数字电路逻辑设计第3章

1、第第 三三 章章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器2 随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的集成集成电路块，电路块，通常又称为通常又称为集成电路芯片。集成电路芯片。 集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的物质基础。物质基础。采用集成电路进行数字系统设计的采用集成电路进行数字系统设

2、计的优点：优点： 可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大大简化设计和调试过程。大简化设计和调试过程。3本章知识要点本章知识要点 集成电路的分类集成电路的分类 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性 逻辑门电路逻辑门电路 逻辑函数的实现逻辑函数的实现4 3.1 3.1 数字集成电路的分类数字集成电路的分类 数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据集成规模的大小进行分类。集成规模的大小进行分类。一一. . 根据所采用的半导体器件进行分类根据所采用的半导体器件进行分类 根据所采用的半导

3、体器件，分为根据所采用的半导体器件，分为两大类两大类。 双极型集成电路：双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主要采用双极型半导体器件作为元件。主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。 单极型集成电路单极型集成电路(MOS(MOS集成电路集成电路): ): 采用金属采用金属- -氧化物半导体氧化物半导体场效应管场效应管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Tra-(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Tra-nsister)nsister)

4、作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集成度作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度相对双极型较慢。高、功耗低，但速度相对双极型较慢。5 双极型集成电路分为：双极型集成电路分为： 晶体管晶体管- -晶体管逻辑电路晶体管逻辑电路TTL(Transistor Transistor TTL(Transistor Transistor Logic)Logic) 发射极耦合逻辑电路发射极耦合逻辑电路(Emitter Coupled Logic)(Emitter Coupled Logic) 集成注入逻辑电路集成注入逻辑电路I I2 2L(Integrated Injection

5、 Logic)L(Integrated Injection Logic) TTL电路的电路的“性能价格比性能价格比”较佳，应用最广泛。较佳，应用最广泛。 MOS集成电路分为：集成电路分为： PMOS( P-channel Metel Oxide Semiconductor) NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor) CMOS(Complement Metal OxideSemiconductor) CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路的设计，而且综合性能好路的设计，而且综合性能好 。6二根据集成电路

6、规模的大小进行分类二根据集成电路规模的大小进行分类 根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数，分为，分为 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。 1. SSI (Small Scale Integration : 逻辑门数小于逻辑门数小于10 门门(或或元件数小于元件数小于100个个)； 2. MSI (Medium Scale Integration ) : 逻辑门数为逻辑门数为10 门门99 门门(或元件数或元件数100个个999个个)； 3. LSI (Large Scale Integration ) : 逻辑门数为逻辑门数为1

7、00 门门9999 门门(或元件数或元件数1000个个99999个个)； 4. VLSI (Very Large Scale Integration) : 逻辑门数大于逻辑门数大于10000 门门(或元件数大于或元件数大于100000个个)。 7三根据设计方法和功能定义分类三根据设计方法和功能定义分类根据设计方法和功能定义通常可分为如下根据设计方法和功能定义通常可分为如下3类：类： 1. 非定制电路（又称为标准集成电路）非定制电路（又称为标准集成电路） 2. 全定制电路（又称为专用集成电路）全定制电路（又称为专用集成电路） 3. 半定制电路半定制电路 83.2 3.2 半导体器件的开关特性半导

8、体器件的开关特性 数字电路中的晶体二极管、三极管和数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是管等器件一般是以开关方式运用的，工作状态相当于相当于开关的以开关方式运用的，工作状态相当于相当于开关的“接通接通”与与“断开断开”。 数字系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中数字系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中，研究其开关特性时，不仅要研究它们在导通与截止两种状态，研究其开关特性时，不仅要研究它们在导通与截止两种状态下的下的静止特性静止特性，而且还要分析它们在导通和截止状态之间的转，而且还要分析它们在导通和截止状态之间的转变过程，即变过程，即动态特性动态特性。93.2.

9、1 3.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性一静态特性一静态特性 静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。典型二极典型二极管的静态特性曲线为：管的静态特性曲线为：常见外形图常见外形图10 1. 正向特性正向特性 ： 门槛电压门槛电压 ( VTH )：使二极管开始导通的正向电压，一般锗管约使二极管开始导通的正向电压，一般锗管约0.1V，硅管约，硅管约0.5V。 正向电压正向电压 VF VTH：管子截止，电阻很大、正向电流管子截止，电阻很大、正向电流 IF 接近于接近于0，二极管类似于开关的断开状态，二极管类似于开关的断开

10、状态 ； 正向电压正向电压 VF = VTH：管子开始导通，正向电流管子开始导通，正向电流 IF 开始上升；开始上升； 正向电压正向电压 VF VTH ：管子充分导通管子充分导通(导通电压一般锗管约导通电压一般锗管约0.3V，硅管约硅管约 0.7V，通常，通常称为导通电压称为导通电压) ，电阻很小，正向电流，电阻很小，正向电流IF 急剧增加急剧增加，二，二 极管类似于开关的接通状态。极管类似于开关的接通状态。11 2 2 反向特性反向特性 二极管在反向电压二极管在反向电压 VR 作用下，处于截止状态，反向电阻作用下，处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很大，反向电流 IR 很小（将其称为反向饱

11、和电流，用很小（将其称为反向饱和电流，用 IS 表示表示，通常可忽略不计），二极管的状态类似于开关断开。而且反，通常可忽略不计），二极管的状态类似于开关断开。而且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成实正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成实际电路时通常要串接一只电阻际电路时通常要串接一只电阻 R，以限制二极管的正向电流；，以限制二极管的正向电流； 反向电压超过某个极限值时，将使反向电流反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛增突然猛增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压

12、极限值称为反向击穿，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向击穿电压电压VBR），一般不允许反向电压超过此值。），一般不允许反向电压超过此值。使用注意事项使用注意事项! !12注意：注意： 图中忽略了二极管的正向压降。图中忽略了二极管的正向压降。 由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它当由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它当作开关使用。作开关使用。二极管开关电路及等效电路13二二. . 动态特性动态特性 二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一换过程中的特性

13、，它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间。为此，引入了定的时间。为此，引入了反向恢复时间反向恢复时间和和开通时间开通时间的概念。的概念。1. 1. 反向恢复时间反向恢复时间 反向恢复时间：反向恢复时间：二极管从正向导通到反向截止所需要的二极管从正向导通到反向截止所需要的 时间称为反向恢复时间。时间称为反向恢复时间。 当作用在二极管两端的电压由正向导通电压当作用在二极管两端的电压由正向导通电压V VF F 转为反向转为反向截止电压截止电压 V VR R 时，在理想情况下二极管应该立即由导通转为截时，在理想情况下二极管应该立即由导通转为截止，电路中只存在极小的反向电流。止，电路中只存在极小的

14、反向电流。实际情况如何呢？实际情况如何呢？14 实际过程如图所示：实际过程如图所示： 图中：图中： 0t1时刻：时刻：输入正向导通电压输入正向导通电压 VF，二极管导通，电阻很小，电路中的，二极管导通，电阻很小，电路中的正向电流正向电流IF VF /R。 t1 时刻：时刻：输入电压由正向电压输入电压由正向电压VF 转为反向电压转为反向电压 VR，首先正向电流，首先正向电流IF 变变到一个很大的反向电流到一个很大的反向电流 IR VR/R，该电流维持一段时间，该电流维持一段时间ts后开始逐渐下降，后开始逐渐下降，经过一段时间经过一段时间tt后下降到一个很小的数值后下降到一个很小的数值0.1IR(

15、接近反向饱和电流接近反向饱和电流 IS)，二极，二极管进入反向截止状态。管进入反向截止状态。 ts 称为存储时间；称为存储时间； tt 称为渡越时间；称为渡越时间； tre= ts+tt 称为反称为反 向恢向恢 复时间。复时间。15 具体如下：具体如下： 二极管外加正向电压二极管外加正向电压 VF 时，时，PN结两边的多数载流子不结两边的多数载流子不断向对方区域扩散，一方面使断向对方区域扩散，一方面使空间电荷区变窄空间电荷区变窄，另一方面使相，另一方面使相当数量的当数量的载流子存储在载流子存储在PN结的两侧。结的两侧。 当输入电压突然由正向电压当输入电压突然由正向电压 VF 变为反向电压变为反

16、向电压VR时，时，PN 结两边存储的载流子在反向电压作用下朝各自原来的方向运动结两边存储的载流子在反向电压作用下朝各自原来的方向运动，即，即P 区中的电子被拉回区中的电子被拉回 N区，区，N区中的空穴被拉回区中的空穴被拉回 P区，形成区，形成反向漂移电流反向漂移电流IR 。 开始时空间电荷区依然很窄，二极管电阻很小，反向电流开始时空间电荷区依然很窄，二极管电阻很小，反向电流 IR VR /R。 经过时间经过时间ts 后，后，PN 结两侧存储的载流子显著减少，空间电结两侧存储的载流子显著减少，空间电荷区逐渐变宽，反向电流慢慢减小；直至经过时间荷区逐渐变宽，反向电流慢慢减小；直至经过时间tt 后，

17、后，IR 减减小至反向饱和电流小至反向饱和电流IS，二极管截止。该过程如下图所示。，二极管截止。该过程如下图所示。产生反向恢复时间tre 的原因？16 2. 2. 开通时间开通时间 开通时间：开通时间：二极管从反向截止到正向导通的时间称为开二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间。通时间。 由于由于PN结在正向电压作用下空间电荷区迅速变窄，正结在正向电压作用下空间电荷区迅速变窄，正向电阻很小，因而它在导通过程中及导通以后，正向压降都向电阻很小，因而它在导通过程中及导通以后，正向压降都很小，故电路中的正向电流很小，故电路中的正向电流IF VF/R。而且加入输入电压。而且加入输入电压VF后，回

18、路电流几乎是立即达到后，回路电流几乎是立即达到IF的最大值。的最大值。 即：即：二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。17 3.2.2 3.2.2 晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性各种不同三极管的实物图18 晶体三极管由集电结和发射结两个晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成。三极管结构成。三极管有截止、放大、饱和有截止、放大、饱和3种工作状态。种工作状态。 一个用一个用NPN型共发射极晶体三极管组成的简单电路及其型共发射极晶体三极管组成的简单电路及其输出特性曲线

19、如下图所示。输出特性曲线如下图所示。一静态特性一静态特性193. 饱和状态饱和状态 vB VTH，并达到一定值并达到一定值 ，两个，两个PN结均为正偏，结均为正偏，iB IBS(基极基极临界饱和电流临界饱和电流) VCC/Rc ,此时此时iC = ICS(集电极饱和电流集电极饱和电流)VCC/Rc。三。三极管呈现低阻抗，极管呈现低阻抗，类似于开关接通类似于开关接通。1. 截止状态截止状态 vI0，两个，两个PN结均为反偏，结均为反偏，iB0,iC 0,vCE VCC。三极管呈。三极管呈现高阻抗，现高阻抗，类似于开关断开类似于开关断开。 2. 放大状态放大状态 vI VTH ，发射结正偏，集电结

20、反偏，发射结正偏，集电结反偏，iC =iB 。电路工作特点：电路工作特点：20 晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极管的管的静态开关特性静态开关特性。 在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信号控制的在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭合闭合”与与“断开断开”。 上述共发射极晶体三极管电路在三极管上述共发射极晶体三极管电路在三极管截止与饱和截止与饱和状态下状态下的等效电路如下图所示。的等效电路如下图所示。21 晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程

21、中具有的特性称为三极管的动态特性。 三极管的内部也存在着电荷的建立与消失过程。两种状态的转换也需要一定的时间才能完成。二动态特性二动态特性如图所示电路的动态特性为：如图所示电路的动态特性为：22 当输入电压当输入电压vi由由-V1 跳变到跳变到+V2时，三极管从截止到开始导通所需要的时时，三极管从截止到开始导通所需要的时间间称为延迟时间称为延迟时间td。 经过延迟时间经过延迟时间td后，后，iC不断增大。不断增大。iC上升到最大值的上升到最大值的90%所需要的时间所需要的时间称称为上升时间为上升时间tr 。 当输入电压当输入电压vi由由+V2跳变到跳变到-V1时，集电极电流从时，集电极电流从I

22、CS到下降至到下降至0.9ICS所需要所需要的时间的时间称为存储时间称为存储时间ts。 集电极电流由集电极电流由0.9ICS降至降至0.1ICS所需的时间称为所需的时间称为下降时间下降时间tf 。23 1开通时间（开通时间（ ton ） 开通时间：三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间。开通时间：三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间。开通时间开通时间ton = 延迟时间延迟时间td +上升时间上升时间tr2. 关闭时间关闭时间 （ toff ） 关闭时间关闭时间 ：三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间：三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间。 关闭时间关闭时间toff =存储时间存储时间t

23、s +下降时间下降时间tf 开通时间ton和关闭时间toff是影响电路工作速度的主要因素。24 3.3 3.3 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的逻辑器件统称实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的逻辑器件统称为逻辑门电路，它们是组成数字系统的为逻辑门电路，它们是组成数字系统的基本单元电路。基本单元电路。 以以TTLTTL集成逻辑门和集成逻辑门和CMOSCMOS集成逻辑为例进行介绍。集成逻辑为例进行介绍。 要求：要求：重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性，以重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性，以及器件的使用方法。及器件的使用方法。对其内部结构和工作原理只要求作

24、一般对其内部结构和工作原理只要求作一般了解。了解。25一一. . 非门非门 非门又称非门又称“反相器反相器”。晶体三极管反相器的电路图和逻。晶体三极管反相器的电路图和逻辑符号如图辑符号如图 (a)和图和图(b)所示所示 。 3.3.1 3.3.1 简单逻辑门电路简单逻辑门电路A/VF/V0+5+50AF011026二二. . 与门与门一个由二极管构成的一个由二极管构成的2 2输入与门电路如下图所示。输入与门电路如下图所示。A/V B/ VF/V0 00 +5+5 0+5 +5000+5A BF0 00 11 01 1000127三三. . 或门或门一个由二极管构成的一个由二极管构成的2 2输入

25、或门电路如下图所示。输入或门电路如下图所示。A/V B/ VF/V0 00 +5+5 0+5 +50+5+5+5A BF0 00 11 01 10111283.3.2 TTL 3.3.2 TTL 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 TTL(Transistor Transistor Logic)电路是晶体管电路是晶体管- 晶体晶体管逻辑电路的简称。管逻辑电路的简称。60年代问世，经过对电路结构和工艺年代问世，经过对电路结构和工艺的不断改进，性能得到不断改善，至今仍被广泛应用于各的不断改进，性能得到不断改善，至今仍被广泛应用于各种逻辑电路和数字系统中。种逻辑电路和数字系统中。 TTL电路的功耗大、线路

26、较复杂，使其集成度受到一电路的功耗大、线路较复杂，使其集成度受到一定的限制，故广泛应用于中小规模逻辑电路中。定的限制，故广泛应用于中小规模逻辑电路中。 下面，对几种常见下面，对几种常见TTLTTL门电路进行介绍，重点讨论门电路进行介绍，重点讨论TTLTTL与与非门。非门。29一一. . 典型典型TTLTTL与非门与非门 该电路可按该电路可按 图中虚线划分为图中虚线划分为三部分：三部分： 输入级输入级 由多发射极晶体管由多发射极晶体管T1和电阻和电阻R1组成；组成； 中间级中间级 由晶体管由晶体管T2和电阻和电阻R2、R3组成；组成； 输出级输出级 由晶体管由晶体管T3、T4、D4和电阻和电阻R

27、4、R5组成。组成。1. 电路结构及工作原理电路结构及工作原理 (1) 电路结构电路结构 典型典型TTL与非门电路与非门电路图及相应逻辑符号如右图及相应逻辑符号如右图所示。图所示。30(2) 工作原理工作原理 逻辑功能分析如下：逻辑功能分析如下： 输入端全部接高电平输入端全部接高电平(3.6V)(3.6V)：电源电源V Vcccc通过通过R R1 1和和T T1 1的集电的集电结向结向T T2 2提供足够的基极电流，使提供足够的基极电流，使T T2 2饱和导通。饱和导通。T T2 2的发射极电流在的发射极电流在R R3 3 上产生的压降又使上产生的压降又使 T T4 4 饱和导通，输出为低电平

28、饱和导通，输出为低电平(0.3V)(0.3V)。 此时，此时，T T1 1的基极电压的基极电压v vb1b1=v=vbc1bc1+v+vbe2be2+v+vbe4be4 2.1V 2.1V；T T2 2的集电的集电极电压极电压v vc2c2 = v = vces2ces2+v+vbe4be40.3V+0.7V1V,0.3V+0.7V1V,该值不足以使该值不足以使T T3 3和和D D4 4导通导通, ,故故D D4 4截止。截止。实现了实现了“输入全高输入全高 ，输出为低，输出为低”的逻辑关系的逻辑关系。31 当有输入端接低电平当有输入端接低电平(0.3V)(0.3V)时：时：输入端为低的发射

29、结输入端为低的发射结导通，使导通，使T T1 1的基极电位的基极电位v vb1b1=0.3V+0.7V=1V=0.3V+0.7V=1V。该电压作用于。该电压作用于T T1 1的的集电结和集电结和T T2 2、T T4 4的发射结上，不可能使的发射结上，不可能使T T2 2和和T T4 4导通，即导通，即T T2 2、T T4 4均均截止。截止。 由于由于T T2 2截止，电源截止，电源V VCCCC通过通过R R2 2驱动驱动T T3 3和和D D4 4管，使之工作在导管，使之工作在导通状态，电路通状态，电路输出为高电平输出为高电平(3.6V)(3.6V)。通常将电路的这种工。通常将电路的这种

30、工作状态称为截止状态，它实现了作状态称为截止状态，它实现了“输入有低，输出为高输入有低，输出为高”的的逻辑功能。逻辑功能。32上述两种情况的等效电路分别如下：上述两种情况的等效电路分别如下： 33 综合上述：综合上述：当输入当输入A A、B B、C C均为高电平时，输出为低电平均为高电平时，输出为低电平(0V)(0V)；当；当 A A、B B、C C中至少有一个为低电平时，输出为高电中至少有一个为低电平时，输出为高电平平(3.6V)(3.6V)。 输出与输入之间构成输出与输入之间构成“与与非非”逻辑，逻辑， 即即CBAF输 入A B C输出FL L LL L HL H LL H HH L LH

31、 L HH H LH H HHHHHHHHL输入A B C输出F0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 111111110342. 主要外部特性参数主要外部特性参数 TTL与非门的主要外部特性参数有输出逻辑电平、开门与非门的主要外部特性参数有输出逻辑电平、开门电平、关门电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空电平、关门电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。载功耗等。 (2) 输出低电平输出低电平VOL：输出低电平输出低电平VoL是指输入全为高电平是指输入全为高电平时的输出电平。时的输出电平。VOL的典型值是的典型值是0.3V，产品规范值为，

32、产品规范值为VOL0.4V。 (1) 输出高电平输出高电平VOH ：输出高电平输出高电平VOH是指至少有一个输入是指至少有一个输入端接低电平时的输出电平。端接低电平时的输出电平。VOH的典型值是的典型值是3.6V。产品规范值。产品规范值为为VOH2.4V。35 (3) 开门电平开门电平VO N ：开门电平开门电平VON是指保证与非门输出为是指保证与非门输出为低电平时所允许的最小输入高电平，它表示使与非门开通的低电平时所允许的最小输入高电平，它表示使与非门开通的输入高电平最小值。输入高电平最小值。 VON的典型值是的典型值是1.5V，产品规范值为，产品规范值为VON1.8V。开门电平。开门电平的

33、大小反映了高电平抗干扰能力，的大小反映了高电平抗干扰能力，VON 愈小，在输入高电平时愈小，在输入高电平时的抗干扰能力愈强。的抗干扰能力愈强。 (4) 关门电平关门电平VOFF ：关门电平关门电平VOFF是指保证与非门输出为是指保证与非门输出为高电平时所允许的最大输入低电平，它表示使与非门关断的高电平时所允许的最大输入低电平，它表示使与非门关断的输入低电平最大值。输入低电平最大值。 VOFF 的典型值是的典型值是1.3V，产品规范值，产品规范值VOFF0.8V。关门电平。关门电平的大小反映了低电平抗干扰能力，的大小反映了低电平抗干扰能力，VOFF越大，在输入低电平越大，在输入低电平时的抗干扰能

34、力越强。时的抗干扰能力越强。为什么？为什么？为什么？为什么？36 (5) (5) 扇入系数扇入系数N Ni i ：指与非门提供的输入端数目。指与非门提供的输入端数目。 NiNi是由制造厂家安排的，一是由制造厂家安排的，一 般般NiNi为为2 25 5，最多不超过，最多不超过8 8。当应用中要求输入端数目超过。当应用中要求输入端数目超过N Ni i时，可通过分级实现的方时，可通过分级实现的方法减少对扇入系数的要求。法减少对扇入系数的要求。 (6) 扇出系数扇出系数No：指允许与非门输出端连接同类门的最指允许与非门输出端连接同类门的最多个数。多个数。 它反映了与非门的带负载能力它反映了与非门的带负

35、载能力.典型典型TTL与非门的扇出系与非门的扇出系数数No8。37 (7) 平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd: 指一个矩形波信号从与非门输入指一个矩形波信号从与非门输入端传到与非门输出端端传到与非门输出端(反相输出反相输出)所延迟的时间。所延迟的时间。 通常将从输入波上沿中点到输出波下沿中点的时间延迟称通常将从输入波上沿中点到输出波下沿中点的时间延迟称为为导通延迟时间导通延迟时间t tpHLpHL；从输入波下沿中点到输出波上沿中点的；从输入波下沿中点到输出波上沿中点的时间延迟称为时间延迟称为截止延迟时间截止延迟时间t tpLHpLH。 平均延迟时间定义为平均延迟时间定义为 tpd = (

36、 tpHL+ tpLH )/2 平均延迟时间是反映与非门开关速度的一个重要参数。平均延迟时间是反映与非门开关速度的一个重要参数。tpd 的典型值约的典型值约10ns ，一般小于，一般小于40ns。38 (8) 空载功耗空载功耗P：平均功耗指在空载条件下工作时所消耗平均功耗指在空载条件下工作时所消耗的平均电功率。的平均电功率。 通常将输出为低电平时的功耗称为通常将输出为低电平时的功耗称为空载导通功耗空载导通功耗PON，输出为高电平时的功耗称为输出为高电平时的功耗称为空载截止功耗空载截止功耗POFF ，一般，一般PON大大于于POFF 。 平均功耗平均功耗 P =(PON + POFF)/2 TT

37、L与非门的平均功耗一般为与非门的平均功耗一般为20mW左右。左右。 有关各种逻辑门的具体参数可在使用时查阅有关集成有关各种逻辑门的具体参数可在使用时查阅有关集成电路手册和产品说明书。电路手册和产品说明书。39二二. . 常用常用TTLTTL集成逻辑门集成逻辑门 常用的TTL集成逻辑门有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等不同功能的产品。各种集成逻辑门属于小规模集成电路，下图所示为几种常用逻辑门的芯片实物图。 40 基本逻辑门是指实现基本逻辑门是指实现3种基本逻辑运算的与门、或门和非种基本逻辑运算的与门、或门和非门。常用的门。常用的TTL与门集成电路芯片有四与门集成电路芯片有四2

38、输入与门输入与门7408，三，三3输入与门输入与门7411等。例如：等。例如：1. 1. 基本逻辑门基本逻辑门412 2、 复合逻辑门复合逻辑门 复合逻辑门是指实现复合逻辑运算的与非门、复合逻辑门是指实现复合逻辑运算的与非门、或非门、与或非门、异或门等。或非门、与或非门、异或门等。与非门与非门 常用的常用的TTL与非门集成电路芯片有四与非门集成电路芯片有四2输入与非门输入与非门7400，三三3输入与非门输入与非门7410，二，二4输入与非门输入与非门7420等。等。 422 2、 复合逻辑门复合逻辑门(2) (2) 或非门或非门 常用的常用的TTLTTL或非门集成电路芯片有四或非门集成电路芯片

39、有四2 2输入或非门输入或非门74027402，三三3 3输入或非门输入或非门74277427等。例如：等。例如：74027402432 2、 复合逻辑门复合逻辑门(3) (3) 与或非门与或非门 常用的常用的TTLTTL与或非门集成电路芯片有双与或非门集成电路芯片有双2-22-2与或非门与或非门74517451、3-2-2-33-2-2-3与或非门与或非门74547454等。例如：等。例如：74517451442 2、 复合逻辑门复合逻辑门(4) (4) 异或门异或门 异或门只有两个输入端，常用的TTL异或门集成电路芯片有7486等。下图所示为异或门的逻辑符号和7486 的引脚排列图。 注意

40、：一般注意：一般TTL逻辑门的输出是不能并联使用的，即两逻辑门的输出是不能并联使用的，即两个逻辑门的输出不能直接对接！个逻辑门的输出不能直接对接！453 3、 两种特殊逻辑门两种特殊逻辑门集电极开路门（集电极开路门（OCOC门）门） 一种输出端可以相互连接的特殊逻辑门，称为集电极开路门（Open Collector Gate，OC门）。 常用的TTL集电极开路门芯片有六反相器7405，四2输入与门7409，四2输入与非门7403，三3输入与非门7412，双4输入与非门7422，三3输入与门7415等。例如740346 使用集电极开路与非门可以很方便地实现使用集电极开路与非门可以很方便地实现“线

41、与线与” 逻逻辑、电平转换以及直接驱动发光二极管等。辑、电平转换以及直接驱动发光二极管等。 例如例如所示电路中，只要有一个门输出所示电路中，只要有一个门输出为低电平，输出为低电平，输出F F便为低电平；仅当两便为低电平；仅当两个门的输出均为高电平时，输出个门的输出均为高电平时，输出F F才为才为高电平。即高电平。即 该电路实现了两个与非门输出相该电路实现了两个与非门输出相“与与”的逻辑功能。的逻辑功能。由于该由于该“与与” 逻辑功能是由输出端引线连接实现的，故逻辑功能是由输出端引线连接实现的，故称为称为 线与线与 逻辑。逻辑。请问该电路功能与哪请问该电路功能与哪种逻辑门等效？种逻辑门等效？22

42、211121CBACBAFFF47 (2) 三态输出门三态输出门(TS门门) 三态输出门有三种输出状态：输出高电平、输出低电三态输出门有三种输出状态：输出高电平、输出低电平和高阻状态，前两种状态为平和高阻状态，前两种状态为工作状态工作状态（输出为（输出为0或或1），），后一种状态为后一种状态为禁止状态禁止状态（呈高阻状态，相当于断开）。简（呈高阻状态，相当于断开）。简称三态门称三态门(Three state Gate)、TS门等。门等。 注意注意 ! 三态门不是指具有三种逻辑值。三态门不是指具有三种逻辑值。 如何使电路处在工作状态和禁止状态？如何使电路处在工作状态和禁止状态？ 通过外加控制信号

43、！控制信号可分为高电平有效（通过外加控制信号！控制信号可分为高电平有效（EN）或低电平有效（或低电平有效（ ）EN48 常用的常用的TTL三态门芯片有四总线缓冲门三态门芯片有四总线缓冲门74125（使能控（使能控制端为低电平有效）、制端为低电平有效）、74126（使能控制端为高电平有效）（使能控制端为高电平有效），12输入与非门输入与非门74134（使能控制端为低电平有效）等。例（使能控制端为低电平有效）等。例如，如，74134的逻辑符号和引脚排列图如下：的逻辑符号和引脚排列图如下： 利用三态门不仅可以实现线与，而且被广泛应用于总利用三态门不仅可以实现线与，而且被广泛应用于总线传送，它既可用于

44、单向数据传送，也可用于双向数据传线传送，它既可用于单向数据传送，也可用于双向数据传送。送。49 右图所示为用三态门构成右图所示为用三态门构成的的单向数据总线单向数据总线。 当某个三态门的控制端为当某个三态门的控制端为1时，该逻辑门的输入数据经反时，该逻辑门的输入数据经反相后送至总线。相后送至总线。 为了保证数据传送的正确为了保证数据传送的正确性，性，任意时刻，任意时刻，n个三态门的控个三态门的控制端只能有一个为制端只能有一个为1，其余均为，其余均为0，即只允许一个数据端与总线即只允许一个数据端与总线接通，其余均断开，以便实现接通，其余均断开，以便实现 n 个数据的分时传送。个数据的分时传送。

45、三态与非门应用于总线传送时，它既可用于单向数据传三态与非门应用于总线传送时，它既可用于单向数据传送，也可用于双向数据传送。送，也可用于双向数据传送。50 用两种不同控制输入的三态门可构成的双向总线。用两种不同控制输入的三态门可构成的双向总线。 EN=1：G1工作，工作，G2处于处于高阻状态，数据高阻状态，数据D1被取反后送被取反后送至总线；至总线； EN=0：G2工作，工作，G1处于处于高阻状态，总线上的数据被取高阻状态，总线上的数据被取反后送到数据端反后送到数据端D2。 实现了数据的分时双向传实现了数据的分时双向传送。送。51 4TTL逻辑门的使用注意事项逻辑门的使用注意事项 TTL TTL

46、逻辑门的电源电压应满足逻辑门的电源电压应满足5V5V5%5%的要求，电源不能反的要求，电源不能反 接。接。 一般逻辑门的输出不能并联使用（一般逻辑门的输出不能并联使用（OCOC门和三态门除外），门和三态门除外）， 也不允许直接与电源或也不允许直接与电源或“地地”相连接。相连接。 对逻辑门的多余输入端，应根据不同逻辑门的逻辑要求接对逻辑门的多余输入端，应根据不同逻辑门的逻辑要求接 电源、地，或者与其他使用的输入引脚并接。例如，将与电源、地，或者与其他使用的输入引脚并接。例如，将与 门和与非门的多余输入端接电源，或门和或非门的多余输门和与非门的多余输入端接电源，或门和或非门的多余输 入端接地。总之

47、，既要避免多余输入端悬空造成信号干扰入端接地。总之，既要避免多余输入端悬空造成信号干扰 ，又要保证对多余输入端的处置不影响正常的逻辑功能。，又要保证对多余输入端的处置不影响正常的逻辑功能。523.3.3 3.3.3 CMOSCMOS集成逻辑门电路集成逻辑门电路 MOSMOS集成电路的基本元件是集成电路的基本元件是MOSMOS晶体管。晶体管。MOSMOS晶体管是一种晶体管是一种电压控制器件，它的三个电极分别称为电压控制器件，它的三个电极分别称为栅极栅极(G)(G)、漏极、漏极(D)(D)和和源极源极(S)(S)，由栅极电压控制漏源电流。由栅极电压控制漏源电流。 MOSMOS型集成门电路的主要型集

48、成门电路的主要优点：优点：制造工艺简单、集成度高制造工艺简单、集成度高、功耗小、抗干扰能力强等；、功耗小、抗干扰能力强等； 主要主要缺点：缺点：速度相对速度相对TTLTTL电路较低。电路较低。 53一、一、 CMOSCMOS主要系列主要系列 标准标准CMOS 4000系列。高速系列。高速CMOS 74HC系列。与系列。与TTL兼兼容的高速容的高速CMOS 74HCT系列。先进系列。先进CMOS 74AC系列。与系列。与TTL兼容的先进兼容的先进CMOS 74ACT系列。系列。 CMOS电路工作电压范围宽，电路工作电压范围宽，4000系列为系列为3V15V，74HC系列为系列为2V6V。 MOS

49、门电路有三种类型：门电路有三种类型： 使用使用P沟道管的沟道管的PMOS电路；电路； 使用使用N沟道管的沟道管的NMOS电路；电路； 同时使用同时使用PMOS管和管和NMOS管的管的CMOS电路。电路。 其中，其中，CMOS电路以其优越的性能而得到广泛应用。以电路以其优越的性能而得到广泛应用。以CMOS集成逻辑门为例讨论。集成逻辑门为例讨论。54 随着制造工艺的不断改进，随着制造工艺的不断改进，CMOSCMOS电路的工作速度已接近电路的工作速度已接近TTLTTL电路，而在集成度、功耗、抗干扰能力等方面则远远优于电路，而在集成度、功耗、抗干扰能力等方面则远远优于TTLTTL电路。目前，几乎所有的

50、超大规模集成器件，如超大规模存储电路。目前，几乎所有的超大规模集成器件，如超大规模存储器件、可编程逻辑器件等都采用器件、可编程逻辑器件等都采用CMOSCMOS工艺制造。工艺制造。 常用的常用的CMOSCMOS逻辑门有逻辑门有CMOS 4000CMOS 4000系列。高速系列。高速CMOS 74HCCMOS 74HC系列。系列。国产国产CMOSCMOS集成电路主要有集成电路主要有CC4000CC4000系列，其中第系列，其中第1 1个字母个字母C C代表中代表中国，第国，第2 2个字母个字母C C代表代表CMOSCMOS。二、二、 常用逻辑门常用逻辑门 下面以下面以40004000系列为例，给出

51、几种常用逻辑门的型系列为例，给出几种常用逻辑门的型号。号。55二、二、 常用逻辑门常用逻辑门 下面以下面以40004000系列为例，给出几种常用逻辑门的型系列为例，给出几种常用逻辑门的型号。号。1 1、 基本逻辑门基本逻辑门 常用的常用的CMOS非门集成电路芯片有：非门集成电路芯片有：六反相器六反相器4069 常用的常用的CMOS与门集成电路芯片有：与门集成电路芯片有：四四2输入与门输入与门4081， 双双4输入与门输入与门4082，三，三3输入与门输入与门4073等等 常用的常用的CMOS或门集成电路芯片有：或门集成电路芯片有：四四2输入或门输入或门4071，双双4输入或门输入或门4072，

52、三，三3输入或门输入或门4075等等562 2、 复合逻辑门复合逻辑门 4000系列常用的复合逻辑门有：系列常用的复合逻辑门有： 四四2输入或非门输入或非门4001 双双4输入或非门输入或非门4002 三三3输入或非门输入或非门4025 四四2输入与非门输入与非门4011 双双4输入与非门输入与非门4012 三三3输入与非门输入与非门4023 四异或门四异或门4030 573 3、 CMOS逻辑门的使用注意事项逻辑门的使用注意事项 注意所有规定的极限参数指标注意所有规定的极限参数指标 如电源电压、输入电压范围、允许功耗、工作环境和储如电源电压、输入电压范围、允许功耗、工作环境和储存环境温度范围

53、等。存环境温度范围等。 保证正常的电源电压值保证正常的电源电压值 CMOS逻辑门的电压工作范围较宽，大多在逻辑门的电压工作范围较宽，大多在3V18V范范围内均可以工作。一般令电源电压围内均可以工作。一般令电源电压VDD=(VDDmax+VDDmin)/2，其中其中VDDmax和和VDDmin分别表示工作电压的上限和下限。分别表示工作电压的上限和下限。58 输入端不允许悬空输入端不允许悬空 否则会导致门电路被击穿，一般可视具体情况接电源或否则会导致门电路被击穿，一般可视具体情况接电源或地。一般地。一般CMOS逻辑门的输出端不能并联使用。逻辑门的输出端不能并联使用。 采取一些常规的静电击穿防止措施

54、采取一些常规的静电击穿防止措施 由于由于CMOS逻辑门电路中逻辑门电路中MOS管栅极的氧化层很薄，容管栅极的氧化层很薄，容易被击穿。通常在开始进行实验、测量、调试时，应先接通易被击穿。通常在开始进行实验、测量、调试时，应先接通电源后加信号，结束时应先断开信号再关电源；拔插芯片时电源后加信号，结束时应先断开信号再关电源；拔插芯片时应先断开电源；储藏、运输时应用导电材料屏蔽等。应先断开电源；储藏、运输时应用导电材料屏蔽等。593.3.4 3.3.4 正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑 前面讨论各种逻辑门电路的逻辑功能时，约定用高电平前面讨论各种逻辑门电路的逻辑功能时，约定用高电平表示逻辑表示逻辑1、低电

55、平表示逻辑、低电平表示逻辑0。事实上，既可以规定用高电。事实上，既可以规定用高电平表示逻辑平表示逻辑1、低电平表示逻辑、低电平表示逻辑0，也可以规定用高电平表示，也可以规定用高电平表示逻辑逻辑0，低电平表示逻辑，低电平表示逻辑1。这就引出了正逻辑和负逻辑的概。这就引出了正逻辑和负逻辑的概念。念。 正逻辑：正逻辑：用高电平表示逻辑用高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑，低电平表示逻辑0。 负逻辑：负逻辑：用高电平表示逻辑用高电平表示逻辑0，低电平表示逻辑，低电平表示逻辑1。一一. . 正逻辑与负逻辑的概念正逻辑与负逻辑的概念60二二. 正逻辑与负逻辑的关系正逻辑与负逻辑的关系 对于同一电路，可以采用

56、正逻辑，也可以采用负逻辑。对于同一电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。正逻辑与负逻辑的规定不涉及逻辑电路本身的结构与性能好正逻辑与负逻辑的规定不涉及逻辑电路本身的结构与性能好坏，但不同的规定可使同一电路具有不同的逻辑功能。坏，但不同的规定可使同一电路具有不同的逻辑功能。 例如，假定某逻辑门电路的输入、输出电平关系如下表例如，假定某逻辑门电路的输入、输出电平关系如下表所示。所示。 按正逻辑与按正逻辑与负逻辑的规定，负逻辑的规定，电路的逻辑功能电路的逻辑功能分别如何？分别如何？输入、输出电平关系输入、输出电平关系A B FL LL HH LH H L L L H61 按正逻辑规定按正逻辑规定:

57、“与与”门门 按负逻辑规定按负逻辑规定: “或或”门门 即正逻辑与门等价于负逻辑或门。即正逻辑与门等价于负逻辑或门。输入、输出电平关系输入、输出电平关系A B FL LL HH LH HLLLH正逻辑真值表正逻辑真值表A B F0 00 11 01 1 0001负逻辑真值表负逻辑真值表A B F1 11 00 10 0111062 上述逻辑关系可以用反演律证明。假定一个正逻辑与门的上述逻辑关系可以用反演律证明。假定一个正逻辑与门的输出为输出为F F，输入为，输入为A A、B B，则有，则有 F = AF = AB B 若将一个逻辑门的输出和所有输入都反相，则正逻辑变为若将一个逻辑门的输出和所有

58、输入都反相，则正逻辑变为负逻辑。负逻辑。据此，据此，可将正逻辑门转换为负逻辑门。可将正逻辑门转换为负逻辑门。 在本课程中，若无特殊说明，约定按正逻辑讨论问题，所在本课程中，若无特殊说明，约定按正逻辑讨论问题，所有门电路的符号均按正逻辑表示。有门电路的符号均按正逻辑表示。根据反演律，可得根据反演律，可得BABAF63 3.4 3.4 逻辑函数的实现逻辑函数的实现 用逻辑函数表达式描述的各种逻辑问题均可用逻辑门用逻辑函数表达式描述的各种逻辑问题均可用逻辑门实现，而且实现某一逻辑功能的逻辑电路并不是唯一的。它实现，而且实现某一逻辑功能的逻辑电路并不是唯一的。它不仅与表征该逻辑功能的函数表达式形式及繁

59、简有关，而且不仅与表征该逻辑功能的函数表达式形式及繁简有关，而且与采用的逻辑门类型有关。与采用的逻辑门类型有关。 由于用逻辑代数中的与、或、非由于用逻辑代数中的与、或、非3 3种基本运算可以描述种基本运算可以描述各种不同的逻辑问题，所以使用相应的与门、或门、非门即各种不同的逻辑问题，所以使用相应的与门、或门、非门即可构成实现各种逻辑功能的电路。可构成实现各种逻辑功能的电路。 64例如例如 用用3 3种基本逻辑门实现逻辑函数种基本逻辑门实现逻辑函数 DBCB)(AF 采用采用3 3种基本逻辑门实现逻辑函数的必然结果是在一个种基本逻辑门实现逻辑函数的必然结果是在一个电路中要同时使用不同类型的逻辑门。实际应用中，人们电路中要同时使用不同类型的逻辑门。实际应用中，人们从电路中逻辑门性能以及类型的一致性考虑，广泛使用各从电路中逻辑门性能以及类型的一致性考虑，广泛使用各种复合逻辑门实现逻辑函数功能。种复合逻辑门实现逻辑函数功能。653.4.1 3.4.1 用与非门实现逻辑函数用与非门实现逻辑函数用与非门实现逻辑函数一般步骤：用与非门实现逻辑函数一般步骤： 第一步：求出函数的最简与第一步：求出函数的最简与或表达式。或表达式。 第二步：将最简与第二步：将最简与或表达式变换成与非或表达式变换成与非与非表达式。与非表达式。 第三步：画出逻辑电路图。第三步：