合肥學(xué)院數(shù)字邏輯第三章

1、2022-4-91一一.按采用的半導(dǎo)體器件分類：按采用的半導(dǎo)體器件分類：1.按采用的半導(dǎo)體器件分按采用的半導(dǎo)體器件分I2L電路電路CMOS電路電路NMOS電路電路PMOS電路電路ECL電路電路HTL電路電路TTL電路電路MOS型集型集成電路成電路雙極型集雙極型集成電路成電路數(shù)字集成電路的分類數(shù)字集成電路的分類二二.按集成度（單個芯片所含門的個數(shù)）區(qū)分：按集成度（單個芯片所含門的個數(shù)）區(qū)分：1.小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路SSI （Small Scale Integration，100門以下門以下/片）片）2.中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路MSI （Medium Scale Integration

2、，100999門門/片）片）3.大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路LSI （Large Scale Integration，100099999門門/片）片）4.超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路VLSI（ery Large Scale Integration, 10萬門以上萬門以上/片片)三三.按數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法分類按數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法分類:非用戶定制電路（Non-custom design IC）標(biāo)準(zhǔn)集成電路半用戶定制電路（Semi-custom design IC）通用集成電路全用戶定制電路（Full-custom design IC）專用集成電路如PLD可編程邏輯器件 （Programmable

3、Logical Device）2022-4-95 2022-4-96 數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)：相當(dāng)于開關(guān)閉合截止?fàn)顟B(tài)：相當(dāng)于開關(guān)斷開。邏輯變量兩狀態(tài)開關(guān)： 在邏輯代數(shù)中邏輯變量有兩種取值：0和1；電子開關(guān)有兩種狀態(tài)：閉合、斷開。半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管，則是構(gòu)成這種電子開關(guān)的基本開關(guān)元件。2022-4-97 (1) 靜態(tài)特性： 斷開時，開關(guān)兩端的電壓不管多大，等效電阻ROFF = 無窮，電流IOFF = 0。 閉合時，流過其中的電流不管多大，等效電阻RON = 0，電壓UAK = 0。 (2) 動態(tài)特性：開通時間 ton = 0 關(guān)斷時間 tof

4、f = 0 理想開關(guān)的開關(guān)特性： 2022-4-98客觀世界中，沒有理想開關(guān)。乒乓開關(guān)、繼電器、接觸器等的靜態(tài)特性十分接近理想開關(guān)，但動態(tài)特性很差，無法滿足數(shù)字電路一秒鐘開關(guān)幾百萬次乃至數(shù)千萬次的需要。半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管做為開關(guān)使用時，其靜態(tài)特性不如機(jī)械開關(guān)，但動態(tài)特性很好。2022-4-99靜態(tài)特性及開關(guān)等效電路正向?qū)〞rUD(ON)0.7V（硅） 0.3V（鍺）RD幾 幾十相當(dāng)于開關(guān)閉合 圖2-1 二極管的伏安特性曲線二極管靜態(tài)特性是指二極管處于導(dǎo)通和截至兩種穩(wěn)定狀態(tài)下的特性。2022-4-910反向截止時反向飽和電流極小反向電阻很大（約幾百k）相當(dāng)于開關(guān)斷開圖2-1 二極管的

5、伏安特性曲線2022-4-911圖2-2 二極管的開關(guān)等效電路(a) 導(dǎo)通時 (b) 截止時圖2-1 二極管的伏安特性曲線開啟電壓理想化伏安特性曲線2022-4-9122. 動態(tài)特性： 動態(tài)特性是指二極管在導(dǎo)通與截至兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的特性，它表現(xiàn)為完成兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要一定的時間。開通時間：從反向截止變?yōu)檎驅(qū)ㄋ枰臅r間反向恢復(fù)時間tre：二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂顾璧臅r間 一般反向恢復(fù)時間比開通時間大得多。 tre一般為納秒數(shù)量級（通常tre 5ns ）。2022-4-9131. 靜態(tài)特性及開關(guān)等效電路在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在飽和和截止兩種開關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是

6、極短暫的過渡狀態(tài)。圖2-3三極管的三種工作狀態(tài)（a）電路 （b）輸出特性曲線2022-4-914開關(guān)等效電路(1) 截止?fàn)顟B(tài) 條件：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏特點(diǎn)：電流約為0 2022-4-915(2)飽和狀態(tài)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏特點(diǎn)：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅2022-4-916圖2-4三極管開關(guān)等效電路(a) 截止時 (b) 飽和時2022-4-9172. 三極管的開關(guān)時間（動態(tài)特性）圖2-5 三極管的開關(guān)時間 開啟時間ton 上升時間tr延遲時間td關(guān)閉時間toff下降時間tf存儲時間ts2022-4-918(1) 開啟時間ton 三極管從截止到飽和所需的時間。ton

7、= td +tr td ：延遲時間 tr ：上升時間(2) 關(guān)閉時間toff 三極管從飽和到截止所需的時間。toff = ts +tf ts ：存儲時間（幾個參數(shù)中最長的；飽和越深越長）tf ：下降時間toff ton 。開關(guān)時間一般在納秒數(shù)量級。2022-4-919門電路的概念： 實現(xiàn)基本和常用邏輯運(yùn)算的電子電路，叫邏輯門電路。實現(xiàn)與運(yùn)算的叫與門，實現(xiàn)或運(yùn)算的叫或門，實現(xiàn)非運(yùn)算的叫非門，也叫做反相器，等等。分立元件門電路和集成門電路: 分立元件門電路：用分立的元件和導(dǎo)線連接起來構(gòu)成的門電路。簡單、經(jīng)濟(jì)、功耗低，負(fù)載差。 集成門電路：把構(gòu)成門電路的元器件和連線都制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，再封裝起

8、來，便構(gòu)成了集成門電路?，F(xiàn)在使用最多的是CMOS和TTL集成門電路。2022-4-920電路工作原理A、B為輸入信號 （高電平+3V或低電平0V）F 為輸出信號 VCC+3V表2-1電路輸入與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)BF0V0V0V0V3V0V3V0V0V3V3V3V2022-4-921用邏輯1 1表示高電平（此例為+3V+3V）用邏輯0 0表示低電平（此例為0.7V0.7V）ABF0V0V0V0V3V0V3V0V0V3V3V3V3. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平4. 真值表ABF000010100111表2-2 二極管與門的真值表A A、B B全1，F(xiàn) F才為1。可見實現(xiàn)了與邏輯2022-4-922邏輯符

9、號工作波形(又一種表示邏輯功能的方法）邏輯表達(dá)式FA B圖2-6 二極管與門（a）電路 （b）邏輯符號 （c）工作波形2022-4-923電路工作原理電路輸入與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)BF0V0V0V0V3V3V3V0V3V3V3V3VA、B為輸入信號 （+3V或0V）F為輸出信號 2022-4-9244. 真值表ABF0V0V0V0V3V3V3V0V3V3V3V3V可見實現(xiàn)了或邏輯3. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平用邏輯1 1表示高電平（此例為+3V+3V）用邏輯0 0表示低電平（此例為0V0V）ABF000011101111A A、B B有1，F(xiàn) F就1。表2-2 二極管或門的真值表2022-4-925

10、圖2-7 二極管或門（a）電路 （b）邏輯符號 （c）工作波形邏輯符號工作波形邏輯表達(dá)式FA+ B2022-4-926 電位指絕對電壓的大??；電平指一定的電壓范圍。 高電平和低電平：在數(shù)字電路中分別表示兩段電壓范圍。 例：上面二極管與門電路中規(guī)定高電平為3V，低電平0V。 又如，TTL電路中，通常規(guī)定高電平的額定值為3V，但從2V到5V都算高電平；低電平的額定值為0.3V，但從0V到0.8V都算作低電平。關(guān)于高低電平的概念 2022-4-9272. 邏輯狀態(tài)賦值 在數(shù)字電路中，用邏輯0和邏輯1分別表示輸入、輸出高電平和低電平的過程稱為邏輯賦值。 經(jīng)過邏輯賦值之后可以得到邏輯電路的真值表，便于進(jìn)

11、行邏輯分析。2022-4-928圖2-8 非門(a) 電路 （b）邏輯符號電路工作原理A、B為輸入信號 （+3V或0V）F為輸出信號 AF0V+3V3V0V2022-4-9293. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平用邏輯1 1表示高電平（此例為+3V+3V）用邏輯0 0表示低電平（此例為0V0V）4. 真值表AF0V+3V3V0VAF0110表2-4 三極管非門的真值表A與F相反可見實現(xiàn)了非邏輯Y=A2022-4-930正邏輯體系：用1表示高電平，用0表示低電平。負(fù)邏輯體系：用1表示低電平，用0表示高電平。 正負(fù)邏輯的規(guī)定 正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換對于同一個門電路，可以采用正邏輯，也可以采用負(fù)邏輯。 本書若無特殊

12、說明，一律采用正邏輯體制。 同一個門電路，對正、負(fù)邏輯而言，其邏輯功能是不同的。2022-4-931ABF0V0V0V0V3V0V3V0V0V3V3V3V正與門相當(dāng)于負(fù)或門二極管與門電路用正邏輯ABF000010100111正與門用負(fù)邏輯負(fù)或門ABF1111010110002022-4-9323.3.6 TTL3.3.6 TTL集成邏輯門電路集成邏輯門電路輸入級由多發(fā)射極晶體輸入級由多發(fā)射極晶體管管T1和基極電阻和基極電阻R1組成，組成，它實現(xiàn)了輸入變量它實現(xiàn)了輸入變量A、B、C的與運(yùn)算的與運(yùn)算輸出級：由輸出級：由T3、T4、T5和和R4、R5組成組成其中其中T3、T4構(gòu)成復(fù)合管，與構(gòu)成復(fù)合管

13、，與T5組成推組成推拉式輸出結(jié)構(gòu)。具有較強(qiáng)的負(fù)載能力拉式輸出結(jié)構(gòu)。具有較強(qiáng)的負(fù)載能力中間級由中間級由T2、R2和和R3組成，組成，T2的集電極的集電極C2和發(fā)射極和發(fā)射極E2可可以分提供兩個相位相反的電以分提供兩個相位相反的電壓信號壓信號2022-4-9331 TTL1 TTL與非門工作原理與非門工作原理 輸入端至少有一個輸入端至少有一個接低電平接低電平0 .3V3 .6V3 .6V1V3 .6VT T1 1管管:A:A端發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，端發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，V Vb1b1 = V = VA A + V + Vbe1be1 = 1V = 1V，其它發(fā)射結(jié)均因反偏其它發(fā)射結(jié)均因反偏而截止而截止. .OHC2

14、be3be4 VVVV 5-0.7-0.7=3.6VV Vb1b1 =1V, =1V,所以所以T T2 2、T T5 5截止截止, V, VC2C2Vcc=5V, Vcc=5V, T T3 3：飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)。 T T4 4：放大狀態(tài)。放大狀態(tài)。電路輸出高電平為：電路輸出高電平為：5V2022-4-934 輸入端全為高電平輸入端全為高電平3 .6V3 .6V2.1V0 .3VT T1 1:V:Vb1b1= V= Vbc1bc1+V+Vbe2be2+V+Vbe5 be5 = 0.7V= 0.7V3 = 2.1V3 = 2.1V因此輸出為邏輯低電因此輸出為邏輯低電平平V VOLOL = 0.3

15、V = 0.3V3 .6V發(fā)射結(jié)反偏而集電發(fā)射結(jié)反偏而集電極正正偏偏. .處于倒置放大狀態(tài)處于倒置放大狀態(tài)T T2 2：飽和狀態(tài)：飽和狀態(tài)T T3 3：V Vc 2c 2 = V = Vc e s 2c e s 2 + + V Vbe5be51V1V，使，使T T3 3導(dǎo)通，導(dǎo)通，V Ve3e3 = V = Vc2c2-V-Vbe3be3 = 1- = 1-0.70.3V0.70.3V，使，使T T4 4截止截止。T T5 5：飽和狀態(tài)，：飽和狀態(tài)，1 TTL1 TTL與非門工作原理與非門工作原理2022-4-9351 TTL1 TTL與非門工作原理與非門工作原理 輸入端全為高電平，輸入端全為

16、高電平，輸出為低電平輸出為低電平 輸入至少有一個為輸入至少有一個為低電平時，輸出為高低電平時，輸出為高電平電平由由此可見電路的輸此可見電路的輸出和輸入之間滿足出和輸入之間滿足與非邏輯關(guān)系與非邏輯關(guān)系FABCT T1 1：倒置放大狀態(tài)倒置放大狀態(tài)T T2 2：飽和狀態(tài)：飽和狀態(tài)T T3 3：導(dǎo)通狀態(tài)：導(dǎo)通狀態(tài)T T4 4：截止?fàn)顟B(tài)：截止?fàn)顟B(tài)T T5 5：飽和狀態(tài)：飽和狀態(tài)T T2 2：截止?fàn)顟B(tài)：截止?fàn)顟B(tài)T T3 3：微飽和狀態(tài)：微飽和狀態(tài)T T4 4：放大狀態(tài)：放大狀態(tài)T T5 5：截止?fàn)顟B(tài)：截止?fàn)顟B(tài)2022-4-936lTTL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)

17、、扇出系數(shù)、平均傳輸時延和空載功耗等。l(1) 輸出高電平輸出高電平VOH ：輸出高電平VOH是指至少有一個輸入端接低電平時的輸出電平。VOH的典型值是3.6V。產(chǎn)品規(guī)范值為VOH2.4V。 l(2) 輸出低電平輸出低電平VOL：輸出低電平VOL是指輸入全為高電平時的輸出電平。VOL的典型值是0.3V，產(chǎn)品規(guī)范值為VOL0.4V。 2022-4-937l(3) 開門電平開門電平VON ：開門電平VON是指在額定負(fù)載下，使輸出電平達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)低電平VSL的輸入電平，即指確保與非門輸出為低電平時所允許的最小輸入高電平。它表示使與非門開通的最小輸入高電平。 lVON的產(chǎn)品規(guī)范值為VON1.8V。開門電平

18、的大小反映了高電平抗干擾能力，VON 愈小，在輸入高電平時的抗干擾能力愈強(qiáng)。l l(4) 關(guān)門電平關(guān)門電平VOFF ：關(guān)門電平VOFF是指輸出空載時，使輸出電平達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)高電平VSH的輸入電平，即指確保與非門輸出為高電平時所允許的最大輸入低電平。它表示使與非門關(guān)斷所允許的最大輸入低電平。 lVOFF 的產(chǎn)品規(guī)范值VOFF0.8V。關(guān)門電平的大小反映了低電平抗干擾能力，VOFF越大，在輸入低電平時的抗干擾能力越強(qiáng)。2022-4-938l(5) 扇入系數(shù)扇入系數(shù)Ni ：扇入系數(shù)Ni是指與非門允許的輸入端數(shù)目。一 般Ni為25，最多不超過8。當(dāng)應(yīng)用中要求輸入端數(shù)目 超過Ni時，可通過分級實現(xiàn)的方法減少

19、對扇入系數(shù)的要求。l(6) 扇出系數(shù)扇出系數(shù)N0：扇出系數(shù)N0是指與非門輸出端連接同類門的最多個數(shù)。l它反映了與非門的帶負(fù)載能力，一般N08。 扇入和扇出是反映門電路互連性能的指標(biāo)。 l(7) 輸入短路電流輸入短路電流IIS ：輸入短路電流IIs是指當(dāng)與非門的某一個輸入端接地而其余輸入端懸空時，流過接地輸入端的電流。 l在實際電路中，IIS是流入前級與非門的灌電流，它的大小將直接影響前級與非門的工作情況。輸入短路電流的產(chǎn)品規(guī)范值IIS1.6mA。2022-4-939l(8) 高電平輸入電流高電平輸入電流IiH：高電平輸入電流IiH是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

20、流，又稱為輸入漏電流。 一般IiH50A。 l(9) 平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間tpd: 平均傳輸延遲時間tpd 是指一個矩形波信號從與非門輸入端傳到與非門輸出端(反相輸出)所延遲的時間。l 通常將從輸入波上沿中點(diǎn)到輸出波下沿中點(diǎn)的時間延遲稱為導(dǎo)通延遲時間tpdL；從輸入波下沿中點(diǎn)到輸出波上沿中點(diǎn)的時間延遲稱為截止延遲時間tpdH。平均延遲時間定義為 l tpd = ( tpdL+ tpdH )/2 l平均延遲時間是反映與非門開關(guān)速度的一個重要參數(shù)。Tpd 的典型值約10ns ，一般小于40ns。2022-4-940l(10) 空載功耗空載功耗P：空載功耗是當(dāng)與非門空載時電源總電流ICC

21、和電源電壓UCC的乘積。 l輸出為低電平時的功耗稱為空載導(dǎo)通功耗PON，輸出為高電平時的功耗稱為空載截止功耗POFF ，PON大于POFF 。 l平均功耗 P =(PON + POFF)/2 l一般P50mW,如74H系列門電路平均功耗為22mW。2022-4-941l3. TTL與非門集成電路芯片與非門集成電路芯片lTTL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。 l7400的引腳分配圖如圖(a)所示；7420的引腳分配圖如圖(b)所示。 l圖中，UCC為電源引腳，GND為接地腳，NC為空腳。2022-4-942 TTL門電路中的門電路中的非門、或非門

22、、與非門、或非門、與或非門、或非門、 異或門、同或門等，異或門、同或門等，4.4.其它類型的其它類型的TTLTTL門電路門電路2022-4-943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。輸出端不能并聯(lián)使用。若兩個門的輸出一高一低，當(dāng)兩個門的輸出端并聯(lián)以后，必然有很大的電流同時流過這兩個門的輸出級，而且電流的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常的工作電流，可能使門電路損壞。而且，輸出端也呈現(xiàn)不高不低的電平，不能實現(xiàn)應(yīng)有的邏輯功能。 集電極開路門（簡稱OC門）就是為克服以上局限性而設(shè)計的一種TTL門電路。2022-4-944圖2-18推拉式輸出級并聯(lián)的情況01很大的電流不高不低的電平：1/0?2022

23、-4-945 (1)(1)電路結(jié)構(gòu)：輸出級是集電極開路的。電路結(jié)構(gòu)：輸出級是集電極開路的。 1 1集電極開路門的電路結(jié)構(gòu)集電極開路門的電路結(jié)構(gòu) (2)(2)邏輯符號：用邏輯符號：用“”表示集電極開路。表示集電極開路。圖2-19 集電極開路的TTL與非門（a）電路 （b）邏輯符號集電極開路2022-4-946(3)工作原理：當(dāng)VT3飽和，輸出低電平UOL0.3V；當(dāng)VT3截止，由外接電源E通過外接上拉電阻提供高電平UOHE。因此， OC門電路必須外接電源和負(fù)載電阻，才能提供高電平輸出信號。2022-4-947(1) OC門的輸出端并聯(lián)，實現(xiàn)門的輸出端并聯(lián)，實現(xiàn)線與線與功能。功能。 RL為外接負(fù)載

24、電阻。為外接負(fù)載電阻。圖2-20 OC門的輸出端并聯(lián)實現(xiàn)線與功能 Y1Y2Y000010100111CDABCDABYYY212022-4-948圖2-21用OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的電路 （2）用OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換2022-4-949三態(tài)門電路的輸出有三種可能出現(xiàn)的狀態(tài)：高電平、低電平、高阻。何為高阻狀態(tài)？懸空、懸浮狀態(tài)，又稱為禁止?fàn)顟B(tài)。測電阻為，故稱為高阻狀態(tài)。測電壓為0V，但不是接地。因為懸空，所以測其電流為0A。2022-4-950(1)電路結(jié)構(gòu)：增加了控制輸入端（Enable）。 1 1三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)(2)工作原理：01截止YAB EN = 0時，時，電路為正常的與非工作

25、狀態(tài)，所以稱控制端低電平有效。2022-4-95110導(dǎo)通1.0V1.0V截止截止懸空當(dāng)EN = 1時，門電路輸出端處于懸空的高阻狀態(tài)。2022-4-952控制端高電平有效的三態(tài)門(2)邏輯符號控制端低電平有效的三態(tài)門用“”表示輸出為三態(tài)。高電平有效低電平有效2022-4-9532三態(tài)門的主要應(yīng)用實現(xiàn)總線傳輸要求各門的控制端EN輪流為高電平，且在任何時刻只有一個門的控制端為高電平。圖2-23 用三態(tài)門實現(xiàn)總線傳輸 如有8個門，則8個EN端的波形應(yīng)依次為高電平，如下頁所示。2022-4-9542022-4-9552022-4-956MOS門電路：以MOS管作為開關(guān)元件構(gòu)成的門電路。 MOS門電路

26、，尤其是CMOS門電路具有制造工藝簡單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，得到了十分迅速的發(fā)展。2022-4-9571MOS管的開關(guān)特性 MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。 當(dāng)NMOS管和PMOS管成對出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為CMOS管(意為互補(bǔ))。MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。 在數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。2022-4-958圖2-24 NMOS管的電路符號及轉(zhuǎn)移特性 (a) 電路符號 （b）轉(zhuǎn)移特性D接正電源截止導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小 （1）NMOS管的開關(guān)特性 2022-4-959圖2-25 PMOS管的電路符號及轉(zhuǎn)移特性 (a) 電路符號 （b）轉(zhuǎn)移特性D接負(fù)電源 （2）PMOS管的開關(guān)特性 導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小截止2022-4-960圖2-26 CMOS反相器 PMOS管負(fù)載管NMOS管