第2章邏輯門電路

1、第第2章章 邏輯門電路邏輯門電路2.1 概述2.2 二極管門電路2.3 CMOS門電路集成門電路和觸發(fā)器等邏輯器件是實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)功能的集成門電路和觸發(fā)器等邏輯器件是實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，人們把實現(xiàn)各種邏輯功能的元器件及其連線都集中制造在同一塊半導(dǎo)體材料小片上，并封裝在一個殼體中，通過引線與外界聯(lián)系，即構(gòu)成所謂的集成集成電路塊，電路塊，通常又稱為通常又稱為集成電路芯片集成電路芯片。 采用集成電路進行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)點：優(yōu)點：可靠性高、可維性好、功耗低、成本低等優(yōu)點，可以大可靠性高、可維性好、功耗低、成本低等優(yōu)點，可以大大簡化設(shè)計和調(diào)試過程。大簡化設(shè)計和調(diào)試過

2、程。2.1 概述概述 2.1.1 數(shù)字集成電路的分數(shù)字集成電路的分類類數(shù)字集成電路通常按照所用半導(dǎo)體器件的不同或者根據(jù)集成規(guī)模的大小進行分類。一、根據(jù)所采用的半導(dǎo)體器件進行分類一、根據(jù)所采用的半導(dǎo)體器件進行分類 根據(jù)所采用的半導(dǎo)體器件，數(shù)字集成電路可以分為兩大類。兩大類。1.雙極型集成電路：雙極型集成電路：采用雙極型半導(dǎo)體器件作為元件。主要特點是速度快、負載能力強，但功耗較大、速度快、負載能力強，但功耗較大、 集成度較低。集成度較低。2.單極型集成電路單極型集成電路(又稱為又稱為MOS集成電路集成電路): 采用金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metel Oxide Semiconductor Fi

3、eld Effect Transister)作為元件。主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、集結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、集成度高、功耗低，但速度較慢。成度高、功耗低，但速度較慢。雙極型集成電路又可進一步可分為：雙極型集成電路又可進一步可分為：TTL(Transistor Transistor Logic)電路；電路；ECL(Emitter Coupled Logic)電路；電路；I2L(Integrated Injection Logic)電路。電路。TTL電路的電路的“性能價格比性能價格比”最佳，應(yīng)用最廣泛。最佳，應(yīng)用最廣泛。MOS集成電路又可進一步分為：集成電路又可進一步分為：PMOS( P-chann

4、el Metel Oxide Semiconductor)；NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)；CMOS(Complement Metal OxideSemiconductor)。CMOS電路應(yīng)用較普遍，因為它不但適用于通用邏電路電路應(yīng)用較普遍，因為它不但適用于通用邏電路的設(shè)計，而且綜合性能最好的設(shè)計，而且綜合性能最好 。二、根據(jù)集成電路規(guī)模的大小進行分類二、根據(jù)集成電路規(guī)模的大小進行分類通常根據(jù)一片集成電路芯片上包含的邏輯門個數(shù)或元件個數(shù)，分為 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。 1. SSI (Small Scale Integrati

5、on ) 小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路:邏輯門數(shù)小于10 門(或元件數(shù)小于100個)；2. MSI (Medium Scale Integration ) 中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路:邏輯門數(shù)為10 門99 門(或元件數(shù)100個999個)；3. LSI (Large Scale Integration ) 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路:邏輯門數(shù)為100 門9999 門(或元件數(shù)1000個99999個)；4. VLSI (Very Large Scale Integration) 超大規(guī)模集超大規(guī)模集成電路成電路:邏輯門數(shù)大于10000 門(或元件數(shù)大于100000個)。 1數(shù)字量和模擬量數(shù)字

6、量和模擬量2.1.2 相關(guān)概念相關(guān)概念在數(shù)字電路中，通常用在數(shù)字電路中，通常用兩個截然不同的、很容易區(qū)分的電平兩個截然不同的、很容易區(qū)分的電平信號來信號來表示邏輯表示邏輯1和邏輯和邏輯0開關(guān)S未閉合，vO=VCC，高電平，高電平獲得高、低電平的基本原理2邏輯邏輯電平電平開關(guān)S閉合，vO=0， 低電平低電平電子開關(guān)輸入信號輸出信號CCVIvOvSRH(max)VH(min)VL(min)VL(max)V高高/低電平都低電平都允許有一定允許有一定的變化范圍的變化范圍下降沿前沿高電平低電平后沿上升沿低電平高電平前沿后沿上升沿下降沿理想的脈沖信號理想的脈沖信號門電路門電路：實現(xiàn)基本運算、復(fù)合運算的單元

7、電路，如與門、與非門、或門 典型二極管的靜態(tài)特性曲線典型二極管的靜態(tài)特性曲線(又稱伏安特性曲線又稱伏安特性曲線) ：1. 正向特性正向特性門檻電壓門檻電壓 ( VTH )：使二極管開始導(dǎo)通的正向電壓，又稱為閾值電壓 (一般鍺管約0.1V，硅管約0.5V)。 正向電壓正向電壓 VD VTH ：管子截止，電阻很大、正向電流 IF 接近于 0， 二極管類似于開關(guān)的斷開狀態(tài) ； 正向電壓正向電壓 VD = VTH ：管子開始導(dǎo)通，正向電流 IF 開始上升； 正向電壓正向電壓 VD VTH (一般鍺管為一般鍺管為0.3V，硅管為，硅管為0.7V) ：管子充分導(dǎo)通， 電阻很小，正向電流IF 急劇增加，二極

8、管類似于開關(guān)的接 通狀態(tài)。使二極管充分導(dǎo)通的電壓為導(dǎo)通電壓，用VF表示。 2 反向特性反向特性 二極管在反向電壓VR 作用下，處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電阻很大，反向電流 IR 很?。▽⑵浞Q為反向飽和電流，用 IS 表示，通?？珊雎圆挥?），二極管的狀態(tài)類似于開關(guān)斷開。二極管的狀態(tài)類似于開關(guān)斷開。而且反向電壓在一定范圍內(nèi)變化基本不引起反向電流的變化。注意事項：注意事項： 正向?qū)〞r可能因電流過大而導(dǎo)致二極管燒壞。組成實際電路時通常要串接一只電阻 R，以限制二極管的正向電流； 反向電壓超過某個極限值時，將使反向電流IR突然猛增，致使二極管被擊穿（通常將該反向電壓極限值稱為反向擊反向擊穿電壓穿電壓VBR）

9、，一般不允許反向電壓超過此值。二極管組成的開關(guān)電路圖如圖（a）所示。二極管導(dǎo)通狀態(tài)下的等效電路如圖(b)所示，截止?fàn)顟B(tài)下的等效電路如圖(c)所示，圖中忽略了二極管的正向壓降。 二極管開關(guān)電路及其等效電路DU0RR斷開R關(guān)閉(a)(b)(c)由于二極管的單向?qū)щ娦?，所以在?shù)字電路中經(jīng)常把它由于二極管的單向?qū)щ娦裕栽跀?shù)字電路中經(jīng)常把它當(dāng)作開關(guān)使用。當(dāng)作開關(guān)使用。二、二、 動態(tài)特性動態(tài)特性二極管的動態(tài)特性是指二極管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)二極管的動態(tài)特性是指二極管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的特性，它表現(xiàn)在完成兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要一換過程中的特性，它表現(xiàn)在完成兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要一定的時間。

10、為此，引入了反向恢復(fù)時間和開通時間的概念。定的時間。為此，引入了反向恢復(fù)時間和開通時間的概念。1. 反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間：反向恢復(fù)時間：二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂顾枰臅r間稱為反向恢復(fù)時間。反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間tre=存儲時間存儲時間ts+渡越時間渡越時間tt:電流由正向的IF變到一個很大的反向電流IRUR/R，所維持的一段時間。:經(jīng)過后，電流逐漸下降，直到下降到數(shù)值0.1IR(接近反向飽和電流IS) 所需時間。設(shè)設(shè)VCC = 5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二極管導(dǎo)通時二極管導(dǎo)通時 VDF=0.7V規(guī)定3V以上為10.7V以下為02.2.1 二極管與門

11、二極管與門&ABYABYCCVR1D2D設(shè)設(shè)VCC = 5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二極管導(dǎo)通時二極管導(dǎo)通時 VDF=0.7V規(guī)定2.3V以上為10V以下為01ABY1DABY2DR只用于IC內(nèi)部電路2.3 CMOS2.3 CMOS集成邏輯門電路集成邏輯門電路MOS型集成門電路的主要優(yōu)點：制造工藝簡單、集成度優(yōu)點：制造工藝簡單、集成度高、功耗小、抗干擾能力強等；主要缺點：速度相對高、功耗小、抗干擾能力強等；主要缺點：速度相對TTL電電路較低路較低。 MOS門電路有三種類型：門電路有三種類型：使用P溝道管的PMOS電路；使用N溝道管的NMOS電路；同時使用PMOS管

12、和NMOS管的CMOS電路。相比之下，CMOS電路性能更優(yōu)電路性能更優(yōu)，是當(dāng)前應(yīng)用較普遍的邏輯電路之一。下面，僅討論CMOS集成邏輯門。一、一、 CMOSCMOS反相器反相器 由一個N溝道增強型MOS管TN和一個P溝道增強型MOS管TP組成的CMOS反相器如下圖所示。 電路正常工作條件：電路正常工作條件：VDD大于大于TN管開啟電壓管開啟電壓VTN和和TP管開啟電壓管開啟電壓VTP的絕的絕對值之和，即對值之和，即 VDDVTN +|VTP|。工作原理：工作原理：vi=0V，TN截止，截止，TP導(dǎo)通，導(dǎo)通，vOVDD為高電平；為高電平；vi = VDD，TN導(dǎo)導(dǎo)通，通，TP截止，截止，vO0V。

13、實現(xiàn)了。實現(xiàn)了非非 的邏輯功能。的邏輯功能。二、二、CMOSCMOS與非門與非門由兩個串聯(lián)的NMOS管和兩個并聯(lián)的PMOS管構(gòu)成的兩輸入端的CMOS與非門電路如下圖所示。工作原理：工作原理：當(dāng)輸入A、B均為高電平時，TN1和TN2導(dǎo)通，TP1和TP2截止，輸出端F為低電平；當(dāng)輸入A、B中至少有一個為低電平時，對應(yīng)的TN1 和TN2中至少有一個截止，TP1和TP2中至少有一個導(dǎo)通，輸出F為高電平。 該電路實現(xiàn)了該電路實現(xiàn)了“與非與非”邏輯功能邏輯功能。三、三、 CMOSCMOS或非門或非門由兩個并聯(lián)的NMOS管和兩個串聯(lián)的PMOS管構(gòu)成一個兩個輸入端的CMOS或非門電路如下圖所示。每個輸入端連接

14、到一個NMOS管和一個PMOS管的柵極。工作原理：工作原理： 當(dāng)輸入A、B均為低電平時，TN1和TN2截止，TP1和TP2導(dǎo)通，輸出F為高電平；當(dāng)輸入端A、B 中至少有一個為高電平時，則對應(yīng)的TN1、TN2中便至少有一個導(dǎo)通，TP1、TP2中便至少有一個截止，使輸出F為低電平。該電路實現(xiàn)了該電路實現(xiàn)了“或非或非”邏輯功能。邏輯功能。四、四、 CMOS三態(tài)門三態(tài)門EN=1 ：TN和和TP同時截止，輸出同時截止，輸出F呈高阻狀態(tài)；呈高阻狀態(tài)；EN =0 ：TN和和TP同時導(dǎo)通，非門同時導(dǎo)通，非門正常工作，實現(xiàn)的功能。正常工作，實現(xiàn)的功能。AF 22ABZDD1V&1ABDD1VDD2VZL

15、R必須外接一個負載電阻和電源VDD2才能形成邏輯高電平和低電平的輸出VDD2和VDD1可以是同一個電源，也可以是兩個單獨的電源。OD門的輸出級一般能承受比較大的電流和比較高的電壓，帶負載的能力比普通的CMOS門電路強得多。若VDD2和VDD1的電壓不同，可實現(xiàn)邏輯電平的轉(zhuǎn)換。1BAY1ABY1AY&ABY將兩個或兩個以上的漏極開路的與非門的輸出端直接并聯(lián)可以實現(xiàn)“線與”（Wired AND）的邏輯關(guān)系。&YABDC1Z2Z1G2GDD2VLR線與邏輯用一級門電路實現(xiàn)了兩級門電路（與或非）的邏輯功能。CDABCDABZZY21HC和和HCT系列系列DDVOHVIHVTVILVOL

16、VGND0V0.4V0.8V1.5V2.4V2.0V3.3V0V0.4V0.7V1.2V2.5V2.0VDDVOHVIHVTVILVOLVGND1.7VDDVOHVIHVTVILVOLVGND0V0.45V0.65V1.2V1.8V0.9V1.45V2.4 TTL 集成邏輯門電路集成邏輯門電路TTL(Transistor Transistor Logic)電路是晶體電路是晶體管管-晶體管邏輯電路的簡稱。晶體管邏輯電路的簡稱。TTL電路的功耗大、線路較復(fù)雜，使其集成度受到電路的功耗大、線路較復(fù)雜，使其集成度受到一定的限制，故廣泛應(yīng)用于中小規(guī)模邏輯電路中。一定的限制，故廣泛應(yīng)用于中小規(guī)模邏輯電路中

17、。下面，對幾種常見TTL門電路進行介紹，重點討論TTL與非門。一、典型一、典型TTL與非門與非門 該電路可按 圖中虛線劃分為三部分：三部分：輸入級輸入級 由多發(fā)射極晶體管T1和電阻R1組成；中間級中間級 由晶體管T2和電阻R2、R3組成；輸出級輸出級 由晶體管T3、T4、D4和電阻R4、R5組成。1. 電路結(jié)構(gòu)及工作原理電路結(jié)構(gòu)及工作原理 (1) 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)典型TTL與非門電路圖及相應(yīng)邏輯符號如右圖所示。(2) 工作原理工作原理邏輯功能分析如下：邏輯功能分析如下： 輸入端全部接高電平輸入端全部接高電平(3.6V)：電源電源V Vcccc通過通過R R1 1和和T T1 1的集電結(jié)的集電結(jié)

18、向向T T2 2提供足夠的基極電流，使提供足夠的基極電流，使T T2 2飽和導(dǎo)通。飽和導(dǎo)通。T T2 2的發(fā)射極電流在的發(fā)射極電流在R R3 3上產(chǎn)生的上產(chǎn)生的壓降又使壓降又使 T T4 4 飽和導(dǎo)通，輸出為低電平飽和導(dǎo)通，輸出為低電平(0.3V)(0.3V)。 實現(xiàn)了實現(xiàn)了“輸入全高輸入全高 ，輸出為低，輸出為低”的邏輯關(guān)系。的邏輯關(guān)系。當(dāng)有輸入端接低電平當(dāng)有輸入端接低電平(0.3V)時：時：輸入端接低電平的發(fā)射結(jié)導(dǎo)輸入端接低電平的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，使通，使T1的基極電位的基極電位Vb1=0.3V+0.7V=1V。該電壓作用于。該電壓作用于T1的集電結(jié)和的集電結(jié)和T2、T4的發(fā)射結(jié)上，不可能使的發(fā)

19、射結(jié)上，不可能使T2和和T4導(dǎo)通。導(dǎo)通。由于由于T2截止，電源截止，電源VCC通過通過R2驅(qū)驅(qū)動動T3和和D4管，使之工作在導(dǎo)通狀態(tài)，電路輸出為高電平管，使之工作在導(dǎo)通狀態(tài)，電路輸出為高電平(3.6V)。 實現(xiàn)了實現(xiàn)了“輸入有低，輸出為高輸入有低，輸出為高”的邏輯功能。的邏輯功能。 歸納：歸納：當(dāng)輸入當(dāng)輸入A A、B B、C C均為高電平時，輸出為低電平均為高電平時，輸出為低電平(0V)(0V)；當(dāng)；當(dāng)A A、B B、C C中至少有一個為低電平時，輸出為高電中至少有一個為低電平時，輸出為高電平平(3.6V)(3.6V)。輸出與輸入之間為。輸出與輸入之間為“與非與非”邏輯，即邏輯，即ABCF 2

20、. 主要外部特性參數(shù)主要外部特性參數(shù)TTL與非門的主要外部特性參數(shù)有輸出邏輯電平、開門電平、關(guān)門電平、扇入系數(shù)、扇出系數(shù)、平均傳輸時延和空載功耗等。 (2) 輸出低電平輸出低電平VOL：輸出低電平輸出低電平VoLVoL是指輸入全為高電平時的輸是指輸入全為高電平時的輸 出電平。出電平。VOLVOL的典型值是的典型值是0.3V0.3V。輸出高電平輸出高電平VOH ：指至少有一個輸入端接低電平時的輸出電指至少有一個輸入端接低電平時的輸出電 平。平。V VOHOH的典型值是的典型值是3.6V3.6V。 (3) 開門電平開門電平VO N ：指在額定負載下，使輸出電平達到標(biāo)準低電平指在額定負載下，使輸出電

21、平達到標(biāo)準低電平 V VSLSL的輸入電平，它表示使與非門開通的最小輸?shù)妮斎腚娖?，它表示使與非門開通的最小輸 入電平。入電平。V VONON的產(chǎn)品規(guī)范值為的產(chǎn)品規(guī)范值為V VONON1.8V1.8V。(4) 關(guān)門電平關(guān)門電平VOFF ：指輸出空載時，使輸出電平達到標(biāo)準高電平指輸出空載時，使輸出電平達到標(biāo)準高電平V VSHSH的的 輸入電平，它表示使與非門關(guān)斷所允許的最大輸輸入電平，它表示使與非門關(guān)斷所允許的最大輸 入電平。入電平。V VOFFOFF 的產(chǎn)品規(guī)范值的產(chǎn)品規(guī)范值V VOFFOFF0.8V0.8V。(5) 扇入系數(shù)扇入系數(shù)Ni ：指與非門允許的輸入端數(shù)目。指與非門允許的輸入端數(shù)目。(

22、6) 扇出系數(shù)扇出系數(shù)No：指與非門輸出端連接同類門的最多個數(shù)。指與非門輸出端連接同類門的最多個數(shù)。(7) 輸入短路電流輸入短路電流IiS ：指當(dāng)與非門的某一個輸入端接地而其余輸入指當(dāng)與非門的某一個輸入端接地而其余輸入 端端 懸空時，流過接地輸入端的電流。懸空時，流過接地輸入端的電流。 (8) 高電平輸入電流高電平輸入電流IiH：指某一輸入端接高電平，而其他輸入端接地指某一輸入端接高電平，而其他輸入端接地 時，流入高電平輸入端的電流，又稱為輸入時，流入高電平輸入端的電流，又稱為輸入 漏電流。漏電流。 (9) 平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間tpd: 指一個矩形波信號從與非門輸入端傳到與指一個矩

23、形波信號從與非門輸入端傳到與 非門輸出端非門輸出端(反相輸出反相輸出)所延遲的時間。通常所延遲的時間。通常 將從輸入波上沿中點到輸出波下沿中點的將從輸入波上沿中點到輸出波下沿中點的 時間延遲稱為導(dǎo)通延遲時間時間延遲稱為導(dǎo)通延遲時間tpdL；從輸入；從輸入 波下沿中點到輸出波上沿中點的時間延遲波下沿中點到輸出波上沿中點的時間延遲 稱為截止延遲時間稱為截止延遲時間tpdH。平均延遲時間為平均延遲時間為 ：tpd = ( tpdL+ tpdH )/2(10) 空載功耗空載功耗P：指與非門空載時電源總電流指與非門空載時電源總電流I ICCCC和電源電壓和電源電壓V VCCCC的乘積。的乘積。 輸出為低

24、電平時的功耗稱為空載導(dǎo)通功耗輸出為低電平時的功耗稱為空載導(dǎo)通功耗P PONON，輸出為，輸出為 高電平時的功耗稱為空載截止功耗高電平時的功耗稱為空載截止功耗P POFFOFF 。平均功耗為：平均功耗為： P =(PON + POFF)/2 3. TTL與非門集成電路芯片與非門集成電路芯片TTL與非門集成電路芯片種類很多，常用的TTL與非門集成電路芯片有7400和7420等。7400的引腳分配圖如圖(a)所示；7420的引腳分配圖如圖(b)所示。二、其他功能的二、其他功能的TTL門電路門電路 集成集成TTLTTL門電路還有門電路還有與門、或門、非門、或非門、與或非門、異或與門、或門、非門、或非門、與或非門、異或門門等不同功能的產(chǎn)品。此外，還有兩種特殊門電路等不同功能的產(chǎn)品。此外，還有兩種特殊門電路集電極開路門集電極開路門(OC(OC門門) )和三和三 態(tài)門態(tài)門(TS(TS門門) )。 (1) 非門非門 1. 幾種常用的幾種常用的TTL門電路門電路(2) 或非門或非門 常用的TTL或非門集成電路芯片有2輸入4或非門7402等。7402的引腳分配圖如下圖所示。(3) 與或非門與或非門 常用的常用的TTL與或非門集成電路芯片與或非門集成電路芯片745