电子技术基础-数字部分(第六版)-康华光第3章逻辑门电路共9节复习进程.ppt

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1、电子技子技术基基础-数字部分数字部分(第六版第六版)-)-康康华光第光第3 3章章逻辑门电路共路共9 9节3.1 逻辑门电路路简介介3.1.1 各种各种逻辑门电路系列路系列简介介3.1.2 开关开关电路路1、逻辑门:实现基本基本逻辑运算和常用运算和常用逻辑运算的运算的单元元电路。路。2、逻辑门电路的分路的分类二极管二极管门电路路三极管三极管门电路路TTL门电路路MOS门电路路PMOS门CMOS门逻辑门电路路分立分立门电路路集成集成门电路路NMOS门3.1.1 各种各种逻辑门电路系列路系列简介介BiCMOS门电路路1.CMOS集成集成电路路:广泛广泛应用于超大用于超大规模、甚大模、甚大规模集成模

2、集成电路路 4000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干抗干扰功耗低功耗低74LVC 74AUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力能力强抗干抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力能力强抗干抗干扰功耗低功耗低低低(超低超低)电压速度更加快速度更加快负载能力能力强抗干抗干扰功耗低功耗低 7474系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2.TTL 集成集成电路路:广泛广泛应用于中大用于中大规模集成模集成电路路3.1.1 数字集成数字集成电路路简介介逻辑变量取量取值0或或1，对应电路中路中电子器

3、件的子器件的“闭合合”与与“断开断开”。3.1.2 开关开关电路路 (a)输出出逻辑1 (b)输出出逻辑0MOS管或管或BJT管可以作管可以作为开关。开关。3.2 基本基本CMOS逻辑门电路路3.2.1 MOS管及其开关特性管及其开关特性3.2.2 CMOS反相器反相器3.2.3 其他基本其他基本CMOS逻辑门电路路3.2.4 CMOS传输门CMOS门电路是以路是以MOS管管为开关器件。开关器件。MOS管的分管的分类：N沟道沟道P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道MOS增增强型型耗尽型耗尽型3.2.1 MOS管及其开关特性管及其开关特性1.N沟道沟道增增强型型MOS管的管的结构和工作原理构和工作原理

4、MOS管的分管的分类：源极源极栅极栅极漏极漏极p-型半型半导体体n-型半型半导体体符号符号1.N沟道增沟道增强型型MOS管的管的结构和工作原理构和工作原理(1)VGS 控制沟道的控制沟道的导电性性o vGS=0,vDS 0,等效背靠背等效背靠背连接的两个二极管接的两个二极管,iD 0。o vGS0,建立建立电场 反型反型层 vDS0,iD 0。o 沟道建立的最小沟道建立的最小 vGS 值称称为开启开启电压 VT.1.N沟道增沟道增强型型MOS管的管的结构和工作原理构和工作原理(2)VGS 和和VDS共同作用共同作用o vGS VT,vDS0,靠近漏极的靠近漏极的电压减小。减小。o当当VGS V

5、T,iD 随随VDS增加几乎成增加几乎成线性增加性增加。o 当当vDS vGD=(vGS vDS)VT,漏极漏极处出出现夹断断。o 继续增加增加VDS 夹断区域断区域变大，大，iD 饱和。和。2.N沟道增沟道增强型型MOS管的管的输出特性和出特性和转移特性移特性输出特性分出特性分为o 截止区：截止区：o 可可变电阻区：沟道阻区：沟道产生生，iD 随随vDS线性增加，性增加，rds为受受vGS控制控制可可变电阻。阻。o 饱和区：和区：(a)输出特性曲线（b）转移特性曲线3.其他其他类型的型的MOS管管(1)P沟道增沟道增强型型MOS管管o 结构与构与NMOS管相反。管相反。o vGS、vDS 电

6、压极性与极性与NMOS管相反。管相反。o 开启开启电压vT为负值(2)N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管o 绝缘层掺入正离子，使入正离子，使衬底表面形底表面形成成N沟道。沟道。o vGS电压可以是正可以是正值、零或、零或负值。o vGS达到某一达到某一负值vP，沟道被，沟道被夹断，断，iD=0。(2)N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管符号如管符号如图。(3)P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管结构与构与N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管相反。管相反。符号如符号如图所示。所示。4.MOS管开关管开关电路路：MOS管工作在可管工作在可变电阻区，阻区，输出低出低电平平:MOS管截

7、止，管截止，输出高出高电平平当当I VTpMOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的无触点开关。控制的无触点开关。MOS管工作在可管工作在可变电阻区，相当于开关阻区，相当于开关“闭合合”，输出出为低低电平。平。MOS管截止，相当于开关管截止，相当于开关“断断开开”，输出出为高高电平。平。p当当I 为低低电平平时：p当当I为高高电平平时：p由于由于MOS管管栅极、漏极与极、漏极与衬底底间电容，容，栅极与漏极之极与漏极之间的的电容存在，容存在，电路在状路在状态转换之之间有有电容充、放容充、放电过程。程。p输出波形上升沿、下降沿出波形上升沿、下降沿变得得缓慢。慢。5.MOS管开关管开关电路的路的

8、动态特性特性3.2.2 CMOS 反相器反相器1.工作原理工作原理+VDD+5VD1S1vivOTNTPD2S20V+5VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V 5V截止截止导通通 5V5 V5V 0V导通通截止截止0 VVTN=2 VVTP=2 V逻辑图逻辑表达式表达式vi(A)0vO(L)1逻辑真真值表表10AL 第一，第一，vI是高是高电平平还是低是低电平平，TN和和TP中中总是一个是一个导通而通而另一个截止。另一个截止。CMOS反相器的静反相器的静态功耗几乎功耗几乎为零。零。第二，第二，MOS管管导通通电阻低，截止阻低，截止电阻高。使充、放阻高。使充、放电时间常数小，开关速度更快

9、，具有更常数小，开关速度更快，具有更强的的带负载能力。能力。第三，第三，MOS管的，管的，IG0，输入入电阻高。阻高。理理论上可以上可以带任意任意同同类门，但，但负载门输入入杂散散电容会影响开关速度。容会影响开关速度。CMOS反相器的重要特点：反相器的重要特点：2.电压传输特性和特性和电流流传输特性特性VTN电压传输特性特性电流流传输特性特性(Transfer characteristic)3.输入入逻辑电平和平和输出出逻辑电平平05VIN/VVOUT/V5VIHminVILmax输入高电输入高电平平输入低电输入低电平平无定义无定义输出高电平输出高电平05VIN/VVOUT/V5VIHminV

10、ILmaxVOHminVOLmax输出低电平输出低电平无定义无定义输出高出高电平的下限平的下限值VOH(min)输入低入低电平的上限平的上限值VIL(max)输入高入高电平的下限平的下限值VIL(min)输出低出低电平的上限平的上限值VOH(max)4.CMOS反相器反相器的工作速度的工作速度在由于在由于电路具有互路具有互补对称的性称的性质，它的开通，它的开通时间与关与关闭时间是相等的。平均延是相等的。平均延迟时间小于小于10 ns。带电容容负载A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 导通通 截止截止导通通 导通通导通通导通通截止截止截止截止导通通截止截止截止截

11、止截止截止 截止截止导通通导通通1110与非与非门1.CMOS 与与非非门vA+VDD+5VTP1TN1TP2TN2ABLvBvL(a)(a)电路路结构构(b)(b)工作原理工作原理VTN=2 VVTP=2 V0V5VN输入的与非入的与非门的的电路路?输入端增加有什么入端增加有什么问题?3.2.3 其他基本其他基本CMOS 逻辑门电路路AB或非或非门2.2.CMOS 或或非非门+VDD+5VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通通截止截止导通通 导通通导通通导通通截止截止截止截止导通通截止截止截止截止截止截止截止截止导通通导通

12、通10000V5VVTN=2 VVTP=2 VN输入的或非入的或非门的的电路的路的结构构?输入端增加有什么入端增加有什么问题?AB例：分析例：分析CMOS电路，路，说明其明其逻辑功能。功能。=AB 异或异或门电路路3.2.4 CMOS传输门(双向模双向模拟开关开关)1.传输门的的结构及工作原理构及工作原理电路路逻辑符号符号I/Oo/IC等效等效电路路1、传输门的的结构及工作原理构及工作原理设TP:|VTP|=2V，TN:VTN=2V，I的的变化范化范围为0到到+5V。0V+5V0V到到+5V GSN0,TP截止截止1）当）当c=0，c=1时c=0=0V，c=1=+5VC TP vO/vI vI

13、/vO+5V 0V TN C+5V0V GSP=0V (2V+5V)=2V 5V GSN=5V (0V+3V)=(52)V b、I=2V5V GSNVTN,TN导通通a、I=0V3VTN导通，通，TP导通通 GSP|VT|,TP导通通C、I=2V3V2）当）当c=1，c=0时(1)传输门组成的异或成的异或门B=0TG1断开断开,TG2导通通 L=AB=12.传输门的的应用用TG1导通通,TG2断开断开 L=A(2)传输门组成的数据成的数据选择器器C=0TG1导通通,TG2断开断开 L=XTG2导通通,TG1断开断开 L=YC=12.传输门的的应用用3.3 CMOS逻辑门电路的不同路的不同输出出

14、结构及参数构及参数3.3.1 CMOS逻辑门电路的保路的保护和和缓冲冲电路路3.3.2 CMOS漏极开路和三漏极开路和三态门电路路3.3.3 CMOS逻辑门电路的重要参数路的重要参数3.3.1 输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路采用采用缓冲冲电路能路能统一参数，使不同内部一参数，使不同内部逻辑集成集成逻辑门电路路具有相同的具有相同的输入和入和输出特性。出特性。1.输入端保入端保护电路路:(1)0 vI VDD+vDF 二极管二极管导通通电压：vDF(3)vI 3.3V。两系列两系列VI(min)均均为0V，考，考虑保保护二极管作用，二极管作用，VI(min)=-0.5V。1.各种各种

15、门电路路输入或入或输出出电压的极的极值（2）输出出电压极极值VO(max)和和VO(min)有些有些逻辑门电路允路允许VO超超过VDD，有些不允，有些不允许。74HC和和AHC系列最大系列最大输入入VO(max)=VDD+0.5V，不能超，不能超过VDD。74LVC系列系列VO(max)=6.5V。采用采用VDD=3.3V时,允允许VO3.3V,只要只要小于小于6.5V即可。即可。1.各种各种门电路路输入或入或输出出电压的极的极值负载器件所要求的器件所要求的输入入电压VOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)2.各种各种门电路路电压兼容性和兼容性和电流匹配性流匹配性问题V

16、OH(min)vO VOL(max)vIVIH(min)VIL(max)灌灌电流流IIL拉拉电流流IIH对负载器件提供足器件提供足够大的拉大的拉电流和灌流和灌电流流 IOH(max)IIH(total)IOL(max)IIL(total)101n个个010n个个IOHIIHIILIOL驱动电路必路必须能能为负载电路提供足路提供足够的的驱动电流流 驱动电路路负载电路路1、）、）VOH(min)VIH(min)2、）、）VOL(max)VIL(max)4、）、）IOL(max)IIL(total)驱动电路必路必须能能为负载电路提供合乎相路提供合乎相应标准的高、低准的高、低电平平 IOH(max)I

17、IH(total)3、）、）图中中给出了各个系列在出了各个系列在给定定电源源电压下四个下四个逻辑电平参数平参数3、5V CMOS门驱动3.3V CMOS门VOH（min)=4.4V VOL(max)=0.5V3.3V CMOS门系列门系列 VIH(min)=2V VIL(max)=0.8VIOH（max)=20 AIIH（max)=5 AVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)带拉拉电流流负载输出、出、输入入电压带灌灌电流流负载已知：已知：5V CMOS门系列门系列IOL（max)=20 AIIL（max)=5 A，IOH(max)IIH(total)IOL(max)I

18、IL(total)当当负载门个数个数n小于小于44.3.3V CMOS门驱动5V CMOS门式式2、3、4、都能、都能满足，但式足，但式1 VOH(min)VIH(min)不不满足足采用外接上拉采用外接上拉电阻。阻。（IO：驱动门输出出级截止管的漏截止管的漏电流）流）VOH（min)=2.4V VOL(max)=0.4V5V CMOS门系列门系列 VIH(min)=3.5V VIL(max)=1.5VIOH（max)=0.1mAIIH（max)=5 A已知：已知：3.3V CMOS门系列门系列IOL（max)=0.1mAIIL（max)=5 A，5.低低电压CMOS电路之路之间的接口的接口 不

19、同系列不同系列逻辑电路之路之间接口，通常采用接口，通常采用专门的的逻辑电平平转换器，如器，如图所示。所示。VDDA和和VDDB分分别为两种系列两种系列逻辑电路路的的电源源电压。1.用用门电路直接路直接驱动显示器件示器件3.8.2 门电路路带负载时的接口的接口电路路门电路的路的输入入为低低电平，平，输出出为高高电平平时，LED发光光当当输入信号入信号为高高电平，平，输出出为低低电平平时,LED发光光 解：解：LED正常正常发光需要几光需要几mA的的电流，并且流，并且导通通时的的压降降VF为1.6V。根据表。根据表3.3.4查得，当得，当VCC=5V时，VOL=0.1V，IOL(max)=4mA。

20、因此。因此ID取取值不能超不能超过4mA。限流。限流电阻的最小阻的最小值为例例3.8.2 试用用74HC04六个六个CMOS反相器中的一个作反相器中的一个作为接口接口电路，使路，使门电路的路的输入入为高高电平平时，LED导通通发光。光。2.机机电性性负载接口接口用各种数字用各种数字电路来控制机路来控制机电性系性系统的功能的功能,而机而机电系系统所需所需的工作的工作电压和工作和工作电流比流比较大。要使大。要使这些机些机电系系统正常工作，正常工作，必必须扩大大驱动电路的路的输出出电流以提高流以提高带负载能力，而且必要能力，而且必要时要要实现电平平转移。移。如果如果负载所需的所需的电流不特流不特别大

21、，可以将两个反相器并大，可以将两个反相器并联作作为驱动电路，并路，并联后后总的最大的最大负载电流略小于流略小于单个个门最最大大负载电流的两倍。流的两倍。如果如果负载所需的所需的电流比流比较大，大，则需要在数字需要在数字电路的路的输出出端与端与负载之之间接入一个功率接入一个功率驱动器件。器件。1.多余多余输入端的入端的处理措施理措施3.8.3 抗干抗干扰措施措施以不改以不改变电路工作状路工作状态及及稳定可靠定可靠为原原则。一是与其他一是与其他输入端并接，二是直接接入端并接，二是直接接电源或地。与源或地。与门、与非、与非门输入端接入端接电源。或源。或门、或非、或非门输入端接地。入端接地。在直流在直

22、流电源和地之源和地之间接去耦合接去耦合滤波波电容，容，滤除干除干扰信号。信号。2.去耦合去耦合滤波波电容容将将电源地和信号地、模源地和信号地、模拟和数字地分开。印刷版的和数字地分开。印刷版的连线尽量尽量短短,以去除寄生干以去除寄生干扰。3.接地和安装工接地和安装工艺传统封装的封装的2输入与非入与非门3.8.4 小尺寸小尺寸逻辑和和宽总线系列系列相比相比传统逻辑器件，小尺寸器件，小尺寸逻辑芯片体芯片体积更小。它是作更小。它是作为大大规模可模可编程程逻辑器件的器件的补充或接口。用来修改或完善大充或接口。用来修改或完善大规模集成芯片之模集成芯片之间连线或外或外围电路路连线。小尺寸小尺寸逻辑封装的封装

23、的2输入与非入与非门 1.小尺寸小尺寸逻辑电路路宽总线是指将多个相同的是指将多个相同的单元元电路封装在一起，以减少体路封装在一起，以减少体积、改善、改善电路性能，路性能，满足足计算机、信息算机、信息传输等等设备的的总线传输需求。需求。2.宽总线电路路使能使能输入输入A输出输出YLHLLLHH高阻高阻74AUC16240内部有内部有16个三个三态输出出缓冲器，分成冲器，分成4组，如，如图(下一下一页)。使用。使用时，可，可连成成16位、两位、两组8位或其他形式。位或其他形式。74AUC16240功能表功能表 2.宽总线电路路74AUC162403.9 用用VerilogHDL描述描述CMOS门电

24、路路 用用VerilogHDL对MOS管构成的管构成的电路建模，称路建模，称为开关开关级建模，建模，是最底是最底层的描述。的描述。用关用关键词nmos、pmos定定义NMOS、PMOS管模型。管模型。rnmos、rpmos定定义输入与入与输出端存在出端存在电阻的阻的NMOS、PMOS管模型。管模型。关关键词supply1、supply0分分别定定义了了电源源线和地和地线。3.9.1 CMOS门电路的路的Verilog建模建模1、设计举例例module NAND2(L,A,B);/IEEE 13641995 Syntaxinput A,B;/输入端口声明入端口声明 output L;/输出端口声

25、明出端口声明 supply1 Vdd;supply0 GND;wire W1;/将两个将两个NMOS管管之之间的的连接点定接点定义为W1 pmos(L,Vdd,A);/PMOS管的源极与管的源极与Vdd相相连 pmos(L,Vdd,B);/两个两个PMOS管并行管并行连接接 nmos(L,W1,A);/两两NMOS管串行管串行连接接 nmos(W1,GND,B);/NMOS管的源极与地相管的源极与地相连endmodule 试用用Verilog语言言的开关的开关级建模描述建模描述CMOS与非与非门。说明明部分部分电路路描述描述 用关用关键词cmos定定义传输门模型。模型。cmos C1(输出信号

26、出信号,输入信号入信号,TN管控制信号管控制信号,TP管控制信号管控制信号);3.9.2 CMOS传输门电路的路的Verilog建模建模module mymux2to1(A,B,L);/IEEE 13641995 Syntax input A,B;/输入端口声明入端口声明 output L;/输出端口声明出端口声明 wire Anot,Bnot;/声明模声明模块内部的内部的连接接线 inverter V1(Anot,A);/调用用底底层模模块inverter，见下一下一页 inverter V2(Bnot,B);cmos(L,Anot,B,Bnot);/调用内部开关元件用内部开关元件 cmos

27、(L,A,Bnot,B);/(output,input,ncontrol,pcontrol)endmodule例：用例：用Verilog语言言的开关的开关级建模描述建模描述下列异或下列异或门。/CMOS反相器反相器module inverter(Vo,Vi);/IEEE 13641995 Syntax input Vi;/输入端口声明入端口声明 output Vo;/输出端口声明出端口声明 supply1 Vdd;supply0 GND;pmos(Vo,Vdd,Vi);/实例化，例化，调用内部开关元件用内部开关元件 nmos(Vo,GND,Vi);/(漏极漏极,源极源极,控制控制栅极极)endmodule 此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢