第三章 逻辑门电路

1、第三章第三章 逻辑门电路逻辑门电路 3.1 逻辑门电路简介逻辑门电路简介 3.2 基本基本CMOS逻辑门电路逻辑门电路 3.3 其他其他CMOS逻辑门电路逻辑门电路 3.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路 3.5 集成逻辑门使用中的实际问题集成逻辑门使用中的实际问题3.1 逻辑门电路简介一、一、逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路PMOS门CMOS门门逻辑门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) TTL (Transistor-Transistor

2、Logic)CMOS集成电路集成电路: :广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢与TTL不兼容抗干扰功耗低74LVC 74VAUC速度加快与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低速度两倍于74HC与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低低(超低)电压速度更加快与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低 74系列74LS系列74AS系列 74ALSTTL 集成电路集成电路: :广泛应用于中大规模集成电路 1.输入和输出的高低电平 2. 噪声容限：门电路的抗干扰能力 3. 传输延迟时间 4. 功耗：静态和动态 5. 延时-功耗积 6. 扇入数与扇出数 扇入

3、数：输入端个数 扇出数：能带的同类门电路最大数目二、二、逻辑电路的一般特性逻辑电路的一般特性min IHUmax ILUNHUNLUOHUOLUmin OHUmax OLUIHUILU驱动门驱动门负载门负载门G1G2UNL： 输入为低电平时的噪声容限。输入为低电平时的噪声容限。UNH： 输入为高电平时的噪声容限。输入为高电平时的噪声容限。理想开关的开关特性理想开关的开关特性一、一、 静态特性静态特性1. 断开断开 0 OFFOFF IR，2. 闭合闭合 0 0AKON UR，SAK3.2.1 MOS 管的开关特性管的开关特性 3.2 基本CMOS逻辑门电路二、动态特性二、动态特性1. 开通时间

4、：开通时间：2. 关断时间：关断时间：闭合）闭合）（断开（断开断开）断开）（闭合（闭合普通开关：普通开关：静态特性好，动态特性差静态特性好，动态特性差半导体开关：半导体开关：静态特性较差，动态特性好静态特性较差，动态特性好几百万几百万/ /秒秒几千万几千万/ /秒秒0on t0off tSAKMOS 管的开关特性管的开关特性( (电压控制型电压控制型) )一、一、 静态特性静态特性1. 结构和特性结构和特性：(1) N 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 S3V4V5VuGS = 6ViD /mA42643210uGS /ViD /mA43210246810uDS /V可可变变电电

5、阻阻区区恒流区恒流区UTNiD开启电压开启电压UTN = 2 V+ +- -uGS+ +- -uDS衬衬底底漏极特性漏极特性转移特性转移特性uDS = 6V截止区截止区P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管与与 N 沟道有对偶关系。沟道有对偶关系。 (2) P 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 SiD+ +- -uGS+ +- -uDS衬衬底底iD /mAiD /mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2- 3V- 4V- 5VuGS = - 6V-1-2-3-4-6uGS /VuDS /V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区 漏极特性漏极特性 转移特性转移特性截止区截止

6、区UTPuDS = - 6V开启电压开启电压UTP = - 2 V参考方向参考方向2. MOS管的开关作用：管的开关作用：TNIUu DDOHOVUu V0OLO Uu(1) N 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO+VDD+10VRD20 k GDSuIuOTNIUu 开启电压开启电压UTN = 2 ViD+VDD+10VRD20 k GDSuIuORONRDTPIUu DDOLO VUu V0OLO Uu(2) P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管-VDD-10VRD20 k BGDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuOTPIU

7、u 开启电压开启电压UTP = 2 V-VDD-10VRD20 k GDSuIuOiD二、二、 动态特性动态特性MOS 管的开关特性管的开关特性+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO延迟原因：延迟原因：栅极与衬底间电容、漏级与衬底间栅极与衬底间电容、漏级与衬底间电容、栅极电容、栅极-漏极间电容以及导通电阻，存在充放漏极间电容以及导通电阻，存在充放电过程电过程Rd作用：作用：输入为输入为H时，流经时，流经NMOS管电流大，管电流大，Rd限流，功耗大限流，功耗大改进改进PMOS 管代替管代替Rd+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+ +- -uGSN+ +

8、- -uGSPAY 一、一、电路组成及工作电路组成及工作原理原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0 V UTN UTN UTP导通导通截止截止0 VUTN = 2 VUTP = 2 V+10VRONPuY +VDD10VSTNTP+10VRONNuY +VDD0VSTNTP3.2.2 CMOS 反相器反相器二、二、静态特性静态特性1. 电压传输特性：电压传输特性：)(IOufu iD+VDDB1G1D1S1+ +uI - -uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB 段：段：uI UTN ，uO = VDD 、 iD 0， 功耗极小

9、。功耗极小。0uO /VuI /VTN 截止、截止、TP 导通，导通，BC 段：段：, TNIUu TN 导通导通，uO 略下降。略下降。CD 段：段：TN、TP 均均导通。导通。, 5 . 0DDIVu 。 (max)DDOiiuDE、EF 段：段：与与 BC、AB 段对应，段对应，TN、TP 的状态与之相反。的状态与之相反。导通导通截止截止 :TN截止截止导通导通 :TP转折电压转折电压UNL： 输入为低电平时的噪声容限。输入为低电平时的噪声容限。UNH： 输入为高电平时的噪声容限。输入为高电平时的噪声容限。= 0.3VDD2. 电流传输特性：电流传输特性：)(IDufi iD+VDDB1

10、G1D1S1+ +uI - -uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO / VuI / VA BCDEF0iD / mAuI / VUTH电压传输特性电压传输特性电流传输特性电流传输特性AB、EF 段：段： TN、TP总有一个为总有一个为截止状态，故截止状态，故 iD 0 。CD 段：段： TN、Tp 均导通，流过均导通，流过两管的漏极电流达到最大两管的漏极电流达到最大值值 iD = iD（max) 。阈值电压：阈值电压：UTH = 0.5 VDD（VDD = 3 18 V）3. CMOS反相器优点：反相器优点：一、静态功耗非常低；一、静态功耗非

11、常低；二、开关速度快，带负载能力强二、开关速度快，带负载能力强；三、输入电阻非常高。三、输入电阻非常高。UO L H3. 2. 3 CMOS 与非门、或非门与非门、或非门A BTN1 TP1 TN2 TP2Y0 00 11 01 1截截通通截截通通通通通通通通截截截截通通截截截截截截截截通通通通1110与非门与非门一、一、CMOS 与与非门非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TP2TN2ABYuBuYAB&00100111ABY =或非门或非门BAY 二、二、CMOS 或或非门非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TN2TP2ABYuBuYA BTN1 TP1 TN2 TP2

12、Y0 00 11 01 1截截通通截截通通通通通通通通截截截截通通截截截截截截截截通通通通1000AB1001001113.3 其他CMOS逻辑门电路3.3.1 逻辑门的保护和缓冲电路逻辑门的保护和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 输输入入保保护护缓缓冲冲电电路路 输输出出缓缓冲冲电电路路 vi vo 采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。1. 1. 输入端保护电路输入端保护电路: :C1、C2 栅极等效栅极等效输入输入电容电容(1) 0 uA VDD + uDF D 导通电压：导通电压：uDF = 0.5 0

13、.7 V(3) uA uDF 二极管导通时，限制了电容二极管导通时，限制了电容两端电压的增加。两端电压的增加。保护网络保护网络+VDDuYuATPD1C1C2RSTND2D3VSSD1、D2、D3 截止截止D2、D3 导通导通uG = VDD + uDFD1 导通导通 uG = uDF2. 反相缓冲的门电路反相缓冲的门电路在原电路的输入端和输出端加反相器。在原电路的输入端和输出端加反相器。1ABYBAY BA BA 与非门与非门或非门或非门同理同理缓冲缓冲或非门或非门与非门与非门缓冲缓冲&11以与非门为例以与非门为例 +VDDTN1TN2AB+VDDAB01思考题：思考题：如果两个或非

14、门输出端连接在一起，会如何？如果两个或非门输出端连接在一起，会如何？存在问题：电流？输出高电平还是低电平？存在问题：电流？输出高电平还是低电平？3.3.2 . CMOS 漏极开路漏极开路门门( (OD门门 Open Drain) )1. 电路组成电路组成BA&1+V DDYBGDSTNVSSRD外接外接YAB&符号符号(1) 漏极开路，工作时必须外接电源和电阻。漏极开路，工作时必须外接电源和电阻。2. 主要特点主要特点(2) 可以实现可以实现线与线与功能：功能：输出端用导线连接起来实现与运算。输出端用导线连接起来实现与运算。YCD&P1P2+V DDYRD21PPY C

15、DAB CDAB ( (3) ) 可实现逻辑电平变换：可实现逻辑电平变换：DDOHVU (4) 带负载能力强。带负载能力强。当VO=VOL(max)(min)(max)DDOLpOLIL(total)VVRII当VO=VOH(min)(max)DDIHpOZ(total)IH(total)VVRII极端情况：只有一个极端情况：只有一个 OD门导通门导通3.3.3 . CMOS传输门传输门双向模拟开关双向模拟开关、数据选择器、触发器、数据选择器、触发器1. 电路组成：电路组成：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuCTNCIO/uuOI/uuTGC2. 工作原理：工作原理：:0 1 ) 1 (

16、 CC、TN、TP至少一个导通，至少一个导通，)0( DDIOVuu :1 0 )2( CC、TN、TP均截止，均截止， IOuu 导通电阻小导通电阻小( (几百欧姆几百欧姆) )关断电阻大关断电阻大( ( 109 ) )(TG 门门 Transmission Gate)3. 应用举例：应用举例：3.3.4 . CMOS 三态门三态门1. 电路组成电路组成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN21EN2. 工作原理工作原理1 ) 1 ( ENY 与上、下都断开与上、下都断开 TP2、TN2 均截止均截止Y = Z( (高阻态高阻态 非非 1 非非 0) )AY TP2、TN2 均导通均导通0

17、110 ) 2 ( EN010控制端低电平有效控制端低电平有效( (1 或或 0) )3. 逻辑符号逻辑符号YA1ENEN使能端使能端 EN 4. 应用举例：应用举例：(1) 用做多路开关用做多路开关YA1EN1EN1ENA21G1G2使能端使能端10禁止禁止使能使能1A 01使能使能禁止禁止2A 时时 0 EN时时 1 EN(2) 用于信号双向传输用于信号双向传输A1EN1EN1ENA21G1G2时时 1 EN2A 1A 时时 0 EN01禁止禁止使能使能10使能使能禁止禁止(3) 构成数据总线构成数据总线EN1EN1EN1G1G2Gn1EN2ENnENA1A2An数据总线数据总线01110

18、1110 注意：注意：任何时刻，只允许一个三态门使能，其余为高阻态。任何时刻，只允许一个三态门使能，其余为高阻态。 思考：思考：T高阻态高阻态 有效电平有效电平 T有效电平有效电平 高阻态高阻态 哪个时间长？哪个时间长？3.3.5. CMOS 电路使用中应注意的几个问题电路使用中应注意的几个问题一、一、CC4000 和和 C000 系列集成电路系列集成电路1. CC4000 系列：系列：符合国家标准，电源电压为符合国家标准，电源电压为 3 18 V，功能和外部引线排列与对，功能和外部引线排列与对应序号的国外产品相同。应序号的国外产品相同。2. C000 系列：系列：早期集成电路，电源电压为早期

19、集成电路，电源电压为 7 15 V，外部引线排列顺序与外部引线排列顺序与 CC4000 不同，不同，用时需查阅有关手册。用时需查阅有关手册。传输延迟时间传输延迟时间 tpd标准门标准门 = 100 nsHCMOS = 9nsHCMOS: 54/74 系列系列54/74 HC( (带缓冲输出带缓冲输出) )54/74 HCU( (不带缓冲输出不带缓冲输出) )54/74 HCT( (与与 LSTTL 兼容兼容) )二、高速二、高速 CMOS (HCMOS) 集成电路集成电路三、三、CMOS 集成电路的主要特点集成电路的主要特点(1) 功耗极低。功耗极低。LSI：几个：几个 W ， MSI：100

20、 W (2) 电源电压范围宽。电源电压范围宽。CC4000 系列：系列：VDD = 3 18 V(3) 抗干扰能力强。抗干扰能力强。输入端噪声容限输入端噪声容限 = 0.3VDD 0.45VDD(4) 逻辑摆幅大。逻辑摆幅大。(5) 输入阻抗极高。输入阻抗极高。(6) 扇出能力强。扇出能力强。扇出系数：带同类门电路的个数，其大小扇出系数：带同类门电路的个数，其大小 反映了门电路的带负载能力。反映了门电路的带负载能力。 (7) 集成度很高，温度稳定性好。集成度很高，温度稳定性好。(8) 抗辐射能力强。抗辐射能力强。(9) 成本低。成本低。DDOHOL , V0VUU CC4000系列：系列： 5

21、0个个 10 8四、四、CMOS 电路使用中应注意的几个问题电路使用中应注意的几个问题1. 注意输入端的静电防护。注意输入端的静电防护。2. 注意输入电路的过流保护。注意输入电路的过流保护。3. 注意电源电压极性。注意电源电压极性。5. 多余的输入端不应悬空。多余的输入端不应悬空。6. 输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。与与门门 、 与与非门非门 ：接电源接电源 或或 与其他输入端并联与其他输入端并联或或门门 、 或或非门非门 ：接地接地 或或 与其他输入端并联与其他输入端并联多余输入端多余输入端 的处理的处理思考原因？思考原因？4. 输出

22、端不能和电源、地短接。输出端不能和电源、地短接。因为输入阻抗极高因为输入阻抗极高 （ 108 ）故故 输入电流输入电流 0 ，电阻上的压降，电阻上的压降 0。 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性1. 外加正向电压外加正向电压( (正偏正偏) )二极管导通二极管导通( (相当于开关闭合相当于开关闭合) ) V7 . 0D U2. 外加反向电压外加反向电压( (反偏反偏) ) V5 . 0 DU二极管截止二极管截止( (相当于开关断开相当于开关断开) )阴极阴极A阳极阳极KPN结结- -AK+ +DUDIP区区N区区+- - - - -正向正向导通区导通区反向反向截止区截止区反向反向击穿

23、区击穿区0.5 0.7/ /mADI/ /V0(BR)UDU3.4 TTL逻辑门电路NPN半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性发射结发射结集电结集电结发射极发射极emitter基极基极base集电极集电极collectorbiBiCec1. 结构、符号和输入、输出特性结构、符号和输入、输出特性( (2) ) 符号符号NNP( (1) ) 结构结构( (3) ) 输入特性输入特性CE)(BEBuufi (4) 输出特性输出特性B)(CECiufi iC / mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB = 00 2 4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区0

24、CE uV1CE u0uBE /ViB / A发射结正偏发射结正偏放大放大i C= iB集电结反偏集电结反偏饱和饱和 i C iB两个结正偏两个结正偏I CS= IBS临界临界截止截止iB 0, iC 0两个结反偏两个结反偏电流关系电流关系状态状态 条条 件件2. 开关应用举例开关应用举例 V2 )1(L II Uu V3 )2(H II Uu发射结反偏发射结反偏 T 截止截止0 0CB ii V12CCO Vu发射结正偏发射结正偏 T 导通导通+ RcRb+VCC (12V)+uo iBiCTuI3V-2V2 k 100 2.3 k bBEIBRuui cCESCCCSBSRUVIIBSB

25、Ii 饱和饱和 T饱和导通条件：饱和导通条件：cCCBSB RVIi + RcRb+VCC +12V+uo iBiCTuI3V-2V2 k 100 2.3 k mA 1mA3 . 27 . 03 mA 06. 0mA210012 cCC RV V)7 . 0(BE uV 3 . 0CESOUu 因为因为所以所以+VCC(5V)R1uIuo4k AD1T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1 保护二极管保护二极管 防止输入电压过低。防止输入电压过低。当当 uI uB uE现在现在 : uE uB uC ，即，即 发射结反偏发射结反偏 集电结

26、正偏集电结正偏 倒置放大倒置放大02. 0 i iii = i ib =(1+ i )ib4.3Vc e 3.6 V1.4V0.7V2.1V V6 . 3 )2(IHI Uu1.4V+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y V6 . 3 IHI UuT1 倒置放大状态倒置放大状态mA 725. 011BCCB1 RuVimA74. 0)1(B1iB2 ii 假设假设 T2 饱和导通饱和导通 V14BECES2C2 uuuT3 、D 均截止均截止mA 2.5 2C2CCCS2 RuVI( (设设1 4 = 20) )mA 125. 02CS2B

27、S2 IIBS2B2B2 , mA 74. 0Iii 则则T2 饱和的假设成立饱和的假设成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思考：思考：D 的作用？的作用？若无若无 D，此时，此时 T3 可以可以导通，电路将不能实现导通，电路将不能实现正常的逻辑运算正常的逻辑运算因为因为3.6 ViE1+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y V6 . 3IHI UuT1 倒置放大状态倒置放大状态T2 饱和，饱和，T3 、D 均截止均截止3.6 2.1 1.4 0.7 1 T4 的工作状态：导通的工作状态：导通放大还是放大还是饱和？饱和？R3

28、E2B4iii mA 24. 3CS2B2E2 IiimA 0.717 . 03E23 RuiRmA 2.54 iB2ICS2iB1iE1iE2iB4iR3又因为又因为 T3、D 均截止，即均截止，即0 0BS4CS4 II、BS4B4 Ii T4 深度饱和：深度饱和：uO = UCES4 0.3V（无外接负载）（无外接负载）若外接负载若外接负载 RL ： BS4CS4 II O4 Tu的饱和程度的饱和程度RL+VCC0.3 所以所以3. 电压传输特性：电压传输特性：)(IOufu 1+VCC+5VuI+ +- -uO+ +- -A B0uO /VuI /V12341234AB 段：段：uI

29、0.5 V ， uB1 1.4 V ，T2 、T4 饱和饱和导通，导通， T3 、D 截止。截止。uO = UOL 0.3 V阈值电压阈值电压4. 输入端噪声容限输入端噪声容限uIuO1G1G21min IHUmax ILUNHUNLUOHUOLUmin OHUmax OLUIHUILU输出高电平输出高电平 V4 . 2min OH U典型值典型值 = 3.6 V 输出低电平输出低电平 V4 . 0max OL U典型值典型值 = 0.3 V 输入高电平输入高电平 V0 . 2min IH U典型值典型值 = 3.6 V 输入低电平输入低电平 V8 . 0max IL U典型值典型值 = 0.

30、3 V UNH 允许叠加的负向噪声电压的最大值允许叠加的负向噪声电压的最大值G2 输入高电平时的输入高电平时的噪声容限：噪声容限：V4 . 0IHminmin OHNH UUUUNL 允许叠加的正向噪声电压的最大值允许叠加的正向噪声电压的最大值G2 输入低电平时的输入低电平时的噪声容限：噪声容限：V4 . 0max OLILmaxNL UUU4. 4. 传输延迟时间传输延迟时间1uIuO 50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL 输出电压由高到输出电压由高到 低时的传输延迟低时的传输延迟 时间。时间。tpd 平均传输延迟时间平均传输延迟时间2PLHPHLpdttt tPLH

31、 输出电压由低到输出电压由低到 高时的传输延迟高时的传输延迟 时间。时间。tPHLtPLH典型值：典型值： tPHL= 8 ns , tPLH= 12 ns最大值：最大值： tPHL= 15 ns , tPLH= 22 ns一、一、TTL 与与CMOS电路比较电路比较速度速度功耗功耗噪声容限噪声容限扇出系数扇出系数集成度集成度TTL快快大大小小小小低低CMOS 慢慢小小大大大大高高工作电压工作电压输入阻抗输入阻抗电源电源地地频率响应频率响应TTL5V5MVCCGND5MHzCMOS3-18V10MVDDVSS100KHz3.5 逻辑门使用中的实际问题以以74LS和和74HC为例为例74LS：T

32、TL集成电路集成电路74HC: CMOS集成电路集成电路高电平高电平低电平低电平带负载特性带负载特性输入特性输入特性74LS2.0V0.8V上拉弱，上拉弱，下拉强下拉强输入内部有上拉，输入内部有上拉，输入开路高电平输入开路高电平74HC0.7倍电倍电源电压源电压0.3倍电倍电源电压源电压上拉下拉上拉下拉能力相同能力相同输入电阻高，输输入电阻高，输入开路电平不定入开路电平不定二、抗干扰措施二、抗干扰措施输入端是输入端是MOS管的绝缘栅极，管的绝缘栅极， 它与其它电极间的绝缘层很容它与其它电极间的绝缘层很容易被击穿。虽然内部设置有保护电路，但它只能防止稳态过压，易被击穿。虽然内部设置有保护电路，但

33、它只能防止稳态过压，对瞬变过压保护效果差，对瞬变过压保护效果差，因此因此MOS门的多余端不允许悬空门的多余端不允许悬空。与与门门 、 与与非门非门 ：接电源接电源 或或 与其他输入端并联与其他输入端并联或或门门 、 或或非门非门 ：接地接地 或或 与其他输入端并联与其他输入端并联 (1) CMOS门门3. 多余端处理多余端处理1. 去耦合滤波电容去耦合滤波电容2. 接地和安装工艺接地和安装工艺 对于对于或门及或非门或门及或非门的多余输入端，可以使其输入的多余输入端，可以使其输入低电平低电平。通过小于通过小于500的电阻接地或直接接地。的电阻接地或直接接地。在前级门的扇出系数有富余时，也可以和有用输入在前级门的扇出系数有富余时，也可以和有用输入端并联连接。端并联连接。 (2) TTL门门 TTL门的输入端悬空，相当于输入高电平，但是为防止引入干门的输入端悬空，相当于输入高电平，但是为防止引入干扰，通常不允许其输入端悬空。扰，通常不允许其输入端悬空。 对于对于与门和与非门与门和与非门的多余输入端，可以使其输入的多余输入端，可以使其输入高电平高电平。 通过上拉电阻通过上拉电阻R(1