[工学]数字电路第三章ppt课件

1、3 逻辑门电路逻辑门电路3.1 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路*3.3 射极耦合逻辑门电路射极耦合逻辑门电路*3.4 砷化镓逻辑门电路砷化镓逻辑门电路3.5 逻辑描画中的几个问题逻辑描画中的几个问题3.6 逻辑门电路运用中的几个实践问题逻辑门电路运用中的几个实践问题* 3.7 用用VerilogHDL描画逻辑门电路描画逻辑门电路教学根本要求：教学根本要求：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、熟练掌握根本逻辑门与、或、与非、或非、异或、熟练掌握根本逻辑门与、或、与非、或非、异或门、三态门、门、三态门、ODOD门门OCOC门和传输门的

2、逻辑功能。门和传输门的逻辑功能。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、掌握逻辑门的主要参数及在运用中的接口问题。、掌握逻辑门的主要参数及在运用中的接口问题。3. 逻辑门电路逻辑门电路3.1 MOS逻辑门逻辑门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3.1.2 逻辑门的普通特性逻辑门的普通特性3.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路3.1.4 CMOS反相器反相器3.1.5 CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路漏极开路门和三态输出门电路3.1.7 CMOS传输门传输门3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数逻

3、辑门电路的技术参数1 、逻辑门、逻辑门:实现根本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现根本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。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3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介1OS集成电路集成电路:广泛运用于超大规模、甚大规模集成电路广泛运用于超大规模、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不兼容不兼容抗干扰

4、抗干扰功耗低功耗低74LVC 74AUC速度加快速度加快与与TTLTTL兼容兼容负载才干强负载才干强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载才干强负载才干强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低( (超低超低) )电压电压速度更加快速度更加快与与TTLTTL兼容兼容负载才干强负载才干强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 74 74系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2.TTL 集成电路集成电路:广泛运用于中大规模集成电路广泛运用于中大规模集成电路3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3.1.2 逻辑门电路的普通特性逻辑门电路的普通特性1. 1. 输入和输出的

5、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) VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIL(min)VIL(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOH(max) VOH(max)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

6、电平 vI VNH 当前级门输出高电平的最小当前级门输出高电平的最小值时允许负向噪声电压的最大值。值时允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平常的噪声容限：负载门输入高电平常的噪声容限：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允许正向噪声电压的最大值值时允许正向噪声电压的最大值负载门输入低电平常的噪声容限：负载门输入低电平常的噪声容限：2. 噪声容限噪声容限VNH =VOH(min)VIH(min) VNL =VIL(max)VOL(max)在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许动摇的范围。它表在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许动摇的范围。它表示门电路的抗干扰才干

7、示门电路的抗干扰才干 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)782.10.93.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，它阐明门电路在输入脉冲波的参数，它阐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。CMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间 tPHL 输出输出 50% 90% 50% 10% tPLH

8、 tf tr 输入输入 50% 50% 10% 90% 4. 4. 功耗功耗静态功耗：指的是当电路没有形状转换时的功耗，即门电路空载时静态功耗：指的是当电路没有形状转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流电源总电流IDID与电源电压与电源电压VDDVDD的乘积。的乘积。5. 5. 延时延时功耗积功耗积是速度功耗综合性的目的是速度功耗综合性的目的. .延时延时功耗积，用符号功耗积，用符号DPDP表示表示扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。6. 6. 扇入与扇出数扇入与扇出数动态功耗：指的是电路在输出形状转换时的功耗，动态功耗：指的是电路在输出形状转换时的功耗，对

9、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。CMOSCMOS电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOSCMOS门电路有动态功耗门电路有动态功耗扇出数：是指其在正常任务情况下，所能带同类门电路的最大数目。扇出数：是指其在正常任务情况下，所能带同类门电路的最大数目。a)a)带拉电流负载带拉电流负载当负载门的个数添加时，总的拉电流将添加，会引起输出高电压当负载门的个数添加时，总的拉电流将添加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。个数。)(I)(IN负载门负载门

10、驱动门驱动门IHOHOH 高电平扇出数高电平扇出数: :IOH :驱动门的输出端为高电平电流驱动门的输出端为高电平电流IIH :负载门的输入电流为。负载门的输入电流为。(b)带灌电流负载带灌电流负载)(I)(IN负载门负载门驱动门驱动门ILOLOL 当负载门的个数添加时，总的灌电流当负载门的个数添加时，总的灌电流IOL将添加，同时也将引将添加，同时也将引起输出低电压起输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超越的升高。当输出为低电平，并且保证不超越输出低电平的上限值。输出低电平的上限值。IOL ：驱动门的输出端为低电平电流：驱动门的输出端为低电平电流IIL ：负载门输入端电流之和：负

11、载门输入端电流之和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功耗延迟积功耗延迟积/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/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036

12、.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3.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路：MOS管任务在可变电阻区，输出低电平管任务在可变电阻区，输出低电平: MOS: MOS管截止，管截止， 输出高电平输出高电平当当I VTI VTI VTd vO Rd VDD vI s g iD/mA O vDS / V VGS1 VGS2 VGS3 VGS4 VDSVGS VT 饱和区 VDSVGS VT 可变电阻区 VDS=VGS VT VGSVT 截止区 MOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的控制

13、的无触点开关。无触点开关。MOS管任务在可变电阻区，管任务在可变电阻区，相当于开关相当于开关“闭合，闭合，输出为低电平。输出为低电平。MOS管截止，管截止，相当于开关相当于开关“断开断开输出为高电平。输出为高电平。当输入为低电平常：当输入为低电平常：当输入为高电平常：当输入为高电平常：3.1.4 CMOS 反相器反相器1.1.任务原理任务原理AL1+VDD+5VD1S1vivOTNTPD2S20V+5VvivGSN vGSP TNTPvO0 V 0V 5V截止截止导通导通 5V5 V5V 0V导通导通截止截止0 VVTN = 2 V VTP = - 2 V逻辑图逻辑图AL 逻辑表达式逻辑表达式

14、vi (A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表10)VVVTPTNDD( P沟道沟道MOS管输出特性曲线坐标变换管输出特性曲线坐标变换输入高电平常的任务情况输入高电平常的任务情况输入低电平常的任务情况输入低电平常的任务情况作图分析：作图分析：2. 电压传输特性和电流传输特性电压传输特性和电流传输特性)v(fvIO 电压传输特性电压传输特性3OS反相器的任务速度反相器的任务速度在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与封在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与封锁时间是相等的。平均延迟时间：锁时间是相等的。平均延迟时间：10 ns10 ns。 带电容负载带电容负载A BTN1 TP1 TN

15、2 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1OS 与非门与非门vA+VDD+5VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)(a)电路构造电路构造(b)(b)任务原理任务原理VTN = 2 V VTP = - 2 V0V5VN输入的与非门的电路输入的与非门的电路?输入端添加有什么问题输入端添加有什么问题?3.1.5 CMOS 逻辑门逻辑门或非门或非门BAL 2OS 2OS 或非门或非门+VDD+5VTP1TN1TN2TP2ABLA

16、B TN1 TP1 TN2 TP2 L0 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1000AB10V5VVTN = 2 V VTP = - 2 VN输入的或非门的电路的构造输入的或非门的电路的构造?输入端添加有什么问题输入端添加有什么问题?3. 异或门电路异或门电路BA BABAXBAL BABA BA =A B4.4.输入维护电路和缓冲电路输入维护电路和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 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路路 输输出出缓缓冲冲电电

17、路路 VDD vi vo 采用缓冲电路能一致参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路采用缓冲电路能一致参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有一样的输入和输出特性。具有一样的输入和输出特性。1 1输入端维护电路输入端维护电路: :(1) 0 vA VDD + vDF 二极管导通电压：二极管导通电压：vDF(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, ,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添加电压的添加, ,维护了输入电路。维护了输入电路。D1、D2截止截止D1导通导通, D2截止截止vG = VDD + vDFD2导通导通, D1截止截止v

18、G = - 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压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。延迟且衰减后到栅极。 D2 -分布式二极管分布式二极管(iD大大) VDD vI CN TP Rs D2 D1 TN CP vO BABAL 2CMOS逻辑门的缓冲电路逻辑门的缓冲电路输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路的逻辑功能也发生了变化。添加了缓冲器后的逻辑功能为与非功能1OS1OS漏极开路门漏极开路门1.CMOS漏极开路门的提出输出短接，在一定情况下会产输出短接，在一定情况下会产生低阻通路，大电流有能够导生低阻通路，大电流有能够导致器件

19、的损毁，并且无法确定致器件的损毁，并且无法确定输出是高电平还是低电平。输出是高电平还是低电平。 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 +VDDTN1TN2AB+VDDAB01C D RP VDD L A B & & 2漏极开路门的构造与逻辑符号漏极开路门的构造与逻辑符号(c) (c) 可以实现线与功能可以实现线与功能; ;CDAB CDAB +VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABLA 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 漏极开路门输出衔接漏极开路门输出衔

20、接21PPL RP VDD L A B C D (a)(a)任务时必需外接电源和电阻任务时必需外接电源和电阻; ;(2) (2) 上拉电阻对上拉电阻对ODOD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，因此开关速度愈快。常数亦愈小，因此开关速度愈快。但功耗大但功耗大,且能够使输出电流超越允且能够使输出电流超越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 0CLRp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越允许的最大值越允许的最大值IOL(max、功耗、功

21、耗小。但负载电容的充电时间常数亦小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因此愈慢。愈大，开关速度因此愈慢。最不利的情况：最不利的情况：只需一个只需一个 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门的输门的输出电流不能超越允许的最大值出电流不能超越允许的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max ，RP不能不能太小。太小。当当VO=VOLIL(total)OLOLDDpIIVVR(max)(max)(min) IL(total)pOLDDOLIRVVI(min)(max)(max) +V DDIILRP&n&m&kIILtotal)IOLma

22、x)当当VO=VOH+V DDRP&n&m&111IIHtotal)I0Htotal)为使得高电平不低于规定的为使得高电平不低于规定的VIHVIH的最小值，那么的最小值，那么RpRp的选择不能过的选择不能过大。大。RpRp的最大值的最大值Rp(max) Rp(max) ：IH(total)OH(total)IHDDpIIVVR(min)(max) 2.三态三态(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010截止截止截止截止X1逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门0 13.1.7 CMOS传输门传输门(双向模拟开关双向模拟开关) 1. CMOS1. 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、CMOS传输门电路的任务原理传输门电路的任务原理 设