数字逻辑电路集成门电路

1、数字逻辑电路集成门电路数字逻辑电路集成门电路2第第2章章 集成门电路集成门电路2.1 概述2.2 CMOS2.3 双极型门电路2.4 BICMOS2.5 集成门电路的应用举例数字逻辑电路集成门电路32.1 概述一、集成门电路按其内部有源器件的分类 双极型晶体管TTL(晶体管晶体管逻辑)集成门电路，包括LSTTL(低功耗肖特基TTL)，ECL(射极耦合逻辑)电路和I2L(集成注入逻辑)电路等几种类型。 特点：工作速度高，驱动能力强，但功耗大，集成度低。 单极型MOS集成门电路，包括NMOS、PMOS、CMOS、LDMOS(横向扩散MOS) 、VDMOS(垂直扩散 MOS) 等几种类型。 特点：功

2、耗极低，成本低，电源电压范围宽，集成度高，抗干扰能力强，输入阻抗高，扇出能力强。 BiCMOS门电路（Bipolar CMOS），（又称绝缘栅晶体管门电路，）是由MOS集成门电路与双极型推拉式输出电路组合。 特点：综合了CMOS功耗低、集成度的优势及双极型驱动能力强的长处。 二、集成门电路按其集成度的分类 小规模集成电路SSI，每片组件包含1020个等效门。 中规模集成电路MSI，每个组件包含20100个等效门。 大规模集成电路LSI，每组件内含1001000个等效门。 超大规模集成电路VLSI，每片组件内含1000个以上等效门。 常用的逻辑门和触发器采用SSI。编码器、译码器、数据选择器、数

3、据分配器、加法器、计数器、移位寄存器、锁存器等组件都采用MSI。 集成电路正朝着高速低耗、高集成度的方向发展。数字逻辑电路集成门电路42.2 CMOS门电路一、CMOS集成门电路的外部特性和主要参数 1.CMOS集成门电路的外部特性 CMOS门电路对外部呈现的电气特性主要包括：括号内( )表示期望指标。 静态特性输入特性（输入阻抗高）、输出特性（驱动能力大且对称性好）、电压传输特性（输出电平转换徒峭）； 动态特性传输延迟时间（延迟时间短）、交流噪声容限（容限大）、动态功耗（功耗小）等。 集成门电路主要参数的特点 （1）VOH（min）DD； VOL（max）DD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（

4、即高低电平之差）较大。 （2）阈值电压Vth约为VDD/2。 （3）CMOS非门的关门电平VOFF为DD，开门电平VON为DD。因此，其高、低电平噪声容限均达DD。 （4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门； （5）因为CMOS电路有极高的输入阻抗(G数量级)，故其扇出系数很大，可达50。数字逻辑电路集成门电路52.2 CMOS门电路二、CMOS集成门电路逻辑函数及逻辑符号 （1）CMOS非门（反相器） Y= （2）CMOS与门Y=AB CMOS或门Y=AB （3）CMOS与非门 CMOS或非门电路 AY=ABY=AB1BAY&ABY1ABYB&AY1AY数字逻辑电路集成门电路62.

5、2 CMOS门电路二、 CMOS集成门电路逻辑函数及逻辑符号 （4）CMOS与或非门 （5）CMOS异或门 F= CMOS同或门 F= =A B Y=ABCDABABABCD& 1Y=1ABY=1ABY数字逻辑电路集成门电路72.2 CMOS门电路二、 CMOS集成门电路逻辑函数及逻辑符号 （6）CMOS三态门，又称3S门(当 =0时，即电路内部的EN=1，输出与输入之间为正常的逻辑关系；当 =1时，即电路内部的EN=0，输出端呈现高阻抗。) CMOS三态非门 CMOS三态与非门 CMOS三态或非门 （7）CMOS漏极开路门（OD门） 两个OD门的“线与”连接电路图，其逻辑关系如下：YAB&Y

6、&A2B2 &A1B1 UDDENENY=A1B1A2B2=A1B1A2B21AYEN1YENABEN&ABYEN数字逻辑电路集成门电路82.2 CMOS门电路二、 CMOS集成门电路逻辑函数及逻辑符号 （8）CMOS传输门 当C=1时，输入信号被传送到输出端； 当C=0时，输入端与输出端被隔断。 CMOS双向模拟开关 当C=1时，传输门导通； 当C=0时，传输门断开。TGCuICuoTGuI/u0uo/uIC数字逻辑电路集成门电路92.3 双极型门电路一、各种双极型集成门电路及其主要参数 半导体三极管又称双极型三极管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT），由它

7、构成的双极型集成门电路分有下列三种： LSTTL 低功耗肖特基晶体管晶体管逻辑集成电路。它是双极型集成门电路中最常用的集成电路。 ECL（Emitter-Coupled Logic） 射极耦合逻辑集成电路。其单门延迟时间是所有门电路中最小（约几十ps的数量级），但抗干扰能力差、功耗较大，尤其是使用 5V 电压，以致与其它门电路的接口十分不便。 I2L（Integrated Injection Logic简称IIL） 集成注入逻辑集成电路。它全部由晶体管组成，没有电阻，所以电路结构十分简单，在双极型中其功耗最低、集成度最高，但抗干扰能力差、开关速度低、输出的电压幅度小(约0.6V)，在国内市场上

8、已很少见。 这三种双极型集成门电路与CMOS门电路的主要电特性的参数比较见表。数字逻辑电路集成门电路102.3 双极型门电路一、各种双极型集成门电路及其主要参数 表2.8 三种双极型集成门电路与CMOS门电路的主要电特性的参数比较数字逻辑电路集成门电路112.3 双极型门电路二、LSTTL与非门、或非门电路 1. LSTTL与非门 LSTTL与非门电路如图2.28(c)所示。该电路可以看作由二极管D1、D2构成的与门、三极管T2构成的非门及用三极管T3、T4取代R3，T2的BE结取代RB的改进型与非门的组合。 四2输入与非门74LS00中的一个2输入与非门逻辑符号如图。图（图） LSTTL 与

9、非门电路的构成&ABY图2.30 四2输入与非门74LS00中的 一个2输入与非门逻辑符号图数字逻辑电路集成门电路122.3 双极型门电路二、LSTTL与非门、或非门电路 2. LSTTL或非门 四2输入或非门74LS02内部电路及其中一个2输入或非门逻辑符号如图所示。 图2.31 四2输入或非门74LS02集成电路内部结构图数字逻辑电路集成门电路132.3 双极型门电路三、LSTTL门电路的外部特性 1. LSTTL门电路的静态特性 LSTTL门电路的输入特性iiui 如图所示图2.32 74LS00集成电路的输入特性数字逻辑电路集成门电路142.3 双极型门电路三、LSTTL门电路的外部特

10、性 1. LSTTL门电路的静态特性 LSTTL门电路的输出特性uoio 如图所示图2.33 74LS00集成电路的输出特性-30 -20 -10 0 10 20 30321uo/Vio/mA数字逻辑电路集成门电路152.3 双极型门电路三、LSTTL门电路的外部特性 1. LSTTL门电路的静态特性 LSTTL门电路的电压传输特性 uoui 如图所示图2.36 四2输入与非门电路74LS00的电压传输特性数字逻辑电路集成门电路162.3 双极型门电路三、LSTTL门电路的外部特性 1. LSTTL门电路的静态特性 LSTTL门电路的抗干扰特性噪声容限VN LSTTL门电路的：输入低电平噪声容

11、限，输入高电平噪声容限。如图所示噪声容限示意图。图2.37 LSTTL门电路噪声容限示意图数字逻辑电路集成门电路172.3 双极型门电路三、LSTTL门电路的外部特性 2. LSTTL门电路的动态特性 LSTTL门电路的平均传输延迟时间TP 。由于二极管和三极管由导通到截止或者由截止到导通都需要时间，且受到电路中的寄生电容和负载电容等的影响，电路的输出波形总是滞后于输入波形 。(参见之图2.22 CMOS反相器传输延迟时间波形图) LSTTL门电路的动态尖峰电流。当输入电压突然由高电平变为低电平时，(主要是)在电源电流脉冲的下边沿产生了高尖峰，这就是动态尖峰电流。正如的图所示。数字逻辑电路集成

12、门电路182.3 双极型门电路四、LSTTL门电路的温度特性 温度变化对LSTTL门电路电气性能的影响比对CMOS门电路影响大得多，主要是：1. 漏电流随温度升高而增大，从而使电路的输出驱动能力将下降。2. 输出高电平随温度降低而降低，根据噪声容限的概念，输出高电平的降低则使系统的抗干扰能力降低。3. LSTTL门电路的阈值电压VT随着温度的升高而下降；当温度从55上升到 +125时，VT将下降300mV以上。数字逻辑电路集成门电路192.4 BiCMOS门电路一、 BiCMOS门电路 反相器 BICMOS反相器，如图所示。见图，(a)中的N1和P1，N2和P2组成前、后级非门；(b)和(c)

13、是由(a)演变而来的，功能完全一样。 图2.45 BiCMOS反相器电路图BiPolarBiPolarBiPolar数字逻辑电路集成门电路202.4 BiCMOS门电路一、 BiCMOS门电路 或非门及与非门 BiCMOS或非门如图2.46 (a)所示，N1、N2和P1、P2组成基本的CMOS或非门电路，其输出为 ，经Q1射极输出跟随器输出，因此 。 BiCMOS与非门如图2.46 (b)所示，N1、N2和P1、P2组成基本的CMOS与非门电路，其输出为 ，经Q1射极输出跟随器输出，因此 。ABY=ABY=ABAB图2.46 BiCMOS或非门及与非门 (a) BiCMOS或非门(b) BiC

14、MOS与非门BiPolarBiPolar数字逻辑电路集成门电路212.4 BiCMOS门电路二、BICMOS反相器的外部特性 门电路反相器的输入、输出特性 BiCMOS门电路的输入特性与CMOS门电路完全相同，如下图所示；因为输入电路结构同CMOS电路。BiCMOS电路用双极型晶体管作为输出极，所以同样具有很强的带有负载能力。ABT系列的BiCMOS缓冲/驱动器的 IOH可达32A ，IOL可达64mA。 数字逻辑电路集成门电路222.4 BiCMOS门电路二、BICMOS反相器的外部特性 门电路反相器的电压传输特性 图2.45(a) 所示的BiCMOS反相器在UDD=5V时的电压传输特性如图

15、所示。从图中看见，BiCMOS的噪声容限比CMOS稍差，阈值电压UT比UDD稍低。图2.47 BICMOS反相器的电压传输特性数字逻辑电路集成门电路232.4 BiCMOS门电路二、BICMOS反相器的外部特性 门电路的传输延迟时间 空载时BiCMOS电路的传输延迟时间主要由电路内部的电容C的容量决定，在小电容负载时，BiCMOS电路的开关特性比CMOS差，因为晶体管输出级的加入给电路增加了结电容并多了一级延迟。但当负载电容CL后，传输延迟时间明显改善。BiCMOS电路的开关速度提高幅度较大，明显优于CMOS电路，目前，m的BiCMOS最高工作频率达到225MHZ，而该电路的低电压性能仍不够理

16、想。数字逻辑电路集成门电路242.5 集成门电路的应用举例一、集成门电路的使用常识 1.存放CMOS集成电路时要屏蔽，一般放在金属容器中，或用导电材料将引脚短路，不要放在易产生静电高压的化工材料或化纤织物中。 2.焊接CMOS电路时，一般用20W内热式电烙铁，而且烙铁要有良好的接地线；也可以用电烙铁断电后的余热快速焊接；禁止在电路通电情况下焊接。 3.为了防止输入端保护二极管反向击穿，输入电压必须处在VDD和VSS之间，即VDDViVSS。 4.测试CMOS电路时，如果信号电源和电路供电采用两组电源，则在开机时应先接通电路供电电源，后开信号电源。关机时，应先关信号电源，后关电路供电电源，即在C

17、MOS电路本身没有接通供电电源的情况下，不允许输入端的信号输入。 数字逻辑电路集成门电路252.5 集成门电路的应用举例一、集成门电路的使用常识 5. 多余输入端绝对不能悬空，否则容易接受外界干扰，破坏了正常的逻辑关系，甚至损坏。对于与门、与非门的多余输入端应接VDD或高电平或与使用的输入端并联，见 图2.48所示。&uiuo+Uccui&uo+Ucc（a） (b) (c)图2.48 与非门多余输入端的处理&uiuo+UccR数字逻辑电路集成门电路262.5 集成门电路的应用举例一、集成门电路的使用常识 对于或门、或非门的多余输入端应接地或低电平或与使用的输入端并联，见 图所示。 6.必须在其

18、他元器件在印制电路板上安装就绪后，再装CMOS电路，避免CMOS电路输入端悬空。CMOS电路从印制电路板上拔出时，务必先切断印制板上的电源。 （a） (b) (c)图2.49 或非门多余输入端的处理uiuo1+Uccui1uo+Uccuo+Ucc1ui数字逻辑电路集成门电路272.5 集成门电路的应用举例一、集成门电路的使用常识 7 输入端连线较长时，由于分布电容和分布电感的影响，容易构成LC振荡或损坏保护二极管，必须在CMOS电路的输入端串联1个1020的电阻R。 8 防止CMOS电路输入端噪声干扰的方法是：在前一级和CMOS电路之间接入施密特触发器整形电路(在第7章讲述)，或加入滤波电容滤

19、掉噪声以免干扰。 数字逻辑电路集成门电路282.5 集成门电路的应用举例二、LSTTL、CMOS接口电路 1.由于各种类型逻辑门电路的技术参数的差别，见表。所以需要所谓的“接口电路”，它就是用于不同类型逻辑门电路之间、或逻辑门电路与外部电路之间，使二者有效连接，正常工作的中间电路。数字逻辑电路集成门电路292.5 集成门电路的应用举例二、LSTTL、CMOS接口电路 2. CMOS电路驱动TTL电路 用CMOS电路去驱动TTL电路时，需要解决的问题是CMOS电路不能提供足够大的驱动电流。CMOS电路允许的最大灌电流一般只有左右，而TTL电路的输入短路电流IIS约为。可采用图所示的接口电路。 该接口电路由NPN型晶体三极管与附属元件R1、R