第三章集成邏輯門(2學(xué)時)

邏輯門電路⒈元件及其開關(guān)作用⒉TTL集成門電路⒊MOS集成門電路集成邏輯門電路的概念門：用來實現(xiàn)開和關(guān)的工具。門電路：按一定條件控制信號通、斷的電路。邏輯門電路：實現(xiàn)邏輯關(guān)系的門電路。集成邏輯門電路：用集成電路技術(shù)和工藝實 現(xiàn)的邏輯門電路。一、元件及其開關(guān)作用穩(wěn)態(tài)特性瞬態(tài)特性元件特性：穩(wěn)定狀態(tài)下所呈現(xiàn)的特性（伏安特性）：通、斷轉(zhuǎn)換中所呈現(xiàn)的特性（電容充放電）二極管的開關(guān)特性三極管的開關(guān)特性場效應(yīng)管的開關(guān)特性略☆理想開關(guān)的特性：當(dāng)開關(guān)K打開時，I=0,Zk=∞當(dāng)開關(guān)K閉合時，Vk=0，Zk=0開閉動作瞬間完成。不受環(huán)境、溫度等影響。ERK半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性DR+－D正偏→導(dǎo)通→UD很小→電路導(dǎo)通

UD≈0.7V,硅管

UD≈0.3V,鍺管D反偏→截止→UD很大→電路斷開如無特殊說明,一般均以硅管為例.二極管導(dǎo)通和截止對應(yīng)不同狀態(tài)0和1半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性10KVcc=5V1kVoβ=30T截止飽和放大Vbe Vbc反偏

反偏，ib＝ic＝0，開關(guān)斷開正偏

反偏，ic＝βib，線性放大正偏

正偏，ib>Ibs，開關(guān)閉合三極管導(dǎo)通和截止對應(yīng)不同狀態(tài)0和1三極管天然的非門功能(反相器)VAVFT0V5V止5V0.3V通電位表：真值表:AF0110實現(xiàn)了非邏輯功能ARbRcVcc(

5V)FT國標(biāo)慣用國外FA1AFFA二極管與門電路

5VA0VBFRD1D2Vcc（5V）VAVBVFD1D20V0V0.7V通通0V5V0.7V通止5V0V0.7V止通5V5V5V止止0→低電位1→高電位ABF000010100111實現(xiàn)了與邏輯功能實現(xiàn)了與邏輯功能F&AB二極管或門電路VAVBVFD1D20V0V0.7V止止0V5V0.7V止通5V0V0.7V通止5V5V5V通通0→低電位1→高電位ABF000011101111實現(xiàn)了與邏輯功能實現(xiàn)了或邏輯功能

5VA0VBFRD1D2FAB≥1TTL集成門電路的分類

二極管晶體三極管邏輯門（DTL）集晶體三極管晶體三極管邏輯門（TTL）成雙極型射極耦合邏輯門（ECL）邏集成注入邏輯門電路（）輯N溝道MOS門(NMOS)門單極型(MOS型)P溝道MOS門(PMOS)

互補MOS門(CMOS)二TTL集成門電路（與非門）一、電路+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC多發(fā)射極輸入級中間倒相級推挽輸出級輸入級由多發(fā)射極晶體管T1和基極電組R1組成，它實現(xiàn)了輸入變量A、B、C的與運算。BFRD1D3Vcc（5V）D2ACD4中間級是放大級，由T2、R2和R3組成，T2的集電極C2和發(fā)射極E2可以分別提供兩個相位相反的電壓信號C2E2輸出級：由T3、T4、T5和R4、R5組成，其中T3、T4構(gòu)成復(fù)合管，與T5組成推拉式輸出結(jié)構(gòu)，具有較強的負(fù)載能力。(對比書上P46圖2-8）“0”1VVb1=0.3+0.7=1V三個PN結(jié)導(dǎo)通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1VVV3.63.60.3二、工作原理T1深飽和T2截止T5截止1.輸入有低電平（0.3V）時不足以讓T2、T5導(dǎo)通+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube43.6V高電平！1.輸入有低電平（0.3V）時(續(xù))T1深飽和T2截止T5截止T3微飽和T4放大結(jié)論1:輸入有低時,輸出為高T1:倒置全飽和導(dǎo)通Vb1=2.1VVc1=1.4V全反偏1V截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC2.輸入全為高電平（3.6V）時2.1V1.4V3.6V0.3VT2:飽和T5:飽和T3:放大T4:截止放大T1管:Ve1=3.6VVb1=2.1VVc1=1.4VT1管在倒置工作狀態(tài)T2,T5管飽和導(dǎo)通,Vce2=0.3V所以:Vc2=1V→T3:放大Vb4=0.3V→T4:截止+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC飽和uF=0.3V2.輸入全為高電平（3.6V）時(續(xù))飽和3.6VT1:倒置T2:飽和T5:飽和T3:放大T4:截止結(jié)論2:輸入全高時,輸出為低T5飽和,Vce5=0.3V結(jié)論歸納輸入有低電平（0.3V）時輸出為高即VF=3.6V2.輸入全為高電平（3.6V）時輸出為低即VF=0.3V3.輸入多發(fā)射極的作用

TTL集成門在輸入級采用晶體管多發(fā)射極，其作用是:1.參數(shù)一致性好;2.縮小體積;3.縮短T2從飽和向截止的轉(zhuǎn)換時間→加速轉(zhuǎn)換過程。

(即加速輸入有全“1”→→輸入有“0”的轉(zhuǎn)換過程)輸入多發(fā)射極的作用（續(xù)）+5V3.60.3FR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5b1c13.6VVc3.6V飽和飽和飽和到截止，需要基區(qū)電荷消散時間1V放大區(qū)集電極電流1.4V基區(qū)電荷迅速消散T2截止，Vc2電壓升高，T3導(dǎo)通，做電壓跟隨→T4進(jìn)入放大。集電極電流加大，T5迅速截止由于輸入級的存在，T1在轉(zhuǎn)換瞬間進(jìn)入放大狀態(tài)，加速了T2的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而加速了整個電路的工作速度。VA=VB=輸出級采用推挽電路不僅提供比較大的帶負(fù)載能力，而且在接容性負(fù)載狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，可以產(chǎn)生比較大的充放電電流，產(chǎn)生陡峭的上升或下降沿，也提高了整體電路的開關(guān)速度。4.推挽輸出電路的作用+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5“1”“1”“1”RL飽和截止T5深度飽和，集電極電流可以全部用于驅(qū)動負(fù)載。輸出電阻為T5的飽和c-e電阻，阻值很小，帶負(fù)載能力強。⑴輸出為低電平時：Co容性負(fù)載時,放電較快,形成陡峭的下降沿。⑵輸出為高電平時：+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5“0”“1”“1”RL截止T4處在放大區(qū)，工作在射極輸出狀態(tài)，組成電壓跟隨器，跟隨VCC，輸出穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強。容性負(fù)載時,充電較快,形成陡峭的上升沿。Co

TTL與非門工作于開態(tài)時等效電路:&VIHVO=VOL=0.3VRO=rCES=10~20Ω0.3v

TTL與非門工作于關(guān)態(tài)時等效電路:&VILVO=VOHRO≈100Ω3.6vVO=VOH3．TTL與非門的等效電路ioio懸空的輸入端（RI＝∞）相當(dāng)于接高電平。2.為了防止干擾，可將懸空的輸入端接高電平。說明開門電阻RON關(guān)門電阻ROFF在保證與非門輸出為低時，允許輸入電阻R的最小值。在保證與非門輸出為高時，允許輸入電阻R的最大值。RON＝3.2KΩROFF＝0.91KΩ當(dāng)RI≥RON時，相當(dāng)輸入高電平。當(dāng)RI≤ROFF時，相當(dāng)輸入低電平。RiAB&F如果電阻RiRON，則F=?如果電阻RiROFF，則F=?應(yīng)用舉例：在如下的電路圖中+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1六、二種特殊門⒈集電極開路門(OC門)⑴電路無T3,T4VCC2RL

負(fù)載電阻VCC11.正常使用時，輸出端必須外接負(fù)載電阻RL。2.VCC1和VCC2可以不等。集電極懸空FABC&⑵符號&ABCF&&&VCCF1F2F3FF=F1F2F3RL輸出級VCCRLT5T5T5F直接將兩個邏輯門的輸出連接起來，希望實現(xiàn)與的邏輯功能。⑶

OC門的用途1)實現(xiàn)“線與”功能F=F1F2F3?任一導(dǎo)通F=0VCCRLF1F2F3F全部截止F=1F=F1F2F3?所以：F=F1F2F3VCCRLF1F2F3F2)電平轉(zhuǎn)移功能TTL電平“1”→3.6V“0”→0.3V轉(zhuǎn)移電平“1”≈10V“0”≈0V&VCC2=10VF1FRLVCC1=5V⒉三態(tài)門電路

通常數(shù)字邏輯是二值的，即僅0，1值，其所對應(yīng)電路的輸出電平是高、低兩種狀態(tài)。在實際電路中，還有一種輸出既非高電平又非低電平的狀態(tài)，被稱之為第三狀態(tài)。于是數(shù)字電路的輸出就有：0、1和Z（高阻）的三種狀態(tài)。這種電路稱三態(tài)邏輯電路或稱三態(tài)門電路。+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5ABDE⑴電路E稱為控制端、使能端1截止+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB⑵原理E結(jié)論：E＝1時，電路具備自身邏輯功能截止截止高阻態(tài)+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB⑵原理（續(xù)）E0導(dǎo)通結(jié)論：E＝0時，電路輸出為高阻狀態(tài)。F＝Z（高阻）1V1V功能表低電平起作用⑶符號高電平起作用功能表&ABF&ABF分時控制各個門的CS端，就可以讓各個門的輸出信號分時進(jìn)入總線同一時刻，只允許一個門進(jìn)入總線。其他門必須保持為高阻狀態(tài)⑷三態(tài)門用途００1……總線&A3B3CS3&A2B2CS2&A1B1CS1&A4B4

注意和OC門線與的區(qū)別！！——總線連接電路兩個三態(tài)門組成的電路，門1為低電平使能門2為高電平使能——實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸E=0，門1導(dǎo)通，門2禁止，數(shù)據(jù)從ABE=1，門2導(dǎo)通，門1禁止，數(shù)據(jù)從BA⑷三態(tài)門用途（續(xù)）TTL與非門電路使用注意見三CMOS集成門電路§3CMOS集成門電路知識復(fù)習(xí)：⒈MOS管分類PMOS管:結(jié)構(gòu)簡單，工作速度低，負(fù)電源工作。NMOS管:工藝復(fù)雜，正電源工作。CMOS管:PMOS管和NMOS管組成互補電路。⒉工作區(qū)TTL:截止放大飽和CMOS:截止飽和非飽和相當(dāng)開關(guān)電路:斷開接通⒊符號及導(dǎo)通條件VNSDGDSGVPPMOS管NMOS管VGS＜VTP時導(dǎo)通取:VTP=－2VVGS＞VTN時導(dǎo)通取:VTN=2V即:|VGS|

＞|VTP|=

2V時導(dǎo)通⑴靜態(tài)功耗小。（約10μW）⑵允許電源電壓范圍寬。（318V）⑶扇出系數(shù)大。（帶同類負(fù)載N≥50）⑷抗噪容限大。（Vth=1/2VDD）⒋CMOS電路的特點最大提供電流1.5mA⑸速度較低。（tpd=40nS）CMOS電路導(dǎo)通時阻抗較大（>1KΩ），由于分布電容Co的存在，電平高低變化時充放電較慢，影響其工作速度。NMOS管驅(qū)動管PMOS管負(fù)載管一、CMOS反相器VDDAFSPDNGPVPVNDPSNGN漏極相連做輸出端PMOS管的襯底總是接到電路的最高電位NMOS管的襯底總是接到電路的最低電位柵極相連做輸入端⒈電路A=1導(dǎo)通截止V０=0V即F＝0VDDAFVPVN⒉工作原理設(shè)VDD＝10V，A＝1時，VA＝10VA＝0時，VA＝0VVgsP=0VVgsN=10V⒉工作原理（續(xù)）A=0截止導(dǎo)通V０=10V即F＝1VDDAFVPVN設(shè)VDD＝10V，A＝1時，VA＝10VA＝0時，VA＝0VVgsP=－10VVgsN=0VAVPVNY0導(dǎo)通截止11截止導(dǎo)通0

結(jié)論：二、CMOS與非門VDDVP2VP1VN2VN1ABF⒈電路負(fù)載管并聯(lián)驅(qū)動管串聯(lián)⒉工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABFA=0,B=0:設(shè)VDD＝10V，A＝B＝1時，VA＝VB＝10VA＝B＝0時，VA＝VB＝0VVgsP1=VgsP2=－10VVgsN1=VgsN2=0VVN1、VN2：截止VP1、VP2：導(dǎo)通F=1001⒉工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF設(shè)VDD＝10V，A＝B＝1時，VA＝VB＝10VA＝B＝0時，VA＝VB＝0VA=0,B=0:VN1、VN2：截止VP1、VP2：導(dǎo)通F=1A=0,B=1:VN1、VP2：截止VP1、VN2：導(dǎo)通F=1011⒉工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF設(shè)VDD＝10V，A＝B＝1時，VA＝VB＝10VA＝B＝0時，VA＝VB＝0VA=0,B=0:VN1、VN2：截止VP1、VP2：導(dǎo)通F=1A=0,B=1:VN1、VP2：截止VP1、VN2：導(dǎo)通F=1101A=1,B=0:VP1、VN2：截止VN1、VP2：導(dǎo)通F=1⒉工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF設(shè)VDD＝10V，A＝B＝1時，VA＝VB＝10VA＝B＝0時，VA＝VB＝0V110A=0,B=0:VN1、VN2：截止VP1、VP2：導(dǎo)通F=1A=0,B=1:VN1、VP2：截止VP1、VN2：導(dǎo)通F=1A=1,B=0:VP1、VN2：截止VN1、VP2：導(dǎo)通F=1A=1,B=1:VP1、VP2：截止VN1、VN2：導(dǎo)通F=0⒉工作原理（續(xù)）邏輯關(guān)系:ABVP1

VP2

VN1

VN2F00導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止

101導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通10截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止111截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通

0負(fù)載管驅(qū)動管三、CMOS或非門⒈電路VDDVP2VP1VN2VN1ABF負(fù)載管串聯(lián)驅(qū)動管并聯(lián)⒉工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF設(shè)VDD＝10V，A＝B＝1時，VA＝VB＝10VA＝B＝0時，VA＝VB＝0VA=0,B=0:VP1、VP2：導(dǎo)通F=1VN1、VN2：截止VgsN1=VgsN2=0VVgsP1=VgsP2=－10V001⒉工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF設(shè)VDD＝10V，A＝B＝1時，VA＝VB＝10VA＝B＝0時，VA＝VB＝0VA=0,B=0:VP1、VP2：導(dǎo)通F=1VN1、VN2：截止010A=0,B=1:VN1、VP2：截止VP1、VN2：導(dǎo)通F=0⒉工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF設(shè)VDD＝10V，A＝B＝1時，VA＝VB＝10VA＝B＝0時，VA＝VB＝0V100A=0,B=0:VP1、VP2：導(dǎo)通F=1VN1、VN2：截止A=0,B=1:VN1、VP2：截止VP1、VN2：導(dǎo)通F=0A=1,B=0:F=0VP1、VN2：截止VN1、VP2：導(dǎo)通⒉工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF設(shè)VDD＝10V，A＝B＝1時，VA＝VB＝10VA＝B＝0時，VA＝VB＝0V110A=0,B=0:VP1、VP2：導(dǎo)通F=1VN1、VN2：截止A=0,B=1:VN1、VP2：截止VP1、VN2：導(dǎo)通F=0A=1,B=0:F=0VP1、VN2：截止VN1、VP2：導(dǎo)通A=1,B=0:VP1、VN2：截止VN1、VP2：導(dǎo)通F=0⒉工作原理（續(xù)）邏輯關(guān)系:ABVP1

VP2

VN1

VN2F00導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止