数字逻辑设计第3章.兰京川讲义.

1、1 1第第3 3章章 数字电路数字电路介绍数字电路中的电气知识介绍数字电路中的电气知识数字逻辑设计及应用数字逻辑设计及应用2 23.1 3.1 逻辑信号和门电路逻辑信号和门电路如何获得高、低电平？如何获得高、低电平？高电平对应高电平对应 0 还是还是 1？VOUTVINVccR获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理正逻辑正逻辑positivepositive10负逻辑负逻辑negativenegative103 33.1 3.1 逻辑信号和门电路逻辑信号和门电路从物理的角度从物理的角度考虑电路如何工作，工作中的电气特性考虑电路如何工作，工作中的电气特性实际物理器件不可避免的时间延迟问

2、题实际物理器件不可避免的时间延迟问题从逻辑角度从逻辑角度输入、输出的逻辑关系输入、输出的逻辑关系三种基本逻辑：与、或、非三种基本逻辑：与、或、非4 4基本逻辑运算：与（基本逻辑运算：与（ANDAND）0 0 00 1 01 0 01 1 1ABZ逻辑表达式逻辑表达式Z = A B开关：开关：1通、通、0断断灯：灯：1亮、亮、0不亮不亮当且仅当所有输入当且仅当所有输入全为全为1 1时，输出为时，输出为1 1真值表真值表&ABZABZ逻辑符号逻辑符号A B Z5 5基本逻辑运算：或（基本逻辑运算：或（OROR）逻辑表达式逻辑表达式：Z = A + BA B Z真值表真值表ABZ只要有任何一

3、个输只要有任何一个输入为入为1 1，输出就为，输出就为1 11ABZABZ逻辑符号逻辑符号0 0 00 1 11 0 11 1 16 6基本逻辑运算：非（基本逻辑运算：非（NOTNOT）A Z0 11 0真值表真值表逻辑表达式：逻辑表达式：Y = A = A AZR产生一个与输产生一个与输入相反的输出入相反的输出通常称为反相器（通常称为反相器（inverter）1ZAAZ逻辑符号逻辑符号7 7与非与非 和和 或非或非与非与非 逻辑表达式：逻辑表达式： Z = ( A B ) 逻辑符号：逻辑符号：或非或非 逻辑表达式：逻辑表达式： Z = ( A + B ) 逻辑符号：逻辑符号：&18

4、8逻辑运算逻辑运算 与非与非 或非或非 逻辑符号逻辑符号 逻辑表达式逻辑表达式 Y=(AB) Y=(A+B) A B 0 0 0 1 1 0 1 1 Y 1 1 1 0 Y 1 0 0 0 真真值值表表&19 93.2 3.2 逻辑系列逻辑系列（Logic FamilyLogic Family）同一系列的芯片具有类似的输入、输出同一系列的芯片具有类似的输入、输出及内部电路特征，但逻辑功能不同。及内部电路特征，但逻辑功能不同。不同系列的芯片可能不匹配不同系列的芯片可能不匹配 TTL逻辑系列逻辑系列 CMOS系列系列 10103.2 3.2 CMOSCMOS逻辑逻辑 CMOS逻辑电平逻辑电

5、平逻辑逻辑1（高态）（高态）逻辑逻辑0（低态）（低态）5.0V3.5V1.5V0.0V未定义未定义典型的典型的5V电源电压电源电压其它电源电压：其它电源电压：3.3V 或或 2.7V11 112 2、MOSMOS晶体管晶体管分为：分为：N沟道沟道 和和 P沟道沟道通常：通常：Vgs = 0 Vgs = 0 Rds很高（很高（106 ） 截止状态截止状态 Vgs Rds 导通状态导通状态漏极漏极 drain源极源极 source栅极栅极 gateVgs+N沟道沟道源极源极 source漏极漏极 drain栅极栅极 gate+VgsP沟道沟道1212MOSMOS晶体管晶体管分为：分为：N沟道沟道

6、和和 P沟道沟道源极源极 source漏极漏极 drain栅极栅极 gate+VgsP沟道沟道通常：通常：Vgs 兆欧）兆欧）无论栅电压如何无论栅电压如何 栅漏、栅源之间几乎没有电流栅漏、栅源之间几乎没有电流 （漏电流（漏电流 leakage current , A）栅极与源和漏极之间有电容耦合栅极与源和漏极之间有电容耦合 信号转换时，电容充放电，功耗较大信号转换时，电容充放电，功耗较大1414MOSMOS管的基本开关电路管的基本开关电路vI+vO+iD+ VDDRDDGS只要电路参数选择合理只要电路参数选择合理输入低，截止，输出高输入低，截止，输出高输入高，导通，输出低输入高，导通，输出低1

7、5153 3、基本的、基本的CMOSCMOS反相器反相器工作原理工作原理1、VIN = 0.0VVGSN = 0.0V，Tn截止截止VGSP = VIN VDD = 5.0V，Tp导通导通VOUT VDD = 5.0V2、VIN = VDD = 5.0VVGSN = 5.0V，Tn导通导通VGSP = VIN VDD = 0.0V ，Tp截止截止VOUT 0VDD = +5.0VVOUTVINTpTnGDSS16164 4、CMOSCMOS与非门与非门 工作原理：工作原理：1、A、B只要有一个为低只要有一个为低 T1、T3至少有一个截止，至少有一个截止， T2、T4至少有一个导通；至少有一个导

8、通；Z为高（为高（ VDD）2、A、B都为高都为高 T1、T3都导通，都导通， T2，T4都截止，都截止， Z为低（为低（ 0V）VDD = +5.0VZABT1T2T4T317174 4、CMOSCMOS或非门或非门工作原理：工作原理： 1、A、B都为低都为低 T1、T3都截止，都截止， T2，T4都导通，都导通， Z为高（为高（ VDD） 2、A、B至少有一个为高至少有一个为高 T1、T3至少有一个导通，至少有一个导通， T2、T4至少有一个截止；至少有一个截止； Z为低（为低（ 0V）VDD = +5.0VZABT1T2T4T318185 5、扇入（、扇入（fanfaninin）门电路所

9、具有的输入端的数目门电路所具有的输入端的数目导通电阻的可加性限制了导通电阻的可加性限制了CMOS门的扇入数门的扇入数可用较少输入门级联得到较多的输入可用较少输入门级联得到较多的输入19196 6、非反相门、非反相门VDD = +5.0VAZ非反相缓冲器非反相缓冲器2020VDD = +5.0VABZCD7 7、CMOSCMOS与或非门与或非门21213.4 3.4 CMOSCMOS电路的电气特性电路的电气特性逻辑电压电平逻辑电压电平直流噪声容限直流噪声容限扇出扇出速度速度功耗功耗噪声噪声静电放电静电放电漏极开路输出、三态输出漏极开路输出、三态输出物理上的物理上的而不是逻辑上的而不是逻辑上的22

10、223.5 3.5 CMOSCMOS稳态电气特性稳态电气特性逻辑电平和噪声容限逻辑电平和噪声容限VDD = +5.0VVOUTVINTpTnVOUTVIN5.01.53.55.0电压传输特性电压传输特性2323逻辑电平规格逻辑电平规格高态高态不正常状态不正常状态低态低态VOLmaxVILmaxVIHminVOHminVCC0.1V地地0.1V0.7VCC0.3VCC2424直流噪声容限直流噪声容限（DC noise marginDC noise margin）多大的噪声会使最坏输出电压被破坏得不可识别多大的噪声会使最坏输出电压被破坏得不可识别高态高态不正常状态不正常状态低态低态VOLmaxVI

11、LmaxVIHminVOHmin30%VCC0.1V2525带电阻性负载的电路特性带电阻性负载的电路特性要求有一定的驱动电流才能工作要求有一定的驱动电流才能工作VCCAZVCCRThevRpRnVThev +VOUTVIN2626VCC = + 5.0VRp1M Rn电阻性电阻性负载负载VOLmaxIOLmax输出为低态时输出为低态时 VOUT 1M 电阻性电阻性负载负载VOHminIOHmax输出为高态时输出为高态时 VOUT = VOHmin输出端提供电流输出端提供电流 sourcing current能提供的最大电流能提供的最大电流 IOHmax （拉电流）（拉电流）2828非理想输入时

12、的电路特性非理想输入时的电路特性VCC = + 5.0V400 2.5k VIN 1.5VVOUT 4.31VVCC = + 5.0V4k 200 VIN 3.5VVOUT 0.24V输出电压变坏（有电阻性负载时更差）输出电压变坏（有电阻性负载时更差）更糟糕的是：输出端电流更糟糕的是：输出端电流 ，功耗，功耗 2929扇出（扇出（fan-outfan-out）在不超出其最坏输出电平的条件下，在不超出其最坏输出电平的条件下， 一个逻辑门能驱动的输入端个数。一个逻辑门能驱动的输入端个数。扇出需考虑输出高电平和低电平两种状态扇出需考虑输出高电平和低电平两种状态 总扇出总扇出minmin（高态扇出，低

13、态扇出）高态扇出，低态扇出）直流扇出直流扇出 和和 交流扇出交流扇出3030负载效应负载效应 当输出负载大于它的扇出能力时（当输出负载大于它的扇出能力时（P77）输出电压变差（不符合逻辑电平的规格）输出电压变差（不符合逻辑电平的规格）传输延迟和转换时间变长传输延迟和转换时间变长温度可能升高，可靠性降低，器件失效温度可能升高，可靠性降低，器件失效3131不用的不用的CMOSCMOS输入端输入端不用的不用的CMOS输入端绝不能悬空输入端绝不能悬空XZ1k +5VXZXZ增加了驱动信号的电增加了驱动信号的电容负载，使操作变慢容负载，使操作变慢3232电流尖峰和去耦电容器电流尖峰和去耦电容器电流传输特

14、性电流传输特性iDvI12VDDVDD = +5.0VVOUTVINTpTncurrent spikea & decoupling capacitorscurrent spikea & decoupling capacitors33333.6 3.6 CMOSCMOS动态电气特性动态电气特性考虑两个方面：速度、功耗考虑两个方面：速度、功耗转换时间转换时间传播延迟传播延迟3434转换时间转换时间考虑两个因素：考虑两个因素：晶体管的晶体管的“导通导通”电阻电阻寄生电容（寄生电容（stray capacitance）VCC = + 5.0VRLRpRnVL+CL电容两端电压不能突变电

15、容两端电压不能突变在实际电路中在实际电路中可用时间常数可用时间常数近似转换时间近似转换时间P79 图图3-36上升时间上升时间t tr r下降时间下降时间t tf f 3535传播延迟传播延迟P83 图图3-42VINVOUTpLHtpHLt信号通路：信号通路：一个特定输入信号到逻辑元件的一个特定输入信号到逻辑元件的 特定输出信号所经历的电气通路。特定输出信号所经历的电气通路。3636功率损耗功率损耗动态功耗的来源：动态功耗的来源：两个管子瞬间同时导通两个管子瞬间同时导通产生的功耗产生的功耗 PT对负载电容充、放电所对负载电容充、放电所产生的功耗产生的功耗 PLVDD = +5.0VVOUTV

16、INTpTn分为：静态功耗、动态功耗分为：静态功耗、动态功耗CL3737功率损耗功率损耗动态功耗的来源：动态功耗的来源：两个管子瞬间同时导通两个管子瞬间同时导通产生的功耗产生的功耗 PT对负载电容充、放电所对负载电容充、放电所产生的功耗产生的功耗 PL分为：静态功耗、动态功耗分为：静态功耗、动态功耗V VCC CC 的大小的大小输入波形的好坏输入波形的好坏输入信号频率输入信号频率负载电容负载电容输入信号频率输入信号频率 ( (V VCC CC ) ) 2 2 38383.6 3.6 CMOSCMOS动态电气特性动态电气特性考虑两个方面：考虑两个方面：速度速度功耗功耗转换时间（转换时间（tran

17、sition time）传播延迟（传播延迟（propagation delay）静态功耗（静态功耗（static power dissipation）动态功耗（动态功耗（dynamic power dissipation）39393.7 3.7 其他其他CMOSCMOS输入输出结构输入输出结构传输门传输门当当EN = 0EN = 0，EN_L = 1EN_L = 1， 晶体管截止，晶体管截止， A A、B B断开断开当当EN = 1EN = 1，EN_L = 0EN_L = 0， 晶体管导通，晶体管导通， A A、B B之间低之间低 阻抗连接阻抗连接v双向器件双向器件v传播延迟非常短传播延迟非

18、常短ENEN_LAB4040施密特触发器输入施密特触发器输入VOUTVIN5.02.1 2.95.0电压传输特性电压传输特性VT+VT-输输入入门限门限电压电压VT+VT-采用内部反馈，边沿更陡采用内部反馈，边沿更陡滞后：滞后：两个门限电压之差两个门限电压之差逻辑符号：逻辑符号：4141三态输出三态输出VCCOUTENA当当EN=0EN=0时，时， C=1, Tp C=1, Tp截止截止 B=1, D=0, Tn B=1, D=0, Tn截止截止 高阻态高阻态（悬空态）（悬空态）当当EN=1EN=1时，时， C=A C=A , B=0 , D=A , B=0 , D=A 由由A A控制输出为控制输出为 逻辑逻辑0 0 或或 逻辑逻辑1 1BCDTpTnAENOUT逻辑符号逻辑符号4242输出电平？输出电平？造成逻辑混乱造成逻辑混乱很大的负载电流很大的负载电流同时流过输出级同时流过输出级可使门电路损坏可使门电路损坏漏极开路输出漏极开路输出VCCAZ有源上拉有源上拉active pull-upVCCB低低高高有源上拉的有源上拉的CMOSCMOS器件器件其输出端不能直接相联其输出端不能直接相联100 1M 100 1M 4343漏极开路输出漏极开路输出ABZVCCVCCR 上拉电阻上拉电阻ABZ逻辑符号逻辑符号希望尽量小，减少上升时间希望尽量小，减少上升时间太小则吸收电流太大太小则吸收