《数字电路》ppt课件

1、第二章第二章 数字电路数字电路*概述概述*2.1 2.1 晶体管开关特性晶体管开关特性*2.2 2.2 分立元件门电路分立元件门电路*2.3 TTL2.3 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路*2.4 2.4 其它类型的其它类型的TTLTTL门门*2.5 CMOS2.5 CMOS集成逻辑门电路集成逻辑门电路 知识要点知识要点1.1.半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性2.TTL2.TTL逻辑门的功能、外部特性逻辑门的功能、外部特性3.3.集电极开路输出集电极开路输出OCOC门和三态输出门和三态输出TSTS门门4.MOS4.MOS逻辑门的功能、外部特性逻辑门的功能、外部特性双值双值电路电路 “

2、 VL VL “ VH VH符号符号 “ 0 0 “ 1 1前面引见了逻辑变量是双值变量前面引见了逻辑变量是双值变量概述概述工程上：工程上：用用“0 0表示表示VLVL，用，用“1 1表示表示VHVH称正逻辑。称正逻辑。用用“0 0表示表示VHVH，用，用“1 1表示表示VLVL称负逻辑。称负逻辑。ECL: VEE=-5.2VECL: VEE=-5.2V； VL=-1.6V VL=-1.6V； VH=-0.8V VH=-0.8VCMOS: VDD=+3VCMOS: VDD=+3V+18V+18V； VL=0V; VH= VDD VL=0V; VH= VDDTTL: VCC=+5V; VL=0.

3、2V; VH=3.6VTTL: VCC=+5V; VL=0.2V; VH=3.6V1.1.双极型集成电路双极型半导体器件双极型集成电路双极型半导体器件: :2.2.单极型集成电路场效应管单极型集成电路场效应管: :特点特点: :速度快、负载才干强，但是功耗大、构造速度快、负载才干强，但是功耗大、构造较复杂，集成规模遭到一定限制。较复杂，集成规模遭到一定限制。特点特点: :构造简单、制造方便、集成度高、功耗低，构造简单、制造方便、集成度高、功耗低，但是速度稍慢。但是速度稍慢。3.3.集成规模分类集成规模分类小规模小规模(SSI):100(SSI):100000(VLSI):100000元器件元器

4、件4.4.设计方法和功能分类设计方法和功能分类非定制电路规范逻辑器件非定制电路规范逻辑器件全定制电路公用集成电路全定制电路公用集成电路半定制电路半定制电路PLDPLD2.1 2.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 A AB BU UR Rt t动态特性动态特性: : t 0( t 0( 断开断开 闭合闭合) )断开断开 RAB - RAB -静态特性静态特性闭合闭合 RAB=0 RAB=0一、理想开关一、理想开关2.1.1 2.1.1 二极管开关特性二极管开关特性二极管开关电路及特性曲线如下图二极管开关电路及特性曲线如下图: :1.1.静态特性静态特性二、二极管开关二、二极管开关硅管硅管 U

5、TH=0.7V UTH=0.7V 具有单导游电特性，但并非理想开关电路。具有单导游电特性，但并非理想开关电路。UDUDIDIDR RA A B B UD UD ID IDUTHUTHUBRUBR1/rD1/rD) 1(TDVUSDeII IS IS B. B.电压和电流之间是指数关系而不是线性关系。电压和电流之间是指数关系而不是线性关系。A.A.从二极管的伏安特性看实践的二极管并非理想从二极管的伏安特性看实践的二极管并非理想开关，它的正导游通电阻开关，它的正导游通电阻rDrD非非0(0(约为数十欧约为数十欧) )，反向截止电阻反向截止电阻r0r0也非无穷大也非无穷大( (数百千欧数百千欧) )

6、。主要差别：主要差别：因此，在工程上都做近似处置，以简化分析。因此，在工程上都做近似处置，以简化分析。2.2.动态特性动态特性由图可见，反向恢复时间由图可见，反向恢复时间t2t1t2t1，影响二极管，影响二极管开关速度的主要是开关速度的主要是t2t2。A.A.当外加电压由反向忽然变为正向时，须等待当外加电压由反向忽然变为正向时，须等待PNPN结结内部建立起足够的电荷浓度梯度才会有分散电流形内部建立起足够的电荷浓度梯度才会有分散电流形成，因此成，因此IDID滞后于滞后于UDUD的跳变。的跳变。B.B.当外加电压忽然由正向变成反向时，由于当外加电压忽然由正向变成反向时，由于PNPN结内结内部尚有一

7、定数量的存储电荷，因此瞬间有较大的反部尚有一定数量的存储电荷，因此瞬间有较大的反向电流，以后以指数规律趋于向电流，以后以指数规律趋于0 0。( (实践有反向漏电实践有反向漏电流流is)is)。时延的产生：时延的产生：2.1.2 2.1.2 双极型晶体三极管开关特性双极型晶体三极管开关特性一、静态特性一、静态特性 Rb RbUiUiRCRCVCCVCCUCEUCEUBEUBEICICIbIb晶体管开关电路晶体管开关电路 结果结果: IC=0: IC=0截止条件截止条件:Ube0(:Ube0(工程上工程上0.5V)0(eUbe0(e结正偏结正偏) )Ubc0(cUbc0(eUbe0(e结正偏结正偏

8、) )Ubc0(cUbc0(c结正偏结正偏) )UbesUbes Uces Ucesb bc ce ee ec cb be eUbesUbesb b c c二、动态特性二、动态特性在动态情况下，由于三极管内部电荷的建立和在动态情况下，由于三极管内部电荷的建立和散失过程均需求一定的时间，故散失过程均需求一定的时间，故ICIC和和UOUO的变化均的变化均滞后于滞后于UiUi的变化。的变化。UiUiICICUOUOtontontofftofft tt tt t2.2 2.2 分立元件门电路分立元件门电路 A AB BF F& &1.1.二极管与门二极管与门真真 值值 表表A B FA

9、 B F0 0 00 0 00 1 00 1 01 0 01 0 01 1 11 1 1A B FA B F0V 0V 0V0V 0V 0V0V 5V 0V0V 5V 0V5V 0V 0V5V 0V 0V5V 5V 5V5V 5V 5V功功 能能 表表 VCC VCCA AB BF=ABF=ABR R真真 值值 表表A B FA B F0 0 00 0 00 1 10 1 11 0 11 0 11 1 11 1 1功功 能能 表表A B FA B F0V 0V 0V0V 0V 0V0V 5V 5V0V 5V 5V5V 0V 5V5V 0V 5V5V 5V 5V5V 5V 5V2.2.二极管或门

10、二极管或门A AB BF F1 1 A AB BF=A+BF=A+BR RA AB BF F& &真值表真值表A B FA B F0 0 10 0 10 1 10 1 11 0 11 0 11 1 01 1 0 3. 3.与非门与非门A AB B Rb1 Rb1RCRCRb2Rb2 VbbVbbVCCVCCF FA AB BF F 1 1真真 值值 表表A B FA B F0 0 10 0 10 1 00 1 01 0 01 0 01 1 01 1 04.4.或非门或非门VCCVCCA AB B Rb1 Rb1RCRCRb2Rb2 VbbVbbF=A+BF=A+B2.3 TTL

11、2.3 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路低功耗肖特基低功耗肖特基(tpd=9nS) 74LS(tpd=9nS) 74LS肖特基肖特基(tpd =3nS) 74S(tpd =3nS) 74S高速高速(tpd =6nS) 74H(tpd =6nS) 74H典型典型(tpd =10nS) 74(tpd =10nS) 74系列系列 国际规范国际规范2.2.根据任务速度和功耗分根据任务速度和功耗分: :1.1.根据任务环境温度和电源电压任务范围的根据任务环境温度和电源电压任务范围的差别分为差别分为5454系列和系列和7474系列。系列。与门、或门、与非门、或非门、与或非门、非与门、或门、与非门、或非门

12、、与或非门、非门、异或门门、异或门3.3.按逻辑功能分按逻辑功能分4.4.按输出电路方式分按输出电路方式分 推拉输出推拉输出( (图腾柱输出图腾柱输出) )、集电极开路输出、集电极开路输出(OC)(OC)、 三态输出三态输出(TS)(TS)2.3.1 TTL2.3.1 TTL与非门电路构造及任务原理与非门电路构造及任务原理1.1.输入低电压输入低电压R1R1R2R2R4R4R3R3 A A B BD3D3T1T1T2T2T4T4T5T5VCCVCCF F4K4K1.6K1.6K 1K 1K1301300.3V0.3V0.3V0.3V1V1V0.6V0.6V5V5V0V0V4.3V4.3V3.6

13、V3.6VA A、B B中任一个为中任一个为“0“0或均为或均为“0“0T1T1通深饱和、通深饱和、T2T2截止截止T4T4通、通、D3D3通通T5T5截止、输出截止、输出“1“12.2.输入高电压输入高电压R1R1R2R2R4R4R3R3 A A B BD3D3T1T1T2T2T4T4T5T5VCCVCCF F4K4K1.6K1.6K 1K 1K1301303.6V3.6V3.6V3.6V2.1V2.1V1.4V1.4V0.7V0.7V1V1V0.3V0.3VA A、B B均为均为“1“1T1T1反导游通、反导游通、T2T2饱和导通饱和导通T4T4截止、截止、D3D3截止截止T5T5通深饱和

14、、输出通深饱和、输出“0“02.3.2 2.3.2 参数与目的参数与目的TTLTTL与非门主要外部特性参数：与非门主要外部特性参数：输入开门电平、关门电平、输出逻辑电平、扇入输入开门电平、关门电平、输出逻辑电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。系数、扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。1.1.输入开门电平和关门电平输入开门电平和关门电平“0“0:U(0),U(0)+:U(0),U(0)+U(0),U(0)+U(0),U(0)+U(0)1VU(0)1V“1“1:U(1)-:U(1)-U(1),U(1),U(1)-U(1),U(1),U(1)-U(1)1.4VU(1)1.4V2.2.

15、输出高低电平输出高低电平输出高电平输出高电平UOH3.6V=2.4VUOH3.6V=2.4V输出低电平输出低电平UOL0.3V=0.4VUOL0.3V=0.4V3.3.扇入系数扇入系数NINI与非门允许的输入端数目，与非门允许的输入端数目，NI=2-5NI=2-5，最多不超，最多不超越越8 8。实践运用中需求超越实践运用中需求超越NINI时，可运用时，可运用“与扩展器与扩展器或者或者“或扩展器来添加输入端的数目，也可运或扩展器来添加输入端的数目，也可运用分级实现的方法来减少对门电路输入端数目的用分级实现的方法来减少对门电路输入端数目的要求。要求。假设运用中所需输入端数比假设运用中所需输入端数比

16、NINI小小, ,可将多余输入端可将多余输入端接接VCCVCC与门、与非门或接地或门、或非门。与门、与非门或接地或门、或非门。UiUiN N个个“0 0No= IOHNo= IOHIiH=400AIiH=400A40A=1040A=10IOHIOHIiHIiHIiHIiHIiHIiH& & & & &4.4.扇出系数扇出系数NO:NO:拉电流负载拉电流负载“1 1IOH:IOH:输出高电平电流；输出高电平电流；IiHIiH：输入高电平电流。：输入高电平电流。UiUiN N个个“1Ni=IOLNi=IOLIiL=16mAIiL=16mA1mA=161mA=

17、16IOLIOLIiLIiLIiIiL LIiLIiL& & & & &“0应选应选N=10;N=10;工程上选工程上选N=6N=68 8。IOLIOL：灌入输出端的低电平电流；：灌入输出端的低电平电流；IiLIiL：从输入端：从输入端流出的低电平电流。流出的低电平电流。灌电流负载灌电流负载由于由于ICCH1.1mAICCH1.1mA所以空载截止功耗所以空载截止功耗 PH= ICCH PH= ICCH VCC5.5mW VCC5.5mW所以空载导通功耗所以空载导通功耗PL= ICCLPL= ICCL VCC17mW VCC17mW由于由于ICCL3.4m

18、AICCL3.4mA5.5.平均功耗：空载条件下任务时所耗费的电功率平均功耗：空载条件下任务时所耗费的电功率VCCVCCICCHICCHVOHVOH& &VCCVCC“1“1ICCLICCLVOLVOL& &平均功耗平均功耗P=(PL +PH)/2P=(PL +PH)/2A AF F& &2 21 1tpd= (tPHL+ tPLH)tpd= (tPHL+ tPLH)tPHLtPHLtPLHtPLHA AF F6.6.平均延迟时间平均延迟时间tpd tpd 导通时延导通时延截止时延截止时延tpd10nstpd10ns，普通小于，普通小于40ns4

19、0ns。2.4.1 2.4.1 集电极开路输出集电极开路输出(OC)(OC)门门BABAFFF1121“线与逻辑线与逻辑& & &F1F1F2F2F F“1“1A A“1“1B B例例: :线与线与2.4 2.4 其他类型的其他类型的TTLTTL门门VCCVCCVCCVCC 130 130 130 13038mA38mAT4T4T4T4 T5 T5 先来看看推拉输出构造的输出等效电路先来看看推拉输出构造的输出等效电路: :F1=0F1=0F2=1F2=1电流会烧坏逻辑门。电流会烧坏逻辑门。出端都不能短接在一同做出端都不能短接在一同做“线与衔接线与衔接, ,由于由于38m

20、A38mA的的 由推拉输出等效电路可知，任何两个逻辑门的输由推拉输出等效电路可知，任何两个逻辑门的输F F& & &F1F1F2F2F FT5T5R1R1R2R2R3R3 A A B BT1T1T2T2T5T5VCCVCCF F4K4K1.6K1.6K 1K 1K RL RL为实现为实现“线与，设计出线与，设计出OCOC门门: :T5T5F1F1F2F2F FT5T5 RL RLVCCVCCVCCVCCA A& & &F FF1F1F2F2B BD DC C RL RLCDABFFF21表示输出开路表示输出开路表示输出低电表示输出低电平常为低阻抗

21、平常为低阻抗OCOC门的特点门的特点: :(1)(1)必需外接上拉电阻必需外接上拉电阻RLRL；(2)(2)多个多个OCOC门的输出可以衔接在一同门的输出可以衔接在一同“线与；线与；(3)OC(3)OC门可实现电平转换；门可实现电平转换；+10V&OV(4)(4)用做驱动器。用做驱动器。+5V&270R1R1R2R2R4R4R3R3 A A B BD3D3T1T1T2T2T4T4T5T5F F4K4K1.6K1.6K 1K 1K130130VCCVCCENENP P M M H HG G1 11 12.4.2 2.4.2 三态输出门三态输出门(TS)(TS)门门具有三种输出形状

22、：输出高电平、输出低电平和具有三种输出形状：输出高电平、输出低电平和高阻形状。高阻形状。 ( (任务态任务态) )。所致，即所致，即H H门后的二级管截止，门后的二级管截止，M M点电压不变，故点电压不变，故EN=“1EN=“1使使P P点为点为“1“1, ,由于由于P P点的点的1 1是是H H门输出为门输出为“1“1ABF R1R1R2R2R4R4R3R3 A A B BD3D3T1T1T2T2T4T4T5T5F F4K4K1.6K1.6K 1K 1K130130VCCVCCENENP P M M H HG G1 11 1EN=“0EN=“0时，时，M M点为点为0.9V0.9V，Vb5=

23、0VVb5=0V，故，故T4T4、T5T5均截止，均截止，输出为高阻态输出为高阻态( (第三态第三态) )，相当于开路。，相当于开路。R1R1R2R2R4R4R3R3 A A B BD3D3T1T1T2T2T4T4T5T5F F4K4K1.6K1.6K 1K 1K130130VCCVCCENENP P M M H HG G1 11 1(1)TS(1)TS门不需外接上拉电阻；门不需外接上拉电阻；TSTS门的特点门的特点: :(2)EN=1(2)EN=1，电路处于任务形状，称为使能控制端高，电路处于任务形状，称为使能控制端高电平有效的三态与非门；电平有效的三态与非门；& &B BA

24、 AENENF F高电平有效高电平有效& &B BA AENENF F低电平有效低电平有效A1A1& & &F1F1FnFnB1B1BnBnAnAnENnENnEN1EN1总线总线(3)(3)三态门可以把多个门的输出衔接在一同，作为三态门可以把多个门的输出衔接在一同，作为总线输出方式；但任一时辰只允许一个门处于任总线输出方式；但任一时辰只允许一个门处于任务态，其他的必需处于高阻态，以便分时传送。务态，其他的必需处于高阻态，以便分时传送。例：画出输出波形。例：画出输出波形。1 1C CA AENENF F& &B B.0111BZCBABA

25、ZC，；，ABCFTTLTTL门闲置输入端的处置：门闲置输入端的处置：& &A AB BF F处置原那么：不影响信号端的正常逻辑运算。处置原那么：不影响信号端的正常逻辑运算。1.1.与门、与非门与门、与非门(1)(1)接接1 1(VCC)(VCC)，优点是不添加信号端的驱动电，优点是不添加信号端的驱动电流；流；(2)(2)与信号端并接运用，优点是能提高逻辑可靠性，与信号端并接运用，优点是能提高逻辑可靠性，但使信号端要提供的驱动电流增大；但使信号端要提供的驱动电流增大；(3)(3)闲置闲置(TTL(TTL门输入端闲置等效输入为门输入端闲置等效输入为“1 1) )。(1)(1)接接

26、“0 0( (地地) )；(2)(2)与信号端并接运用；与信号端并接运用；2.2.或门、或非门或门、或非门(3)(3)不允许闲置不允许闲置/ /悬浮。悬浮。2.5 CMOS2.5 CMOS集成逻辑门电路集成逻辑门电路具有制造工艺简单具有制造工艺简单集成度高集成度高功耗小功耗小抗干扰才干强抗干扰才干强等优点等优点;有有PMOS、NMOS、CMOS电路电路3种类型，种类型， CMOS 电路是目前运用最广泛的一类电路是目前运用最广泛的一类;几乎一切超大规模集成器件，如超大规模存储器几乎一切超大规模集成器件，如超大规模存储器件件可编程器件等都采用可编程器件等都采用CMOS工艺制造。工艺制造。单极型集成

27、电路单极型集成电路, 电压控制型器件电压控制型器件, 任务时只需一种任务时只需一种载流子参与导电，输入阻抗高，温度稳定性好载流子参与导电，输入阻抗高，温度稳定性好 。2.5.1 2.5.1 场效应晶体管场效应晶体管结型场效应管结型场效应管JFETJFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSMOS场效应管有两种场效应管有两种: :N N沟道沟道P P沟道沟道耗尽型耗尽型加强型加强型耗尽型耗尽型加强型加强型 MOS绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管N沟道沟道1 1 构造构造P PGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层金属铝N导电沟道未预留未预留 N N沟道加强型沟道加强型预留预留 N N沟道耗尽型沟道耗

28、尽型N NN N2 2逻辑符号逻辑符号P P沟道加强型沟道加强型G GS SD DG GS SD DN N沟道加强型沟道加强型栅极栅极漏极漏极源极源极NMOSFETNMOSFET：VGS VTN(+2V)VGS VTN(+2V)，构成沟道，等效开关接通；，构成沟道，等效开关接通；VGSVGS VTN(+2V) VTN(+2V)，沟道夹断，等效开关断开。，沟道夹断，等效开关断开。G GS SD DVDDVDDPMOSFET:PMOSFET:VGS VTP(VGS VTP(2V)2V)，构成沟道，构成沟道, ,等效开关接通；等效开关接通；VGSVGS VTP( VTP(2V)2V)，沟道夹断，等效开关断开。，沟道夹断，等效开关断开。沟道导通内阻小于沟道导通内阻小于1K1K，相对于外电路可以忽略。，相对于外电路可以忽略。G GS SD DVDDVDD(1)(1)假设假设Ui=0Ui=0VGS1=0VTN VGS1=0VTN 所以所以T1T1截止；截止；VGS2=- VDDVTP VGS2=-