第2章 邏輯門電路

第2章邏輯門電路 邏輯門 完成一些基本邏輯功能的電子電路 現(xiàn)使用的主要為集成邏輯門 首先介紹晶體管的開(kāi)關(guān)特性 著重討論的TTL和CMOS門電路的邏輯功能和電氣特性 簡(jiǎn)要介紹其他類型的雙極型和MOS門電路 2 1晶體管的開(kāi)關(guān)特性 在數(shù)字電路中 常將半導(dǎo)體二極管 三極管和場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)元件使用 理想開(kāi)關(guān) 接通時(shí)阻抗為零 斷開(kāi)時(shí)阻抗為無(wú)窮大 兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間為零 實(shí)際半導(dǎo)體開(kāi)關(guān) 導(dǎo)通時(shí)具有一定的內(nèi)阻 截止時(shí)有一定的反向電流 兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要時(shí)間 2 1 1半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性 下面以硅二極管為例 1 導(dǎo)通條件及導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn) 2 截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn) 3 開(kāi)關(guān)時(shí)間 開(kāi)啟時(shí)間 由反向截止轉(zhuǎn)換為正向?qū)ㄋ枰臅r(shí)間 二極管的開(kāi)啟時(shí)間很小 可忽略不計(jì) 關(guān)斷時(shí)間 由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換為反向截止所需要的時(shí)間 二極管的關(guān)斷時(shí)間大約幾納秒 1 飽和導(dǎo)通條件及飽和時(shí)的特點(diǎn) 飽和導(dǎo)通條件 飽和導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn) VBE 0 7VVCE VCES 0 1 0 3V 發(fā)射極和集電極之間如同閉合的開(kāi)關(guān) 2 1 2半導(dǎo)體三極管的開(kāi)關(guān)特性 2 截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn) 截止條件 VBE 0 5V 硅三極管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓 截止時(shí)的特點(diǎn) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置 IB IC 0 發(fā)射極和集電極之間如同斷開(kāi)的開(kāi)關(guān) 三極管開(kāi)關(guān)的近似直流等效電路 3 開(kāi)關(guān)時(shí)間 開(kāi)啟時(shí)間ton 三極管由截止到飽和所需要的時(shí)間 納秒 ns 級(jí) 關(guān)斷時(shí)間toff 三極管飽和由到截止所需要的時(shí)間 納秒 ns 級(jí) toff ton toff的大小與工作時(shí)三極管飽和導(dǎo)通的深度有關(guān) 飽和程度越深 toff越長(zhǎng) 反之則越短 2 1 3MOS管的開(kāi)關(guān)特性 MOS管的三個(gè)工作區(qū) 截止區(qū) 非飽和區(qū) 飽和區(qū) MOS管作開(kāi)關(guān)使用時(shí) 通常工作在截止區(qū)和非飽和區(qū) 數(shù)字集成電路中常用的MOS管為P溝道增強(qiáng)型和N溝道增強(qiáng)型 NMOS管開(kāi)關(guān)電路 1 導(dǎo)通條件及導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn) 以NMOS管為例 導(dǎo)通條件 VGS VTN VTN為NMOS管的開(kāi)啟電壓 導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn) 在開(kāi)關(guān)電路中 MOS管導(dǎo)通時(shí)一般工作在非飽和區(qū) 這時(shí)要求VGS VTN VDS 導(dǎo)通電阻RDS為幾百歐姆 2 截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn) 截止條件 VGS VTN 截止時(shí)的特點(diǎn) 漏 源之間沒(méi)有形成導(dǎo)電溝道 呈高阻狀態(tài) 阻值一般為109 1010 MOS管截止 NMOS管開(kāi)關(guān)近似直流等效電路 3 開(kāi)關(guān)時(shí)間 MOS管本身的開(kāi)關(guān)時(shí)間很小 組成開(kāi)關(guān)電路時(shí) 由于管子間的寄生電容和布線電容的存在 加上MOS管的輸入 輸出阻抗較大 使輸入 輸出電路的充放電時(shí)間常數(shù)增加 影響了開(kāi)關(guān)時(shí)間 2 2分立元件門電路 2 2 1二極管門電路 1 二極管與門 假設(shè) 二極管為理想開(kāi)關(guān) 輸入信號(hào)VIL 0V VIH 3V 綜上所述 電路為二極管與門 分兩種情況分析 1 A B C三端輸入均為3V 二極管DA DB DC均導(dǎo)通F 3V 2 A B C三端輸入有0V信號(hào)輸入時(shí) 如A B為0V C端輸入3V 二極管DA DB導(dǎo)通 DC截止F 0V 2 二極管或門 假設(shè) 二極管為理想開(kāi)關(guān) 輸入信號(hào)VIL 0V VIH 3V 分兩種情況分析 A B C三端輸入均為0V 二極管DA DB DC均導(dǎo)通F 0V 2 A B C三端輸入有3V信號(hào)輸入時(shí) 如A B為3V C端輸入0V 二極管DA DB導(dǎo)通 DC截止F 3V 2 2 2三極管門電路 1 非門 工作原理 設(shè)三極管電流放大倍數(shù) 30 Vi 0V 則三極管基極電位VB 0V 滿足截止條件VBE 0 5V 三極管截止 IC 0 VO Vcc 3V 為高電平 而三極管飽和時(shí)所需要的最小基極電流IBS ICS Vcc VCE RC 3 0 3 1 30 0 09mA Vi 3V 三極管飽和 因?yàn)轱柡蜁r(shí)VB 0 7V 基極電流IB Vi VB R1 VB VBB R2 3 0 7 1 5 0 7 5 10 0 96mA 結(jié)論 由于IB IBS所以 三極管飽和 輸出為低電平 VO 0 1 0 3V TTL電路分類 中速TTL 高速TTL HTTL 肖特基TTL STTL 低功耗TTL LTTL 低功耗肖特基TTL LSTTL 先進(jìn)低功耗肖特基TTL ALSTTL 等 2 3TTL門電路 三極管 三極管邏輯門電路 TTL 是指輸入端和輸出端都用三極管的電路 簡(jiǎn)稱TTL電路 是雙極型數(shù)字集成電路 2 3 1TTL與非門典型電路及其工作原理 1 電路組成 電路分三個(gè)部分 輸入級(jí) 中間級(jí) 輸出級(jí) 輸入級(jí) R1 T1 D1 D2 T1為多發(fā)射極晶體管 D1 D2為鉗位二極管 起保護(hù)T1管的作用 中間級(jí) R2 T2 R3 分相 放大作用 輸出級(jí) R4 T4 T5 D3 輸出級(jí)特點(diǎn) 靜態(tài)功耗低 開(kāi)關(guān)速度快 這種電路結(jié)構(gòu)稱為推拉式電路 2 工作原理 設(shè)輸入信號(hào)高低電平分別為ViH 3 4V ViL 0 2V PN結(jié)正向?qū)妷簽? 7V 三極管電流放大倍數(shù) 20 一 輸入中有低電平 T1管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通 T1管飽和 由于T2基極電壓僅為0 3V 故T2 T5均截止 T4 D3導(dǎo)通 輸出約為3 6V 5 0 7 0 7 3 6 輸出高電平1 二 輸入均為高電平 T1管處于倒置工作狀態(tài) be結(jié)反偏 bc結(jié)正偏 T2管處于飽和工作狀態(tài) T4管處于截止工作狀態(tài) T5管處于飽和工作狀態(tài) F輸出為 0 2 3 2TTL與非門的電壓傳輸特性 電壓傳輸特性是指輸出電壓VO隨輸入電壓VI的變化規(guī)律 VO f VI 1 特性曲線分析 截止區(qū) T5管截止 線性區(qū) T5管截止 T4管處于放大區(qū) 射極跟隨輸出 轉(zhuǎn)折區(qū) T2 T5由放大進(jìn)入飽和 T4進(jìn)入截止 飽和區(qū) T5管飽和 VOH VOL VTH 2 主要參數(shù) 1 輸出高電平VOH 低電平VOL 2 閾值電壓VTH 轉(zhuǎn)折區(qū)中間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電壓 約為1 4V 3 輸入端噪聲容限VNH VNL 2 3 3TTL與非門的靜態(tài)輸入與輸出特性 1 輸入特性 1 輸入伏安特性 II f Vi 定義 電流流入T1的發(fā)射極方向?yàn)檎较?2 反映出的主要參數(shù) 1 IIL 輸入低電平電流 2 IIH 輸入高電平電流 IIH約在40 A以下 作為前級(jí)門的拉電流負(fù)載 作為前級(jí)門的拉電流負(fù)載 2 輸入端負(fù)載特性 在門輸入端和地之間接電阻Ri 當(dāng)電阻從0 逐步增加時(shí) 由于電阻內(nèi)部有電流流過(guò) 會(huì)使電阻兩端電壓Vi逐步增加 當(dāng)T1管飽和導(dǎo)通時(shí) Roff 0 9k Ron 3k 當(dāng)Ri小于R0ff時(shí) 輸入為低電平 當(dāng)Ri高于Ron時(shí) 輸入為高電平 3 輸出特性 1 灌電流工作情況 驅(qū)動(dòng)門輸出為低電平 T5管飽和 T4管截止 負(fù)載門電流流入驅(qū)動(dòng)門 流入驅(qū)動(dòng)門的電流值IL取決于和驅(qū)動(dòng)門相連接的負(fù)載門個(gè)數(shù) 即IL NIIL IIL為負(fù)載門低電平輸入電流 約為1mA左右 由曲線可見(jiàn) 對(duì)所分析的電路 當(dāng)灌電流不超過(guò)16mA時(shí) VO不超過(guò)VOLmax 0 4V 稱帶灌電流負(fù)載能力IOLmax 16mA 一個(gè)門在低電平時(shí)能驅(qū)動(dòng)同類門的最大個(gè)數(shù)為 NOL IOLmax IIS 16 1 1 14 這里的IIS為輸入短路電流 2 拉電流工作情況 驅(qū)動(dòng)門輸出為高電平 T5管截止 負(fù)載門輸入電流由驅(qū)動(dòng)門提供 流出驅(qū)動(dòng)門的電流值IH取決于和驅(qū)動(dòng)門相連接的負(fù)載門的管腳的個(gè)數(shù) 即 從曲線上看 當(dāng)IO大于5mA時(shí) VO才開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì) 但決定IOHmax值的并不是VOHmax 而是器件的功耗 在上面討論的電路中 IOHmax約為400mA NOH IOHmax IIH 400 40 10 IH NIIH IIH為負(fù)載門高電平輸入電流 約為40 A左右 取min NOL NOH N定義為扇出系數(shù) 則min 14 10 10 2 3 4TTL與非門的動(dòng)態(tài)特性 1 傳輸延遲時(shí)間tpd 傳輸延遲時(shí)間指門電路的輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的延遲時(shí)間 一般tPLH tPHL 2 電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流 TTL門電路的功耗等于電源電壓VCC和電源電流ICC的乘積 由于VCC 5V為定值 所以ICC的大小就能反映功耗的大小 對(duì)于上述電路 穩(wěn)態(tài)時(shí) 輸出為高電平時(shí)的電流ICCH 1 1mA 輸出為低電平時(shí)的電流ICCL 3 4mA 在動(dòng)態(tài)情況下 特別是當(dāng)輸出電平由低突然變?yōu)楦叩倪^(guò)渡過(guò)程中 在某個(gè)瞬間 會(huì)使門電路中的所有管子均導(dǎo)通 使電源電流出現(xiàn)尖峰脈沖 尖峰電流有時(shí)可達(dá)40mA 電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流引起的后果 使電源的平均電流加大 而且 工作頻率越高 平均電流增加越多 2 電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流通過(guò)電源和地線的內(nèi)阻 形成系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲源 2 3 5其他類型的TTL門電路 具有不同輸入 輸出結(jié)構(gòu)的門電路 除與非門外 TTL電路產(chǎn)品中還有各種功能的門 如或非門 異或門等 1 集電極開(kāi)路門 OC門 以與非門為例說(shuō)明 OC門的特點(diǎn) 1 實(shí)現(xiàn)線與功能 說(shuō)明 普通的TTL電路不能將輸出端連在一起 輸出端連在一起 可能使電路形成低阻通道 使電路因電流過(guò)大而燒毀 由于OC門的集電極是開(kāi)路的 要實(shí)現(xiàn)正常的邏輯功能 需外加上拉電阻 上拉電阻R的選取 n OC門輸出端并接的個(gè)數(shù) m 負(fù)載門的輸入端總數(shù) P 負(fù)載門的總數(shù) 2 作電平轉(zhuǎn)換器 改變和上拉電阻相連的電源值 可改變輸出高電平的值 3 作驅(qū)動(dòng)器 OC門能輸出較大的電壓和電流 可直接作為驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 脈沖變壓器等 OC門的缺點(diǎn) 工作速度慢 原因 推拉式輸出結(jié)構(gòu)被破壞 使輸出端負(fù)載電容的充電要經(jīng)過(guò)RL 2 三態(tài)輸出門 TSL門 三態(tài)門 TSL門 的輸出有三個(gè)狀態(tài) 即 0 1和高阻 在使用中 由控制端 稱使能控制端 來(lái)控制電路的輸出狀態(tài) 當(dāng)EN 1時(shí) P 1 二極管截止 電路等效為普通與非門 2 當(dāng)EN 0時(shí) P 0 T4和T5均截止 輸出高阻態(tài) 三態(tài)門的基本用途為實(shí)現(xiàn)用一根導(dǎo)線輪流傳輸幾個(gè)不同的數(shù)據(jù)或控制信號(hào) 通常將接受多個(gè)門的輸出信號(hào)的線稱為總線 注意 在總線結(jié)構(gòu)中 任一時(shí)刻僅允許一個(gè)門工作 2 3 6TTL數(shù)字集成電路的各種系列 主要改進(jìn)1 傳輸延遲時(shí)間 2 功耗 3 轉(zhuǎn)換特性 TTL集成電路系列型號(hào)及性能表 系列標(biāo)準(zhǔn)系列低功耗肖特基系列肖特基系列先進(jìn)低功耗肖特基系列高速系列先進(jìn)肖特基系列快速系列低功耗系列 型號(hào)舉例740074LS0074S0074ALS0074F0074AS0074H0074l00 功耗 門P mW 102191410222 傳輸時(shí)延tpd ns 10103431 5635 時(shí)延功耗積Ptpd PJ 10020574121513235 電源電壓VCC 5V邏輯擺幅3 5V 2 4其它類型的雙極型數(shù)字集成電路 2 4 1ECL門電路 EmitterCoupledLogic ECL門電路是一種新型高速邏輯電路 內(nèi)部采用高速電流開(kāi)關(guān)型電路 內(nèi)部放大器工作在放大區(qū)或截止區(qū) 從根本上克服了因飽和而產(chǎn)生的存儲(chǔ)電荷對(duì)速度的影響 ECL門電路是目前各類集成電路中速度最快的電路 1ECL門電路的工作原理 ECL門的核心電路是電流開(kāi)關(guān)電路 電流開(kāi)關(guān)電路實(shí)際上是一個(gè)差分放大器 設(shè) VR 1 2V ViL 1 6V ViH 0 8V 0 95 當(dāng)Vi ViL時(shí) 由于 VR 1 2V所以T2導(dǎo)通 T1截止 Ve VR 0 7 1 9V流過(guò)Re的電流為Ie 1 9 5 0 5 6 2mA 該電流全部流過(guò)T2管的集電極 VO2為VO2 IeRC2 0 8V顯然 T2工作在放大區(qū) 由于T1截止 所以VO1 0V 2 當(dāng)Vi ViH時(shí) 由于VR 1 2V 所以T1導(dǎo)通 T2截止 Ve 0 8 0 7 1 5V 流過(guò)Re的電流為Ie 1 9 5 0 5 7mA該電流全部流過(guò)T1管的集電極 VO1為VO1 IeRC1 0 8V顯然 T1工作在放大區(qū) 由于T2截止 所以VO2 0V 2 實(shí)用的ECL門電路 電路由電流開(kāi)關(guān) 基準(zhǔn)電壓 射極跟隨器組成 T4 T5兩管 構(gòu)成射極跟隨器 使輸入電壓和輸出電壓一致 同時(shí)使輸出負(fù)載能力提高 3 互補(bǔ)輸出 同時(shí)實(shí)現(xiàn)或和或非功能 3 ECL門電路的主要特點(diǎn) 1 速度快 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)工作在非飽和狀態(tài) 消除了存儲(chǔ)電荷效應(yīng) 2 邏輯擺幅小 縮短了寄生電容的充放電時(shí)間 2 帶負(fù)載能力強(qiáng) 輸入阻抗高輸出阻抗低 3 邏輯功能強(qiáng) 互補(bǔ)輸出 4 功耗大 功耗包括電流開(kāi)關(guān) 射極跟隨器 參考電源 5 抗干擾能力差 邏輯擺幅小 噪聲容限低所以抗干擾能力較低 特點(diǎn) 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 功耗低 適于制成大規(guī)模集成電路 1 工作原理 1單元電路的任何一個(gè)輸出端與輸入的關(guān)系都是非邏輯關(guān)系 2單元電路是一個(gè)多輸出反相器 3集電極開(kāi)路 4不同單元電路的輸出端并接 實(shí)現(xiàn)線與邏輯 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2 主要特點(diǎn) 1 集成度高 2 速度功耗積小 3 抗干擾能力較差 4 工作速度低 主要用于制作大規(guī)模集成電路的內(nèi)部邏輯電路 2 5CMOS門電路 MOS門電路具有制造工藝簡(jiǎn)單 集成度高 功耗低 體積小 成品率高等優(yōu)點(diǎn) 特別適用于中 大規(guī)模集成電路的制造 在目前數(shù)字集成電路產(chǎn)品中占據(jù)了相當(dāng)大的比例 2 5 1CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu) CMOS反相器電路圖 總是工作在一個(gè)導(dǎo)通而另一個(gè)截止的狀態(tài) 靜態(tài)功耗極小 圖中驅(qū)動(dòng)管T2為NMOS管 負(fù)載管T1為PMOS管 為保證電路正常工作 電源電壓VDD大于兩管的開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值之和 當(dāng)VI 0時(shí) T2管截止 T1管導(dǎo)通 F 1 當(dāng)VI 1 VDD 時(shí) T2管導(dǎo)通 T1管截止 F 0 工作原理 2 5 2CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性 CMOS反相器的電壓傳輸特性 CMOS反相器的電流傳輸特性 2 5 3CMOS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性 1 輸入特性 CMOS反相器的輸入特性 2 輸出特性 vO VOL時(shí)的工作狀態(tài) CMOS反相器的低電平輸出特性 vO VOH時(shí)的工作狀態(tài) CMOS反相器的高電平輸出特性 2 5 4CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性 1 傳輸延遲時(shí)間 CMOS反相器傳輸延遲時(shí)間的定義 2 動(dòng)態(tài)功耗 當(dāng)CMOS反相器從一種穩(wěn)定工作狀態(tài)突然轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程中 將產(chǎn)生附加的功耗 稱之為動(dòng)態(tài)功耗 動(dòng)態(tài)功耗由兩部分組成 一部分是因?yàn)門1和T2在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通所產(chǎn)生的瞬時(shí)導(dǎo)通功耗PT 另一部分是對(duì)負(fù)載電容充 放電所消耗的功率Pc 2 5 5其它類型的CMOS門電路 1 其他邏輯功能的CMOS門電路 CMOS與非門 CMOS或非門 2 漏極開(kāi)路的CMOS門電路 OD門 用做輸出緩沖 驅(qū)動(dòng)器 或者用于輸出電平的變換 可實(shí)現(xiàn)線與邏輯 漏極開(kāi)路輸出的與非門 3 CMOS傳輸門 TG門 功能是 在控制信號(hào)的作用下 實(shí)現(xiàn)輸入和輸出間的雙向傳輸 CMOS傳輸門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào) 工作原理 設(shè)兩管開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值為2V VDD 5V 輸入信號(hào)在0 5V內(nèi)連續(xù)變化 關(guān)于CMOS傳輸門 1 由于MOS為對(duì)稱的 源極和漏極可以互換 輸入和輸出端也可互換 即CMOS傳輸門為雙向的 2 傳輸門和非門結(jié)合 可組成模擬開(kāi)關(guān) CMOS雙向模擬開(kāi)關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和符號(hào) CMOS三態(tài)非門 CMOS三態(tài)門可方便地用于構(gòu)成總線結(jié)構(gòu) 4 三態(tài)輸出的CMOS門電路 特點(diǎn) 1 功耗低