数字电路康华光逻辑门电路概要.pptx

1、了解半导体器件的开关特性。了解半导体器件的开关特性。2、熟熟练练掌掌握握基基本本逻逻辑辑门门（与与、或或、与与非非、或或非非、异异或或门门）、三三态态门门、OD门门（OC门门）和和传传输输门门的的逻逻辑功能。辑功能。3、学会门电路逻辑功能分析方法。学会门电路逻辑功能分析方法。4、掌握掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。教教 学学 要要 求求第1页/共93页3.1 MOS逻辑门逻辑门3.1.1 3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3.1.2 3.1.2 逻辑门的一般特性逻辑门的一般特性3.1.3 MOS3.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路3.1.4 CMOS3.1.4 CMOS反相器反相器3.1.5 CMOS3.1.5 CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.1.6 CMOS3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路漏极开路门和三态输出门电路3.1.7 CMOS3.1.7 CMOS传输门传输门3.1.8 CMOS3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数第2页/共93页概述概述:TTLTTL电路问世几十年来，经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善，至今仍电路问世几十年来，经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善，至今仍广泛应用，几乎占据着数字集成电路领域的半壁江山。广泛应用，几乎占据着数字集成电路领域的半壁江山。把若干个把若干个有源器件有源器件和和无源器件无源器件及其及其连线连线，按照一定的功能要求，制做在同一块半，按照一定的功能要求，制做在同一块半导体芯片上，这样的产品叫导体芯片上，这样的产品叫集成电路。集成电路。若它完成的功能是逻辑功能或数字功能，若它完成的功能是逻辑功能或数字功能，则称为则称为逻辑集成电路逻辑集成电路或或数字集成电路数字集成电路。最简单的数字集成电路是集成逻辑门最简单的数字集成电路是集成逻辑门。集成逻辑门，按照其组成的有源器件的不同可分为两大类：集成逻辑门，按照其组成的有源器件的不同可分为两大类：一类是一类是双极性晶双极性晶体管逻辑门体管逻辑门；另一类是；另一类是单极性绝缘栅场效应管逻辑门，简称单极性绝缘栅场效应管逻辑门，简称MOSMOS门门。双极性晶体管逻辑门主要有双极性晶体管逻辑门主要有TTLTTL门门(晶体管晶体管-晶体管逻辑门晶体管逻辑门)、ECLECL门门(射极耦合逻辑射极耦合逻辑门门)和和IILIIL门门(集成注入逻辑门集成注入逻辑门)等。等。单极性单极性MOSMOS门主要有门主要有PMOSPMOS门门(P(P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管构成的逻辑门管构成的逻辑门)、NMOSNMOS门门(N(N沟道增沟道增强型强型MOSMOS管构成的逻辑门管构成的逻辑门)和和CMOSCMOS门门(利用利用PMOSPMOS管和管和NMOSNMOS管构成的互补电路构成的门管构成的互补电路构成的门电路，故又叫做互补电路，故又叫做互补MOSMOS门。门。3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介第3页/共93页1、逻辑门逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。2、逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门第4页/共93页 根据制造工艺不同可分为根据制造工艺不同可分为单极型单极型和和双极型双极型两大类。两大类。门电路中晶体管均工作在门电路中晶体管均工作在开关状态开关状态。首先介绍晶体管和场效应管的首先介绍晶体管和场效应管的开关特性开关特性。然后介绍两类门电路。然后介绍两类门电路。注意：各种门电路的工作原理，只要求注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握一般掌握；而各；而各种门电路的种门电路的外部特性外部特性和和应用应用是要求是要求重点重点。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。第5页/共93页1.CMOS集成电路集成电路:广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低(超低超低)电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS系列74AS系列 74ALS2.TTL 集成电路集成电路:广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路第6页/共93页3.1.2 逻辑门电路的一般特性逻辑门电路的一般特性1.1.输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平2.2.噪声容限噪声容限3.3.传输延迟时间传输延迟时间4.4.功耗功耗5.5.延时延时 功耗积功耗积6.6.扇入与扇出数扇入与扇出数第7页/共93页8正逻辑：正逻辑：高电平表示高电平表示1 1，低电平表示，低电平表示0 0负逻辑：负逻辑：高电平表示高电平表示0 0，低电平表示，低电平表示1 11.1.输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平门电路中以门电路中以门电路中以门电路中以高高高高/低电平低电平低电平低电平表示逻辑状态的表示逻辑状态的表示逻辑状态的表示逻辑状态的1 1 1 1、0 0 0 0。而高而高而高而高/低电平都允许有一定的变化范围。如低电平都允许有一定的变化范围。如低电平都允许有一定的变化范围。如低电平都允许有一定的变化范围。如74HC74HC74HC74HC系列系列系列系列CMOSCMOSCMOSCMOS逻辑电路中，输入逻辑电路中，输入逻辑电路中，输入逻辑电路中，输入电压在电压在电压在电压在3.5V-5.0V3.5V-5.0V3.5V-5.0V3.5V-5.0V范围对应高电平逻辑范围对应高电平逻辑范围对应高电平逻辑范围对应高电平逻辑1 1 1 1，而，而，而，而0V-1.5V0V-1.5V0V-1.5V0V-1.5V范围对应低电平逻辑范围对应低电平逻辑范围对应低电平逻辑范围对应低电平逻辑0 0 0 0。第8页/共93页 vO vI 驱动门G1 负载门G2 1 1 输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIL(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOH(max)输出输出高电平高电平+VDD VOH(min)VOL(max)0 G1门vO范围范围 vO 输出输出低电平低电平 输入输入高电平高电平VIH(min)VIL(max)+VDD 0 G2门vI范围范围 输入输入低电平低电平 vI 不同系列的集成电路，输入和输出为逻辑不同系列的集成电路，输入和输出为逻辑不同系列的集成电路，输入和输出为逻辑不同系列的集成电路，输入和输出为逻辑1 1 1 1或或或或0 0 0 0所对应的电压范围也不同。一所对应的电压范围也不同。一所对应的电压范围也不同。一所对应的电压范围也不同。一般厂家在数据手册中都给出如下般厂家在数据手册中都给出如下般厂家在数据手册中都给出如下般厂家在数据手册中都给出如下4 4 4 4种逻辑电平参数：种逻辑电平参数：种逻辑电平参数：种逻辑电平参数：第9页/共93页VNH 当前级门输出高电平的最小当前级门输出高电平的最小值时值时允许负向噪声电压的最大值允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平时的噪声容限：负载门输入高电平时的噪声容限：VNL 当前级门输出低电平的最大当前级门输出低电平的最大值时值时允许正向噪声电压的最大值允许正向噪声电压的最大值负载门输入低电平时的噪声容限负载门输入低电平时的噪声容限：2.噪声容限噪声容限VNH=VOH(min)VIH(min)VNL=VIL(max)VOL(max)在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力干扰能力 1 驱动门 vo 1 负载门 vI 噪声 第10页/共93页类型参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或tPHL(ns)782.10.93.传输延迟时间传输延迟时间传输延迟时间是表征门电路开关速度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波形延迟了多长的时间。CMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间 tPHL 输出 50%90%50%10%tPLH tf tr 输入 50%50%10%90%第11页/共93页4.4.功耗功耗静态功耗：静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流ID与电源电与电源电压压VDD的乘积。的乘积。5.5.延时延时 功耗积功耗积是速度功耗综合性的指标是速度功耗综合性的指标.延时延时 功耗积功耗积，用符号，用符号DP表示表示扇入数：扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。取决于逻辑门的输入端的个数。6.6.扇入与扇出数扇入与扇出数动态功耗：动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，指的是电路在输出状态转换时的功耗，对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗门电路有动态功耗第12页/共93页扇出数：扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。（a)a)带拉电流负载带拉电流负载当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。高电平高电平扇出数扇出数:IOH:驱动门的输出端为高电平电流驱动门的输出端为高电平电流IIH:负载门的输入电流为负载门的输入电流为。负载门的输入电流负载门的输入电流第13页/共93页(b)带灌电流负载带灌电流负载IOL：驱动门的输出端为低电平电流：驱动门的输出端为低电平电流IIL：负载门输入端电流之和：负载门输入端电流之和 当驱动门输出低电平时，负载电流当驱动门输出低电平时，负载电流I IOLOL流入驱动门，它是负载门输入端电流流入驱动门，它是负载门输入端电流I IILIL之和。之和。当负载门的个数增加时，总的灌电流当负载门的个数增加时，总的灌电流I IOLOL将增加，同时也将引起输出低电压将增加，同时也将引起输出低电压V VOLOL的升高。的升高。故当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值时，故当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值时，驱动门所能驱动驱动门所能驱动同类门的个数为：同类门的个数为：第14页/共93页电路类型电源电压/V传输延迟时间/ns静态功耗/mW功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限 输出逻辑摆幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速CMOS5811038 1031.01.55各类数字集成电路主要性能参数的比较各类数字集成电路主要性能参数的比较第15页/共93页3.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区，输出低电平:MOS管截止，管截止，输出高电平输出高电平（1 1）当）当I VT（a a）N N沟道沟道MOSMOS管开关电路管开关电路（b b）N N沟道沟道MOSMOS管的输出特性曲线管的输出特性曲线：iD=f iD=f(VDS)(VDS)对应不同的对应不同的VGSVGS下的一组曲线下的一组曲线。Vi=VGs.Vo=VDs漏极漏极d栅极栅极g源极源极s开启电压（阀值电压）：开始形成沟道时的栅极电压。开启电压（阀值电压）：开始形成沟道时的栅极电压。VoVo（VdsVds）与）与iDiD（漏极和源（漏极和源极之间的电流）之间的关系极之间的电流）之间的关系直流负载线直流负载线：VGSVT，iD=0,:iD iD 基本上由基本上由VGSVGS决决定，与定，与VDS VDS 关系不大关系不大:当VDS 较低（近似为0）,VGS 一定时,这个电阻受VGS 控制、可变。(恒流区恒流区)1.MOS1.MOS管的开关作用管的开关作用第16页/共93页故：故：MOS管管D-S间相当于一个由间相当于一个由VI（vGS）控制的无触点开关。）控制的无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，相管工作在可变电阻区，相当于开关当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。，输出为低电平。MOS管截止，相当于开关管截止，相当于开关“断开断开”，输出为高电平。，输出为高电平。a.当输入为低电平时：当输入为低电平时：b.当输入为高电平时：当输入为高电平时：MOSMOS管输入波形管输入波形MOSMOS管输出波形管输出波形2.MOS2.MOS管的开关特性管的开关特性见右图：由于见右图：由于MOSMOS管的中电容的存在，使其在导管的中电容的存在，使其在导通和闭合两状态间转换时，会受到电容充放电通和闭合两状态间转换时，会受到电容充放电过程的影响。故输出电压的波形与输入端的理过程的影响。故输出电压的波形与输入端的理想波形已不一样。（想波形已不一样。（上下沿变缓；滞后上下沿变缓；滞后）第17页/共93页N N沟道管开启电压沟道管开启电压V VGS(th)NGS(th)N记为记为V VTNTN;P P沟道管开启电压沟道管开启电压V VGS(th)PGS(th)P记为记为V VTPTP;要求满足要求满足V VDDDD V VTNTN+|V+|VTPTP|;|;输入低电平为输入低电平为0V0V；高电平为；高电平为V VDDDD;（1 1）输入为低电平）输入为低电平0V0V时；时；T T2 2截止；截止；T T1 1导通。导通。i iD D=0=0，=V=VDDDD;（2 2）输入为高电平）输入为高电平V VDDDD时；时；T T1 1截止；截止；T T2 2导通。导通。i iD D=0=0，=0V;=0V;结论：输入与输出间是逻辑非关系。结论：输入与输出间是逻辑非关系。3.1.4 CMOS 3.1.4 CMOS 反相器反相器 由由N N沟道和沟道和P P沟道两种沟道两种MOSFETMOSFET组成的电路称为组成的电路称为互补互补MOSMOS或或CMOSCMOS电路电路。TPTN栅极接栅极接在一起在一起漏极接漏极接在一起在一起第18页/共93页 特点：特点：静态功耗近似为静态功耗近似为0 0；电；电源电压可在很宽的范围内选取。源电压可在很宽的范围内选取。在正常工作状态，在正常工作状态，T T1 1与与T T2 2轮轮流导通，即所谓流导通，即所谓互补互补状态。状态。CC4000 CC4000系列系列CMOSCMOS电路的电路的V VDDDD可可在在3 318V18V之间选取。之间选取。第19页/共93页1.1.工作原理工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止截止导通导通10 V10 V10V 0V导通导通截止截止0 VVTN=2 VVTP=2 V逻辑图逻辑图逻辑表达式逻辑表达式vi(A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表10第20页/共93页P沟道沟道MOS管输出特性曲线坐标变换管输出特性曲线坐标变换输入高电平时的工作情况输入高电平时的工作情况输入低电平时的工作情况输入低电平时的工作情况作图分析：作图分析：TP为负载管时：为负载管时：第21页/共93页电压传输特性电压传输特性2.2.电压传输特性和电流传输特性电压传输特性和电流传输特性T2截止，T1导通。T1截止，T2导通总有一只总有一只MOSMOS管截止，管截止，故故iD接近接近0 0值值总有一个总有一个MOSMOS管工作在饱管工作在饱和区，另一个管工作在和区，另一个管工作在可变电阻区。故可变电阻区。故i iD D较大较大功耗大阈值电压阈值电压为阈值电压为VDD VDD 的一半，特性对称的一半，特性对称特点：特点：转折区变化率大，特性更接近理想开关。转折区变化率大，特性更接近理想开关。输入电压为输入电压为VDD/2VDD/2时，时，iDiD较大，因较大，因此不应使其长期工作在此不应使其长期工作在CDCD段。段。在动态情况下，电路的状在动态情况下，电路的状态会通过态会通过BEBE段，使动态功耗不段，使动态功耗不为为0 0；而且输入信号频率越高，；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制动态功耗也越大，这成为限制电路扇出系数的主要因素。电路扇出系数的主要因素。第22页/共93页3.CMOS反相器的工作速度 CMOSCMOS反相器用于驱动其他反相器用于驱动其他MOSMOS器件时，带电容负载。器件时，带电容负载。负载电容负载电容充充电电 由于电路具有互补对称的性质，它的由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间（充电过程）开通时间（充电过程）与与关闭时间关闭时间（放电过（放电过程）程）是相等的。平均延迟时间：是相等的。平均延迟时间：10 ns。第23页/共93页A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 导通导通 截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止 截止截止导通导通导通导通11101.CMOS 与与非门非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)(a)电路结构电路结构(b)(b)工作原理工作原理VTN=2 VVTP=2 V0V10V3.1.5 CMOS 逻辑门逻辑门特点：特点：N N沟道管串联、沟道管串联、P P沟道管并联。沟道管并联。L=AB第24页/共93页2.2.CMOS 或或非门非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通1000AB10V10VVTN=2 VVTP=2 VN输入的与输入的与(或或)非门的电路的结构非门的电路的结构?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?特点：特点：N N沟道管并联、沟道管并联、P P沟道管串联。沟道管串联。第25页/共93页3.异或门电路异或门电路=AB第26页/共93页4.4.输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路 CMOS CMOS逻辑门通常要接输入、输出保护电路和缓冲电路，以规逻辑门通常要接输入、输出保护电路和缓冲电路，以规范电路的输入和输出逻辑电平。即采用缓冲电路能统一参数，使范电路的输入和输出逻辑电平。即采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。二极管保护电路二极管保护电路静电保护二极管静电保护二极管第27页/共93页（1 1）输入端保护电路）输入端保护电路:(1)0 vA VDD+vDF 二极管导通电压：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，限制了电容两端二极管导通，限制了电容两端电压的增加电压的增加,保护了输入电路。保护了输入电路。D1、D2截止截止D1导通导通,D2截止截止vG=VDD+vDFD2导通导通,D1截止截止vG=vDFRS和和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。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-分布式二极管分布式二极管(iD大大)MOSMOS管的栅管的栅极电位极电位第28页/共93页（2）CMOS逻辑门的缓冲电路逻辑门的缓冲电路 输入、输出端输入、输出端加了反相器加了反相器作为缓冲电路，所以电路的逻辑功能也发作为缓冲电路，所以电路的逻辑功能也发生了变化。或非门增加了缓冲器后的逻辑功能为与非功能。生了变化。或非门增加了缓冲器后的逻辑功能为与非功能。基本逻基本逻辑电路辑电路输出缓冲电路输出缓冲电路输入缓冲电路输入缓冲电路（或非门）（或非门）第29页/共93页1.CMOS1.CMOS漏极开路门漏极开路门（1 1）CMOSCMOS漏极开路门的提出漏极开路门的提出 线与线与是指具有高阻输出的器件（各类是指具有高阻输出的器件（各类门电路），直接连接，自动完成门电路），直接连接，自动完成 “与与”逻辑的功能的连接方式。即逻辑的功能的连接方式。即“输出短接输出短接”。线与在一定情况下会产生线与在一定情况下会产生低阻通路低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定输出是高电平还是低电平。这一问题确定输出是高电平还是低电平。这一问题可以采用漏极开路（可以采用漏极开路（ODOD）门来解决。）门来解决。漏极开路漏极开路是指是指CMOS门输出电路只门输出电路只有有NMOS管，且其漏极是开路的。管，且其漏极是开路的。3.1.6 CMOS3.1.6 CMOS漏极开路（漏极开路（ODOD）门和三态输出门电路）门和三态输出门电路+VDDTN1TN2AB+VDDAB01注：普通注：普通CMOSCMOS门不能接成门不能接成“线与线与”形式。形式。低阻通路低阻通路第30页/共93页（2）漏极开路门的结构与逻辑符号漏极开路门的结构与逻辑符号(c)(c)可以实现线与功能可以实现线与功能;+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABL电路电路逻辑符号逻辑符号(b)(b)与非逻辑不变与非逻辑不变漏极开路门输出连接漏极开路门输出连接(a)(a)工作时必须外接电源和电阻工作时必须外接电源和电阻;漏极开路的符号漏极开路的符号漏极开路输出漏极开路输出第31页/共93页(3)上拉电阻对OD门动态性能的影响Rp的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快因而开关速度愈快。但功耗大但功耗大,且可能使输出电且可能使输出电流超过允许的最大值流超过允许的最大值IOL(max）。电路带电容负载电路带电容负载1 10 0CL LRp的值大，可保证输出电流不能超过允许的最的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值大值IOL(max）、）、功耗小功耗小。但负载电容的充电时间。但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢常数亦愈大，开关速度因而愈慢。第32页/共93页 最不利的情况：最不利的情况：只有一个只有一个 OD门导通，输出为门导通，输出为低电平；其他门截止，输出为高电平时，负载电流低电平；其他门截止，输出为高电平时，负载电流将全部流向导通的将全部流向导通的ODOD门。门。110 为保证低电平输出为保证低电平输出OD门的门的输出输出电流不能超过允许的最大值电流不能超过允许的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max），RP不能太小（此时不能太小（此时RP起起限流作用限流作用）。(a)当当VO=VOL+V DDIILRP&n&m&kIIL（total)IOL（max)流过流过R RP P的电流的电流（4 4）上拉电阻的计算）上拉电阻的计算第33页/共93页(b)当当VO=VOH+V DDRP&n&m&111IIH（total)I0Z（total)当所有当所有ODOD门输出均为高电平时，为使门输出均为高电平时，为使得高电平不低于规定的得高电平不低于规定的VOH的最小值，则的最小值，则Rp的选择不能过大。故的选择不能过大。故Rp的最大值的最大值Rp(max)：全部负载门输入高电全部负载门输入高电平时的输入电流总和平时的输入电流总和全部驱动门输出高电全部驱动门输出高电平时的漏电流总和平时的漏电流总和实际上，实际上，R RP P的值选在的值选在R RP(min)P(min)和和R RP(max)P(max)之间。之间。若要速度快，选若要速度快，选RPRP接近接近R RP P（min)min)的标准值；若要电路功耗小，的标准值；若要电路功耗小，则选则选R RP P接近接近R RP(max)P(max)的标准值。的标准值。第34页/共93页2.三态（三态（TSL）输出门电）输出门电路路 利用利用OD门虽然可以实现门虽然可以实现线与线与的功能，但外接电阻的的功能，但外接电阻的选选择要受到一定的限制而不能取的太小，因此影响了工作速择要受到一定的限制而不能取的太小，因此影响了工作速度。并且它省去了有源负载，使得带负载能力下降。为保度。并且它省去了有源负载，使得带负载能力下降。为保持持推拉式输出级的优点，又能作推拉式输出级的优点，又能作线与线与连接，人们又开发了连接，人们又开发了三三态态输出门电路输出门电路。其输出除了具有一般门的高、低电平两态外，。其输出除了具有一般门的高、低电平两态外，还有还有高阻抗的第三状态高阻抗的第三状态，称为，称为高阻态高阻态或或禁止态禁止态。第35页/共93页10011截止截止导通导通111高阻高阻 0 输出输出L输入输入A使能使能EN0011 10 00截止截止导通导通010截止截止截止截止X1该电路的逻辑功能：该电路的逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门高电平有效的同相逻辑门。除此之外，还有其他形式的电路结构。除此之外，还有其他形式的电路结构。0 1 普通门的输出只有两种状态普通门的输出只有两种状态逻辑逻辑0 0 和逻辑和逻辑1 1，这两种状态都是低阻输，这两种状态都是低阻输出。出。三态逻辑三态逻辑(TSL)(TSL)输出门除了具有这两个状态外，输出门除了具有这两个状态外，还具有高阻输出的第三还具有高阻输出的第三状态状态(或称禁止状态或称禁止状态)，这时输出端相当于悬空。如下图：，这时输出端相当于悬空。如下图：或非门或非门第36页/共93页3.1.7 CMOS传输门传输门(双向模拟开关双向模拟开关)1 1.CMOS传输门电路传输门电路电路电路逻辑符号逻辑符号I/Oo/IC等效电路等效电路 CMOS CMOS传输门由一个传输门由一个P P沟道和一个沟道和一个N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET并并联而成（如下图）。由于联而成（如下图）。由于T TN N和和T TP P是对称结构的器件，它们是对称结构的器件，它们的漏极和源极是可互换的，因而传输门的输入和输出端可的漏极和源极是可互换的，因而传输门的输入和输出端可以互换使用，即为以互换使用，即为双向器件双向器件。栅极控制电压为互补信号栅极控制电压为互补信号DSDS第37页/共93页2、CMOS传输门电路的工作原理 设设TP:|VTP|=2V，TN:VTN=2V I的变化范围为的变化范围为5V到到+5V。5V+5V 5V到到+5V GSN0,TP截止截止1）当）当c=0，c=1时时c=0=-5V，c c =1=+5V第38页/共93页 C TP vO/vI vI/vO+5V 5V TN C+5V5V GSP=5V (3V+5V)=2V 10V GSN=5V (5V+3V)=(102)V b、I=3V5V GSNVTN,TN导通导通a、I=5V3VTN导通，导通，TP导通导通 GSP|VT|,TP导通导通C、I=3V3V2）当）当c=1，c=0时时第39页/共93页传输门组成的数据选择器传输门组成的数据选择器C=0TG1导通导通,TG2断开断开 L=XTG2导通导通,TG1断开断开 L=YC=1传输门的应用传输门的应用第40页/共93页CMOS逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过TTLTTL器件的器件的水平。水平。CMOS器件的功耗低、扇出数大，噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率器件的功耗低、扇出数大，噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。的增加而增加。参数系列传输延迟时间tpd/ns(CL=15pF)功耗(mW)延时功耗积(pJ)4000B751(1MHz)10574HC101.5(1MHz)1574HCT131(1MHz)13BiCMOS2.90.00037.50.00087223.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数CMOS门电路各系列的性能比较门电路各系列的性能比较第41页/共93页3.2 TTL逻辑门逻辑门3.2.1 BJT3.2.1 BJT的开关特性的开关特性3.2.2 3.2.2 基本基本BJTBJT反相器的动态特性反相器的动态特性3.2.3 TTL3.2.3 TTL反相器的基本电路反相器的基本电路3.2.4 TTL3.2.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.2.5 3.2.5 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门3.2.6 BiMOS3.2.6 BiMOS门电路门电路第42页/共93页3.2.1 BJT的开关特性的开关特性iB 0，iC 0，vOVCEVCC，c、e极之间近似于开路极之间近似于开路,vI=0V时时:iB 0，iC 0，vOVCE0.2V，c、e极之间近似于短路极之间近似于短路,vI=5V时时:第43页/共93页iCICS很小，约为数百欧，相当于开关闭合可变 很大，约为数百千欧，相当于开关断开 c、e间等效内阻VCES 0.20.3 VVCEVCCiCRcVCEO VCC管压降 且不随iB增加而增加ic iBiC 0集电极电流 发射结和集电结均为正偏 发射结正偏，集电结反偏 发射结和集电结均为反偏偏置情况工作特点 iB iB0条件饱 和放 大截 止工作状态1.BJT的开关条件的开关条件 0 iB 第44页/共93页2.BJT的开关时间从截止到导通从截止到导通开通时间开通时间ton(=td+tr)从导通到截止从导通到截止关闭时间关闭时间toff(=ts+tf)BJT饱和与截止两种状态的相饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成。互转换需要一定的时间才能完成。第45页/共93页CL的充、放电过程均需经历一定的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压的时间，必然会增加输出电压 O波波形的上升时间和下降时间，导致基形的上升时间和下降时间，导致基本的本的BJT反相器的开关速度不高。反相器的开关速度不高。3.2.2基本基本BJT反相器的动态性能反相器的动态性能若带电容负载若带电容负载故需设计有较快开关速度的实用型故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路。门电路。第46页/共93页输出级输出级T3、D、T4和和Rc4构成推拉构成推拉式的输出级。用于提高开式的输出级。用于提高开关速度和带负载能力。关速度和带负载能力。中间级中间级T2和电阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电结和发的集电结和发射极同时输出两个相位相射极同时输出两个相位相反的信号，作为反的信号，作为T T3 3和和T T4 4输输出级的驱动信号；出级的驱动信号；Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1+vI T3+vO 负载 Re2 1K W VCC(5V)输入级输入级 中间级中间级输出级输出级 3.2.3 TTL反相器的基本电路反相器的基本电路1.1.电路组成电路组成输入级输入级T1和电阻和电阻Rb1组成。组成。用于提高电路的开关速度用于提高电路的开关速度第47页/共93页2.TTL反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善）（1 1）当输入为低电平（）当输入为低电平（I I =0.2 V）T1 深度饱和深度饱和截止导通导通截止饱和低电平T4D4T3T2T T1 1输入高电平输出输出T2、T3截止，截止，T4、D导通导通第48页/共93页（2）当输入为高电平（）当输入为高电平（I=3.6 V）T2、T3饱和导通饱和导通 T1:倒置的放大状态。倒置的放大状态。T4和和D截止。截止。使输出为低电平使输出为低电平.vO=vC3=VCES3=0.2V第49页/共93页输入A输出L0110逻辑真值表逻辑真值表 逻辑表达式逻辑表达式 L =A 饱和截止T4低电平截止 截止饱和倒置工作高电平高电平导通 导通截止饱和低电平输出D4T3T2T1输入第50页/共93页（3）采用输入级以提高工作速度 当当TTL反相器反相器 I由由3.6V变变0.2V的瞬间的瞬间 T2、T3管的状态变化滞管的状态变化滞后于后于T1管，仍处于导通管，仍处于导通状态。状态。T1管管Je正偏、正偏、Jc反偏，反偏，T1工作在放大状态。工作在放大状态。T1管射极电流（管射极电流（1+1）iB1很快地从很快地从T2的基区的基区抽走多余的存储电荷抽走多余的存储电荷,从从而加速了输出由低电平而加速了输出由低电平到高电平的转换。到高电平的转换。第51页/共93页（4）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当当 O=0.2V时时当输出为低电平时，当输出为低电平时，T4截止，截止，T3饱和饱和导通，其饱和电流全部用来驱动负载导通，其饱和电流全部用来驱动负载a)带负载能力带负载能力第52页/共93页当O=3.6V时 O由低到高电平跳变的瞬间，由低到高电平跳变的瞬间，CL充电，充电，其时间常数很小使输出波形上升沿陡直。其时间常数很小使输出波形上升沿陡直。而当而当 O由高变低后，由高变低后，CL很快放电，输很快放电，输出波形的下降沿也很好。出波形的下降沿也很好。T T3 3截止，截止，T T4 4组成的电压跟随器的输出电组成的电压跟随器的输出电阻很小，输出高电平稳定，带负载能阻很小，输出高电平稳定，带负载能力也较强。力也较强。输出端接负载输出端接负载电容电容CL时时，b)输出级对提高开关速度的作用输出级对提高开关速度的作用第53页/共93页1.TTL与非门电路与非门电路多发射极多发射极BJT T1e e bc eeb cA&BAL=B3.2.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路第54页/共93页TTL与非门电路的工作原理 任一输入端为低电平时:TTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态 IT1T2T4T5O输入全为高电平(3.6V)倒置使用的放大状态饱和截止饱和低电平（0.2V）输入有低电平(0.2V)深饱和截止放大截止高电平（3.6V）当全部输入端为高电平时：当全部输入端为高电平时：输出低电平 输出高电平 第55页/共93页2.TTL或非门或非门 若若A、B中有一个为高电平中有一个为高电平:若若A、B均为低电平均为低电平:T2A和和T2B均将截止，均将截止，T3截止。截止。T4和和D饱和，饱和，输出为高电平。输出为高电平。T2A或或T2B将饱和，将饱和，T3饱和，饱和，T4截止，截止，输出为低电平。输出为低电平。逻辑表达式逻辑表达式第56页/共93页vOHvOL输出为低电平的逻输出为低电平的逻辑门输出级的损坏辑门输出级的损坏3.2.5 集电极开路门和三态门电路集电极开路门和三态门电路1.1.集电极开路门集电极开路门电路电路第57页/共93页a）集电极开路与非门电路集电极开路与非门电路b）使用时的外电路连接使用时的外电路连接C）逻辑功能逻辑功能L=A BOC门输出端连接实现线与门输出端连接实现线与VCC第58页/共93页2.三态与非门三态与非门(TSL)当当CS=3.6V时时CS数据输入端输出端LAB