第三章-集成门电路资料优秀PPT.ppt

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1、集 成 门 电 路第一章第一章第一章第一章 基本学问基本学问基本学问基本学问第第 三三 章章 154/74系列系列54H/74H系列系列54LS/74LS系列系列54AS/74AS系列系列54ALS/74ALS系列系列ECL电路电路HTL电路电路TTL电路电路54HC/74HC系列系列54HTC/74HTC系列系列4000系列系列双极型双极型集成门电路集成门电路IIL电路电路CMOS电路电路NMOS电路电路PMOS电路电路MOS型型 Bi-CMOS型型3.1 集成门电路分类集成门电路分类一一.按工艺结构区分按工艺结构区分TTL 晶体管晶体管-晶体管逻辑集成电路晶体管逻辑集成电路 (Transi

2、stor-Transistor Logic Integrated Circuit,TTL)ECL 射极耦合集成电路射极耦合集成电路 (Emitter Coupled Logic)MOS 金属氧化物半导体场效应管集成电路金属氧化物半导体场效应管集成电路 （Metal-Oxide-Semiconductor,MOS）3双极型数字集成门双极型数字集成门 TTL门电路工作速度高，驱动实力强，是目前应用最门电路工作速度高，驱动实力强，是目前应用最广泛的集成门电路。它的主要缺点是功耗大，集成度低。广泛的集成门电路。它的主要缺点是功耗大，集成度低。*射极耦合逻辑射极耦合逻辑ECL电路电路 放射极耦合逻辑电路

3、，也称电流开关型逻辑电路。它是利放射极耦合逻辑电路，也称电流开关型逻辑电路。它是利用运放原理通过晶体管射极耦合实现的门电路。工作速度最高，用运放原理通过晶体管射极耦合实现的门电路。工作速度最高，其平均延迟时间其平均延迟时间tpd可小至可小至1ns。这种门电路输出阻抗低，负载实力强，能实现或非及或两种这种门电路输出阻抗低，负载实力强，能实现或非及或两种逻辑功能。它的主要缺点是抗干扰实力差，电路功耗大。逻辑功能。它的主要缺点是抗干扰实力差，电路功耗大。TTL门电路门电路*MOS集成门集成门 MOS逻辑电路是以金属一氧化物一半导体场效应管为逻辑电路是以金属一氧化物一半导体场效应管为基础的集成电路。因

4、管内有一种载流子运动，因而它属于基础的集成电路。因管内有一种载流子运动，因而它属于单极型数字集成电路。目前广泛应用的是单极型数字集成电路。目前广泛应用的是CMOS电路，它电路，它有以下特点：有以下特点：*1.CMOS电路由电路由NMOS和和PMOS组成，由于组成，由于MOS管导通管导通内阻比半导体导通内阻大，所以内阻比半导体导通内阻大，所以CMOS门比门比TTL门工作门工作速度低一些。速度低一些。2.由于由于CMOS电路的互补特性，其凹凸电平输出阻抗都很电路的互补特性，其凹凸电平输出阻抗都很低（同低（同NMOS和和PMOS比）。比）。CMOS电路的输入阻抗只取电路的输入阻抗只取决于输入端爱护二

5、极管的决于输入端爱护二极管的 漏电流，其输入阻抗极高，可达漏电流，其输入阻抗极高，可达10 W以上。在频率不太高的状况下，以上。在频率不太高的状况下，CMOS电路的扇出电路的扇出实力几乎不受限制。当频率上升时，扇出系数有所降低。实力几乎不受限制。当频率上升时，扇出系数有所降低。83.CMOS电路主要有两个产品系列电路主要有两个产品系列-CC4000和和 C000（与国外（与国外CD和和MC系列相当）。它们的电源电系列相当）。它们的电源电压允许范围大，压允许范围大，CC4000系列为系列为318V；C000系列为系列为515V。因此它们输出凹凸电平摆幅大，抗干扰实力。因此它们输出凹凸电平摆幅大，

6、抗干扰实力强，其噪声容限可达强，其噪声容限可达30%VDD，而，而TTL门的噪声容限门的噪声容限只有只有0.4V。4.CMOS门工作时总是一管导通另一管截止，因而几门工作时总是一管导通另一管截止，因而几乎不由电源吸取电流，其功耗微小。当乎不由电源吸取电流，其功耗微小。当VDD=5V时，时，CMOS电路的静态功耗分别是：门电路类为电路的静态功耗分别是：门电路类为2.55uW；缓冲器和触发器类为；缓冲器和触发器类为520uW；中规模集成电路类；中规模集成电路类为为25100uW。5.CMOS集成电路功耗低，内部发热量小，集成度可大集成电路功耗低，内部发热量小，集成度可大大提高。又由于其电路本身的互

7、补对称结构，当环境大提高。又由于其电路本身的互补对称结构，当环境温度变更时，其参数有相互补偿作用，因而其温度稳温度变更时，其参数有相互补偿作用，因而其温度稳定性好。定性好。6.抗辐射实力强，抗辐射实力强，MOS管是多数载流子受控导电器件，管是多数载流子受控导电器件，射线辐射对多数载流子浓度影响不大。因此射线辐射对多数载流子浓度影响不大。因此CMOS电电路特殊适用于航天，卫星和核试验条件下工作的装置。路特殊适用于航天，卫星和核试验条件下工作的装置。7.由于由于CMOS电路输入阻抗高，简洁受静电感应发生电路输入阻抗高，简洁受静电感应发生击穿，除其电路内部设置爱护电路外，在运用和存放击穿，除其电路内

8、部设置爱护电路外，在运用和存放时应留意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好。时应留意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好。CMOS门多余不用输出端不能悬空，应依据须要接电门多余不用输出端不能悬空，应依据须要接电源或接地。源或接地。二二.按集成度（单个芯片所含门的个数）区分：按集成度（单个芯片所含门的个数）区分：1.小规模集成电路小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI，100门以下门以下/片）片）2.中规模集成电路中规模集成电路（Medium Scale Integration，MSI，1000门以下门以下/片）片）3.大规模集成电路大规模集成电路（Large Scale

9、 Integration，LSI，10000门以下门以下/片）片）4.超大规模集成电路超大规模集成电路（Very Large Scale Integration:VLSI,100000门以上门以上/片片)非用户定制非用户定制(Non-custom Design IC)全用户定制全用户定制 (Full-custom Design IC)半用户定制半用户定制 (Semi-custom Design IC)三三.依据设计方法和功能定义分类依据设计方法和功能定义分类PLDPROMPLAPALGALCPLDFPGA9 一、晶体二极管的开关特性一、晶体二极管的开关特性 1、静态特性：、静态特性：正相导通，

10、相当于开关闭合（外加电压正相导通，相当于开关闭合（外加电压VD 门限门限电压电压VTH，锗管，锗管0.3V，硅管，硅管0.7V）反向截至，相当于开关断开（外加电压反向截至，相当于开关断开（外加电压VD 反相反相击穿电压击穿电压VBR）2、动态开关特性：、动态开关特性：反向复原时间：反向复原时间：开通时间：开通时间：3.2 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性10在数字电路中，对电压值为多少并不重要，在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能推断凹凸电平即可。只要能推断凹凸电平即可。K开开-VO输出高电平，对应输出高电平，对应“1”。K合合-VO输出低电平，对应输出低电平，对应“0”。VO

11、KVccR100VVcc V V11 ViVoKVccR可用二极可用二极管代替管代替 ViVoKVccRK K开开-V Vo o=1,=1,输出高电平输出高电平K K合合-V Vo o=0,=0,输出低电平输出低电平Vi 为高电平常，为高电平常，Vo为高电平为高电平Vi 为低电平常，为低电平常，Vo为低电平为低电平半导体二极管器件的开关特性半导体二极管器件的开关特性12二、晶体三极管的开关特性二、晶体三极管的开关特性1 1、静态特性：、静态特性：截止、饱和、放大三种工作状态截止、饱和、放大三种工作状态2 2、动态开关特性：、动态开关特性：开通时间：开通时间：关闭时间关闭时间;13 ViVoKV

12、ccRK开开-Vo=1,输出高电平输出高电平K合合-Vo=0,输出低电平输出低电平可用三极可用三极管代替管代替半导体三极管器件的开关特性半导体三极管器件的开关特性R1R2VAVO+VccVA=0-Vo=1,输出高电平输出高电平VA=1-Vo=0,输出低电平输出低电平14门门(电子开关电子开关)满足确定条件时，电路允满足确定条件时，电路允 许信号通过许信号通过 开关接通开关接通。开门状态：开门状态：关门状态：关门状态：条件不满足时，信号通不条件不满足时，信号通不过过 开关断开开关断开。15开关开关作用作用二极管二极管反向截止：反向截止：开关接通开关接通开关断开开关断开三极管三极管（C,E)饱和区

13、：饱和区：截止区：截止区：开关接通开关接通CEB开关断开开关断开 正向导通：正向导通：CEB16uAtuOt+ucc0.3V三极管的开关特性：三极管的开关特性：R1R2VAVO+Vcc17上升时间上升时间tr下降时间下降时间tf幅值幅值A脉冲宽度脉冲宽度tpA/218获得高、低电平的基本方法获得高、低电平的基本方法：利用半导体开利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑逻辑0和和1：电子电路中用高、低电平来表示。电子电路中用高、低电平来表示。逻辑门电路：逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门

14、电路。的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。与非门、或非门、与或非门和异或门等。3.3 基本逻辑门电路基本逻辑门电路 19 二极管与门二极管与门FD1D2AB+3V逻辑变量逻辑变量逻辑函数逻辑函数(uD=0.3V )200 0 00 1 0 A B F1 0 01 1 1逻辑式：逻辑式：F=A B逻辑符号：逻辑符号：&ABF21二极管或门二极管或门FD1D2AB220 0 00 1 1 A B F1 0 11 1 1逻辑式：逻辑式：F=A+B逻辑符号：逻辑符号：1ABF23R1DR

15、2AF+12V+3V三极管非门三极管非门（反相器）（反相器）嵌位二极管嵌位二极管2425逻辑式：逻辑式：逻辑符号：逻辑符号：1AF26与非门逻辑符号与非门逻辑符号与非门真值表与非门真值表ABF2728或非门逻辑符号或非门逻辑符号或非或非门真值表门真值表1ABF2930异或门异或门逻辑符号逻辑符号异或异或门真值表门真值表1ABF真值表特点真值表特点:相同则相同则0,0,不同则不同则1 131同或门逻辑符号同或门逻辑符号同或同或门真值表门真值表ABF真值表特点真值表特点:相同则相同则1,1,不同则不同则0 0321.体积大、工作不行靠。体积大、工作不行靠。2.须要不同电源。须要不同电源。3.各种门

16、的输入、输出电平不匹配。各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点分立元件门电路的缺点33与分立元件电路相比，集成电路具与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、牢靠性高、速度快的特点，有体积小、牢靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛接受。依据电路内部的结构，可分为泛接受。依据电路内部的结构，可分为TTL、MOS管集成门电路等。管集成门电路等。集成逻辑门电路集成逻辑门电路34数字集成电路：数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所须要的全部元件和连线。的逻辑电路所须要的全部元件和连线。

17、运用时接：电源、输入和输出。数字集运用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、牢靠性高、速度快、成电路具有体积小、牢靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。而且价格便宜的特点。TTL型电路：型电路：输入和输出端结构都接受了半导体晶体管，输入和输出端结构都接受了半导体晶体管，称之为称之为:Transistor-Transistor Logic。353.3.2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路TTL与非门的内部结构与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 36一、电压传输特性一、电压传输特性uo(V)ui(V)123UOH(

18、3.4V)UOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线uo(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值阈值UT=1.4V志向的传输特性志向的传输特性输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平371.输出高电平输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。典型值典型值UOH=3.4V UOL=0.3V。2.阈值电压阈值电压UTuiUT时，认为时，认为ui是高电平。是高电平。UT=1.4V38二、二、扇出系数扇出系数 与非门电路输出能驱动同类门的个数，与非门电路输出能驱动同类门的个数，与非与非门的扇出系数一般是门的扇出系数一般是

19、10。三、三、TTL与非门在运用时多余输入端处理：与非门在运用时多余输入端处理：1.接接+5V。2.若悬空，若悬空，UI=“1”。为了防止干扰，一般将。为了防止干扰，一般将悬空的输入端接高电平。悬空的输入端接高电平。3.输入端并联运用。输入端并联运用。39四四 平均传输延迟时间平均传输延迟时间tui0tuo050%50%输出下降延迟时间输出下降延迟时间tpd1输出上升延迟时间输出上升延迟时间tpd2典型值：典型值：3 10 ns40如：如：TTLTTL门电路芯片（门电路芯片（四四2输入与非门，输入与非门，型号型号74LS00)地地GND外形外形&14141313121211111010 9 9

20、 8 8 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7&管脚管脚电源电源VCC（+5V）41RLUCC集电极悬空集电极悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符号符号应用时输出端要接一上拉负载电阻应用时输出端要接一上拉负载电阻 RL。特点：特点：RL 和和UCC 可以外接。可以外接。F=ABC 其它类型的其它类型的TTL门电路门电路集电极开路的与非门（集电极开路的与非门（OC门）门）42 OC门可以实现门可以实现“线与线与”功能。功能。&UCCF1F2F3F分析：分析：F1、F2、F3任一导通，则任一导通，则F=0。F1、F2、F3全截止，则全截止，则F=1。输出级输

21、出级RLUCCRLT5T5T5F=F1F2F343&ABF符号符号功能表功能表 三态门的符号及功能表三态门的符号及功能表&ABF符号符号功能表功能表使能端使能端高电平高电平起作用起作用使能端使能端低电平低电平起作用起作用44E1E2E3公公用用总总线线三态门主要作为三态门主要作为TTL电路与电路与总线总线间的间的接口电路接口电路。三态门的用途三态门的用途工作时，工作时，E1、E2、E3分时分时接入高电平。接入高电平。45TTLTTL数字集成电路型号的命名法数字集成电路型号的命名法示例：示例：（1）(2)(3)(4)(5)CT 74 LS 00 P塑料双列直插封装塑料双列直插封装器件系列：低功耗

22、肖特基器件系列：低功耗肖特基温度范围：温度范围：0+700+70中国制造的中国制造的TTLTTL类类器件品种：四器件品种：四2 2输入与非门输入与非门SN 74 S 195 J黑陶瓷双列直黑陶瓷双列直插封装插封装器件系列：肖特基器件系列：肖特基温度范围：温度范围：0-+700-+70美国美国TEXASTEXAS公司公司（1）(2)(3)(4)(5)器件品种：器件品种：4 4位并行移位寄存器位并行移位寄存器473.3.4 MOS门电路门电路MOS电路的特点：电路的特点：2.是电压限制元件，静态功耗小。是电压限制元件，静态功耗小。3.允许电源电压范围宽（允许电源电压范围宽（3 18V）。）。4.扇

23、出系数大，抗噪声容限大。扇出系数大，抗噪声容限大。优点优点1.工艺简洁，集成度高。工艺简洁，集成度高。缺点缺点：工作速度比：工作速度比TTL低低。48CMOS，ECL器件型号组成符号意义器件型号组成符号意义CC 40 25 M 温度范围：温度范围：-55+125+125器件品种：器件品种：3输入与非门输入与非门器件系列器件系列中国制造中国制造CMOS器件器件示例：示例：CE 10 131器件品种器件品种:双主从双主从D触发器触发器器件系列器件系列中国制造中国制造ECL器件器件(1)(2)(3)(4)(1)(2)(3)逻辑电平与正、负逻辑逻辑电平与正、负逻辑10只要能推断凹凸只要能推断凹凸电平即

24、可电平即可u在数字电路中，用逻辑电平在数字电路中，用逻辑电平表示逻辑变量的逻辑状态表示逻辑变量的逻辑状态0和和1。u逻辑电平有高电平和低电平逻辑电平有高电平和低电平之分，高电平和低电平分别表之分，高电平和低电平分别表示不同的状态，都是确定电压示不同的状态，都是确定电压范围，而不是一个固定不变的范围，而不是一个固定不变的值。值。00.825 正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑50在数字电路中，一般用高电平代表在数字电路中，一般用高电平代表1、低电、低电平代表平代表0，即所谓的，即所谓的正逻辑系统正逻辑系统。相反假如用低电平代表相反假如用低电平代表1、高电平代表、高电平代表0，即所谓的负逻辑系统。即所谓

25、的负逻辑系统。01低电平低电平高电平高电平正逻辑正逻辑10低电平低电平高电平高电平负逻辑负逻辑正负逻辑关系遵循反演定理正负逻辑关系遵循反演定理51A=0A=0时，时，T T2 2、T T5 5截止，截止，T T3 3、T T4 4导通，导通，Y=1Y=1。A=1A=1时，时，T T2 2、T T5 5导通，导通，T T3 3、T T4 4截止，截止，Y=0Y=0。TTLTTL非门（反相器）非门（反相器）52AA、B B中只要有一个为中只要有一个为1 1，即高电平，如，即高电平，如A A1 1，则，则i iB1B1就会经过就会经过T T1 1集集电结流入电结流入T T2 2基极，使基极，使T T

26、2 2、T T5 5饱和导通，输出为低电平，即饱和导通，输出为低电平，即Y Y0 0。AAB B0 0时，时，iB1iB1、iB1iB1均分别流入均分别流入T1T1、T1T1放射极，使放射极，使T2T2、T2T2、T5T5均截止，均截止，T3T3、T4T4导通，输出为高电平，即导通，输出为高电平，即Y Y1 1。TTLTTL或非门或非门53A A和和B B都为高电平（都为高电平（T T2 2导通）、或导通）、或C C和和D D都为高电平（都为高电平（T T2 2导通）时，导通）时，T T5 5饱和导通、饱和导通、T T4 4截止，输出截止，输出Y Y=0=0。A A和和B B不全为高电平、并且不全为高电平、并且C C和和D D也不全为高电平（也不全为高电平（T T2 2和和T T2 2同时截同时截止）时，止）时，T T5 5截止、截止、T T4 4饱和导通，输出饱和导通，输出Y Y=1=1。TTLTTL与或非门与或非门5474LS0074LS00内含内含4 4个个2 2输入与非门，输入与非门，74LS2074LS20内含内含2 2个个4 4输入与非门。输入与非门。55