逻辑门电路-a

1、3 3 逻辑门电路逻辑门电路3.1 3.1 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.2 3.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路* *3.3 3.3 射极耦合逻辑门电路射极耦合逻辑门电路* *3.4 3.4 砷化镓逻辑门电路砷化镓逻辑门电路3.5 3.5 正负逻辑问题正负逻辑问题3.6 3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题3.7 3.7 用用HDL描述逻辑门电路描述逻辑门电路教学基本要求：教学基本要求：1 1、了解半导体器件的开关特性。、了解半导体器件的开关特性。2 2、熟练掌握熟练掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或门）、三态门、门）、

2、三态门、OD门（门（OC门）、传输门的逻辑功能。门）、传输门的逻辑功能。3 3、学会门电路逻辑功能分析方法。、学会门电路逻辑功能分析方法。4 4、掌握掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。3. 3. 逻辑门电路逻辑门电路1 1 、逻辑门、逻辑门: :实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。2 2、 逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门3

3、.1.1 3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介各种系列逻辑电路的发展状况各种系列逻辑电路的发展状况MOS技术的进步技术的进步1.1.CMOS集成电路集成电路: :广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTLTTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTLTTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度更快速度更快与与TTLTTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低( (超低超低) )电压电

4、压速度更加快速度更加快与与TTLTTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS系列系列74AS系列系列速度慢速度慢功耗大功耗大 74ALS速度不变速度不变功耗降低功耗降低速度提高速度提高功耗相当功耗相当速度更加快速度更加快功耗也增加功耗也增加2 2.TTL 集成电路集成电路: :广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路3.1.2 3.1.2 逻辑门电路的一般特性逻辑门电路的一般特性1. 1. 输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平 vO vI 驱动门驱动门G1 负载门负载门G2 1 1 输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min

5、)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIL(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOH(max)0vO /VvI /V高电平高电平低电低电平平不稳定不稳定区区输出输出高电平高电平+VDD VOH(min)VOL(max) 0 G1门门vO范围范围 vO 输出输出低电平低电平 输入输入高电平高电平VIH(min) VIL(max) +VDD 0 G2门门vI范围范围 输入输入低电平低电平 vI min IHVmax ILVNHVNLVOHVOLV驱动门驱动门min OHVmax OLV负载门负载门IHVILVVNH 当前级门输出

6、高电平的最小当前级门输出高电平的最小值时值时允许负向噪声电压的最大值允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平时的噪声容限：负载门输入高电平时的噪声容限：VNL 当前级门输出低电平的最大当前级门输出低电平的最大值时值时允许正向噪声电压的最大值允许正向噪声电压的最大值负载门输入低电平时的噪声容限负载门输入低电平时的噪声容限：2. 2. 噪声容限噪声容限噪声容限：噪声容限：在保证输出电平不变的条件下，输入电平允在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力VNH =VOH(min)VIH(min) VNL =VIL(max)VOL

7、(max) 1 驱动驱动门门 vo 1 负载门负载门 vI 噪声噪声 类型类型参数参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或或tPHL(ns)7 78 82.12.10.90.93.传输延迟时间传输延迟时间传输延迟时间是表征门电路开关速度传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间波形延迟了多长的时间。CMOSCMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间 tPHL 输出输出 50% 90% 50%

8、10% tPLH tf tr 输入输入 50% 50% 10% 90% 4. 4. 功耗功耗静态功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电静态功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流路空载时电源总电流ID与电源电压与电源电压VDD的乘积。的乘积。对于对于TTLTTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。 CMOS电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOS门电路的动态功门电路的动态功耗为耗为 PD=FCPDVDD2 5. 5. 延时延时 功耗积功耗积是速度功耗综合性的指标是速度功耗综合性的指标. .延时延时 功耗积功耗积，用符号，用符号DP

9、表示表示DP=TpdPD 扇入数：扇入数：取决于其的输入端的个数。取决于其的输入端的个数。6. 6. 扇入与扇出数扇入与扇出数10111电流方向电流方向? ?灌电流灌电流IILIOLIIL1n个个= nIIL 驱动门的所带负载分为灌电流负载和拉电流负载两种情况驱动门的所带负载分为灌电流负载和拉电流负载两种情况: :（a)a)带灌电流负载带灌电流负载NIIOLOLIL()()驱动门负载门扇出数：扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。01110电流方向电流方向? ?拉电流拉电流IIHIOH1n个个= nIIH(b)带拉电流负

10、载带拉电流负载O HO HIH()()INI驱 动 门负 载 门IIH如如NOH= NOL则取两者的最小值为门的扇出系数则取两者的最小值为门的扇出系数电路类型电路类型电源电电源电压压/V传输延传输延迟时间迟时间/ns静态功耗静态功耗/mW功耗延迟功耗延迟积积/mW-ns直流噪声容限直流噪声容限 输出逻输出逻辑摆幅辑摆幅/VVNL/V VNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列系列4.50.754030

11、0.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速高速CMOS5811038 1031.01.55各类数字集成电路主要性能参数的比较各类数字集成电路主要性能参数的比较1 1 高、低电平产生的原理高、低电平产生的原理 +5V R vo S vI 当当S S闭合，闭合， O O= =当当S S断开，断开， O O= =0 V0 V+5 V+5 V( (低电平低电平) )( (高电平高电平) )理想的开关理想的开关应具有两个工作状态：应具有两个工作状态：接通状态：接通状态： 要求阻抗越小越好，相当

12、于短路。要求阻抗越小越好，相当于短路。 断开状态：断开状态： 要求阻抗越大越好，相当于开路。要求阻抗越大越好，相当于开路。3.1.3 3.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路 iD/mA O vDS / VVGS1 VGS2 VGS3 VGS4 饱和区饱和区 可变电阻区可变电阻区 截止区截止区2.2.产生的高、低电平半导体器件产生的高、低电平半导体器件 vO Rd VDD vI Rc VCC VCC vCE iC Rc vo vI Rb VCC 工作在可变电阻区工作在可变电阻区: :输出低电平输出低电平工作在截止区工作在截止区: :输出高电平输出高电平工作在截止区工作在截止区: :输

13、出高电平输出高电平工作在饱和区工作在饱和区: :输出低电平输出低电平场效应三极管场效应三极管利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。也称单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管场效应管特点场效应管特点只有一种载流子参与导电；只有一种载流子参与导电； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 由金属、氧化物和半导体制成。称为金属由金属、氧化物和半导体制成。称为金属- -氧化物氧化

14、物- -半半导体场效应管，或简称导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 10109 9 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型耗尽型场效应管耗尽型场效应管: :VGS = 0= 0时漏源间存在导电沟道的时漏源间存在导电沟道的MOS管管 增强型场效应管增强型场效应管: :VGS = 0 = 0时漏源间不存在导电沟道的时漏源间不存在导电沟道的MOS管管N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1. 1. 结构结构P 型衬底型衬底N+N+GSDSiO2源极源极漏极漏极栅极栅极 DSGN 型衬

15、底型衬底P+P+GSDSiO2源极源极漏极漏极栅极栅极P 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管 DGS2. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 VGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多少，改变由这些的多少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流的状况，以控制漏极电流 ID。( (1) )VGS = 0漏源之间相当于两个背靠背的漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间结，无论漏源之间加何种极性电压，加何种极性电压， ID = 0= 0SD P N+ N+ DSG( (2) ) VDS = 0，0 VGS VT)

16、 )导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 ID 。b. VDS增加增加, ,当当 VGD = VT靠近漏极沟道达到临界开靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c. VDS 继续增加继续增加由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，VDS 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。因而基本不变。a. VDS =VP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+GSDVGSVDD夹断区夹断区3)3)特性曲线特性曲线(

17、 ( N 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管) ) GD S3V4V5VvGS = 6ViD /mA42643210vGS /ViD /mA43210246810 vDS /V可可变变电电阻阻区区饱和区饱和区VTNiD开启电压开启电压VT= 2 V+ +- -VGS+ +- - VDS输出特性输出特性转移特性转移特性vDS = 6V截止区截止区VGS VTN MOS管导通管导通 P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管: : VGS 000VGS VTP MOS管导通管导通 VGS 0DDOHOVVv V0OLO VvTNIVv +VDDRDBGDSOvIvSGDCIRONIvOvSGDCIIv

18、Ov DDOLO VVvV0OLOVvb b. . P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管-VDDRDBGDSvIvOTPIVv开启电压开启电压 VTP0SGDCIOvvIsGDCIRONOvvI导通导通截止截止3.1.4 3.1.4 CMOS 反相器反相器1、工作原理、工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止截止导通导通 10 V10 V 10V 0V导通导通截止截止0 VVTN = 2 VVTP = 2 V逻辑图逻辑图DDTN)TPVVV (AL 逻辑表达式逻辑表达式电路逻辑功能分析电路逻辑功能分析:

19、1、列出电路状态表；、列出电路状态表；（根据输入确定半导（根据输入确定半导体器件开关状态及输体器件开关状态及输出电平）出电平）2、列出真值表；、列出真值表；3、确定逻辑、确定逻辑 功能。功能。vi (A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表102. CMOS反相器的传输特性反相器的传输特性)(IOvfv iD+VDD+ +vI - -vOTNTPABCDEFVTNVDDVTHVTPAB 段：段：vI TN 导通（可变电阻区）导通（可变电阻区），vO 略下降。略下降。转折电压转折电压CD 段：段：TN、TP 均工作在饱和区均工作在饱和区。 (max)DDOiiv, 5 . 0DDIVv DE、EF

20、 段：段：截止导通 :TP导通导通截止截止 :TNiD+VDD+ +vI - -vOTNTPA BCDEF0iD / mAvI / VVTHABCDEFVDDVTH0vO / VvI / V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，流过两均导通，流过两管的漏极电流达到最大值管的漏极电流达到最大值 iD = iD（max) 。阈值电压阈值电压：VTH = 0.5 VDD（VDD = 3 18 V）2. CMOS2. CMOS反相器的特点反相器的特点 当当 I=VDD时

21、时 SGPVVDD当当 I=0V时时 1 1、静态功耗极小、静态功耗极小（微瓦数量级）（微瓦数量级） :T1和和T2 2总有一个是关断的总有一个是关断的, ,而且内阻极高。而且内阻极高。+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VGSNV 0 O iDvO iD O工作点工作点vOSGNVVDDSGPV 0工作点工作点2、CMOS反相器的工作速度反相器的工作速度 在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭时间是相等的。平均延迟时间：闭时间是相等的。平均延迟时间：10 ns10 ns。vO VDD vI TP TN iDP iD

22、N CL vO VDD iDP vI=0V CL vO VDD vI TP TN iDP iDN CL 带电容负载带电容负载输出从低电平输出从低电平跳变为高电平跳变为高电平输出从高电平输出从高电平跳变为低电平跳变为低电平 3.1.3 其他其他CMOS门电路门电路A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 导通导通 截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止 截止截止导通导通导通导通1110与非门与非门1 1、CMOS 与非门与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&00100111A

23、BY =如如N个个NMOS 管串联管串联? ?(a)(a)电路结构电路结构(b)(b)工作原理工作原理2. CMOS 与门与门ABABY +VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABYAB +VDDG1D1S1TNTPD2S2G2VSSABL AB&L1AB&L或非门或非门BAL3 3、CMOS 或非门或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通1000AB100100111如如N

24、个个PMOS 管串联管串联? ?4.4.输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电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。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: :(1) 0 vA VDD + vDF 二极管导通电压：二极管导通电压：vDF = 0.5 0.7 V(3) vA vDF 当输入电压不在正常电压范围时当输入电压不在正常电压范围时, ,

25、二极管导通，限制了电容两端二极管导通，限制了电容两端电压的增加电压的增加, ,保护了输入电路。保护了输入电路。+VDDvOvATPD1C1C2RSTND2D3D1、D2、D3 截止截止D2、D3 导通导通vG = VDD + vDFD1 导通导通vG = vDFRS和和MOS管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延迟且衰减后到栅极。压延迟且衰减后到栅极。 1 1.CMOS漏极开路门漏极开路门1.）CMOS漏极开路门的提出漏极开路门的提出VD D 0 1 导导 通通 导导 通通 截截 止止 截截 止止 G 1门门 G 2门门 1 0 输出短接，

26、会产生低阻通路，输出短接，会产生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定输出是高电并且无法确定输出是高电平还是低电平。平还是低电平。 3.1.6 CMOS漏极开路（漏极开路（OD）门和三态输出门电路）门和三态输出门电路C D RP VDD L A B & & （2）漏极开路门的结构与逻辑符号）漏极开路门的结构与逻辑符号(c) (c) 可以实现线与功能可以实现线与功能; ;CDAB CDAB (d) (d) 可实现逻辑电平变换：可实现逻辑电平变换：DDOHVV(a)(a)工作时必须外接电源和电阻工作时必须外接电源和电阻; ;+VDDVSSTP

27、1TN1TP2TN2ABLA B L 电路电路A B L & 逻辑符号逻辑符号(b)(b)与非逻辑不变与非逻辑不变RP VDD L A B 漏极开路门输出连接漏极开路门输出连接21PPLRP VDD L A B C D (2) (2) 上拉电阻对上拉电阻对OD门动态性能的影响门动态性能的影响RP VDD L A B C D Rp的值愈小，负载电容的充电时间的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快常数亦愈小，因而开关速度愈快。但功耗大但功耗大, ,且可能使输出电流超过允且可能使输出电流超过允许的最大值许的最大值IOL(max） 。电路带电容负载电路带电容负载1 10 0C

28、LRp的值大，可保证输出电流不能超的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值过允许的最大值IOL(max）、）、功耗小功耗小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢开关速度因而愈慢。最不利的情况：最不利的情况：只有一个只有一个 OD门导通，门导通，110为保证低电平输出为保证低电平输出OD门的门的输出电流输出电流不能超过允许的最大值不能超过允许的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max） ，RP不能太小不能太小。当当VO=VOLIL(total)(max)OL(max)OLDD(min)pIIVVRIL(total)(min)p(max)OLD

29、D(max)OLIRVVI+V DDIILRP&n&m&kIIL（total)IOL（max)当当VO=VOH+V DDRP&n&m&111IIH（total)I0H（total)为使得高电平不低于规定的为使得高电平不低于规定的VIH的的最小值，则最小值，则Rp的选择不能过大。的选择不能过大。Rp的最大值的最大值Rp(max) ：IH(total)OH(total)(min)IHDD(max)pIIVVR 1 1、实现多个逻辑门输出端的线与、实现多个逻辑门输出端的线与集电极开路门的应用集电极开路门的应用L = AB CD&RVDDA&am

30、p;BCDL& ABCDL1L2L2 2、用于直接驱动大电流负载。、用于直接驱动大电流负载。VDD vI 1 +12V vI +5V 1 3 3、逻辑电平变换、逻辑电平变换 74HC/HCT系列系列CMOS门电路的门电路的最大灌电流或拉电流为最大灌电流或拉电流为4mA 指示灯指示灯( (12V, 20mA) )OD门门灌电流为灌电流为24mA。2.2.三态三态(TSL)(TSL)输出门电路输出门电路1TP TN VDD L A EN & 1 1 EN A L 1 0011截止截止导通导通111高阻高阻 0 输出输出L输入输入A使能使能EN0011 10 00截止截止导通导通01

31、0截止截止截止截止X X1逻辑功能：高电平同相逻辑门逻辑功能：高电平同相逻辑门0 1CS = 1 ABL_ AB CS & L EN. .逻辑符号逻辑符号其他三态与非门：其他三态与非门： AB CS & L EN. .逻辑符号逻辑符号 高阻高阻0 00 01 11 11 10 01 11 11 10 01 10 00 01 1B BA AL L数据输入端数据输入端EN 真值表真值表 高阻高阻1 10 01 11 11 10 01 11 11 10 01 10 00 00 0B BA AL L数据输入端数据输入端EN 真值表真值表 ZLCS =0 ZLCS = 1CS =0 AB

32、L_低电平有效低电平有效高电平有效高电平有效(1) (1) 构成总线转输结构构成总线转输结构EN1EN1EN1G1G2Gn1EN2ENnEND0AD0BD0N数据总线数据总线011101110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。3. 3. 应用举例：应用举例：RAMROMI/OD0(2) (2) 用做多路开关用做多路开关LA1EN1EN1ENA21G1G210高阻高阻使能使能1A 01使能使能高阻高阻2A 时时 0 EN时时 1 EN A 1 B C 1 1 EN 1 EN EN EN L2 L1 A B C L1 L2 分析下图所示逻辑

33、门电路，根据输入波形对应画出输出波形分析下图所示逻辑门电路，根据输入波形对应画出输出波形C = 0 LC = 0 L1 1= A L= A L2 2 = B = BC = 1 LC = 1 L1 1= B L= B L2 2 = A = A(2) (2) 用于信号双向传输用于信号双向传输D0EN1EN1EN1G1G2时时 1 EN时时 0 EN01高阻高阻使能使能10使能使能高阻高阻信号输出信号输出信号输入信号输入DIDO /DI总总 线线3.1.7 CMOS传输门传输门( (双向模拟开关双向模拟开关) ) 1. 1. CMOS传输门电路的提出传输门电路的提出数据采集电路数据采集电路ADCCHCH1 1CHCH2 2CHCHN N方案方案2 2计算机计算机ADCCHCH1 1CHCH2 2CHCHN N方案方案1 1ADCADC计算机计算机1 1. CMOS传输门电路传输门电路TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 电路电路vI /vO vO /vI C C T G 逻辑符号逻辑符号I / Oo/ IC等效电路等效电路2 2、CMOSCMOS传输门电路的工作原理传输门电路的工作原理 设设T TP P的开启电压的开启电压|V|VTPTP|=2V|=2V， 的开启电压的开启电压V VTNTN=2V=2V且输入