第五章 集成門電路和觸發(fā)器自考--模擬、數(shù)字及電力電子技術(shù)

1、第五章第五章 集成集成 門電路和觸發(fā)器門電路和觸發(fā)器第一節(jié)第一節(jié) CMOS門電路門電路 第二節(jié)第二節(jié) TTL門電路門電路第三節(jié)第三節(jié) 基本觸發(fā)器和同步觸發(fā)器基本觸發(fā)器和同步觸發(fā)器第四節(jié)第四節(jié) 主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器一，NMOS管和PMOS管成對(duì)出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為CMOS管(complementary metal-oxide semiconductor)。二，CMOS集成電路誕生于20世紀(jì)60年代末，經(jīng)過制造工藝的不斷改進(jìn)，在應(yīng)用的廣度上已與TTL平分秋色，它的技術(shù)參數(shù)從總體上說，已經(jīng)達(dá)到或接近TTL的水平，其中功耗、噪聲容限等參數(shù)優(yōu)于TTL。CMOS簡(jiǎn)

2、介第一節(jié)第一節(jié) CMOS門電路門電路 N通道增強(qiáng)型通道增強(qiáng)型MOS管管MOS管的開關(guān)特性（1） 增強(qiáng)型增強(qiáng)型NMOS管的開關(guān)特性截止導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小 NMOS管的電路符號(hào)及轉(zhuǎn)移特性 (a) 電路符號(hào) （b）轉(zhuǎn)移特性（2）增強(qiáng)型）增強(qiáng)型PMOS管的開關(guān)特性MOS管的開關(guān)特性PMOS管的電路符號(hào)及轉(zhuǎn)移特性 (a) 電路符號(hào) （b）轉(zhuǎn)移特性截止vI =VIL=0時(shí)， T1通 T2止vO =VOHVDDNGSGSvVvT2TPDD1U0U0?vI =VIH=VDD時(shí)， T1止 T2通vO =VOL0NDDGSGSVvvT2TP1U0U0?CMOS與非門BAYCMOS或非門BAYCMOS傳輸門 原理：

3、若 C =1（接VDD )、C =0（接地），當(dāng)0 uI(VDD|UT|)時(shí)，VTN導(dǎo)通；當(dāng)|UT| uIVDD 時(shí)，VTP導(dǎo)通； uI在0VDD之間變化時(shí)，VTP和VTN至 少有一管導(dǎo)通，使傳輸門TG導(dǎo)通。 若 C = 0（接地)、C = 1（接VDD ），uI在0VDD 之間變化時(shí)，VTP和VTN 均截止，即傳輸門TG截止。圖圖2邏輯或符號(hào)邏輯或符號(hào) A B Y 1 A BY & 圖圖1 邏輯與符號(hào)圖邏輯與符號(hào)圖 Y 1 A圖圖3 邏輯非符號(hào)邏輯非符號(hào) =1 Y A B 圖圖4 邏輯異或符號(hào)邏輯異或符號(hào) Y A B =1圖圖5 邏輯同或符號(hào)邏輯同或符號(hào) 第二節(jié)第二節(jié) TTL門電路門

4、電路幾種常見的邏輯電路幾種常見的邏輯電路集電極開路門和三態(tài)門集電極開路門和三態(tài)門為何要采用集電極開路門呢？為何要采用集電極開路門呢？推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)存在局限性。推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)存在局限性。第一，第一，輸出端不能并聯(lián)使用。輸出端不能并聯(lián)使用。若兩個(gè)門的輸出若兩個(gè)門的輸出一高一低，當(dāng)兩個(gè)門的輸出端并聯(lián)以后，必然有很一高一低，當(dāng)兩個(gè)門的輸出端并聯(lián)以后，必然有很大的電流同時(shí)流過這兩個(gè)門的輸出級(jí)，而且電流的大的電流同時(shí)流過這兩個(gè)門的輸出級(jí)，而且電流的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常的工作電流，數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常的工作電流，可能使門電路損壞?？赡苁归T電路損壞。而且，輸出端也呈現(xiàn)不高不低的電平，不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)而且，輸出端也呈

5、現(xiàn)不高不低的電平，不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)有有的邏輯功能。的邏輯功能。 一、一、集電極開路門集電極開路門OC 門門(Open Collector Gate) 第二，第二，在采用推拉式輸出級(jí)的門電路在采用推拉式輸出級(jí)的門電路中，電源一經(jīng)確定（通常規(guī)定為中，電源一經(jīng)確定（通常規(guī)定為5V），輸），輸出的高電平也就固定了（不可能高于電源出的高電平也就固定了（不可能高于電源電壓電壓5V），因而），因而無法滿足對(duì)不同輸出高電無法滿足對(duì)不同輸出高電平的需要。平的需要。 集電極開路門（簡(jiǎn)稱集電極開路門（簡(jiǎn)稱OC門門）就是為克）就是為克服以上局限性而設(shè)計(jì)的一種服以上局限性而設(shè)計(jì)的一種TTL門電路。門電路。 OC門應(yīng)用舉例：門

6、應(yīng)用舉例：21YYY CDAB +V CCRCY1AB&G1Y2CD&G2YCDAB OC 門的主要特點(diǎn)：門的主要特點(diǎn)： 可以可以“線與線與”連接連接 V CC可根據(jù)電路可根據(jù)電路 需要進(jìn)行選擇需要進(jìn)行選擇YAB&+V CCRC三態(tài)門電路的輸出有三種可能出現(xiàn)的狀態(tài)：三態(tài)門電路的輸出有三種可能出現(xiàn)的狀態(tài)：高電平高電平、低電平低電平、高阻高阻。何何 為為 高高 阻阻 狀狀 態(tài)態(tài) ？懸空、懸浮狀態(tài)，又稱為禁止?fàn)顟B(tài)。懸空、懸浮狀態(tài)，又稱為禁止?fàn)顟B(tài)。測(cè)電阻為測(cè)電阻為，故稱為高阻狀態(tài)。，故稱為高阻狀態(tài)。測(cè)電壓為測(cè)電壓為0V，但不是接地。，但不是接地。因?yàn)閼铱?，所以測(cè)其電流為因?yàn)閼铱?/p>

7、，所以測(cè)其電流為0A。二、二、 輸出三態(tài)門輸出三態(tài)門 TSL門門(Three - State Logic)1. 電路組成及其工作原理電路組成及其工作原理使能端使能端 使能端高電平有效使能端高電平有效1ENYA &ENBENYA&BENEN 使能端低電平有效使能端低電平有效 TTL門電路應(yīng)用門電路應(yīng)用（三態(tài)門）（三態(tài)門）(1) 用做多路開關(guān)用做多路開關(guān)YA1EN1EN1ENA21G1G2使能端使能端10禁止禁止使能使能1A 01使能使能禁止禁止2A 時(shí)時(shí) 0 EN時(shí)時(shí) 1 EN禁止禁止使能使能A1EN1EN1ENA21G1G201(2) 用于信號(hào)雙向傳輸用于信號(hào)雙向傳輸時(shí)時(shí) 1

8、EN2A 1A 10使能使能禁止禁止2. 應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：時(shí)時(shí) 0 EN舉例舉例 寫出圖中所示各個(gè)門電路輸出端的邏輯表達(dá)式。寫出圖中所示各個(gè)門電路輸出端的邏輯表達(dá)式。TTLCMOS&A1Y100 100k = 1A &A1Y100 100k = 1= 11A1Y100 100k A 1A1Y100 100k = 0A A 00 10 10舉例舉例 寫出圖中所示各個(gè)門電路輸出端的邏輯表達(dá)式。寫出圖中所示各個(gè)門電路輸出端的邏輯表達(dá)式。TTLCMOS=1A1Y100 100k A =1A1Y100 100k A A A &A1Y懸空懸空&A1Y懸空懸空 不允許不允

9、許A 001 歷年典型考題歷年典型考題 2007考題選擇題第考題選擇題第9題題 歷年典型考題歷年典型考題 2008考題選擇題第考題選擇題第9題題 歷年典型考題歷年典型考題 2009考題選擇題第考題選擇題第9題題 歷年典型考題歷年典型考題 2010考題選擇題第考題選擇題第9題題24或非門組成的基本或非門組成的基本RS觸發(fā)器觸發(fā)器圖圖1或非門組成的基本或非門組成的基本RS觸發(fā)器觸發(fā)器（a） 邏輯電路邏輯電路 （b）邏輯符號(hào)）邏輯符號(hào) 第三節(jié)第三節(jié) 基本觸發(fā)器和同步觸發(fā)器基本觸發(fā)器和同步觸發(fā)器2526或非門組成的基本或非門組成的基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 特性方程：特性方程： 01

10、RSQRSQnn與非門與非門RS觸發(fā)器觸發(fā)器 電電路路組組成成和和邏邏輯輯符符號(hào)號(hào) SR QQ S R Q Q(a) 邏輯圖(b) 邏輯符號(hào)& SR信號(hào)輸入端，低電平有效。信號(hào)輸入端，低電平有效。信號(hào)輸出端，信號(hào)輸出端，Q=0、Q=1的狀態(tài)稱的狀態(tài)稱0狀態(tài)，狀態(tài)，Q=1、Q=0的狀態(tài)稱的狀態(tài)稱1狀態(tài)，狀態(tài)， SR QQ&工作原理工作原理R SQ10010 10R=0、S=1時(shí)：由于R=0，不論原來Q為0還是1，都有Q=1；再由S=1、Q=1可得Q0。即不論觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)都將變成0狀態(tài)，這種情況稱將觸發(fā)器置0或復(fù)位。R端稱為觸發(fā)器的置0端或復(fù)位端。 SR QQ&0

11、110R SQ1 00R=1、S=0時(shí)：由于S=0，不論原來Q為0還是1，都有Q=1；再由R=1、Q=1可得Q0。即不論觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)都將變成1狀態(tài)，這種情況稱將觸發(fā)器置1或置位。S端稱為觸發(fā)器的置1端或置位端。1 01 SR QQ&1110R=1、S=1時(shí)：根據(jù)與非門的邏輯功能不難推知，觸發(fā)器保持原有狀態(tài)不變，即原來的狀態(tài)被觸發(fā)器存儲(chǔ)起來，這體現(xiàn)了觸發(fā)器具有記憶能力。R SQ1 000 111 1不變10 SR QQ&0011R SQ1 000 111 1不變0 0不定R=0、S=0時(shí)：Q=Q=1，不符合觸發(fā)器的邏輯關(guān)系。并且由于與非門延遲時(shí)間不可能完全相等，在兩輸入

12、端的0同時(shí)撤除后，將不能確定觸發(fā)器是處于1狀態(tài)還是0狀態(tài)。所以觸發(fā)器不允許出現(xiàn)這種情況，這就是基本RS觸發(fā)器的約束條件。特性表（真值表）特性表（真值表）現(xiàn)態(tài)：觸發(fā)器接收輸入信號(hào)之前的狀態(tài)，也就是觸發(fā)器原來的穩(wěn)定狀態(tài)。次態(tài)：觸發(fā)器接收輸入信號(hào)之后所處的新的穩(wěn)定狀態(tài)。RSnQ1nQ輸 入輸出狀 態(tài)說 明 0 00禁止10 100置0Qn+1=0101 001置1Qn+1=1111 100保持Qn+1=Qn11特性方程：特性方程： 01RSQRSQnn基本觸發(fā)器的特點(diǎn)總結(jié)：基本觸發(fā)器的特點(diǎn)總結(jié)：（1 1）有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端，有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。）有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端，有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。（2 2）有復(fù)位（

13、）有復(fù)位（Q=0Q=0）、置位（）、置位（Q=1Q=1）、保持原狀態(tài)三種功能。）、保持原狀態(tài)三種功能。（3 3）R R為復(fù)位輸入端，為復(fù)位輸入端，S S為置位輸入端，可以是低電平有效，也可為置位輸入端，可以是低電平有效，也可以是高電平有效，取決于觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。以是高電平有效，取決于觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。（4 4）由于反饋線的存在，無論是復(fù)位還是置位，有效信號(hào)只需要）由于反饋線的存在，無論是復(fù)位還是置位，有效信號(hào)只需要作用很短的一段時(shí)間，即作用很短的一段時(shí)間，即“一觸即發(fā)一觸即發(fā)”。鐘控鐘控RS觸發(fā)器（同步觸發(fā)器）觸發(fā)器（同步觸發(fā)器）CP0時(shí)，R=S=1，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變。CP1時(shí)，工作情況與基本

14、RS觸發(fā)器相同。特特性性表表鐘控RS觸發(fā)器的卡諾圖 特征特征方程方程 01RSQRSQnnCP=1期間有效期間有效R = 0S = 101R = S = 0S = R = 0R = 1S = 0D觸發(fā)器觸發(fā)器如圖改變鐘控RS觸發(fā)器的連接，就構(gòu)成了D觸發(fā)器，這樣就不會(huì)出現(xiàn)R和S端同時(shí)為1的禁止?fàn)顟B(tài)。 DQn1特征特征方程方程 G6 G5 G2 G1 G8 主觸發(fā)器 G7 Qm Qm G4 從觸發(fā)器 G3 & & Q Q & & 1 S R CP CP G9 & & & & 主從主從RS觸發(fā)器觸發(fā)器 邏輯圖與邏輯符號(hào)邏輯圖與邏輯符號(hào)由

15、兩級(jí)同步由兩級(jí)同步RS 觸發(fā)器和一個(gè)非門構(gòu)成觸發(fā)器和一個(gè)非門構(gòu)成1SC11RQQ 工作原理工作原理（1） 接收輸入信號(hào)過程接收輸入信號(hào)過程 CP=1期間：期間：G9反相，輸出為反相，輸出為0主觸發(fā)器控制門主觸發(fā)器控制門G7、G8打開，接收輸入打開，接收輸入 信號(hào)信號(hào)R、S 從觸發(fā)器控制門從觸發(fā)器控制門G3、G4封鎖，其狀封鎖，其狀 態(tài)保持不變。態(tài)保持不變。有：有： 0RSQRSQnm1nm第四節(jié)第四節(jié) 主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器 G6 G5 G2 G1 G8 主觸發(fā)器 G7 Qm Qm G4 從觸發(fā)器 G3 & & Q Q & & 1 S R

16、CP CP G9 & & & & （2）輸出信號(hào)過程）輸出信號(hào)過程在在CP下降沿到來時(shí)下降沿到來時(shí) CP=0，主觸發(fā)器控制門，主觸發(fā)器控制門G7、G8封鎖，封鎖，在在CP=1期間接收的內(nèi)容被存儲(chǔ)起來。期間接收的內(nèi)容被存儲(chǔ)起來。 同時(shí)，從觸發(fā)器控制門同時(shí)，從觸發(fā)器控制門G3、G4被打被打開，主觸發(fā)器將其接收的內(nèi)容送入從開，主觸發(fā)器將其接收的內(nèi)容送入從觸發(fā)器，從觸發(fā)器輸出端隨之改變狀觸發(fā)器，從觸發(fā)器輸出端隨之改變狀態(tài)。態(tài)。 在在CP=0期間，由于主觸發(fā)器保持狀態(tài)期間，由于主觸發(fā)器保持狀態(tài)不變，因此受其控制的從觸發(fā)器的狀態(tài)不變，因此受其控制的從觸發(fā)器的狀態(tài)（Q、Q 的

17、值）當(dāng)然也不可能改變。的值）當(dāng)然也不可能改變。 特性方程特性方程01RSQRSQnnCP下降沿到來時(shí)有效下降沿到來時(shí)有效1SC11RQQ觸發(fā)器的特性方程就是觸發(fā)器次態(tài)觸發(fā)器的特性方程就是觸發(fā)器次態(tài)Qn+1與輸入及現(xiàn)態(tài)與輸入及現(xiàn)態(tài)Qn之間的邏輯關(guān)系式之間的邏輯關(guān)系式 功能表功能表（與同步（與同步RS 觸發(fā)器功能一致）觸發(fā)器功能一致）S RnQ1 nQ0 0 00 0 10 01 10 1 00 1 1001 0 01 0 1111 1 01 1 1Q n01nnQQ 1保持保持01 nQ置置0 0 置置1 1不定不定功功 能能11 nQ 特點(diǎn)特點(diǎn) 由兩個(gè)同步由兩個(gè)同步RS觸發(fā)器組成，它們受觸發(fā)器

18、組成，它們受互補(bǔ)時(shí)鐘脈沖控制互補(bǔ)時(shí)鐘脈沖控制 主從主從RS觸發(fā)器采用主從控制結(jié)構(gòu)，觸發(fā)器采用主從控制結(jié)構(gòu)，從根本上解決了輸入信號(hào)直接控制的問從根本上解決了輸入信號(hào)直接控制的問題，具有題，具有CP1期間接收輸入信號(hào)，期間接收輸入信號(hào)，CP下降沿到來時(shí)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。下降沿到來時(shí)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。只在只在時(shí)鐘脈沖的跳變沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)時(shí)鐘脈沖的跳變沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn) 輸入信號(hào)必須在正跳變沿前加入，輸入信號(hào)必須在正跳變沿前加入，CP的低電平必須有一定的延遲時(shí)間的低電平必須有一定的延遲時(shí)間 但其仍然存在著但其仍然存在著約束問題約束問題，即在，即在CP1期間，輸入信號(hào)期間，輸入信號(hào)R和和S不能同時(shí)不能同時(shí)為為1。JK觸

19、發(fā)器觸發(fā)器1.1.功能分析功能分析 邏輯圖邏輯圖CPCPG2G1G4G3& & & & &Q QQ QG6G5G8G7& & & & &Q QQ QG10G11RS& & &G91 1JK從觸發(fā)器從觸發(fā)器主觸發(fā)器主觸發(fā)器 在主從在主從RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)而觸發(fā)器的基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)而成成.nnKQRQJS 代入主從代入主從RS觸發(fā)器的特性方程，觸發(fā)器的特性方程，即可得到主從即可得到主從JK觸發(fā)器的特性方程：觸發(fā)器的特性方程： 特性方程特性方程QKQJQKQQJQRSQnnnnnnn 1 C

20、PCP下降沿到來時(shí)有效下降沿到來時(shí)有效 功能表功能表J KnQ1 n Q 0 0 01 1 00 1 100 01 0 111 01 1 110Q n01 0 0 1Q n功能功能保持保持置置 0（同（同J）置置 1翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)（同（同J）主從主從JK觸發(fā)器沒有約束。觸發(fā)器沒有約束。觸發(fā)器觸發(fā)器（J=K=1時(shí)）時(shí)）的翻轉(zhuǎn)：的翻轉(zhuǎn)：每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次?？梢杂脕碛?jì)數(shù)次?？梢杂脕碛?jì)數(shù), 其輸出頻率是時(shí)其輸出頻率是時(shí)鐘脈沖的一半，即二分頻鐘脈沖的一半，即二分頻.QCP12345678 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖10J= K=1J=1K= J=0K=J= K=0例例1

21、設(shè)負(fù)跳沿觸發(fā)的設(shè)負(fù)跳沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器的時(shí)觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖和鐘脈沖和J、K信號(hào)的波形如圖所示，信號(hào)的波形如圖所示，畫出輸出端畫出輸出端Q 的波形。設(shè)觸發(fā)器的的波形。設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為初始狀態(tài)為0。QCP12345678JK解：解：根據(jù)特性方程、或功能表或根據(jù)特性方程、或功能表或 狀態(tài)圖，可畫出狀態(tài)圖，可畫出Q的波形的波形第第1、2個(gè)個(gè)CP脈沖，脈沖，J=K=1，在，在CP脈脈 沖下降沿時(shí)，沖下降沿時(shí)，Q翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn).第第3個(gè)個(gè)CP脈沖，脈沖，J=0，K=1，CP脈脈 沖下降沿，沖下降沿，置置0 ，Q=0（不改變）（不改變）.第第4個(gè)個(gè)CP脈沖，脈沖，J=1，K=0，CP脈脈 沖下降沿，沖下降沿，

22、 置置1， Q=1. 第第5個(gè)個(gè)CP脈沖，脈沖，J=0，K=1，CP脈脈 沖下降沿，沖下降沿， 置置0， Q=0.第第6個(gè)個(gè)CP脈沖，脈沖，J=0，K=0，CP脈脈 沖下降沿，狀態(tài)保持不變（沖下降沿，狀態(tài)保持不變（Q=0）. 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng) 觸發(fā)器觸發(fā)器 的翻轉(zhuǎn)發(fā)生在時(shí)鐘脈的翻轉(zhuǎn)發(fā)生在時(shí)鐘脈 沖的觸發(fā)沿沖的觸發(fā)沿（此處為下降沿）（此處為下降沿） 判斷主從觸發(fā)器次態(tài)的依據(jù)是判斷主從觸發(fā)器次態(tài)的依據(jù)是 觸發(fā)沿前瞬間輸入端的狀態(tài)。觸發(fā)沿前瞬間輸入端的狀態(tài)。判斷邊沿觸發(fā)器次態(tài)的依據(jù)是判斷邊沿觸發(fā)器次態(tài)的依據(jù)是 觸發(fā)沿前瞬間輸入端的狀態(tài)觸發(fā)沿前瞬間輸入端的狀態(tài) 邊沿觸發(fā)邊沿觸發(fā)JK觸發(fā)器觸發(fā)器符號(hào)圖波

23、形圖符號(hào)圖波形圖畫邊沿觸發(fā)器波形時(shí)應(yīng)注意T觸發(fā)器和觸發(fā)器和T觸發(fā)器觸發(fā)器 nnnQTQTQ1特征方程特征方程T111nnnnQQQQ 邊沿邊沿D D觸發(fā)器觸發(fā)器工作原理工作原理（1）CLK0時(shí)，門時(shí)，門G3、G4被被封鎖，有：封鎖，有： SR1 RS 則觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。則觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。（2）當(dāng)）當(dāng)CLK由由0正向跳變到正向跳變到1瞬間，觸發(fā)器發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，瞬間，觸發(fā)器發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，則有：則有：DS DR 則則DQRSQnn1 此時(shí)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了此時(shí)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了D觸發(fā)觸發(fā)器的邏輯功能。器的邏輯功能。置置0維維持持線線置置1維維持持線線 SR置置1阻塞阻塞置置0阻塞阻塞（2）當(dāng)）當(dāng)CLK由由0正向跳變到正向跳變到1瞬間，有：瞬間，有：DS DR