第2讲逻辑门电路优秀PPT.ppt

第第2讲讲逻辑门电路逻辑门电路现在学习的是第1页，共43页第第2章章逻辑门电路逻辑门电路2.1概述概述2.2TTL与非门与非门2.3ECL电路及电路及I2L电路的特点电路的特点2.4CMOS电路电路2.5集成逻辑门电路的使用集成逻辑门电路的使用现在学习的是第2页，共43页2.1概述概述集集成成电电路路(IntegratedCircuit)就就是是将将所所有有的的元元件件和和连连线线都都制制作作在在同同一一块块半半导导体体基基片片(芯芯片片)上。集成电路分模拟和数字两大类。上。集成电路分模拟和数字两大类。在在数数字字集集成成逻逻辑辑电电路路中中，常常以以“门门”为为最最小小单单位位，门门是是实实现现各各种种逻逻辑辑（数数学学）运运算算的的具具体体电电路（器件）。路（器件）。现在学习的是第3页，共43页我我们们可可按按其其“集集成成度度”(一一定定大大小小的的芯芯片片上上所所含含门的数量多少门的数量多少)分成：分成：小小规规模模集集成成电电路路(SSI：SmallScaleIntegrating)，一一块芯片上含块芯片上含150个门。个门。中中规规模模集集成成电电路路(MSI：MediumScaleIntegrating),一块芯片上含一块芯片上含50100个门。个门。大大规规模模集集成成电电路路(LSI：LargeScaleIntegrating),一一块块芯片上含芯片上含10010000个门。个门。超大规模集成电路超大规模集成电路(VLSI：VeryLargeScaleIntegrating),一块芯片上含一块芯片上含10000个门以上。个门以上。现在学习的是第4页，共43页如如果果集集成成逻逻辑辑门门是是以以双双极极型型晶晶体体管管(电电子子和和空空穴穴两两种种载载流流子子均均参参与与导导电电)为为基基础础的的，则则称称为为双双极极型型集集成逻辑门电路。它主要有下列几种类型：成逻辑门电路。它主要有下列几种类型：E晶体管晶体管晶体管逻辑晶体管逻辑(TTL：Transistor-TransistorLogic)；高阈值逻辑高阈值逻辑(HTL：HighThresholdLogic)；射极耦合逻辑射极耦合逻辑(ECL：EmitterCoupledLogic)；集成注入逻辑集成注入逻辑(I+2L：IntegratedInjectionLogic)。现在学习的是第5页，共43页如如果果集集成成逻逻辑辑门门是是以以单单极极型型晶晶体体管管(只只有有一一种种极极性性的的载载流流子子：电电子子或或空空穴穴)为为基基础础的的，则则称称为为单单极极型型集集成成逻逻辑辑门门电电路路。目目前前应应用用得得最最广广泛泛的的是是金金属属氧氧化化物物半半导导体体场场效效应应管管逻逻辑辑电电路路(MOS：MetalOxideSemiconductor)。;MOS电路又可分为：电路又可分为：PMOS(P沟道沟道MOS)；NMOS(N沟道沟道MOS)；CMOS(PMOSNMOS互补互补)。现在学习的是第6页，共43页2.2TTL与非门与非门2.2.1TTL与非门的典型电路及工作原理与非门的典型电路及工作原理1.TTL与非门的典型电路与非门的典型电路图图2.2.1是是TTL与与非非门门的的典典型型电电路路，它它由由三三部部分分组组成成。输输入级：由多发射极管入级：由多发射极管V1和电阻和电阻R1组成，完成逻辑上的组成，完成逻辑上的“与与”。中中间间级级：由由V2,R2,R3组组成成。由由于于V2的的集集电电极极和和发发射射极极为为V3,V5提供了两个相位相反的信号，所以这级又称倒相级。提供了两个相位相反的信号，所以这级又称倒相级。现在学习的是第7页，共43页输输出出级级：由由V3,V4,V5,R4,R5组组成成。其其中中，V5为为反反相相器器，V3,V4组组成成的的复复合合管管是是V5的的有有源源负负载载，完完成成逻逻辑辑上上的的“非非”。由由中中间间级级提提供供的的两两个个相相位位相相反反的的信信号号，使使V4、V5总总处处于于一一管管导导通通而而另另一一管管截截止止的的工工作作状状态态。这这种种形形式式的的输输出出电电路路称称为为“推推拉拉式式输输出出”电路，或称电路，或称“图腾输出图腾输出”。输输出出级级的的特特点点是是：无无论论输输出出是是高高电电平平还还是是低低电电平平，输输出出电电阻阻都都比比较较低低。这这是是因因为为当当输输出出为为低低电电平平时时，V5饱饱和和，V4截截止止，输输出出电电阻阻rO=rCES5，值值很很小小。当当输输出出为为高高电电平平时时，V5截截止止，V3、V4导导通通，V3、V4工工作作在在射射极极跟跟随随器器状状态态，输输出出电电阻阻rO的的阻阻值很小。由于电阻值很小。由于电阻rO值很小使得电路带负载的能力增强。值很小使得电路带负载的能力增强。现在学习的是第8页，共43页图图2.2.1TTL与非门的典型电路与非门的典型电路现在学习的是第9页，共43页2.工作原理工作原理(1)当当输输入入端端中中任任一一端端为为低低电电平平(0.3V)，例例如如，UA=0.3V(A=0),UB=UC=3.6V(B=C=1)时时，V1的的 B1eA发射结优先导通，发射结优先导通，V1基极电压基极电压Ub1被钳位在被钳位在 Ub1=UA+UBe1=0.3+0.7=1V该该电电压压不不足足以以使使V1集集电电结结、V2、V5导导通通，所所以以V1集集电结电结,V2、V5截止，如图截止，如图2.2.2所示。所示。现在学习的是第10页，共43页图图2.2.2A=0时时TTL与非门各点电压与非门各点电压现在学习的是第11页，共43页因为因为UR5=Ie3R5UR2=Ib3R2UR2被忽略，所以被忽略，所以V3基极电压为基极电压为 Ub3UCC=5V为此可求得输出电压为此可求得输出电压UF为为 UF=Ub3-Ube3-Ube4=5-0.7-0.7=3.6V这这时时电电路路输输出出为为高高电电平平3.6V(F=1)，符符合合与与非非门门“有有0出出1”的的逻逻辑辑关关系系。输输出出高高电电平平表表明明与与非非门门这这时时可可带拉流负载。带拉流负载。现在学习的是第12页，共43页(2)当当输输入入端端全全部部接接高高电电平平(3.6V)或或悬悬空空时时，即即UA=UB=UC=3.6V(A=B=C=1)。粗粗看看似似乎乎V1的的三三个个e结结都都正正偏偏，Ub1=4.3V，但但因因为为V1的的c结结、V2、V5导导通通饱饱和和的的电电压压是是2.1V，故故V1的的Ub1被被钳钳位位在在2.1V上上，于于是是V1的的三三个个e结结都都反反偏偏截截止止。电电源源UCC通通过过R1,V1的的c结结向向V2、V5提供基流，使提供基流，使V2、V5导通饱和，输出电压导通饱和，输出电压UF为为UF=UCES5=0.3V现在学习的是第13页，共43页这这时时电电路路输输出出为为低低电电平平0.3V(F=0)，符符合合与与非非门门“全全1出出0”的逻辑关系。因为的逻辑关系。因为 Uc2=UCES2+Ub5=0.3+0.7=1V Ub4=Ue3=Uc2-Ube3=1-0.7=0.3V Ue4=UCES5=0.3V所所以以，Ub4=Ue4，V4处处于于零零偏偏截截止止状状态态，致致使使Ic50，意意味味着着V5处处于于深深饱饱和和状状态态，允允许许灌灌入入的的负负载载电电流流较较大大，约约在在十十几几mA以以上上。输输出出低低电电平平表表明明与与非非门门这时可带灌流负载。这时可带灌流负载。现在学习的是第14页，共43页图图2.2.3A=B=C=1时时TTL与非门各点电压与非门各点电压现在学习的是第15页，共43页2.2.2TTL与非门的特性与主要参数与非门的特性与主要参数1.电压传输特性及主要参数电压传输特性及主要参数1)电压传输特性电压传输特性电电压压传传输输特特性性是是指指与与非非门门输输出出电电压压uO随随输输入入电电压压uI变变化化的的关关系系曲曲线线。在在图图2.2.4(a)的的测测试试电电路路中中，输输入入端端A接接可可调调直直流流电电压压UI，其其余余输输入入端端均均接接高高电电平平。当当uI由由0渐渐增增时时，可可测测出出相相应应的的输输出出电电压压uO的的值值，绘绘成成的的曲曲线线就就是是与与非非门门的的电电压压传传输输特特性性曲曲线线，如如图图2.2.4(B)所示。所示。现在学习的是第16页，共43页电压传输特性曲线可分成四段：电压传输特性曲线可分成四段：ab段段(截止区截止区)。0uI0.6V,uO=3.6V。bc段段(线性区线性区)。0.6VuI1.3V,uO线性下降。线性下降。cd段段(转折区转折区)。1.3VuI1.5V,uO急剧下降。急剧下降。de段段(饱和区饱和区)。uI1.5V,uO=0.3V。现在学习的是第17页，共43页图图2.2.4TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性(a)测试电路；测试电路；(B)电压传输特性电压传输特性现在学习的是第18页，共43页2)主要参数主要参数由电压传输特性可得以下主要参数：由电压传输特性可得以下主要参数：(1)输输出出高高电电平平UOH和和输输出出低低电电平平UOL我我们们已已经经知知道道，当当输输入入端端任任一一端端接接低低电电平平时时，输输出出均均应应为为高高电电平平UOH；当当输输入入全全为为高高电电平平时时，输输出出应应为为低低电电平平UOL。反反映映在在电电压压传传输输特特性性曲曲线线上上，UOH就就是是ab段段所所对对应应的的输输出出电电压压，UOL就就是是de段段所所对对应应的的输输出出电电压压。UOH的的典典型型值为值为3.6V，UOL的典型值为的典型值为0.3V。现在学习的是第19页，共43页考考虑虑到到元元件件参参数数的的差差异异及及实实际际使使用用时时的的情情况况，手手册册中中规规定定高高、低低电电平平的的额额定定值值为为UOH=3V,UOL=0.35V。有有时时手手册册中中还还对对标标准准高高电电平平(输输出出高高电电平平的的下下限限值值)USH及及标标准低电平准低电平(输出低电平的上限值输出低电平的上限值)USL作出一些规定。作出一些规定。例如：例如：CT54/74和和CT54/74H系列，系列，USH2.4V，USL0.4V。CT54/74S和和CT54/74LS系列，系列，USH2.7V,USL0.5V。现在学习的是第20页，共43页(2)关关门门电电平平UOFF和和开开门门电电平平UON在在保保证证输输出出电电压压UOH=2.7V(即即额额定定高高电电平平的的90%)的的条条件件下下，将将允允许许的的最最大大输输入入低低电电平平，称称为为关关门门电电平平UOFF。在在保保证证输输出出电电压压UOL=0.35V(额额定定低低电电平平)的的条条件件下下，将将允允许许的的最最小小输输入入高高电电平平，称称为为开开门门电电平平UON。UOFF与与UON是是很很重重要要的的参参数数，它们反映了电路的抗干扰能力。一般它们反映了电路的抗干扰能力。一般UOFF0.8V,UON1.8V另另外外，为为分分析析方方便便起起见见，引引入入一一个个阈阈值值电电压压或或称称门门槛电压槛电压UT(Threshold)，UT约为约为1.4V。具体为：。具体为：当当uIUT时，与非门开门时，与非门开门(V5管导通管导通)，输出为低电平。，输出为低电平。现在学习的是第21页，共43页图图2.2.5理想电压传输特性理想电压传输特性现在学习的是第22页，共43页为此，可将电压传输特性曲线理想化，如图为此，可将电压传输特性曲线理想化，如图3.2.5所示。所示。(3)抗干扰能力抗干扰能力(又称噪声容限又称噪声容限NoiseMargin)抗抗干干扰扰能能力力是是保保证证与与非非门门在在输输出出状状态态不不变变的的情情况况下下，允允许许输输入入电电压压偏偏离离规规定定值值的的极极限限，一一般般以以噪噪声声容容限限值值来来定定量说明。量说明。低低电电平平噪噪声声容容限限UNL。当当输输入入UI为为低低电电平平时时，输输出出uO应应该该为为高高电电平平。如如果果此此时时输输入入端端引引入入了了一一个个正正向向干干扰电压，使扰电压，使uIUOFF，就不能保证输出为高电平了。，就不能保证输出为高电平了。现在学习的是第23页，共43页 UNL就就是是为为保保证证与与非非门门输输出出仍仍为为高高电电平平时时，输输入入端端所所允允许许叠叠加加的的一一个个“最最大大正正向向干干扰扰电电压压”。由由电电压压传传输输特特性性曲线可得：曲线可得：UNL=UOFF-UIL=0.8-0.3=0.5V高高电电平平噪噪声声容容限限UNH。同同理理，UNH就就是是为为保保证证与与非非门门输输出出仍仍为为低低电电平平时时，输输入入端端所所允允许许叠叠加加的的一一个个“最最大大负负向向干扰电压干扰电压”。由电压传输特性可得：。由电压传输特性可得：UNH=UIH-UON=3.6-1.8=1.8V显显然然，高高电电平平抗抗干干扰扰能能力力比比低低电电平平抗抗干干扰扰能能力力强强。为为了了提提高高器器件件的的抗抗干干扰扰能能力力，要要求求UNL与与UNH尽尽可可能能地地接接近，即尽可能地提高近，即尽可能地提高UNL。现在学习的是第24页，共43页2.输入特性及主要参数输入特性及主要参数1)输入特性输入特性输输入入特特性性是是指指与与非非门门输输入入电电压压UI和和输输入入电电流流iI的的关关系系曲曲线线，也也称称输输入入伏伏安安特特性性。典典型型的的输输入入特特性性曲曲线线如如图图2.2.6(B)所所示示。其其测测试试电电路路如如图图2.2.6(a)所示。所示。现在学习的是第25页，共43页图图2.2.6TTL与非门的输入特性与非门的输入特性(a)测试电路测试电路(b)输入特性输入特性现在学习的是第26页，共43页2)主要参数主要参数由输入特性可得如下主要参数：由输入特性可得如下主要参数：(1)输输入入短短路路电电流流IIS(Shor-circUit)IIS表表示示当当任任何何一一个个输输入入端端接接地地时时流流经经这这个个输输入入端端的的电电流流，如如图图2.2.7所所示示。在在输输入入特特性性曲曲线线上上，它它对对应应于于uI=0的的输输入入电电流流。因因为为这这个个电电流流是是从从输输入入端端流流出出的的，所所以以在在特特性性曲曲线线上上为负值。由图为负值。由图2.2.7得：得：现在学习的是第27页，共43页图图2.2.7现在学习的是第28页，共43页当当此此与与非非门门是是由由前前级级门门驱驱动动时时，IIS就就是是流流入入前前级级与与非非门门V5管管的的灌灌流流之之一一，是是前前级级门门的的灌灌流流负负载载。IIS的的大大小小将将直直接接影影响响前前级级与与非非门门的的工工作情况，因此对作情况，因此对IIS要有一个限制，例如要有一个限制，例如IISUT(即即输输入入为为高高电电平平)部部分分的的电电流流值。因为此电流是流入门电路的，所以为正值。值。因为此电流是流入门电路的，所以为正值。现在学习的是第29页，共43页当当此此与与非非门门是是由由前前级级门门驱驱动动，且且前前级级门门的的输输出出为为高高电电平平时时，IIH就就是是前前级级门门的的拉拉流流负负载载，见见图图2.2.8。显显然然，IIH越越大大，前前级级门门输输出出级级的的负负载载就就越越重重。为为此此对对IIH要要有有一一个个限限制制，例例如如，IIHPOFF。TTL与非门电路的空载功耗一般为几十与非门电路的空载功耗一般为几十mW。需需要要指指出出的的是是，当当与与非非门门输输入入由由高高电电平平转转为为低低电电平平的的瞬瞬间间，V2先先退退出出饱饱和和，使使Uc2上上升升，引引起起V3,V4导导通通，而而V5因因深深饱饱和和还还未未来来得得及及退退出出饱饱和和，这这时时将将会会出出现现一一段段V3,V4,V5同同时时导导通通的的时时间间，产产生生瞬瞬间间冲冲击击电电流流，即即“动动态态尖尖峰峰电电流流”，使使瞬瞬时功耗增大，因此在实际使用时要留有一定的余量。时功耗增大，因此在实际使用时要留有一定的余量。现在学习的是第43页，共43页