[工學(xué)]數(shù)字電路第三章ppt課件

1、3 邏輯門電路邏輯門電路3.1 MOS邏輯門電路邏輯門電路3.2 TTL邏輯門電路邏輯門電路*3.3 射極耦合邏輯門電路射極耦合邏輯門電路*3.4 砷化鎵邏輯門電路砷化鎵邏輯門電路3.5 邏輯描畫中的幾個(gè)問題邏輯描畫中的幾個(gè)問題3.6 邏輯門電路運(yùn)用中的幾個(gè)實(shí)踐問題邏輯門電路運(yùn)用中的幾個(gè)實(shí)踐問題* 3.7 用用VerilogHDL描畫邏輯門電路描畫邏輯門電路教學(xué)根本要求：教學(xué)根本要求：1 1、了解半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性。、了解半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性。2 2、熟練掌握根本邏輯門與、或、與非、或非、異或、熟練掌握根本邏輯門與、或、與非、或非、異或門、三態(tài)門、門、三態(tài)門、ODOD門門OCOC門和傳輸門的

2、邏輯功能。門和傳輸門的邏輯功能。3 3、學(xué)會(huì)門電路邏輯功能分析方法。、學(xué)會(huì)門電路邏輯功能分析方法。4 4、掌握邏輯門的主要參數(shù)及在運(yùn)用中的接口問題。、掌握邏輯門的主要參數(shù)及在運(yùn)用中的接口問題。3. 邏輯門電路邏輯門電路3.1 MOS邏輯門邏輯門3.1.1 數(shù)字集成電路簡介數(shù)字集成電路簡介3.1.2 邏輯門的普通特性邏輯門的普通特性3.1.3 MOS開關(guān)及其等效電路開關(guān)及其等效電路3.1.4 CMOS反相器反相器3.1.5 CMOS邏輯門電路邏輯門電路3.1.6 CMOS漏極開路門和三態(tài)輸出門電路漏極開路門和三態(tài)輸出門電路3.1.7 CMOS傳輸門傳輸門3.1.8 CMOS邏輯門電路的技術(shù)參數(shù)邏

3、輯門電路的技術(shù)參數(shù)1 、邏輯門、邏輯門:實(shí)現(xiàn)根本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路。實(shí)現(xiàn)根本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路。2、 邏輯門電路的分類邏輯門電路的分類二極管門電路二極管門電路三極管門電路三極管門電路TTL門電路門電路MOS門電路門電路PMOS門門CMOS門門邏輯門電路邏輯門電路分立門電路分立門電路集成門電路集成門電路NMOS門門3.1.1 數(shù)字集成電路簡介數(shù)字集成電路簡介1OS集成電路集成電路:廣泛運(yùn)用于超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路廣泛運(yùn)用于超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路 4000 4000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢與與TTLTTL不兼容不兼容抗干擾

4、抗干擾功耗低功耗低74LVC 74AUC速度加快速度加快與與TTLTTL兼容兼容負(fù)載才干強(qiáng)負(fù)載才干強(qiáng)抗干擾抗干擾功耗低功耗低速度兩倍于速度兩倍于74HC與與TTL兼容兼容負(fù)載才干強(qiáng)負(fù)載才干強(qiáng)抗干擾抗干擾功耗低功耗低低低( (超低超低) )電壓電壓速度更加快速度更加快與與TTLTTL兼容兼容負(fù)載才干強(qiáng)負(fù)載才干強(qiáng)抗干擾功耗低抗干擾功耗低 74 74系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2.TTL 集成電路集成電路:廣泛運(yùn)用于中大規(guī)模集成電路廣泛運(yùn)用于中大規(guī)模集成電路3.1.1 數(shù)字集成電路簡介數(shù)字集成電路簡介3.1.2 邏輯門電路的普通特性邏輯門電路的普通特性1. 1. 輸入和輸出的

5、高、低電平輸入和輸出的高、低電平 vO vI 驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)門G1 負(fù)載門負(fù)載門G2 1 1 輸出高電平的下限值輸出高電平的下限值 VOH(min) VOH(min)輸入低電平的上限值輸入低電平的上限值 VIL(max)VIL(max)輸入高電平的下限值輸入高電平的下限值 VIL(min)VIL(min)輸出低電平的上限值輸出低電平的上限值 VOH(max) VOH(max)輸出輸出高電平高電平+VDD VOH(min)VOL(max) 0 G1門門vO范圍范圍 vO 輸出輸出低電平低電平 輸入輸入高電平高電平VIH(min) VIL(max) +VDD 0 G2門門vI范圍范圍 輸入輸入低電平低

6、電平 vI VNH 當(dāng)前級門輸出高電平的最小當(dāng)前級門輸出高電平的最小值時(shí)允許負(fù)向噪聲電壓的最大值。值時(shí)允許負(fù)向噪聲電壓的最大值。負(fù)載門輸入高電平常的噪聲容限：負(fù)載門輸入高電平常的噪聲容限：VNL 當(dāng)前級門輸出低電平的最大當(dāng)前級門輸出低電平的最大值時(shí)允許正向噪聲電壓的最大值值時(shí)允許正向噪聲電壓的最大值負(fù)載門輸入低電平常的噪聲容限：負(fù)載門輸入低電平常的噪聲容限：2. 噪聲容限噪聲容限VNH =VOH(min)VIH(min) VNL =VIL(max)VOL(max)在保證輸出電平不變的條件下，輸入電平允許動(dòng)搖的范圍。它表在保證輸出電平不變的條件下，輸入電平允許動(dòng)搖的范圍。它表示門電路的抗干擾才干

7、示門電路的抗干擾才干 1 驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)門門 vo 1 負(fù)載門負(fù)載門 vI 噪聲噪聲 類型類型參數(shù)參數(shù)74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或或tPHL(ns)782.10.93.傳輸延遲時(shí)間傳輸延遲時(shí)間傳輸延遲時(shí)間是表征門電路開關(guān)速度傳輸延遲時(shí)間是表征門電路開關(guān)速度的參數(shù)，它闡明門電路在輸入脈沖波的參數(shù)，它闡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形的作用下，其輸出波形相對于輸入波形延遲了多長的時(shí)間。波形延遲了多長的時(shí)間。CMOS電路傳輸延遲時(shí)間電路傳輸延遲時(shí)間 tPHL 輸出輸出 50% 90% 50% 10% tPLH

8、 tf tr 輸入輸入 50% 50% 10% 90% 4. 4. 功耗功耗靜態(tài)功耗：指的是當(dāng)電路沒有形狀轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗，即門電路空載時(shí)靜態(tài)功耗：指的是當(dāng)電路沒有形狀轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗，即門電路空載時(shí)電源總電流電源總電流IDID與電源電壓與電源電壓VDDVDD的乘積。的乘積。5. 5. 延時(shí)延時(shí)功耗積功耗積是速度功耗綜合性的目的是速度功耗綜合性的目的. .延時(shí)延時(shí)功耗積，用符號功耗積，用符號DPDP表示表示扇入數(shù)：取決于邏輯門的輸入端的個(gè)數(shù)。扇入數(shù)：取決于邏輯門的輸入端的個(gè)數(shù)。6. 6. 扇入與扇出數(shù)扇入與扇出數(shù)動(dòng)態(tài)功耗：指的是電路在輸出形狀轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗，動(dòng)態(tài)功耗：指的是電路在輸出形狀轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗，對

9、于對于TTLTTL門電路來說，靜態(tài)功耗是主要的。門電路來說，靜態(tài)功耗是主要的。CMOSCMOS電路的靜態(tài)功耗非常低，電路的靜態(tài)功耗非常低，CMOSCMOS門電路有動(dòng)態(tài)功耗門電路有動(dòng)態(tài)功耗扇出數(shù)：是指其在正常任務(wù)情況下，所能帶同類門電路的最大數(shù)目。扇出數(shù)：是指其在正常任務(wù)情況下，所能帶同類門電路的最大數(shù)目。a)a)帶拉電流負(fù)載帶拉電流負(fù)載當(dāng)負(fù)載門的個(gè)數(shù)添加時(shí)，總的拉電流將添加，會(huì)引起輸出高電壓當(dāng)負(fù)載門的個(gè)數(shù)添加時(shí)，總的拉電流將添加，會(huì)引起輸出高電壓的降低。但不得低于輸出高電平的下限值，這就限制了負(fù)載門的的降低。但不得低于輸出高電平的下限值，這就限制了負(fù)載門的個(gè)數(shù)。個(gè)數(shù)。)(I)(IN負(fù)載門負(fù)載門

10、驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)門IHOHOH 高電平扇出數(shù)高電平扇出數(shù): :IOH :驅(qū)動(dòng)門的輸出端為高電平電流驅(qū)動(dòng)門的輸出端為高電平電流IIH :負(fù)載門的輸入電流為。負(fù)載門的輸入電流為。(b)帶灌電流負(fù)載帶灌電流負(fù)載)(I)(IN負(fù)載門負(fù)載門驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)門ILOLOL 當(dāng)負(fù)載門的個(gè)數(shù)添加時(shí)，總的灌電流當(dāng)負(fù)載門的個(gè)數(shù)添加時(shí)，總的灌電流IOL將添加，同時(shí)也將引將添加，同時(shí)也將引起輸出低電壓起輸出低電壓VOL的升高。當(dāng)輸出為低電平，并且保證不超越的升高。當(dāng)輸出為低電平，并且保證不超越輸出低電平的上限值。輸出低電平的上限值。IOL ：驅(qū)動(dòng)門的輸出端為低電平電流：驅(qū)動(dòng)門的輸出端為低電平電流IIL ：負(fù)載門輸入端電流之和：負(fù)

11、載門輸入端電流之和電路類型電路類型電源電電源電壓壓/V傳輸延傳輸延遲時(shí)間遲時(shí)間/ns靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗/mW功耗延遲積功耗延遲積/mW-ns直流噪聲容限直流噪聲容限輸出邏輸出邏輯擺幅輯擺幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036

12、.59.015高速高速CMOS5811038 1031.01.55各類數(shù)字集成電路主要性能參數(shù)的比較各類數(shù)字集成電路主要性能參數(shù)的比較3.1.3 MOS開關(guān)及其等效電路開關(guān)及其等效電路：MOS管任務(wù)在可變電阻區(qū)，輸出低電平管任務(wù)在可變電阻區(qū)，輸出低電平: MOS: MOS管截止，管截止， 輸出高電平輸出高電平當(dāng)當(dāng)I VTI VTI VTd vO Rd VDD vI s g iD/mA O vDS / V VGS1 VGS2 VGS3 VGS4 VDSVGS VT 飽和區(qū) VDSVGS VT 可變電阻區(qū) VDS=VGS VT VGSVT 截止區(qū) MOS管相當(dāng)于一個(gè)由管相當(dāng)于一個(gè)由vGS控制的控制

13、的無觸點(diǎn)開關(guān)。無觸點(diǎn)開關(guān)。MOS管任務(wù)在可變電阻區(qū)，管任務(wù)在可變電阻區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)相當(dāng)于開關(guān)“閉合，閉合，輸出為低電平。輸出為低電平。MOS管截止，管截止，相當(dāng)于開關(guān)相當(dāng)于開關(guān)“斷開斷開輸出為高電平。輸出為高電平。當(dāng)輸入為低電平常：當(dāng)輸入為低電平常：當(dāng)輸入為高電平常：當(dāng)輸入為高電平常：3.1.4 CMOS 反相器反相器1.1.任務(wù)原理任務(wù)原理AL1+VDD+5VD1S1vivOTNTPD2S20V+5VvivGSN vGSP TNTPvO0 V 0V 5V截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通 5V5 V5V 0V導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止0 VVTN = 2 V VTP = - 2 V邏輯圖邏輯圖AL 邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式

14、vi (A)0vO(L)1邏輯真值表邏輯真值表10)VVVTPTNDD( P溝道溝道MOS管輸出特性曲線坐標(biāo)變換管輸出特性曲線坐標(biāo)變換輸入高電平常的任務(wù)情況輸入高電平常的任務(wù)情況輸入低電平常的任務(wù)情況輸入低電平常的任務(wù)情況作圖分析：作圖分析：2. 電壓傳輸特性和電流傳輸特性電壓傳輸特性和電流傳輸特性)v(fvIO 電壓傳輸特性電壓傳輸特性3OS反相器的任務(wù)速度反相器的任務(wù)速度在由于電路具有互補(bǔ)對稱的性質(zhì)，它的開通時(shí)間與封在由于電路具有互補(bǔ)對稱的性質(zhì)，它的開通時(shí)間與封鎖時(shí)間是相等的。平均延遲時(shí)間：鎖時(shí)間是相等的。平均延遲時(shí)間：10 ns10 ns。 帶電容負(fù)載帶電容負(fù)載A BTN1 TP1 TN

15、2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止截止截止 截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通1110與非門與非門1OS 與非門與非門vA+VDD+5VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)(a)電路構(gòu)造電路構(gòu)造(b)(b)任務(wù)原理任務(wù)原理VTN = 2 V VTP = - 2 V0V5VN輸入的與非門的電路輸入的與非門的電路?輸入端添加有什么問題輸入端添加有什么問題?3.1.5 CMOS 邏輯門邏輯門或非門或非門BAL 2OS 2OS 或非門或非門+VDD+5VTP1TN1TN2TP2ABLA

16、B TN1 TP1 TN2 TP2 L0 00 11 01 1截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通1000AB10V5VVTN = 2 V VTP = - 2 VN輸入的或非門的電路的構(gòu)造輸入的或非門的電路的構(gòu)造?輸入端添加有什么問題輸入端添加有什么問題?3. 異或門電路異或門電路BA BABAXBAL BABA BA =A B4.4.輸入維護(hù)電路和緩沖電路輸入維護(hù)電路和緩沖電路 基基本本邏邏輯輯功功能能電電路路 基基本本邏邏輯輯功功能能電電路路 輸輸入入保保護(hù)護(hù)緩緩沖沖電電路路 輸輸出出緩緩沖沖電電

17、路路 VDD vi vo 采用緩沖電路能一致參數(shù)，使不同內(nèi)部邏輯集成邏輯門電路采用緩沖電路能一致參數(shù)，使不同內(nèi)部邏輯集成邏輯門電路具有一樣的輸入和輸出特性。具有一樣的輸入和輸出特性。1 1輸入端維護(hù)電路輸入端維護(hù)電路: :(1) 0 vA VDD + vDF 二極管導(dǎo)通電壓：二極管導(dǎo)通電壓：vDF(3) vA - vDF 當(dāng)輸入電壓不在正常電壓范圍時(shí)當(dāng)輸入電壓不在正常電壓范圍時(shí), ,二極管導(dǎo)通，限制了電容兩端二極管導(dǎo)通，限制了電容兩端電壓的添加電壓的添加, ,維護(hù)了輸入電路。維護(hù)了輸入電路。D1、D2截止截止D1導(dǎo)通導(dǎo)通, D2截止截止vG = VDD + vDFD2導(dǎo)通導(dǎo)通, D1截止截止v

18、G = - vDFRS和和MOS管的柵極電容組成積分網(wǎng)絡(luò)，使輸入信號的過沖電壓管的柵極電容組成積分網(wǎng)絡(luò)，使輸入信號的過沖電壓延遲且衰減后到柵極。延遲且衰減后到柵極。 D2 -分布式二極管分布式二極管(iD大大) VDD vI CN TP Rs D2 D1 TN CP vO BABAL 2CMOS邏輯門的緩沖電路邏輯門的緩沖電路輸入、輸出端加了反相器作為緩沖電路，所以電路的邏輯功能也發(fā)生了變化。添加了緩沖器后的邏輯功能為與非功能1OS1OS漏極開路門漏極開路門1.CMOS漏極開路門的提出輸出短接，在一定情況下會(huì)產(chǎn)輸出短接，在一定情況下會(huì)產(chǎn)生低阻通路，大電流有能夠?qū)妥柰?，大電流有能夠?qū)е缕骷?/p>

19、的損毀，并且無法確定致器件的損毀，并且無法確定輸出是高電平還是低電平。輸出是高電平還是低電平。 3.1.6 CMOS漏極開路漏極開路OD門和三態(tài)輸出門電路門和三態(tài)輸出門電路 +VDDTN1TN2AB+VDDAB01C D RP VDD L A B & & 2漏極開路門的構(gòu)造與邏輯符號漏極開路門的構(gòu)造與邏輯符號(c) (c) 可以實(shí)現(xiàn)線與功能可以實(shí)現(xiàn)線與功能; ;CDAB CDAB +VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABLA B L 電路電路A B L & 邏輯符號邏輯符號(b)(b)與非邏輯不變與非邏輯不變RP VDD L A B 漏極開路門輸出銜接漏極開路門輸出銜

20、接21PPL RP VDD L A B C D (a)(a)任務(wù)時(shí)必需外接電源和電阻任務(wù)時(shí)必需外接電源和電阻; ;(2) (2) 上拉電阻對上拉電阻對ODOD門動(dòng)態(tài)性能的影響門動(dòng)態(tài)性能的影響RP VDD L A B C D Rp的值愈小，負(fù)載電容的充電時(shí)間的值愈小，負(fù)載電容的充電時(shí)間常數(shù)亦愈小，因此開關(guān)速度愈快。常數(shù)亦愈小，因此開關(guān)速度愈快。但功耗大但功耗大,且能夠使輸出電流超越允且能夠使輸出電流超越允許的最大值許的最大值IOL(max 。電路帶電容負(fù)載電路帶電容負(fù)載1 10 0CLRp的值大，可保證輸出電流不能超的值大，可保證輸出電流不能超越允許的最大值越允許的最大值IOL(max、功耗、功

21、耗小。但負(fù)載電容的充電時(shí)間常數(shù)亦小。但負(fù)載電容的充電時(shí)間常數(shù)亦愈大，開關(guān)速度因此愈慢。愈大，開關(guān)速度因此愈慢。最不利的情況：最不利的情況：只需一個(gè)只需一個(gè) OD門導(dǎo)通，門導(dǎo)通，110為保證低電平輸出為保證低電平輸出OD門的輸門的輸出電流不能超越允許的最大值出電流不能超越允許的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max ，RP不能不能太小。太小。當(dāng)當(dāng)VO=VOLIL(total)OLOLDDpIIVVR(max)(max)(min) IL(total)pOLDDOLIRVVI(min)(max)(max) +V DDIILRP&n&m&kIILtotal)IOLma

22、x)當(dāng)當(dāng)VO=VOH+V DDRP&n&m&111IIHtotal)I0Htotal)為使得高電平不低于規(guī)定的為使得高電平不低于規(guī)定的VIHVIH的最小值，那么的最小值，那么RpRp的選擇不能過的選擇不能過大。大。RpRp的最大值的最大值Rp(max) Rp(max) ：IH(total)OH(total)IHDDpIIVVR(min)(max) 2.三態(tài)三態(tài)(TSL)輸出門電路輸出門電路1TP TN VDD L A EN & 1 1 EN A L 1 0011截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通111高阻高阻 0 輸出輸出L輸入輸入A使能使能EN0011 10 00截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通010截止截止截止截止X1邏輯功能：高電平有效的同相邏輯門邏輯功能：高電平有效的同相邏輯門0 13.1.7 CMOS傳輸門傳輸門(雙向模擬開關(guān)雙向模擬開關(guān)) 1. CMOS1. CMOS傳輸門電路傳輸門電路TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 電路電路vI /vO vO /vI C C T G 邏輯符號邏輯符號I / Oo/ IC等效電路等效電路2、CMOS傳輸門電路的任務(wù)原理傳輸門電路的任務(wù)原理 設(shè)