電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分 第五版 康華光華中科大課件第三章第1節(jié).ppt

1、,教學基本要求： 1、了解半導體器件的開關(guān)特性。 2、熟練掌握基本邏輯門（與、或、與非、或非、異或門）、三態(tài)門、OD門（OC門）和傳輸門的邏輯功能。 3、學會門電路邏輯功能分析方法。 4、掌握邏輯門的主要參數(shù)及在應(yīng)用中的接口問題。,3. 邏輯門電路,1 、邏輯門:實現(xiàn)基本邏輯運算和復合邏輯運算的單元電路。,2、 邏輯門電路的分類,二極管門電路,三極管門電路,TTL門電路,MOS門電路,PMOS門,CMOS門,分立門電路,NMOS門,3.1.1 數(shù)字集成電路簡介,各種系列邏輯電路的發(fā)展狀況,3.1.1 數(shù)字集成電路簡介,TTL系列門,MOS門,平均延遲時間：75ns,平均延遲時間：310ns,結(jié)

2、構(gòu)復雜、集成度低,功耗低（0.01mw）,功耗高（220mw ）,開關(guān)速度較快,結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單容易實現(xiàn)高密度制作,開關(guān)速度稍低,在大規(guī)模的集成電路中，主要采用的是CMOS電路。,3.1.2 邏輯門電路的一般特性,1. 輸入和輸出的高、低電平,輸出高電平的下限值 VOH(min),輸入低電平的上限值 VIL(max),輸入高電平的下限值 VIH(min),輸出低電平的上限值 VOL(max),VNH 當前級門輸出高電平的最小 值時允許負向噪聲電壓的最大值。,負載門輸入高電平時的噪聲容限：,VNH =VOH(min)VIH(min),2.噪聲容限：在保證輸出電平不變的條件下，輸入電平允許波動的

3、范圍。它表示門電路的抗干擾能力.,3.1.2 邏輯門電路的一般特性,VNL 當前級門輸出低電平的最大值時允許正向噪聲電壓的最大值,負載門輸入低電平時的噪聲容限：,VNL =VIL(max)VOL(max),3.傳輸延遲時間,傳輸延遲時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 形的作用下，其輸出波形相對于輸入 波形延遲了多長的時間。,CMOS電路傳輸延遲時間,3.1.2 邏輯門電路的一般特性,4. 功耗,靜態(tài)功耗：指的是當電路沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的功耗，即門電路空載時電源總電流ID與電源電壓VDD的乘積。,5. 延時功耗積,是速度功耗綜合性的指標.延時功耗積，用符號DP表示,扇入數(shù)：取

4、決于其的輸入端的個數(shù)。,6. 扇入與扇出數(shù),動態(tài)功耗：指的是電路在輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的功耗， 對于TTL門電路來說，靜態(tài)功耗是主要的。 CMOS電路的靜態(tài)功耗非常低，CMOS門電路有動態(tài)功耗,3.1.2 邏輯門電路的一般特性,1,0,1,電流方向?,灌電流,IIL,IOL,= nIIL,驅(qū)動門的所帶負載分為灌電流負載和拉電流負載兩種情況:,（a)帶灌電流負載,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。,3.1.2 邏輯門電路的一般特性,0,1,0,電流方向?,拉電流,IIH,IOH,= nIIH,(b)帶拉電流負載,3.1.2 邏輯門電路的一般特性,各類數(shù)字集成電路主要性能參數(shù)的

5、比較,3.1.2 邏輯門電路的一般特性,1、 高、低電平產(chǎn)生的原理,當S閉合，O =,當S斷開， O =,0 V,+5 V,(低電平),(高電平),理想開關(guān)的兩個工作狀態(tài)：,3.1.3 MOS開關(guān)及其等效電路,2.產(chǎn)生的高、低電平半導體器件,工作在截止區(qū):輸出高電平,工作在飽和區(qū):輸出低電平,場效應(yīng)三極管,利用電場效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，也稱單極型三極管。,場效應(yīng)管特點:,只有一種載流子參與導電；,輸入電阻高,可達 109 以上;,工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。,3.1.3 MOS開關(guān)及其等效電路,由金屬、氧化物和半導體制成。稱為金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)管，或簡稱

6、MOS 場效應(yīng)管。,是一種電壓控制器件；,3.1.3 MOS開關(guān)及其等效電路,符號,1、N 溝道增強型 MOS 場效應(yīng)管,3. V-I 特性曲線,（1）輸出特性, 截止區(qū):當vGSVT時，iD0，為截止工作狀態(tài)。, 可變電阻區(qū),rdso是一個受vGS控制的可變電阻 , vGS越大rdso越小,（1）輸出特性,rdso =vDS/iD,3V,4V,5V,vGS = 6V,可 變 電 阻 區(qū),飽和區(qū),VTN,開啟電壓 VT= 2 V,輸出特性,轉(zhuǎn)移特性,vDS = 6V,截止區(qū),N 溝道增強型 MOS 管:,VGS 0,（2）轉(zhuǎn)移特性, 當VGS VTP 時，管子截止，, 當VGS VTP 時，管

7、子導通，,開啟電壓 vTN = 2 V,3）NMOS開關(guān)及其等效電路,開啟電壓 vTN = 2 V,3）NMOS開關(guān)及其等效電路,G,D,B,iD,開啟電壓 TP = - 2 V,（1）特性曲線,S,2）P溝道增強型 MOS 場效應(yīng)管,(2) P 溝道增強型 MOS 管的開關(guān)作用,開啟電壓 TP = - 2 V,開啟電壓 TP = - 2 V,3.1.4 CMOS 反相器,1、工作原理,vi,vGSN,vGSP,TN,TP,vO,0 V,0V,-10V,截止,導通,10 V,10 V,10V,0V,導通,截止,0 V,VTN = 2 V,VTP = - 2 V,邏輯圖,邏輯表達式,電路邏輯功能

8、分析: 1、列出電路狀態(tài)表；（根據(jù)輸入確定半導體器件開關(guān)狀態(tài)及輸出電平） 2、列出真值表； 3、確定邏輯 功能。,iD,VTH,電流傳輸特性,AB、EF 段： TN、TP總有一個為截止狀態(tài)，故 iD 0 。,CD 段： TN、Tp 均導通，流過兩管的漏極電流達到最大值 iD = iD（max) 。,閾值電壓：,VTH = 0.5 VDD,（VDD = 3 18 V）,電流傳輸特性,3.1.4 CMOS 反相器,3.1.4 CMOS 反相器,(1)CMOS反相器靜態(tài)功耗近似等于0,動態(tài)功耗隨狀態(tài)轉(zhuǎn)換的次數(shù)增加,CMOS 反相器的特點,(2)CMOS反相器的工作速度較高,在由于電路具有互補對稱的性

9、質(zhì)，它的開通時間與關(guān)閉時間是相等的。平均延遲時間：10 ns。,帶電容負載,輸出從低電平 跳變?yōu)楦唠娖?輸出從高電平 跳變?yōu)榈碗娖?3.1.4 CMOS 反相器,3.1.3 其他CMOS門電路,A B,TN1 TP1 TN2 TP2,L,0 0,0 1,1 0,1 1,截止,導通,截止,導通,導通,導通,導通,截止,截止,導通,截止,截止,截止,截止,導通,導通,1,1,1,0,與非門,1、CMOS 與非門,Y =,(a)電路結(jié)構(gòu),(b)工作原理,VTN = 2 V,VTP = - 2 V,或非門,2、CMOS 或非門,A B,TN1 TP1 TN2 TP2,L,0 0,0 1,1 0,1 1

10、,截止,導通,截止,導通,導通,導通,導通,截止,截止,導通,截止,截止,截止,截止,導通,導通,1,0,0,0,VTN = 2 V,VTP = - 2 V,3.1.3 其他CMOS門電路,3. CMOS 與門,3.1.3 其他CMOS門電路,4. CMOS 或門,3.1.3 其他CMOS門電路,由或非門和與或非門組成,5、異或門電路,3.1.3 其他CMOS門電路,CMOS 門電路分析,3.1.3 其他CMOS門電路,1.CMOS漏極開路門,1.）CMOS漏極開路門的提出,輸出短接，會產(chǎn)生低阻通路，大電流有可能導致器件的損毀，并且無法確定輸出是高電 平還是低電平。,3.1.6 CMOS漏極開

11、路（OD）門和三態(tài)輸出門電路,0,1,0,1,L,1,0,線與,線與能實現(xiàn)嗎?,（2）漏極開路門的結(jié)構(gòu)與邏輯符號,邏輯符號,漏極開路門輸出連接,(a)工作時必須外接電源和電阻;,(b)與非邏輯不變,0,0,1,1,1,1,0,3.1.6 CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路,(c) 可以實現(xiàn)線與功能;,3.1.6 CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路,1,1,1,0,0,1、實現(xiàn)多個邏輯門輸出端的線與,集電極開路門的應(yīng)用,3.1.6 CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路,2.三態(tài)(TSL)輸出門電路,1,0,0,1,1,截止,導通,1,0,0,截止,導通,0,1,0,截止,截

12、止,1,邏輯功能：高電平有效的同相三態(tài)門,0,1,高阻,3.1.6 CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路,三態(tài)輸出門電路邏輯符號,其他三態(tài)與非門：,低電平有效,高電平有效,3.1.6 CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路,3. 應(yīng)用舉例：,(1) 構(gòu)成總線轉(zhuǎn)輸結(jié)構(gòu),3.1.6 CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路,(1) 構(gòu)成總線轉(zhuǎn)輸結(jié)構(gòu),EN,1,G1,G2,Gn,D0A,D0B,D0N,數(shù)據(jù)總線,任何時刻，只允許一個三態(tài)門使能，其余為高阻態(tài)。,RAM,ROM,I/O,D0,3.1.6 CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路,分析下圖所示邏輯門電路，根據(jù)輸入波形對應(yīng)畫出

13、輸出波形,3.1.6 CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路,數(shù)據(jù)采集電路,3.1.7 CMOS傳輸門(雙向模擬開關(guān)),1. CMOS傳輸門電路的提出,1. CMOS傳輸門電路,電路,等效電路,3.1.7 CMOS傳輸門(雙向模擬開關(guān)),(TG 門 Transmission Gate),2. 工作原理：,TN、TP均導通，,TN、TP均截止，,導通電阻小(幾百歐姆),關(guān)斷電阻大 ( 109 ),2、CMOS傳輸門電路的工作原理,設(shè)TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2 I的變化范圍為5V到+5V。,5V,+5V,5V到+5V,GSN VTN, TN截止,GSP=5V (-5V到+5V)

14、=(10到0)V,開關(guān)斷開，不能轉(zhuǎn)送信號,GSN= -5V (5V到+5V)=(0到-10)V,GSP0, TP截止,3.1.7 CMOS傳輸門(雙向模擬開關(guān)),+5V,5V,GSP= 5V (3V+5V)=2V 10V,GSN=5V (5V+3V)=(102)V,b、I=3V5V,GSNVTN, TN導通,a、I=5V3V,TN導通，TP導通,C、I=3V3V,3.1.7 CMOS傳輸門,0,傳輸門組成的數(shù)據(jù)選擇器,C=0,TG1導通, TG2斷開 L=X,TG2導通, TG1斷開 L=Y,C=1,0,1,X,X,斷開,導通,0,1,0,1,斷開,X,導通,Y,傳輸門組成的應(yīng)用,3.1.7 CMOS傳輸門,三、CMOS 集成電路的主要特點,(1) 功耗極低。,LSI：幾個 W ， MSI：100 W,(2) 電源電壓范圍寬。,CC4000 系列：VDD = 3 18 V,(3) 抗干擾能力強。,輸入端噪聲容限 =