第二章 集成邏輯門(mén)電路

1、第二章 集成邏輯門(mén)電路一、概述1、門(mén)電路（1）概念：用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路統(tǒng)稱為門(mén)電路。與上一章所講的基本邏輯關(guān)系相對(duì)應(yīng)，有與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)、與非門(mén)、或非門(mén)、與或非門(mén)、異或門(mén)等（2）獲得高低電平的方法舉例：圖（3）正邏輯與負(fù)邏輯高電平表示1低電平表示0稱為正邏輯，反之為負(fù)邏輯2、數(shù)字電路的集成度和分類數(shù)字電路的集成度是指單塊芯片上所容納的元件數(shù)目。集成度越高，所容納的元件數(shù)目越多。分類：數(shù)字集成電路的分類分類門(mén)的個(gè)數(shù)（集成度）典型的集成電路小規(guī)模 最多12個(gè)邏輯門(mén)、觸發(fā)器中規(guī)模12-19計(jì)數(shù)器、加法器大規(guī)模100-9999小型存儲(chǔ)器、門(mén)陣列超大規(guī)模10000-99999大型存儲(chǔ)器、微處理器

2、甚大規(guī)模100000以上可編程邏輯器件、多功能專用集成電路二、半導(dǎo)體二極管、三極管和mos管的開(kāi)關(guān)特性1、理想開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性（1）靜態(tài)特性：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)阻值無(wú)窮大、電流為0，閉合時(shí)阻值為0，分壓為0（2）動(dòng)態(tài)特性：開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間為0普通開(kāi)關(guān)靜態(tài)性能好，動(dòng)態(tài)性能差；半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)靜態(tài)性能較差，動(dòng)態(tài)性能好2、半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性和等效電路利用其單向?qū)щ娦?，取代上?jié)例子中的S的開(kāi)關(guān)電路（圖），但其靜態(tài)性能較差，由電流公式、伏安特性曲線，得電壓與電流是非線性關(guān)系，此外還存在PN結(jié)的漏電阻和半導(dǎo)體的體電阻，實(shí)際伏安特性曲線與理論的有差異當(dāng)外電路的等效電源Vss和等效電阻R都很小時(shí)，二極管壓降和正向電阻不能

3、忽略，伏安特性曲線等效成折線（圖），二極管等效圖（圖）二極管壓降不能忽略，二極管正向電阻可以忽略時(shí)，伏安特性曲線等效成直線（圖），二極管等效圖（圖）二極管壓降和正向電阻都可以忽略時(shí)，理想開(kāi)關(guān)特性（圖）二極管的動(dòng)態(tài)特性3、半導(dǎo)體三極管的開(kāi)關(guān)特性和等效電路利用半導(dǎo)體三極管取代上節(jié)例子中的S的開(kāi)關(guān)電路（圖），三極管工作在截止區(qū)時(shí)，vo約為Vcc，工作在飽和區(qū)時(shí)，vo約為0，得三極管開(kāi)關(guān)等效電路（圖）三極管的動(dòng)態(tài)特性4、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（mos管）的開(kāi)關(guān)特性和等效電路利用mos管取代上節(jié)例子中的S的開(kāi)關(guān)電路（圖），mos管工作在夾斷區(qū)，vo約為Vcc，工作在可變電阻區(qū)時(shí)，vo很小，得mos

4、管開(kāi)關(guān)等效電路（圖）三、分立元件門(mén)電路1、二極管門(mén)電路（1）二極管與門(mén)電路（圖）AB只要有一個(gè)是低電平，必有一個(gè)導(dǎo)通，Y被鉗制在導(dǎo)通電壓（管壓降）上（忽略），AB均等于Vcc，二極管不導(dǎo)通，Y為Vcc，AB遠(yuǎn)低于Vcc時(shí)，Y為Vcc等于輸入信號(hào)電平加管壓降（2）二極管或門(mén)電路（圖）二極管負(fù)極均通過(guò)電阻R連接到負(fù)電源Vee上，故AB有一個(gè)是高電平則Y是高電平，只有都為低電平時(shí)Y才是低電平2、三極管門(mén)電路（1）非門(mén)電路（圖）從半導(dǎo)體三極管的開(kāi)關(guān)特性和等效電路中不難看出，輸入高電平則輸出為低電平，輸入低電平則輸出為高電平，即非邏輯，Vee保證三極管可靠截止3、與非門(mén)二極管與門(mén)和三極管非門(mén)連接（圖）4

5、、或非門(mén)二極管或門(mén)和三極管非門(mén)連接（圖）四、TTL電路（集成電路）1、TTL與非門(mén)工作原理（1）電路結(jié)構(gòu)（圖2-1）設(shè)輸入信號(hào)高低電平分別是3.4V和0.2V，導(dǎo)通電壓0.7V，Vcc為5V（2）電壓傳輸特性（圖2-2）2、TTL與非門(mén)的靜態(tài)輸入特性和輸出特性（1）輸入特性（圖2-3）（2）輸出特性（a）高電平輸出特性（圖2-4）輸出電流增加，輸出電壓下降，考慮到功耗，最大電流限制在400微安以下（b）低電平輸出特性（圖2-5）3、TTL與非門(mén)的輸入端負(fù)載特性實(shí)際中，輸入端和地之間、輸入端和信號(hào)之間要接電阻，由于輸入電流流過(guò)電阻，必然產(chǎn)生壓降，且隨電阻增大而增大（1）輸入端負(fù)載特性（圖2-6）

6、當(dāng)Vcc為5V，vi=0.8V，接的電阻約為0.91千歐，即門(mén)電路串接電阻不應(yīng)大于0.91千歐，否則前一門(mén)電路低電平傳不到下一級(jí)門(mén)電路問(wèn)題：門(mén)電路最多驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門(mén)電路？4、TTL與非門(mén)的動(dòng)態(tài)特性（1）傳輸延遲時(shí)間（2）交流噪聲容限（3）電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流5、其他類型的門(mén)電路（1）或非門(mén)（圖2-7）（2）異或門(mén)（圖2-8）（3）非門(mén)（圖2-12）（a）輸入端短路電流IIS（VI=0）IIS=- iB1= (VCC-VBE1）/R1（b）輸入端漏電流IIH（c）開(kāi)門(mén)電阻Ron輸出為低電平時(shí)最小輸入電阻，為2.5千歐（P65）（d）關(guān)門(mén)電阻Roff輸出為高電平時(shí)最大輸入電阻，為0.7千歐（P6

7、5）（e）灌電流iO負(fù)載灌電流負(fù)載指輸出為低電平時(shí)的負(fù)載，一般為-16毫安（f）拉電流iO負(fù)載拉電流負(fù)載指輸出為高電平時(shí)的負(fù)載，一般為-400微安（4）與或非門(mén)6、TTL集電極開(kāi)路門(mén)（OC門(mén)）（圖2-9）OC門(mén)線與連接后（圖2-10），驅(qū)動(dòng)普通與非門(mén)，RC有一定取值范圍OC門(mén)僅一個(gè)導(dǎo)通，輸出為低電平（最大VOLmax），此時(shí)ic電流和IiL均流入該門(mén)，但ic+mIiL<=IOL（帶灌電流負(fù)載能力），故RCmin>=（VCC-VOLmax）/（IOL- mIiL）OC門(mén)全部截止，輸出為高電平vO，RC過(guò)大，上面壓降大到使vO小于VOHmin，這是不允許的，即vO= VCC-icRc

8、>=VOHmin, ic = iO+ iI=nIOH+mkIIH，則有RCmax<=（VCC-VOHmin）/（nIOH+mkIIH）例見(jiàn)P647、TTL三態(tài)門(mén)輸出狀態(tài)包含高阻（圖2-11），增加了使能端利用三態(tài)門(mén)，數(shù)據(jù)總線上可實(shí)現(xiàn)分時(shí)傳遞數(shù)據(jù)（P65）8、TTL集成電路五、CMOS門(mén)電路1、CMOS反相器（圖2-13）（1）電壓傳輸特性（圖2-14）（2）電流傳輸特性（圖2-14）（3）保護(hù)電路和輸入特性P45（4）輸出特性P46（5）動(dòng)態(tài)特性P472、CMOS與非門(mén)、或非門(mén)、與門(mén)和或門(mén)（1）與非門(mén)（圖2-15）（2）或非門(mén)（圖2-16）（3）與門(mén)（圖2-17）（4）或門(mén)（圖2-

9、18）（5）帶緩沖的與非門(mén)和或非門(mén)3、CMOS與或非門(mén)P50貨4、CMOS傳輸門(mén)、三態(tài)門(mén)和漏極開(kāi)路門(mén)（1）CMOS傳輸門(mén)（圖2-19）（2）CMOS三態(tài)門(mén)（圖2-20）（3）CMOS漏極開(kāi)路門(mén)（圖2-21）5、集成電路及注意事項(xiàng)P54六、TTL電路與CMOS電路的接口連接時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路必須為負(fù)載電路提供符合要求的電平和足夠的驅(qū)動(dòng)電流VOHmin >= VIHminVOLmax <= VILmaxIOHmax >= IIHtotalIOLmax >= |IIHtotal|具體參數(shù)參見(jiàn)P67表2-81、用TTL電路驅(qū)動(dòng)CMOS電路（1）驅(qū)動(dòng)CMOS4000系列和74HC系列要提高輸出高電平時(shí)的驅(qū)動(dòng)電平，P68圖2-57（2）驅(qū)動(dòng)CMOS74HCT系列2、用CMOS系列電路驅(qū)動(dòng)TTL電路（