阎石 数字电子技术基础 第3章 山东大学

1、和和是两种状态，是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的是两个不同的可以截然区别开来的电压范围电压范围。 在电子电路中用高、低电平，分别表示二值逻在电子电路中用高、低电平，分别表示二值逻辑的辑的 1 和和 0 两种逻辑状态。两种逻辑状态。输输入入信信号号获得高，低电平的基本原理输输出出信信号号R vOSvIVcc10正逻辑01负逻辑今后除非特别说明，本书中一律采用正逻辑。今后除非特别说明，本书中一律采用正逻辑。4. 门电路的发展门电路的发展在最初的数字逻辑电路中，每个门电路都是用若干在最初的数字逻辑电路中，每个门电路都是用若干个分立的半导体器件和电阻、电容连接而成的。个分立的半导体器件和电阻

2、、电容连接而成的。用这种单元电路组成大规模的数字电路是非常困难用这种单元电路组成大规模的数字电路是非常困难的，这就严重地制约了数字电路的普遍应用。的，这就严重地制约了数字电路的普遍应用。随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺水随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺水平的不断提高，今天已经能把大量的门电路集成在平的不断提高，今天已经能把大量的门电路集成在一块很小的半导体芯片上，构成功能复杂的一块很小的半导体芯片上，构成功能复杂的“片上片上系统系统”（SOC-System on Chip）。）。从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型双

3、极型、单极型单极型和和混合型混合型三种。三种。1961年美国得克萨斯仪器公司率先将数字电路的元、年美国得克萨斯仪器公司率先将数字电路的元、器件制作在同一硅片上，制成了数字集成电路器件制作在同一硅片上，制成了数字集成电路（Integrated Circuits，简称，简称 IC）。）。由于集成电路由于集成电路体积小体积小、重量轻重量轻、可靠性好可靠性好，因而在大，因而在大多数领域里迅速取代了分立器件组成的数字电路。多数领域里迅速取代了分立器件组成的数字电路。直到直到20世纪世纪80年代初，采用双极型三极管组成的年代初，采用双极型三极管组成的TTL型集成电路一直是数字集成电路的主流产品。型集成电路

4、一直是数字集成电路的主流产品。TTL电路存在着一个严重的缺点，这就是它的功耗比电路存在着一个严重的缺点，这就是它的功耗比较大。因此，用较大。因此，用TTL电路只能做成小规模集成电路电路只能做成小规模集成电路(简简称称SSI，其中仅包含，其中仅包含10个以内的门电路）和中规模集个以内的门电路）和中规模集成电路成电路(简称简称MSI，其中包含，其中包含10100个门电路）个门电路） 。CMOS集成电路出现于集成电路出现于20世纪世纪60年代后期，它最突年代后期，它最突出的优点在于出的优点在于功耗极低功耗极低，所以非常适合制作大规模，所以非常适合制作大规模集成电路（集成电路（LSI）和超大规模集成电

5、路（）和超大规模集成电路（VLSI）。）。随着随着CMOS制作工艺的不断进步，无论是在工作速制作工艺的不断进步，无论是在工作速度还是在驱动能力上，度还是在驱动能力上， CMOS电路都已经不比电路都已经不比TTL电路逊色。电路逊色。因此，因此， CMOS电路便逐渐取代电路便逐渐取代TTL电路而成为当前电路而成为当前数字集成电路的主流产品。数字集成电路的主流产品。但在现有的一些设备中仍然在使用但在现有的一些设备中仍然在使用TTL电路。电路。高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 二极管与门的逻辑电平二极管与门的逻辑电平A/V0033B/V0303Y/V0.70.70.73.7D1、D2导通导通D

6、1导通导通 D2截止截止D1截止截止 D2导通导通D1、 D2导通导通最简单的与门可以由二极管和电阻组成。最简单的与门可以由二极管和电阻组成。图中图中A、B为两个输入变量，为两个输入变量，Y为输出变量。为输出变量。Y二极管与门二极管与门VCC（5V）RD1D2AB设输入的高、低电平分别为设输入的高、低电平分别为3V、0V，二极管的正向导通压降为二极管的正向导通压降为0.7V 。A0011B0101Y0001二极管与门的真值表二极管与门的真值表ABY 负载电阻的改变有时会影响输出高电平。负载电阻的改变有时会影响输出高电平。仅用作集成电路内部的逻辑单元。仅用作集成电路内部的逻辑单元。ABY这种与门

7、电路虽然简单，这种与门电路虽然简单，但输出的高、低电平数值和输入的高、低电平数值不相等，但输出的高、低电平数值和输入的高、低电平数值不相等，A/V0033B/V0303Y/V02.32.32.3二极管或门的逻辑电平二极管或门的逻辑电平D1、D2截止截止D1截止截止D2导通导通 D1导通导通D2截止截止D1、 D2导通导通最简单的或门也是由二极管和电阻组成。最简单的或门也是由二极管和电阻组成。图中图中A、B为两个输入变量，为两个输入变量，Y为输出变量。为输出变量。D1 RD2ABY二极管或门二极管或门设输入的高、低电平分别为设输入的高、低电平分别为3V、0V，二极管的正向导通压降为二极管的正向导

8、通压降为0.7V 。A0011B0101Y0111二极管或门的真值表二极管或门的真值表BAYABYMOS管有三个电极：源极S (Source) 、栅极G (Gate) 、漏极D (Drain)，为电压控制器件。MOS管有P沟道和N沟道二种，按工作特性分为增强型和耗尽型。当当vGS v GS(th) 时，时，D-S间导电沟道形成，有间导电沟道形成，有 iD流通。流通。v GS(th) - MOS管的管的开启电压（阈值电开启电压（阈值电压），压），即即MOS管刚刚形成导电沟道的栅源电管刚刚形成导电沟道的栅源电压。压。 v GS(th) 0当当vGS v GS(th) 时，时，D-S间不导通，间不导

9、通， iD= 0 。当当vGS v GS(th) 时，时，D-S间导电沟道形成，有间导电沟道形成，有 iD流通。流通。v GS(th) - MOS管的管的开启电压（阈值电开启电压（阈值电压），压），即即MOS管刚刚形成导电沟道的栅源电管刚刚形成导电沟道的栅源电压。压。 v GS(th) 0控制的开关。间相当于一个受管所以导通当截止当则：只要因为IOLOGSIHIDDOHOGSILIOFFDONONOFFVSDMOSVVTthVVVVVVTthVVVRRRKRR01109)()(,RON为MOS管的导通内阻ROFF为MOS管的截止内阻OFF ，截止状态 ON，导通状态一、 电路结构PthGSNt

10、hGSVV)()(P)th(GSN)th(GSDDVVV 1. VI=VIL=0V时时 VGS2=0VVGS(th)N T2截止截止 VGS1=VI-VDD=-VDDVGS(th)N T2导通导通 VGS1=VI-VDD=0VVGS(th)P T1截止截止 VO=VOL0V输入与输出之间为输入与输出之间为逻辑非逻辑非的关系。的关系。T1和T2总有一个导通，一个截止，即互补状态。静态功耗极小。N沟道沟道P沟道沟道若若DDIV21V DDOV21V DDTHV21VDDIV21V (max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限 因

11、为因为MOS管的栅极和衬底之间有一层很薄的管的栅极和衬底之间有一层很薄的SiO2绝缘绝缘层，极易被击穿，所以必须采取保护措施。层，极易被击穿，所以必须采取保护措施。CC4000系列的输入保护电路系列的输入保护电路74HC系列的输入保护电路系列的输入保护电路DDIVv0时，输入保护电路不起作用时，输入保护电路不起作用DFDDIVVv时，时，D1导通，导通，GFDDGVVv，保护，保护T2V7 . 0vI时，时，D2导通，导通，VG嵌位在嵌位在-VDF，保护，保护T1输入端接电阻到地时，输入端相当于接低电平输入端接电阻到地时，输入端相当于接低电平1、低电平输出特性、低电平输出特性 当输出为低电平时

12、，工作状态如下图所示。当输出为低电平时，工作状态如下图所示。灌电流灌电流OLOLDDVIV不变时：因为因为VDD不变，导通性能不变，即不变，导通性能不变，即RON不变不变OLDDOLVVI 相同时：因为因为VDD变大，导通性能好，变大，导通性能好， RON变小变小2、高电平输出特性、高电平输出特性当输出为高电平时，工作状态如下图所示。当输出为高电平时，工作状态如下图所示。拉电流拉电流OHOHDDVIV不变时：因为因为VDD不变，导通性能不变，即不变，导通性能不变，即RON不变不变OHDDOHVVI相同时：因为因为VDD变大，导通性能好，变大，导通性能好， RON变小变小一般情况下，一般情况下，

13、tPHL、 tPLH主要是由于负载电容的充放主要是由于负载电容的充放电所产生的，为了缩短传输延迟时间，必须减小负电所产生的，为了缩短传输延迟时间，必须减小负载电容和载电容和MOS管的导通电阻。管的导通电阻。在工作频率较高时，在工作频率较高时，CMOS门电路主要考虑动态功耗，静态功耗可忽略。门电路主要考虑动态功耗，静态功耗可忽略。在在门电路的系列产品中，除反相器外常用的还有：门电路的系列产品中，除反相器外常用的还有：与非门、或非门、与门、或门、与或非门、异或门。与非门、或非门、与门、或门、与或非门、异或门。当当A，B两个输入端全为两个输入端全为“1”时，时，T2和和T4都导通，都导通，T1和和T

14、3都截止，都截止，输出端为输出端为“0”。 当输入端有一个或全为当输入端有一个或全为“0”时，时，T2或或T4（或都）截止，（或都）截止，T1或或T3 （或都）导通（或都）导通 ，输，输出端出端Y为为“1” 。()YAB 当当A，B两个输入端全为两个输入端全为“1”或或 其中一个为其中一个为“1”时，时，输出端为输出端为“0”。只有当输入端只有当输入端全为全为“0”时，时，输出端才为输出端才为“1”。 ()YAB 也更高越高，输入端越多，端数目的影响输出的高低电平受输入则则则则受输入状态影响输出电阻存在的缺点：OHOLON3ONOON1ONOON3ON1ONOON4ON2ONOOVV)2(RR

15、R0B,1ARRR1B,0AR21R/RR0B,0AR2RRR1B,1AR:)1(与非门缓冲器或非门用途：用途：输出电平的变换；输出电平的变换； 满足大功率负载电流的需要；满足大功率负载电流的需要； 实现线与逻辑。实现线与逻辑。逻辑符号逻辑符号线与连接方法线与连接方法线与逻辑符号线与逻辑符号() ()()ABCDABCD21YYY的计算方法LR时，传输门导通。时，传输门导通。1,0CC0,1CC时，传输门截止。时，传输门截止。A=0时：时： TG1导通，导通，TG2截止截止A=1时：时： TG2导通，导通，TG1截止截止BY BY BAABBAYC=0时开关截止。时开关截止。C=1时开关接通。

16、时开关接通。)(高阻时，时，ZYNEAYNE10使能端低有效的逻辑符号使能端低有效的逻辑符号为防止静电电压造成的损坏，应注意以下几点：为防止静电电压造成的损坏，应注意以下几点：1）在存储和运输）在存储和运输CMOS器件时，不要使用易产生静电高压的化工材料器件时，不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。2）组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好）组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电

17、的原料制作。3 3）不用的输入端不应悬空。）不用的输入端不应悬空。 由于输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限，所以在可能出由于输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限，所以在可能出现较大输入电流的场合，应在输入端与信号源之间串进保护电阻。现较大输入电流的场合，应在输入端与信号源之间串进保护电阻。ebcebc三极管的基本开关电路就是非门 反相器是反相器是TTL集成门电路中电路结构最简单的一种。集成门电路中电路结构最简单的一种。因电路输入端和输出端均为三极管结构，所以称为三极管因电路输入端和输出端均为三极管结构，所以称为三极管-三极管逻辑三极管逻辑电路（电路（Transistor-Transist

18、or Logic），简称），简称TTL电路。电路。CCV1R2RYA4T5T2T1T2D1D4R3RI( )vO()v4k1.6k1k130B1v2Cv2EvCCV1R2RYA4T5T2T1T2D1D4R3RI( )vO()v4k1.6k1k130B1v2Cv2EvYAOI452I2D4BE2RCCOH4521BIVVTT,TV3 . 1VV7 . 0BCV4 . 3VVVVVTT,TV3 . 1V,V6 . 0VAB导通，截止，导通且工作在放大区段：线性区导通截止，段：截止区OLOOIOLOBTHIVVVVDEVVTTTVVVVVCD不变，而继续段：饱和区迅速所以截止，同时导通，所以段：转折

19、区012414521,.,.(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVVOH(min)OL(max)2.4V,0.4VVVIH(min)IL(max)2.0V,0.8VVVNHNL0.4V,0.4VVV5,0.2C CIILVVVvV11CCBE1ILILmAVvVIR IH3.4IVvV40IHAITTL反相器的输入特性反相器的输入特性(1)高电平输出特性高电平输出特性-15 -10 -5 03.02.01.0vOH/ViL/mATTLTTL反相器高电平输出特性反相器高电平输出特性TTL反相器高电平输出等效电路反相器高电平输出等效电路mA4 . 0IOHTTL

20、反相器低电平输出等效电路反相器低电平输出等效电路TTL反相器低电平输出特性反相器低电平输出特性mA16IOL16IINILOL110IINIHOH2TTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路反相器输入端经电阻接地时的等效电路TTL反相器输入端负载特性反相器输入端负载特性PP11BECCPIIRRRVVRivIPvR若若RP较小（较小（2.5 K），相当于输入一个高电平信号），相当于输入一个高电平信号1。RpOHIHPIH(min)VIRVOHIH(min)PIHVVRI33.42.0350.04 10PkR ILvVOLVCCR1be2be5T14kRP(max)ILOLPP1OL1BECCVVRRRVVV1IL(max)OLPCCBE1IL(max)VVRRVvV0.80.240.6950.70.8 PkkR0.69PkR （b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限IH(min)IL(max)2.0V,0.8VVV012190205241451OLOBOHOBVVTTTVVBAVVTTVVVBABA导通，和截止，同为高电平时，和当导通，截止，时，有一个为和当由多发射极三极管实现,.,.加倍