數(shù)字電子基礎(chǔ)(康華光)

1、3 邏輯門電路邏輯門電路3.1 MOS邏輯門電路邏輯門電路3.2 TTL邏輯門電路邏輯門電路*3.3 射極耦合邏輯門電路射極耦合邏輯門電路*3.4 砷化鎵邏輯門電路砷化鎵邏輯門電路3.5 邏輯描述中的幾個(gè)問題邏輯描述中的幾個(gè)問題3.6 邏輯門電路使用中的幾個(gè)實(shí)際問題邏輯門電路使用中的幾個(gè)實(shí)際問題* 3.7 用用VerilogHDL描述邏輯門電路描述邏輯門電路教學(xué)基本要求：教學(xué)基本要求：1、了解半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性。了解半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性。2、熟練掌握熟練掌握基本邏輯門（與、或、與非、或非、異或基本邏輯門（與、或、與非、或非、異或門）、三態(tài)門、門）、三態(tài)門、OD門（門（OC門），門），傳輸門傳

2、輸門的邏輯功能。的邏輯功能。3、學(xué)會(huì)門電路邏輯功能分析方法。學(xué)會(huì)門電路邏輯功能分析方法。4、掌握掌握邏輯門的主要參數(shù)及在應(yīng)用中的接口問題。邏輯門的主要參數(shù)及在應(yīng)用中的接口問題。3. 邏輯門電路邏輯門電路3.1 MOS邏輯門邏輯門3.1.1 數(shù)字集成電路簡介數(shù)字集成電路簡介3.1.2 邏輯門的一般特性邏輯門的一般特性3.1.3 MOS開關(guān)及其等效電路開關(guān)及其等效電路3.1.4 CMOS反相器反相器3.1.5 CMOS邏輯門電路邏輯門電路3.1.6 CMOS漏極開路門和三態(tài)輸出門電路漏極開路門和三態(tài)輸出門電路3.1.7 CMOS傳輸門傳輸門3.1.8 CMOS邏輯門電路的技術(shù)參數(shù)邏輯門電路的技術(shù)參

3、數(shù)1 、邏輯門邏輯門: :實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路。實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路。2、 邏輯門電路的分類邏輯門電路的分類二極管門電路二極管門電路三極管門電路三極管門電路TTL門電路門電路MOS門電路門電路PMOS門門CMOS門門邏輯門電路邏輯門電路分立門電路分立門電路集成門電路集成門電路NMOS門門3.1.1 3.1.1 數(shù)字集成電路簡介數(shù)字集成電路簡介1. CMOS集成電路集成電路: :廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路 4000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢與與TTL不不兼容兼容抗干擾抗干擾

4、功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快與與TTLTTL兼容兼容負(fù)載能力強(qiáng)負(fù)載能力強(qiáng)抗干擾抗干擾功耗低功耗低速度兩倍于速度兩倍于74HC74HC與與TTLTTL兼容兼容負(fù)載能力強(qiáng)負(fù)載能力強(qiáng)抗干擾抗干擾功耗低功耗低低低( (超低超低) )電壓電壓速度更加快速度更加快與與TTLTTL兼容兼容負(fù)載能力強(qiáng)負(fù)載能力強(qiáng)抗干擾功耗低抗干擾功耗低 74系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2. TTL2. TTL 集成電路集成電路: :廣泛應(yīng)用于中大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于中大規(guī)模集成電路3.1.1 數(shù)字集成電路簡介數(shù)字集成電路簡介3.1.2 邏輯門電路的一般特性邏輯門電路的一般特性1

5、. 1. 輸入和輸出的高、低電平輸入和輸出的高、低電平輸出高電平的下限值輸出高電平的下限值 VOH(min)輸入低電平的上限值輸入低電平的上限值 VIL(max)輸入高電平的下限值輸入高電平的下限值 VIH(min)輸出低電平的上限值輸出低電平的上限值 VOL(max) vOvI 驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)門G1 負(fù)載門負(fù)載門G21 1 輸出輸出高電平高電平+VDD VOH(min)VOL(max) 0 G1門門vO范圍范圍 vO 輸出輸出低電平低電平 輸入輸入高電平高電平VIH( min )VIL(max)+VDD 0 G2門門vI范圍范圍 輸入輸入低電平低電平 vI VNH 當(dāng)前級門輸出高電平的最小當(dāng)前級

6、門輸出高電平的最小值時(shí)值時(shí)允許負(fù)向噪聲電壓的最大值允許負(fù)向噪聲電壓的最大值。負(fù)載門輸入高電平時(shí)的噪聲容限：負(fù)載門輸入高電平時(shí)的噪聲容限：VNL 當(dāng)前級門輸出低電平的最大當(dāng)前級門輸出低電平的最大值時(shí)值時(shí)允許正向噪聲電壓的最大值允許正向噪聲電壓的最大值負(fù)載門輸入低電平時(shí)的噪聲容限負(fù)載門輸入低電平時(shí)的噪聲容限：2. 噪聲容限噪聲容限VNH =VOH(min)VIH(min) VNL =VIL(max)VOL(max)在保證輸出電平不變的條件下，輸入電平允許波動(dòng)的范圍。它表在保證輸出電平不變的條件下，輸入電平允許波動(dòng)的范圍。它表示門電路的抗干擾能力示門電路的抗干擾能力 1 驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)門 vo 1 負(fù)載

7、門負(fù)載門 vI 噪聲噪聲 3.傳輸延遲時(shí)間傳輸延遲時(shí)間傳輸延遲時(shí)間是表征門電路開關(guān)速度傳輸延遲時(shí)間是表征門電路開關(guān)速度的參數(shù)，它說明門電路在輸入脈沖波的參數(shù)，它說明門電路在輸入脈沖波形的作用下，其輸出波形相對于輸入形的作用下，其輸出波形相對于輸入波形延遲了多長的時(shí)間波形延遲了多長的時(shí)間。CMOS電路傳輸延遲時(shí)間電路傳輸延遲時(shí)間 tPHL 輸出輸出 50% 90% 50% 10% tPLH tf tr 輸入輸入 50% 50% 10% 90% 4. 4. 功耗功耗靜態(tài)功耗：指的是當(dāng)電路沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗，即門電路空載時(shí)靜態(tài)功耗：指的是當(dāng)電路沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗，即門電路空載時(shí)電源總電流電源總電

8、流ID與電源電壓與電源電壓VDD的乘積。的乘積。5. 5. 延時(shí)延時(shí) 功耗積功耗積是速度功耗綜合性的指標(biāo)是速度功耗綜合性的指標(biāo). .延時(shí)延時(shí) 功耗積功耗積，用符號，用符號DP表示表示扇入數(shù)：取決于邏輯門的輸入端的個(gè)數(shù)。扇入數(shù)：取決于邏輯門的輸入端的個(gè)數(shù)。6. 6. 扇入與扇出數(shù)扇入與扇出數(shù)動(dòng)態(tài)功耗：指的是電路在輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗，對于動(dòng)態(tài)功耗：指的是電路在輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗，對于TTLTTL門電路門電路來說，靜態(tài)功耗是主要的。來說，靜態(tài)功耗是主要的。CMOSCMOS電路的靜態(tài)功耗非常低，電路的靜態(tài)功耗非常低，CMOSCMOS門電路有動(dòng)態(tài)功耗。門電路有動(dòng)態(tài)功耗。扇出數(shù)：是指其在正常工作情況下

9、，所能帶同類門電路的最大數(shù)目。扇出數(shù)：是指其在正常工作情況下，所能帶同類門電路的最大數(shù)目。（a)a)帶拉電流負(fù)載帶拉電流負(fù)載當(dāng)負(fù)載門的個(gè)數(shù)增加時(shí)，總的拉電流將增加，會(huì)引起輸出高電壓當(dāng)負(fù)載門的個(gè)數(shù)增加時(shí)，總的拉電流將增加，會(huì)引起輸出高電壓的降低。但不得低于輸出高電平的下限值，這就限制了負(fù)載門的的降低。但不得低于輸出高電平的下限值，這就限制了負(fù)載門的個(gè)數(shù)。個(gè)數(shù)。)(I)(IN負(fù)載門負(fù)載門驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)門IHOHOH 高電平高電平扇出數(shù)扇出數(shù):IOH : :驅(qū)動(dòng)門的輸出端為高電平驅(qū)動(dòng)門的輸出端為高電平 電流電流IIH : :負(fù)載門的輸入電流負(fù)載門的輸入電流。(b)帶灌電流負(fù)載帶灌電流負(fù)載)(I)(IN負(fù)

10、負(fù)載載門門驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)門門ILOLOL 當(dāng)負(fù)載門的個(gè)數(shù)增加時(shí)，總的灌電流當(dāng)負(fù)載門的個(gè)數(shù)增加時(shí)，總的灌電流IOL將增加，同時(shí)也將引起將增加，同時(shí)也將引起輸出低電壓輸出低電壓VOL的升高。當(dāng)輸出為低電平，并且保證不超過輸?shù)纳?。?dāng)輸出為低電平，并且保證不超過輸出低電平的上限值。出低電平的上限值。IOL ：驅(qū)動(dòng)門的輸出端為低電平電流：驅(qū)動(dòng)門的輸出端為低電平電流IIL ：負(fù)載門輸入端電流之和：負(fù)載門輸入端電流之和各類數(shù)字集成電路主要性能參數(shù)的比較各類數(shù)字集成電路主要性能參數(shù)的比較3.1.3 MOS開關(guān)及其等效電路開關(guān)及其等效電路：MOS管工作在可變電阻區(qū)，輸出低電平管工作在可變電阻區(qū)，輸出低電平: : M

11、OS管截止，管截止， 輸出高電平輸出高電平當(dāng)當(dāng)I VTvGSMOS管相當(dāng)于一個(gè)由管相當(dāng)于一個(gè)由vGS控制的控制的無觸點(diǎn)開關(guān)。無觸點(diǎn)開關(guān)。MOS管工作在可變電阻區(qū)，管工作在可變電阻區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)相當(dāng)于開關(guān)“閉合閉合”，輸出為低電平。輸出為低電平。MOS管截止，管截止，相當(dāng)于開關(guān)相當(dāng)于開關(guān)“斷開斷開”輸出為高電平。輸出為高電平。當(dāng)輸入為低電平時(shí)：當(dāng)輸入為低電平時(shí)：當(dāng)輸入為高電平時(shí)：當(dāng)輸入為高電平時(shí)：3.1.4 CMOS 反相器反相器1.1.工作原理工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通 10 V

12、10 V 10V 0V導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止0 VVTN = 2 VVTP = 2 V邏輯圖邏輯圖AL 邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式vi (A)0vO(L)1邏輯真值表邏輯真值表10)VVVTPTNDD( P溝道溝道MOS管輸出特性曲線坐標(biāo)變換管輸出特性曲線坐標(biāo)變換輸入高電平時(shí)的工作情況輸入高電平時(shí)的工作情況輸入低電平時(shí)的工作情況輸入低電平時(shí)的工作情況作圖分析：作圖分析：)v(fvIO 電壓傳輸特性電壓傳輸特性在由于電路具有互補(bǔ)對稱的性質(zhì)，它的開通時(shí)間與關(guān)在由于電路具有互補(bǔ)對稱的性質(zhì)，它的開通時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間是相等的。平均延遲時(shí)間：閉時(shí)間是相等的。平均延遲時(shí)間：10 ns。 帶電容負(fù)載帶電容負(fù)載A BTN1

13、TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止截止截止 截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通1110與非門與非門1.CMOS 與非門與非門vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)(a)電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)(b)(b)工作原理工作原理VTN = 2 VVTP = 2 V0V10VN輸入的與非門的電路輸入的與非門的電路?輸入端增加有什么問題輸入端增加有什么問題?3.1.5 CMOS 邏輯門邏輯門或非門或非門BAL 2.2.CMOS 或非門或非門+VDD+10VTP1TN1T

14、N2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通1000AB10V10VVTN = 2 VVTP = 2 VN輸入的或非門的電路的結(jié)構(gòu)輸入的或非門的電路的結(jié)構(gòu)?輸入端增加有什么問題輸入端增加有什么問題?3. 異或門電路異或門電路BA BABAXBAL BABA BA =A B4.4.輸入保護(hù)電路和緩沖電路輸入保護(hù)電路和緩沖電路 基基本本邏邏輯輯功功能能電電路路 基基本本邏邏輯輯功功能能電電路路 輸輸入入保保護(hù)護(hù)緩緩沖沖電電路路 輸輸出

15、出緩緩沖沖電電路路 vi vo 采用緩沖電路能統(tǒng)一參數(shù)，使不同內(nèi)部邏輯集成邏輯門電路采用緩沖電路能統(tǒng)一參數(shù)，使不同內(nèi)部邏輯集成邏輯門電路具有相同的輸入和輸出特性。具有相同的輸入和輸出特性。（1 1）輸入端保護(hù)電路）輸入端保護(hù)電路: :(1) 0 vA VDD + vDF 二極管導(dǎo)通電壓：二極管導(dǎo)通電壓：vDF(3) vA vDF 當(dāng)輸入電壓不在正常電壓范圍時(shí)當(dāng)輸入電壓不在正常電壓范圍時(shí), ,二極管導(dǎo)通，限制了電容兩端二極管導(dǎo)通，限制了電容兩端電壓的增加電壓的增加, ,保護(hù)了輸入電路。保護(hù)了輸入電路。D1、D2截止截止D1導(dǎo)通導(dǎo)通, D2截止截止vG = VDD + vDFD2導(dǎo)通導(dǎo)通, D1截

16、止截止vG = vDFRS和和MOS管的柵極電容組成積分網(wǎng)絡(luò)，使輸入信號的過沖電壓管的柵極電容組成積分網(wǎng)絡(luò)，使輸入信號的過沖電壓延遲且衰減后到柵極。延遲且衰減后到柵極。 D2 -分布式二極管分布式二極管(iD大大) VDD vI CN TP Rs D2 D1 TN CP vO BABAL （2）CMOS邏輯門的緩沖電路邏輯門的緩沖電路輸入、輸出端加了反相器作為緩沖電路，所以電路輸入、輸出端加了反相器作為緩沖電路，所以電路的邏輯功能也發(fā)生了變化。增加了緩沖器后的邏輯功的邏輯功能也發(fā)生了變化。增加了緩沖器后的邏輯功能為與非功能能為與非功能1. CMOS漏極開路門漏極開路門1.）CMOS漏極開路門的

17、提出漏極開路門的提出輸出短接，在一定情況下會(huì)產(chǎn)輸出短接，在一定情況下會(huì)產(chǎn)生低阻通路，大電流有可能導(dǎo)生低阻通路，大電流有可能導(dǎo)致器件的損毀，并且無法確定致器件的損毀，并且無法確定輸出是高電平還是低電平。輸出是高電平還是低電平。 +VDDTN1TN2AB+VDDAB01C D RP VDD L A B & & （2）漏極開路門的結(jié)構(gòu)與邏輯符號漏極開路門的結(jié)構(gòu)與邏輯符號(c) (c) 可以實(shí)現(xiàn)線與功能可以實(shí)現(xiàn)線與功能; ;CDAB CDAB +VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABLA B L 電路電路A B L & 邏輯符邏輯符號號(b)(b)與非邏輯不變與非邏輯不變RP

18、 VDD L A B 漏極開路門輸出連接漏極開路門輸出連接21PPL RP VDD L A B C D (a)(a)工作時(shí)必須外接電源和電阻工作時(shí)必須外接電源和電阻; ;RP VDD L A B C D Rp的值愈小，負(fù)載電容的充電時(shí)間的值愈小，負(fù)載電容的充電時(shí)間常數(shù)亦愈小，因而開關(guān)速度愈快常數(shù)亦愈小，因而開關(guān)速度愈快。但功耗大但功耗大, ,且可能使輸出電流超過允且可能使輸出電流超過允許的最大值許的最大值IOL(max） 。電路帶電容負(fù)載電路帶電容負(fù)載1 10 0CL LRp的值大，可保證輸出電流不能超的值大，可保證輸出電流不能超過允許的最大值過允許的最大值IOL(max）、）、功耗小功耗小。

19、但負(fù)載電容的充電時(shí)間常數(shù)亦愈大，但負(fù)載電容的充電時(shí)間常數(shù)亦愈大，開關(guān)速度因而愈慢開關(guān)速度因而愈慢。最不利的情況：最不利的情況：只有一個(gè)只有一個(gè) OD門導(dǎo)通，門導(dǎo)通，110為保證低電平輸出為保證低電平輸出OD門的門的輸輸出電流不能超過允許的最大值出電流不能超過允許的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max） ，RP不不能太小能太小。當(dāng)當(dāng)VO=VOLIL(total)OLOLDDpIIVVR(max)(max)(min) IL(total)pOLDDOLIRVVI(min)(max)(max) +V DDIILRP&n&m&kIIL（total)IOL（max)+V

20、 DDRP&n&m&111當(dāng)當(dāng)VO=VOHIIH（total)I0H（total)為使得高電平不低于規(guī)定的為使得高電平不低于規(guī)定的VIH的的最小值，則最小值，則Rp的選擇不能過大。的選擇不能過大。Rp的最大值的最大值Rp(max) ：IH(total)OH(total)IHDDpIIVVR(min)(max) 1TP TN VDD L A EN & 1 1 EN A L 1 0011截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通111高阻高阻 0 輸出輸出L輸入輸入A使能使能EN0011 10 00截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通010截止截止截止截止X1邏輯功能：高電平有效的同相邏輯門邏輯功能：高電平有效的同相邏輯門0 13.1.7 CMOS傳輸門傳輸門( (雙向模擬開關(guān)雙向模擬開關(guān)) ) 1 1. CMOS傳輸門電路傳輸門電路TP vI /vO TN vO /vI C C