数字电路与逻辑设计 第3章.ppt

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1、与非门与非门的逻辑功能：的逻辑功能：输入有输入有“0”，输出为，输出为“1”输入全为输入全为“1”，输出才为，输出才为“0”F1=AB或非门或非门的逻辑功能：的逻辑功能：输入有输入有“1”，输出为，输出为“0”输入全为输入全为“0”，输出才为，输出才为“1”F2=A+B异或门异或门的逻辑功能：的逻辑功能：输入相同，输出为输入相同，输出为“0”输入不同，输出为输入不同，输出为“1”ABF=1F=AF=A B B知 识 回 顾F1=ABF2=A+BABF=1F=AF=A B B内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正

2、确使用？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？知 识 回 顾第三章第三章 逻辑门电路逻辑门电路3.1 3.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性3.3 3.3 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.2 3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路PN结的构成结的构成 半导体材料经不同掺杂过程，可使其内部的电子和空半导体材料经不同掺杂过程，可使其内部的电子和空穴的浓度各不相同。穴的浓度各不相同。浓度大的称为多数载流子，浓度小浓度大的称为多数载流子，浓度小的称为少数载流子。的称为少数载流子。多子为电子的是多子为电子的是N型材料；多子为空穴的是型材料；多子为空穴的

3、是P型材料。型材料。晶体二极管和三极管由晶体二极管和三极管由P型和型和N型半导体材料复合而型半导体材料复合而成，成，P型和型和N型半导体材料贴在一起，其接合部称为结。型半导体材料贴在一起，其接合部称为结。二极管有一个结，三极管有两个结。二极管有一个结，三极管有两个结。3.1 3.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性1 1、二极管的开关特性、二极管的开关特性3.1 3.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性ui0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。U Ui i0.5V0.5V0.5V时，时，二极管导通二极管导通。iD

4、=Is(e q v/k T -1)二极管的瞬态开关特性二极管的瞬态开关特性反向恢复时间反向恢复时间是是影响二极管开关特性的影响二极管开关特性的主要因素主要因素2 2、三极管的开关特性三极管的开关特性3.1 3.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性三极管的符号及结构图如三极管的符号及结构图如图所示：图所示：三个极三个极基极（基极（b b）、发）、发射极（射极（e e）、集电极（）、集电极（c c）。）。两个两个PNPN结结发射结、集发射结、集电结。电结。UBE=VI-RBIBVO=UCE=VCC-RCICRbRc+VCCbce截止状态饱和状态iBIBSui=0.5Vuo=+VCCui=U

5、IHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V饱和区截止区放大区ui=0.3V时，因为时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，三极管工作在截止状态，ic=0。因为因为ic=0，所以输出电压：所以输出电压：ui=1V时，三极管导通，基极电流：时，三极管导通，基极电流：因为因为0iBIBS，三极管工作在饱和三极管工作在饱和状态。输出电压：状态。输出电压：uoUCES0.3V三极管瞬态开关特性三极管瞬态开关特性延迟时间延迟时间上升时间上升时间存储时间存储时间下降时间下降时间 对上升沿对上升沿：三极管从截止到导通，三极管从截止到导通，称为开通时间称为开通时间TON它包括：它包

6、括：TON=Td+Tr 延迟时间延迟时间TD，主要对应位垒电容的主要对应位垒电容的充电过程。充电过程。上升时间上升时间TR，主要对应扩散电容的主要对应扩散电容的充电过程。充电过程。对下降沿对下降沿：三极管从导通到截止，称为关断时间三极管从导通到截止，称为关断时间TOFF它包括：它包括：TOFF=TS+Tf 存储时间存储时间TS，主要对应扩散电容的放电过程。主要对应扩散电容的放电过程。下降时间下降时间Tf，主要对应位垒电容的放电过程。，主要对应位垒电容的放电过程。一、二极管与门和或门电路一、二极管与门和或门电路1与门电路与门电路 3.2 3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路输输 入入输出输出VA

7、（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0011输输 入入0001输出输出 与与逻辑真值表逻辑真值表 2或门电路或门电路输输 入入输出输出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5V0101BLA0011输输 入入0111输出输出 或逻辑真值表或逻辑真值表二、三极管非门电路二、三极管非门电路输输 入入输输 出出VA（V）VL（V）0V5V5V0VLA01输输 入入10输输 出出非非逻辑真值表逻辑真值表二极管与门和或门电路的缺点：二极管与门和或门电路的缺点：（1 1）在在多多个个门门串串接接使使用用时时，会会出出现

8、现低低电电平平偏偏离离标标准准数数值值的情况。的情况。（2 2）负载能力差。）负载能力差。解决办法：解决办法：将将二二极极管管与与门门（或或门门）电电路路和和三三极极管管非非门门电电路路组合起来。组合起来。三、三、DTL与非门电路与非门电路工作原理：工作原理：（1）当当A、B、C全全接接为为高高电电平平5V时时，二二极极管管D1D3都都截截止止，而而D4、D5和和T导通，且导通，且T为为饱和饱和导通导通，VL=0.3V=0.3V，即输出低电平。即输出低电平。（2）A、B、C中中只只要要有有一一个个为为低低电电平平0.3V时时，则则VP1V，从从而而使使D4、D5和和T都截止，都截止，VL=VC

9、C=5V，即输出高电平。即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：所以该电路满足与非逻辑关系，即：3.3 3.3 TTL集成集成逻辑门电路逻辑门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理与非门的基本结构及工作原理1TTL与非门的基本结构与非门的基本结构TTL与非门的基本结构与非门的基本结构一一TTL与非门的与非门的工作原理工作原理（1 1）输入全为高电平）输入全为高电平3.63.6V时。时。T2 2、T3 3饱和导通，饱和导通，实现了与非门的逻实现了与非门的逻辑功能之一：辑功能之一：输入全为高电平时，输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。由于由于T2 2饱和导通，饱和导通，VC2C2=

10、1=1V。T4 4和二极管和二极管D都截止。都截止。由于由于T3 3饱和导通，输出电压为：饱和导通，输出电压为：VO O=VCES3CES30.30.3V该发射结导通，该发射结导通，VB1 1=1=1V。T2 2、T3 3都截止。都截止。（2 2）输入有低电平）输入有低电平0.30.3V 时。时。实现了与非门的逻辑实现了与非门的逻辑功能的另一方面：功能的另一方面：输入有低电平时，输入有低电平时，输出为高电平输出为高电平。忽略流过忽略流过RC2 2的电流，的电流，VB4B4VCCCC=5=5V 。由于由于T4 4和和D导通，所以：导通，所以：VO OVC CC C-VBE4BE4-VD D =5

11、-0.7-0.7=3.6=5-0.7-0.7=3.6（V）综综合合上上述述两两种种情情况况，该该电电路路满满足足与与非非的的逻辑功能，即：逻辑功能，即：二、二、TTL与非门的开关速度与非门的开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。（2 2）采采用用了了推推拉拉式式输输出出级级，输输出出阻阻抗抗比比较较小小，可可迅迅速速给负载电容充放电。给负载电容充放电。2 2TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd导导通通延延迟迟时时间间tPHL从从输输入入波波形形上上升升沿沿的的中

12、中点点到到输输出出波波形形下下降降沿沿的中点所经历的时间。的中点所经历的时间。一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。截止延迟时间截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd：三、三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力与非门的电压传输特性及抗干扰能力1电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）ABCDEab段：截止区 Vi1.3v以后，T4开始导通，V0加速下降。de段：饱和区 V

13、I增大，T4饱和。（1 1）输输出出高高电电平平电电压压V VOHOH在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“1 1”的的输输出出电电压压。VOH的的理理论论值值为为3.63.6V，产产品品规规定定输输出出高高电电压压的的最最小值小值VOH（min）=2.4=2.4V。（2 2）输输出出低低电电平平电电压压V VOLOL在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“0 0”的的输输出出电电压压。VOL的的理理论论值值为为0.30.3V，产产品品规规定定输输出出低低电电压压的的最最大值大值VOL（max）=0.4=0.4V。（3 3）关关门门电电平平电电压压V VOFFOFF是是指指输输出

14、出电电压压下下降降到到VOH（min）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入低低电电压压的的最最大大值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为输输入入低低电电平平电电压压，用用VIL（max）表表示示。产产品品规规定定VIL（max）=0.8=0.8V。2几个重要参数几个重要参数（4 4）开开门门电电平平电电压压V VONON是是指指输输出出电电压压下下降降到到VOL（max）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入高高电电压压的的最最小小值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为 输输 入入 高高 电电 平平 电电 压压，用用 VIH（min）表表 示示。产产 品品 规规 定定

15、VIH（min）=2=2V。（5 5）阈阈值值电电压压V Vthth电电压压传传输输特特性性的的过过渡渡区区所所对对应应的的输输入入电电压压，即即决决定定电电路路截截止止和和导导通通的的分分界界线线，也也是是决决定定输输出出高高、低低电压的分界线。电压的分界线。近似地：近似地：Vth（VOFF+VON)/2 即即ViVth，与非门关门，输出高电平；与非门关门，输出高电平；ViVth，与非门开门，输出低电平。与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为又常被形象化地称为门槛电压门槛电压。Vth的值为的值为1.31.3V1.1.V。低电平噪声容限低电平噪声容限 VNLVOFF-VOL（max）

16、0.80.8V-0.4-0.4V0.40.4V高电平噪声容限高电平噪声容限 VNHVOH（min）-VON2.42.4V-2.0-2.0V0.40.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。3 3抗干扰能力抗干扰能力同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为容差，称为噪声容限噪声容限。由表达式可见，由表达式可见，Voff越大，越大，Von越小（或两者越接近）噪声容限越小（或两者越接近）噪声容限越大，抗干扰能力越强。越大，抗干扰能力越强。四、四、TT

17、L与非门输入特性与非门输入特性 1、输入电压与输入电流的关系输入电压与输入电流的关系 VI=0 时，时，I i=I IS,称为输入短路电流。与非门的称为输入短路电流。与非门的IIS 是前级的负载灌是前级的负载灌电流，约电流，约1.6mA AB段：段：T4截止，截止，T1饱和，饱和，T2先截止后导通，先截止后导通，I i 较大，略有减小。较大，略有减小。BC段：段：T4开始导通，开始导通，T1 倒置放大态，电流反向且减小。倒置放大态，电流反向且减小。输入输入端直接端直接接地接地，是输入恒为低电平的情况。得到，是输入恒为低电平的情况。得到输入短路输入短路电流电流。有时将输入端下拉一个电阻有时将输入

18、端下拉一个电阻RI接地，一般作为缺省低电平。接地，一般作为缺省低电平。要注意要注意RI的取值，只有的取值，只有RI在小于某一阻值时，才能保证输入低在小于某一阻值时，才能保证输入低电平小于电平小于Voff。如果如果RI值大于某一数值，即使接地，也不能保证输出高电值大于某一数值，即使接地，也不能保证输出高电平的幅度。平的幅度。RI越大，越大，P点向右方移动点向右方移动Ii 减小，减小，VI加大，不能大于关加大，不能大于关 门电平。门电平。多余输入端的接法：多余输入端的接法：为避免串入干扰，不用的输入不应为避免串入干扰，不用的输入不应悬空。悬空。接为高电平或并联使用。接为高电平或并联使用。2、TTL

19、与非门的输出特性与非门的输出特性 与与非非门门处处于于开开态态时时，输输出出低低电电平平，此此时时T4饱饱和和，输输出出电电流流IO从从负负载载流流进进T4，形形成成灌灌电电流流；当当灌灌电电流流增增加加时时，T4饱饱和和程程度度减减轻轻，因因而而UO随随IO增增加加略略有有增增加加。T4输输出出电电阻阻约约1020。若若灌灌电电流流很很大大，使使T4脱脱离离饱饱和和进进入入放放大大状状态态，UO将将很很快快增增加加，这这是是不不允允许许的的。通通常常为了保证为了保证UO0.35V，应使应使IO25mA。与与非非门门处处于于关关态态时时，输输出出高高电电平平。此此时时T4截截止止，负负载载电电

20、流流为为拉拉电电流流，从从特特性性曲曲线线可可见见，当当拉拉电电流流增增加加时时，故故UO将将降降低低。因因此此，为为了了保保证证稳稳定定地地输输出出高高电平，要求负载电流电平，要求负载电流IO14mA，允许的最小负载电阻允许的最小负载电阻RL约为约为170。3、空载功耗、空载功耗 P=VCC IE 与非门不接负载时，电源电压与与非门不接负载时，电源电压与电源总电流的乘积称为空载功耗。电源总电流的乘积称为空载功耗。分两种情况：分两种情况：空载导通功耗空载导通功耗PL：输出低电平，输出低电平，T4饱和（饱和（T1倒置，倒置，T2导通，导通，T3、D4截止），约为截止），约为16mw。空载截止功耗

21、空载截止功耗PH：输出高电平，输出高电平，T4截止（截止（T1饱和，饱和，T2截止，截止，T3、D4导通），约为导通），约为5mw。平均功耗平均功耗 P=（PL+PH）/2 约为约为10mw。值得注意的是，在开关状态转换的瞬间，由于所有管子都处于导值得注意的是，在开关状态转换的瞬间，由于所有管子都处于导通状态，瞬间总电流很大，约通状态，瞬间总电流很大，约32mA。因此：因此：考虑极限电流时，考虑极限电流时，不能只计算稳态电流。不能只计算稳态电流。工作频率高，转换次数多，瞬时功耗大，散热问题工作频率高，转换次数多，瞬时功耗大，散热问题。五、五、TTL与非门的带负载能力与非门的带负载能力1 1输入

22、低电平漏电流输入低电平漏电流IIL与输入高电平漏电流与输入高电平漏电流IIH（1 1）输入低电平漏电流I IILIL是指当门电路的输入端接低电平时，是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。从门电路输入端流出的电流。可以算出：可以算出：产品规定产品规定IIL1.61.6mA。（2 2）输入高电平输入高电平漏漏电流电流I IIHIH是指当门电路的输入端接高是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。电平时，流入输入端的电流。有两种情况有两种情况:（a）所有输入端均接高所有输入端均接高 T1倒置放大倒置放大，IIH=i IB1 其中其中 i 为倒置放大倍数，很小，为倒置放大倍

23、数，很小，约约0.05，所以所以IIH很小。（很小。（IIH指流过接高输入端的电流）指流过接高输入端的电流）(b)输入端有高有低输入端有高有低 因有高电平输入，仍可与基极，集电极构成倒置放因有高电平输入，仍可与基极，集电极构成倒置放大，所以倒置放大电流仍存在大，所以倒置放大电流仍存在 i IB1。另外，高电平输入端（作为集电极）、基极和低电平另外，高电平输入端（作为集电极）、基极和低电平输入端（作为发射极）构成寄生晶体管，放大倍数为输入端（作为发射极）构成寄生晶体管，放大倍数为 j,j值也很小。值也很小。总之，总之，IIH=（I+j）IB1 约约50（1 1）灌电流负载）灌电流负载当驱动门输出

24、当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。低电平时，电流从负载门灌入驱动门。2 2带负载能力带负载能力 当负载门的个数增加，当负载门的个数增加，灌电流增大，会使灌电流增大，会使T3 3脱脱离饱和，输出低电平升离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出端的电流定义为输输出低电平电流出低电平电流I IOLOL，产品产品规定规定IOL=16=16mA。由此可由此可得出得出:N NOLOL称为输出低电平时的扇出系数。称为输出低电平时的扇出系数。（2 2）拉电流负载）拉电流负载当驱动门当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉输出高电平时，电流从驱动门拉出出,流至负

25、载门的输入端。流至负载门的输入端。NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定产品规定:IOH=0.4=0.4mA。由此可得出：由此可得出：拉拉电电流流增增大大时时，RC4C4上上的的压压降降增增大大，会会使使输输出出高高电电平平降降低低。因因此此，把把允允许许拉拉出出输输出出端端的的电电流流定定义义为为输输出出高高电电平平电电流流I IOHOH。一一般般NOLNOH，常常取取两两者者中中的的较较小小值值作作为为门门电电路路的的扇出系数，用扇出系数，用NO表示。表示。六、六、TTL与非门举例与非门举例7400740074007400是是一一种种典典型型的的TTL与与非非

26、门门器器件件，内内部部含含有有4 4个个2 2输输入入端端与非门，共有与非门，共有1414个引脚。引脚排列图如图所示。个引脚。引脚排列图如图所示。七、七、TTL门电路的其他类型门电路的其他类型1 1非门非门A=0时，T2、T3截止，T4导通，L=1。A=1时，T2、T3导通，T4截止，L=0。2或非门或非门A、B中只要有一个为1，即高电平，如A1，则iB就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T3饱和导通，输出为低电平，即L0。AB0时，iB、iB均分别流入T1A、T1B发射极，使T2A、T2B、T3均截止，T4导通，输出为高电平，即L1。3与或非门与或非门A1和A2都为高电平（T2A导通）、

27、或B1和B2都为高电平（T2B导通）时，T3饱和导通、T4截止，输出L=0。A1和A2不全为高电平、并且B1和B2也不全为高电平（T2A和T2B同时截止）时，T3截止、T4饱和导通，输出L=1。与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+B异或门 在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为辑，称为线与线与。普通的普通的TTL门电路不能进行线与门电路不能进行线与。4集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）为此，专门生产了一种可以进行线与的为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路门电路集电极开路门。集电极开路门。A、B不全

28、为不全为1时，时，uB1=1V，T2、T3截止，截止，L=1。A、B全为全为1时，时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，饱和导通，L=0。（1 1）实现线与。）实现线与。逻辑关系为逻辑关系为:OC门主要有以下几方面的应用：门主要有以下几方面的应用：（2 2）实现电平转换。）实现电平转换。如图示如图示，可使输出高电平变为可使输出高电平变为1010V。（1 1）三态输出门的结构及工作原理。）三态输出门的结构及工作原理。当当EN=0=0时时，G输输出出为为1 1，D1 1截截止止，相相当当于于一一个个正正常常的的二二输输入入端端与与非非门门，称为正常工作状态。称为正常工作状态。当当EN=1时时，

29、G输输出出为为0，T4、T3都都截截止止。这这时时从从输输出出端端L看看进进去去，呈呈现现高阻，称为高阻态，或禁止态。高阻，称为高阻态，或禁止态。5 5三态门三态门去去掉掉非非门门G G，则则EN=1时时，为为工工作状态，作状态，EN=0时，为高阻态。时，为高阻态。三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（a）组成单向总线组成单向总线实现信号的分时单向传送。实现信号的分时单向传送。（b）组成双向总线，组成双向总线，实现信号的分时双向传送。实现信号的分时双向传送。（2 2）三态门的应用）三态门的应用八、八、TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑门电路系列简介

30、1 17474系列系列为为TTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTL器件。器件。2 27474L系列系列为低功耗为低功耗TTL系列，又称系列，又称LTTL系列。系列。3 37474H系列系列为高速为高速TTL系列。系列。4 47474S系列系列为肖特基为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。系列，进一步提高了速度。7474S系列的几点改进：系列的几点改进：（1 1）采用了抗饱和三极管采用了抗饱和三极管5 57474LS系系列列为为低低功功耗耗肖肖特基系列。特基系列。6 67474AS系系列列为为先先进进肖肖特特基系列，基系列，7 77474ALS系列系列为先进低为先进低功耗肖特基系列。功耗肖特基系列。（2 2）将将R R3 3用用“有源泄放电路有源泄放电路R3 T6、R6代替代替”。（4 4）输入端加了三个保护二极管。）输入端加了三个保护二极管。7474S系列的几点改进：系列的几点改进：（1 1）采用了抗饱和三极管采用了抗饱和三极管+VV12312312313123123e5Tc4CCoTR34c2RT512CATBTRb1RT6R3c6R