第十二章 集成逻辑门电路和组合逻辑电路课件.ppt
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1、 12.1 TTL集成与非门电路集成与非门电路 12.2 MOS集成逻辑门电路集成逻辑门电路 12.3 组合逻辑电路的分析与设计方法组合逻辑电路的分析与设计方法 12.4 集成组合逻辑器件集成组合逻辑器件 门电路门电路(Gate)是数字电路的基本逻辑单元,它是实现各是数字电路的基本逻辑单元,它是实现各种逻辑运算的电路。按逻辑功能分类有与门、或门、非门、种逻辑运算的电路。按逻辑功能分类有与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、与或非门等。与非门、或非门、异或门、与或非门等。 第一节第一节TTL集成与非门电路集成与非门电路 以双极型三极管为基本元件,集成在一块硅片上,并具有以双极型三极管为基本元
2、件,集成在一块硅片上,并具有一定的逻辑功能的电路称为双极型数字集成电路,一定的逻辑功能的电路称为双极型数字集成电路,TTL电路是电路是其中一种,由于它的输入端和输出端的结构形式都采用了三极其中一种,由于它的输入端和输出端的结构形式都采用了三极管,故称之为晶体管晶体管逻辑电路管,故称之为晶体管晶体管逻辑电路(TransistorTransistor Logic),简称,简称TTL电路,由于它的开关速度较高,电路,由于它的开关速度较高,是目前使用较多的一种电路。是目前使用较多的一种电路。TTL是一个电路系列,它包含门是一个电路系列,它包含门电路、触发器以及各种通用和专用的数字部件或系统。这里只电路
3、、触发器以及各种通用和专用的数字部件或系统。这里只介绍介绍TTL与非门。与非门。 T4 A B C R1 3k T3 T2 T1 Y R4 100 +UCC(+5V) T5 TTL与非门电路 R2 750 R3 360 R5 3k 一、一、TTLTTL与非门的电路组成与逻辑功能分析与非门的电路组成与逻辑功能分析T1为多发射为多发射极三极管极三极管输入级输入级中间级中间级输出级输出级输入信号中至少有一个为低电平:如输入信号中至少有一个为低电平:如uA=0.3V,uB=uC=3.6V R4 100 T4 A B C R1 3k T3 T2 T1 Y +UCC(+5V) T5 R2 750 R3 3
4、60 R5 3k 0.7V 0.7V + + - - 3.6V3.6V0.3V1V则uB1=0.3+0.7=1V,T1深度饱和T2、T5截止,T3、T4导通忽略iB3,输出端的电位为:输出Y为高电平。uY50.70.73.6V T4 A B C R1 3k T3 T2 T1 Y R4 100 +VCC(+5V) T5 R2 750 R3 360 R5 3k 0.7V 0.7V + + - - + - 0.3V + - 0.3V 输入信号全为高电平(输入信号全为高电平(1):如):如uA=uB=uC=3.6V2.1V则uB1=2.1V,T1倒置放大,T2、T5导通,T3、T4截止输出端的电位为:
5、 uY=UCES0.3V输出Y为低电平。3.6V3.6V3.6V 通过以上分析,该电路实现了与非门的逻辑功能:通过以上分析,该电路实现了与非门的逻辑功能:“输输入有低、输出为高;输入全高,输出为低入有低、输出为高;输入全高,输出为低”。(简称为:有。(简称为:有0出出1,全,全1出出0)。)。TTL与非门的工作状态见表与非门的工作状态见表12-1。输输 入入VT1VT2VT3VT4VT5输输 出出至少有一个至少有一个为低电平为低电平(+0.3v)深度深度饱和饱和截止截止微微饱和饱和放大放大 截止截止高电平高电平(+3.6v)全为高电平全为高电平(+3.6v)倒置倒置放大放大饱和饱和微微导通导通
6、截止截止 饱和饱和低电平低电平(+0.3v)表表12-1 TTL与非门工作状态与非门工作状态 二、电压传输特性二、电压传输特性 与非门输出电压与输入电压的关系称作电压传输特性,它与非门输出电压与输入电压的关系称作电压传输特性,它表示输入由低电平变到高电平时输出电平相应的变化情况表示输入由低电平变到高电平时输出电平相应的变化情况 当当uI较低较低(小于小于0.6v)时,由于时,由于VT1饱饱和,和,VT2和和VT5截止,输出为高电平,截止,输出为高电平,(大约为(大约为3.5V左右),对应于曲线左右),对应于曲线的的AB段,这一段称为截止区段,这一段称为截止区 当当uI大于大于0.6v以后,以后
7、,VT2开始导通,开始导通,VT5仍然截止,仍然截止,随着随着uI的增加,的增加,VT2的基的基极电位增加,极电位增加,VT2的集电的集电极电位下降,故极电位下降,故uO随随uI的增加而线性下降,一的增加而线性下降,一直维持到直维持到uI增大到增大到1.3V左右,对应于曲线的左右,对应于曲线的BC段,这一段称为线性区段,这一段称为线性区 当当uI增大到增大到1.3V以以后,再稍增加一点后,再稍增加一点儿,儿,VT5也将由原也将由原来的截止状态向饱来的截止状态向饱和状态变化,故和状态变化,故uI大于大于1.3V以后,以后,uO将急剧下降,对将急剧下降,对应于曲线的应于曲线的CD段,段,这一段称为
8、转折区这一段称为转折区 uI大约大于大约大于1.4V以后,以后,VT2、VT5同时饱和,输出为低电同时饱和,输出为低电平(大约为平(大约为0.3V左右),左右),对应于曲线的对应于曲线的DE段,这一段,这一段称为饱和区段称为饱和区 三、三、TTL与非门的参数和使用注意事项与非门的参数和使用注意事项 (一)(一)TTL与非门的参数与非门的参数 输出高电平输出高电平UOH 它是指一个或一个以上输入端为低电它是指一个或一个以上输入端为低电平时的输出电压值。平时的输出电压值。 输出低电平输出低电平UOL 它是指所有输入端均为高电它是指所有输入端均为高电 平时的输平时的输出电压值。出电压值。 开门电平开
9、门电平UON 使输出电压为标准低电平使输出电压为标准低电平USL(约为(约为0.4V)的最小输入高电平值。)的最小输入高电平值。 关门电关门电 平平UOFF 使输出电压为标准高电平使输出电压为标准高电平USH(约为(约为2.4V)的最大输入低电平值。)的最大输入低电平值。 扇出系数扇出系数NO 它是指与非门输出端最多能接同类与非它是指与非门输出端最多能接同类与非门的个数。门的个数。 平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd 它是表示开关速度的一个参数。它是表示开关速度的一个参数。一般可以理解为从输入变化(从低到高或从高到低)时算起到一般可以理解为从输入变化(从低到高或从高到低)时算起到输出有变化
10、(也是从高到低或从低到高)所需的时间。输出有变化(也是从高到低或从低到高)所需的时间。 TTL与非门的主要参数可查阅有关与非门的主要参数可查阅有关TTL电路手册。电路手册。 典型的典型的TTL与非门产品与非门产品74LS20(4输入二与非门)的管输入二与非门)的管脚排列图如图脚排列图如图12-4所示。其中标注为所示。其中标注为NC的是空管脚。的是空管脚。 (二)(二)TTL与非门使用注意事项与非门使用注意事项 在在TTL与非门使用过程中,若有多余或暂时不用的输入与非门使用过程中,若有多余或暂时不用的输入端,其处理的原则应保证其逻辑状态为高电平。一般方法端,其处理的原则应保证其逻辑状态为高电平。
11、一般方法有有 剪断悬空或直接悬空;剪断悬空或直接悬空; 与其它已用输入端并联使用;与其它已用输入端并联使用; 将其接电源将其接电源+UCC。 电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入,确保电路稳电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入,确保电路稳定工作。定工作。第二节第二节 MOS集成逻辑门电路集成逻辑门电路 目前,目前,MOS器件在数字电路中已得到广泛应用。它的开器件在数字电路中已得到广泛应用。它的开关速度虽比关速度虽比TTL门电路低,但由于制造工艺简单、体积小、集门电路低,但由于制造工艺简单、体积小、集成度高,因此特别适用于大规模集成制造。成度高,因此特别适用于大规模集成制造。MOS电路的另一电路的另
12、一个特点是输入阻抗高(可达个特点是输入阻抗高(可达1010以上),即直流负载很小,以上),即直流负载很小,几乎不取用前级信号电流,因此有很高的扇出能力。几乎不取用前级信号电流,因此有很高的扇出能力。 MOS是金属是金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)绝缘栅场效应管构成的器件的简称。)绝缘栅场效应管构成的器件的简称。MOS集成电路有三种型式,即由集成电路有三种型式,即由N沟道增强型沟道增强型MOS管构成的管构成的NMOS电路、由电路、由P沟道增强型沟道增强型MOS管构成的管构成的PMOS电路以及电路以及兼有兼有N沟道和沟道和P沟道的互补沟道的互
13、补MOS电路(简称为电路(简称为CMOS电路)。电路)。PMOS电路的原理与电路的原理与NMOS电路的原理完全相同,只是电源电路的原理完全相同,只是电源极性相反而已。极性相反而已。一、电路结构与工作原理一、电路结构与工作原理 (一)(一)NMOS门电路门电路 1、NMOS反相器(非门)反相器(非门) +UDD VT2 VT1 uO uI 当当uI=UILUTH1(VT1管的管的开启电压)时,开启电压)时,VT1管截止,管截止,VT2导通导通 故故uO=UDDUTH2=UOH,输出为高电平输出为高电平。 当当uI=UIHUTH1时,时,VT1管管导通,导通,VT2管亦导通,这时管亦导通,这时其中
14、其中RON1、RON2分别为分别为VT1、VT2管导通时漏源之间的电阻,管导通时漏源之间的电阻,称为导通电阻,要求称为导通电阻,要求RON1RON2。输出为低电平输出为低电平 211ONONONDDORRRUu (一)(一)NMOS门电路门电路 2、NMOS与非门与非门 B Y +UDD A VT3 VT1 VT2 在左边电路中,只有当在左边电路中,只有当A、B都为高电平时,都为高电平时,VT1、VT2管才能同时导通,输出管才能同时导通,输出Y为低电平;为低电平;A、B中只要有中只要有一个为低电平,相应的一个为低电平,相应的MOS管截止,输出为高电管截止,输出为高电平平(UOH=UDD-UTH
15、3)。正好符。正好符合合“输入全高、输出为低;输入全高、输出为低;输入有低,输出为高输入有低,输出为高”的与的与非逻辑功能,即非逻辑功能,即BAY (二)(二) CMOSCMOS门电路门电路 1 1、CMOS反相器(非门)反相器(非门) uI +UDD +10V VT2 VT1 +VDD +10V +VDD +10V S S RONP RONN 10V 0V CMOS反相器电路 (b) TN截止、TP导通 (c) TN导通、TP截止 uO uY uY CMOS反相器无论输入高电平还是低电平,都有一个管子处于截止状态,因此静态电流极小(纳安级) 由于静态时VT1和VT2总是一个导通另一个截止,即
16、工作在互补状态,所以静态电流近似为零,静态功耗极小 CMOSCMOS非门两种状态下的等效电路非门两种状态下的等效电路 uA +VDD +10V TP TN +UDD +10V +UDD +10V S S RONP RONN 10V 0V (a) 电路 VT1截止、VT2导通 VT1导通、VT2截止 uY uO uO AY ui0V时,时,VT1截止,截止,VT2导通。输出电压导通。输出电压uOUDD10VuI10V时,时,VT1导通,导通,VT2截止。输出电压截止。输出电压uO0VCMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性CMOSCMOS反相器电压传输反相器电压传输特性曲线较接近理想开特
17、性曲线较接近理想开关,关, 处是管子导通处是管子导通与截止的转折点与截止的转折点 DDiUu212 2、CMOSCMOS与非门和或非门与非门和或非门CMOS与非门BY+VDDATP1TN1TN2TP2BAYA、B当中有一个或全为低电平时,TN1、TN2中有一个或全部截止,TP1、TP2中有一个或全部导通,输出Y为高电平。只有当输入A、B全为高电平时,TN1和TN2才会都导通,TP1和TP2才会都截止,输出Y才会为低电平。2 2、CMOSCMOS与非门和或非门与非门和或非门CMOS与非门 B Y +UDD A VT3 VT1 VT2 BAYA、B当中有一个或全为低电平时,TN1、TN2中有一个或
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