABCDABYPRYY1A&B&2、实现电平转换。、实现电平转换。如图示如图示，可使输出高电平变为可使输出高电平变为10。Y2BC&D&如图示如图示，可使输出高电平变为可使输出高电平变为10V。D+10V270270+5VVo&Vo3、用做驱动器。、用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。如图是用来驱动发光二极管的电路。重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹312、三态输出门2、三态输出门(TSL)VCC三态三态：三态三态：开态、关态开态、关态(工作态工作态)高阻态高阻态 也称禁止态也称禁止态DATT1T3DA&Y&高阻态高阻态(也称禁止态也称禁止态)ABT2TD4YA&BENY&T4YA&Y&EN使能控制端使能控制端EN11A&BY&ENG1G2YAB EN1ENY=高阻态高阻态 EN0重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹321、单向总线结构单向总线结构1DOYG1 三态输出门三态输出门(TSL)的应用的应用2、双向总线结构双向总线结构：1、单向总线结构单向总线结构:实现信号（数据）的实现信号（数据）的分时单向传送分时单向传送.总总线线2、双向总线结构双向总线结构：实现信号（数据）的分实现信号（数据）的分时时双向双向传送传送。分时单向传送分时单向传送.&A1B1D1线线时时双向双向传送传送。3、模拟开关模拟开关：实现信号实现信号&A&B1EN1ENG2&3、模拟开关模拟开关：实现信号实现信号（数据）的分时选择。（数据）的分时选择。&A2B2EN2&D01D0/D1&AnBnENn1D1nEN重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹332.4 MOS逻辑门逻辑门以以金属氧化物半导体金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体场效应晶体以以金属氧化物半导体金属氧化物半导体()场效应晶体场效应晶体管管(FET)为基础的数字集成电路就是为基础的数字集成电路就是MOS 逻辑门。逻辑门。MOS 逻辑门是数字集成逻辑门是数字集成电路中最常见的一类器件电路中最常见的一类器件。电路中最常见的一类器件电路中最常见的一类器件。MOS(Metal Oxide Semiconductor)MOS(Metal Oxide Semiconductor)FET(Field Effect Transistor)重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹34增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型SDGP沟道沟道N沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道SiO2SDGNNP衬底衬底SiN沟道增强型沟道增强型MOS管管重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹35N沟道增强型沟道增强型MOS管管CMOS反相器和门电路反相器和门电路CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)输入管和负载管为不同种沟道的输入管和负载管为不同种沟道的MOS管，即互补型管，即互补型MOS反相器反相器VDD电路构成：增强型电路构成：增强型P沟道沟道MOS管和增强型管和增强型N沟道沟道MOS管管串联互补串联互补反相器反相器；VDDTL1串联互补串联互补CMOS反相器反相器；并联互补并联互补 CMOS传输门传输门；vIvLCMOS1vIvOvOTO反相器反相器VDDTPCOvOvI/vOvICTGCMOS传输门传输门TNOI/vOvICvOvI/vOvICTG重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹36CCMOS反相器的主要特性反相器的主要特性电压传输特性和电流传输特电压传输特性和电流传输特性性vOVDDVDDvI0VGS(th)NiDS(VDD+VGS(th)P)DSvI0重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹37vIVth0 CMOS门电路的特点门电路的特点：门电路的特点门电路的特点：1.静态功耗极低。静态功耗极低。2.抗干扰能力极强。抗干扰能力极强。3 电源利用率高电源利用率高。3.电源利用率高电源利用率高。4.输入阻抗高输入阻抗高，扇出系数大扇出系数大,带负载能力强带负载能力强。输入阻抗高输入阻抗高，扇出系数大扇出系数大,带负载能力强带负载能力强。5.电路结构简单，适合大规模数字集成电路。电路结构简单，适合大规模数字集成电路。重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹38CMOS器件使用注意器件使用注意CMOS器件使用注意器件使用注意1 器件存放器件存放、拿取拿取、运输运输、装配装配、调试时应当采取必调试时应当采取必1.器件存放器件存放、拿取拿取、运输运输、装配装配、调试时应当采取必调试时应当采取必要的要的静电防护静电防护措施，输入端不允许悬空措施，输入端不允许悬空2.电路加必要的过流保护电路加必要的过流保护防止锁定效应防止锁定效应制作保护二极管时形成的寄生制作保护二极管时形成的寄生3.防止锁定效应防止锁定效应(CMOS制作保护二极管时形成的寄生制作保护二极管时形成的寄生三极管三极管，构成反馈电路使电流迅速增大到最大值构成反馈电路使电流迅速增大到最大值，只只三极管三极管，构成反馈电路使电流迅速增大到最大值构成反馈电路使电流迅速增大到最大值，只只能切断电源才能制止，称为锁定效应或可控硅效应能切断电源才能制止，称为锁定效应或可控硅效应)重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹39第第2章 小结章 小结1、TTL集成逻辑门外部特性集成逻辑门外部特性2、TTLOC门、三态门的逻辑符号、门、三态门的逻辑符号、逻辑特点及应用逻辑特点及应用逻辑特点及应用逻辑特点及应用3、CMOS集成逻辑门外部特性集成逻辑门外部特性作业作业作业作业P72349P72：3、4、9重庆邮电大学邹虹重庆邮电大学邹虹40