数字电路教案 第四讲2-1

组合逻辑电路的分析与设计集成逻辑门常用MSI组合逻辑模块组合型PLD组合逻辑电路分析组合逻辑电路设计组合逻辑电路的VHDL描述组合逻辑电路中的险象本章内容重点电子二极管的工作原理电子三极管的工作原理为了提高真空二极管检波灵敏度，福雷斯特在玻璃管内添加了一种栅栏式的金属网，形成电子管的第三个极。他惊讶地看到，这个“栅极”仿佛就像百叶窗，能控制阴极与屏极之间的电子流；只要栅极有微弱电流通过，就可在屏极上获得较大的电流，而且波形与栅极电流完全一致。也就是说，在弗莱明的真空二极管中增加了一个电极，就成了能够起放大作用的新器件，他把这个新器件命名为三极管（Triode）。2.1集成逻辑门TTL：Transistor-TransistorLogicECL：EmitterCoupledLogic单极型逻辑门双极型逻辑门两种载流子导电一种载流子导电集成逻辑门NMOSPMOSCMOS：ComplementaryMOS

TTL和CMOS逻辑门最常用2.1.1理想开关的开关特性一、静态特性1.断开2.闭合2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性SAK二、动态特性1.开通时间：2.关断时间：闭合）（断开断开）（闭合普通开关：静态特性好，动态特性差半导体开关：静态特性较差，动态特性好几百万/秒几千万/秒SAK2.1.2半导体二极管的开关特性一、静态特性1.外加正向电压(正偏)二极管导通(相当于开关闭合)2.外加反向电压(反偏)二极管截止(相当于开关断开)硅二极管伏安特性阴极A阳极KPN结-AK+P区N区++++++++--------正向导通区反向截止区反向击穿区0.50.7/mA/V0D+-+-二极管的开关作用：[例]uO=0VuO=2.3V电路如图所示，试判别二极管的工作状态及输出电压。二极管截止二极管导通[解]D0.7V+-二、动态特性1.二极管的电容效应结电容C

j扩散电容CD2.二极管的开关时间电容效应使二极管的通断需要一段延迟时间才能完成tt00(反向恢复时间)≤ton—开通时间toff—关断时间一、静态特性NPN2.1.3半导体三极管的开关特性发射结集电结发射极emitter基极base集电极collectorbiBiCec(电流控制型)1.结构、符号和输入、输出特性(2)符号NNP(Transistor)(1)结构(3)输入特性(4)输出特性iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAiB=0024684321放大区截止区饱和区0uBE

/ViB

/µA发射结正偏放大i

C=

iB集电结反偏饱和

iC

＜

iB两个结正偏I

CS=

IBS临界截止iB≈0,iC≈0两个结反偏电流关系状态

条件2.开关应用举例发射结反偏T截止发射结正偏T导通+RcRb+VCC

(12V)+uoiBiCTuI3V-2V2k2.3k放大还是饱和？饱和导通条件：+RcRb+VCC

+12V+uoiBiCTuI3V-2V2k2.3k≤因为所以二、动态特性3-2t00.9ICS0.1ICSt030.3t0图示NMOS，在p型半导体制作两个高掺杂浓度的N区域，形成晶体管的源极（source）和漏极（drain），在衬底之上，源极和漏极之间制造一层极薄的SiO2绝缘层，在绝缘层上用金属或多晶硅制作一层导电层-栅极。加在源极、栅极和漏极的电压分别为VS、VG和VD，衬底、源极和栅极都和地相连（Vs=VG=0）,相当于两个背对背的二极管，此时NMOS截止。VGS=5V,源极、漏极和衬底的自由电子趋于栅极。电子集中在沟道中，沟道区变成n型，源极和漏极导通。MOS（Mental–Oxide–Semiconductor）

金属–

氧化物–

半导体场效应管PMOS晶体管2.1.4MOS管的开关特性(电压控制型)MOS（Mental–Oxide–Semiconductor）

金属–

氧化物–

半导体场效应管一、静态特性1.结构和特性：(1)N沟道栅极

G漏极

DB源极

S3V4V5VuGS=6ViD/mA42643210uGS/ViD/mA43210246810uDS/V可变电阻区恒流区UTNiD开启电压UTN=2V+-uGS+-uDS衬底漏极特性转移特性uDS=6V截止区P沟道增强型MOS管与N沟道有对偶关系。(2)P沟道栅极

G漏极

DB源极

SiD+-uGS+-uDS衬底iD/mAiD/mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2-3V-4V-5VuGS=-6V-1-2-3-4-6uGS/VuDS/V可变电阻区恒流区漏极特性转移特性截止区UTPuDS=-6V开启电压UTP=-2V参考方向2.MOS管的开关作用：(1)N沟道增强型MOS管+VDD+10VRD20kBGDSuIuO+VDD+10VRD20kGDSuIuO开启电压UTN=2ViD+VDD+10VRD20kGDSuIuORONRD(2)P沟道增强型MOS管-VDD-10VRD20kBGDSuIuO-VDD-10VRD20kGDSuIuO开启电压UTP=-2V-VDD-10VRD20kGDSuIuOiD二、MOS三极管非门MOS管截止2.MOS管导通（在可变电阻区）真值表0110AY+VDD+10VRD20kBGDSuIuO1.+-uGS+-uDS故+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP2.3CMOS集成门电路2.3.1CMOS反相器一、电路组成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0V<UTN<UTP截止导通10V10V>UTN>UTP导通截止0VUTN=2VUTP=-2V+10VRONPuY+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP输入端保护电路:C1、C2—栅极等效输入电容(1)0<uA<VDD+uDF(2)uA

>VDD+uDF

D导通电压：uDF

=0.5~0.7V(3)uA

<

-

uDF

二极管导通时，限制了电容两端电压的增加。保护网络+VDDuYuATPD1C1C2RSTND2D3VSSD1、D2、D3截止D2、D3导通uG

=VDD+uDFD1导通uG=

-

uDF二、静态特性1.电压传输特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB段：uI<UTN，uO=VDD、iD

0，功耗极小。0uO/VuI/VTN截止、TP导通，BC段：TN导通，uO略下降。CD段：TN、TP均导通。DE、EF段：与

BC、AB段对应，TN、TP的状态与之相反。转折电压指为规定值时，允许波动的最大范围。UNL：输入为低电平时的噪声容限。UNH：输入为高电平时的噪声容限。=0.3VDD噪声容限：2.电流传输特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO/VuI/VABCDEF0iD/mAuI/VUTH电压传输特性电流传输特性AB、EF段：TN、TP总有一个为截止状态，故iD0。CD段：TN、Tp均导通，流过两管的漏极电流达到最大值iD=iD（max)

。阈值电压：UTH=0.5VDD（VDD=3~18V）2.3.2CMOS与非门、或非门、与门和或门A

BTN1TP1

TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1110与非门一、CMOS与非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TP2TN2ABYuBuYAB&00100111Y=或非门二、CMOS或非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TN2TP2ABYuBuYA

BTN1TP1

TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1000AB≥100100111三、CMOS与门和或门1.CMOS与门AB&Y1+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABYABY&+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSS2.CMOS或门Y1+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSSAB≥1ABY≥1+VDDVSSTP1TN1TN2TP2ABY四、带缓冲的CMOS与非门和或非门1.基本电路的主要缺点(1)

电路的输出特性不对称：当输入状态不同时，输出等效电阻不同。(2)电压传输特性发生偏移，导致噪声容限下降。2.带缓冲的门电路在原电路的输入端和输出端加反相器。1ABY与非门或非门同理缓冲或非门与非门缓冲&112.3.3CMOS与或非门和异或门一、CMOS与或非门1.电路组成：&&&ABCD&≥1YABCDY12.工作原理：由CMOS基本电路(与非门和反相器)组成。二、CMOS异或门1.电路组成：&&&ABY2.工作原理：&YAB=1由CMOS基本电路(与非门)组成。2.3.4CMOS传输门、三态门和漏极开路门一、CMOS传输门(双向模拟开关)1.电路组成：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuTNCIO/uuOI/uuTG2.工作原理：TN、TP均导通，TN、TP均截止，导通电阻小(几百欧姆)关断电阻大(≥109)(TG门—TransmissionGate)二、CMOS三态门1.电路组成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN212.工作原理Y与上、下都断开TP2、TN2均截止Y=Z(高阻态—非1非0)TP2、TN2均导通011010控制端低电平有效(1或0)3.逻辑符号YA1EN使能端EN

三、CMOS漏极开路门(OD门—OpenDrain)1.电路组成BA&1+VDDYBGDSTNVSSRD外接YAB&符号(1)漏极开路，工作时必须外接电源和电阻。2.主要特点(2)可以实现线与功能：输出端用导线连接起来实现与运算。YCD&P1P2+VDDYRD(3)

可实现逻辑电平变换：(4)带负载能力强。2.3.5CMOS电路使用中应注意的几个问题一、CC4000和C000系列集成电路1.CC4000系列：符合国家标准，电源电压为318V，功能和外部引线排列与对应序号的国外产品相同。2.C000系列：早期集成电路，电源电压为715V，外部引线排列顺序与CC4000不同，用时需查阅有关手册。传输延迟时间tpd标准门=100nsHCMOS=9nsHCMOS:54/74系列54/74HC(带缓冲输出)54/74HCU(不带缓冲输出)54/74HCT(与LSTTL兼容)二、高速CMOS(HCMOS)集成电路三、CMOS集成电路的主要特点(1)功耗极低。LSI：几个μW，MSI：100μW(2)电源电压范围宽。CC4000系列：VDD=3~18V(3)抗干扰能力强。输入端噪声容限=0.3VDD~0.45VDD(4)逻辑摆幅大。(5)输入阻抗极高。(6)扇出能力强。扇出系数：带同类门电路的个数，其大小反映了门电路的带负载能力。(7)集成度很高，温度稳定性好。(8)抗辐射能力强。(9)成本低。CC4000系列：≥50个≥四、CMOS

电路使用中应注意的几个问题1.注意输入端的静电防护。2.注意输入电路的过流保护。3.注意电源电压极性。5.多余的输入端不应悬空。6.输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。与门

、

与非门

：接电源或

与其他输入端并联或门

、

或非门

：接地或

与其他输入端并联多余输入端的处理思考原因？4.输出端不能和电源、地短接。因为输入阻抗极高（≥108）故输入电流0，电阻上的压降0。2.4TTL集成门电路（Transistor—TransistorLogic）一、电路组成及工作原理+VCC(5V)R1uIuo4kAD1T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y输入级中间级输出级D1—保护二极管防止输入电压过低。当uI<-0.5~-0.7V时，D1导通，uI被钳制在-0.5~-0.7V，不可能继续下降。1.电路组成因为D1只起保护作用，不参加逻辑判断，为了便于分析，今后在有些电路中将省去。2.4.1TTL反相器2.工作原理+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y0VT1的基极电压无法使T2和T4的发射结导通T1深度饱和T2、T4截止，iC1=0RL拉电流T3、D

导通0V3.6V0V0.7V0V负载的等效电阻iC15V因为所以则+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y假设T1导通则T1的集电结和T2、T4的发射结(3个PN结)导通ebcT1正常放大时:发射结正偏，集电结反偏，即uC>uB>uE现在:uE>uB>uC，即发射结反偏集电结正偏倒置放大iii=βiib=(1+βi)ib4.3Vce3.6V1.4V0.7V2.1V1.4V+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130YT1倒置放大状态假设T2饱和导通T3、D均截止(设β1~β4=20)T2饱和的假设成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思考：D的作用？若无D，此时T3可以导通，电路将不能实现正常的逻辑运算因为3.6ViE1+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130YT1倒置放大状态T2饱和，T3、D均截止3.62.11.40.71T4的工作状态：导通放大还是饱和？iB2ICS2iB1iE1iE2iB4iR3又因为T3、D均截止，即T4深度饱和：uO=UCES4≤0.3V（无外接负载）若外接负载RL：RL+VCC0.3所以输入短路电流IIS二、静态特性1.输入特性(1)

输入伏安特性：1iI+VCC+5VuI+-uoT1iIuI+-be2be4+VCC+5VR14kIV/uImA/i012-1ISIILIUILUIHIHI低电平输入电流IIL

高电平输入电流或输入端漏电流IIH即：当Ri为2.5k以上电阻时，输入由低电平变为高电平(2)

输入端负载特性：1+VCC+5VuI+-uoRiT1iB1uI+-be2be4+VCC+5VR14kRiRi/026412uI/VT2、T4饱和导通Ri=Ron

—开门电阻（2.5kΩ）RonT2、T4截止Ri=

Roff—关门电阻（<0.7k）即：当Ri为0.7k

以下电阻时,输入端相当于低电平。Roff0.7V1.4V2.输出特性uO1+VCC+5VuI+-+-iOuO/ViO/mA0102030-10-20-30123在输出为低电平条件下，带灌电流负载能力IOL可达16mA0.3V受功耗限制，带拉电流负载能力IOH可一般为

-400A3.6V

注意：输出短路电流IOS可达-33mA，将造成器件过热烧毁，故门电路输出端不能接地！！！3.电压传输特性：1+VCC+5VuI+-uO+-AB0uO/VuI/V12341234AB段：uI<0.5V

，uB1<1.3V

，T2、T4截止，T3、D导通。截止区3.6VBC段：T2开始导通(放大区)，T4仍截止。C线性区D转折区E饱和区0.3VCD段：反相器的阈值电压(或门槛电压)DE段：uI>1.4V

，T2、T4饱和导通，T3、D截止。uO=UOL≤0.3V阈值电压4.输入端噪声容限uIuO1G1G21输出高电平典型值=3.6V输出低电平典型值=0.3V输入高电平典型值=3.6V输入低电平典型值=0.3VUNH

—允许叠加的负向噪声电压的最大值G2输入高电平时的噪声容限：UNL

—允许叠加的正向噪声电压的最大值G2输入低电平时的噪声容限：三、动态特性传输延迟时间1uIuO50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL

—输出电压由高到低时的传输延迟时间。tpd—平均传输延迟时间tPLH

—输出电压由低到高时的传输延迟时间。tPHLtPLH典型值：tPHL=8ns,tPLH=12ns最大值：tPHL=15ns,tPLH=22ns+VCC+5VR14kAD2T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y输入级中间级输出级D1BT1—多发射极三极管e1e2bc等效电路：1.A、B只要有一个为00.3V1VT2、T4截止5VT3、D

导通2.4.2TTL与非门和其他逻辑门电路一、TTL与非门0.7VRL3.6V+VCC+5V4kAD2T1T2T3T4D1.6k1k130Y输入级中间级输出级D1BR1R2R3R43.6V3.6V0.7V1V0.3V4.3V2.1V2.A、B均为1理论：实际：T2、T4导通T3、D

截止uO=UCES4≤0.3VTTL与非门RL+VCC+VCC+5V4kAD2T1T2T3T4D1.6k1k130Y输入级中间级输出级D1BR1R2R3R4TTL与非门整理结果：1110ABY00011011AB&二、TTL或非门+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T2输入级中间级输出级1.A、B只要有一个为1T2、T4饱和T2、T3、D

截止uO=0.3V2.1V1V0.3V3.6V0.3VRL+VCC2.A、B均为0iB1、iB1分别流入T1、T1

的发射极T2、T2均截止则T4截止T3、D

导通+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T20.3V0.3ViB1iB1RL输入级中间级输出级TTL或非门5V1V1V3.6V整理结果：1000ABY00011011AB≥1+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T2输入级中间级输出级TTL或非门2.4.3TTL集电极开路门和三态门一、集电极开路门—OC门(OpenCollectorGate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B1.电路组成及符号+VCCRC外接YAB&+VCCRCOC门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。可以线与连接VCC根据电路需要进行选择2.OC门的主要特点线与连接举例：+VCCAT1T