數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)第3章蘭京川

1、1 1第第3 3章章 數(shù)字電路數(shù)字電路介紹數(shù)字電路中的電氣知識(shí)介紹數(shù)字電路中的電氣知識(shí)數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用2 23.1 3.1 邏輯信號(hào)和門電路邏輯信號(hào)和門電路如何獲得高、低電平？如何獲得高、低電平？高電平對(duì)應(yīng)高電平對(duì)應(yīng) 0 還是還是 1？VOUTVINVccR獲得高、低電平的基本原理獲得高、低電平的基本原理正邏輯正邏輯positivepositive10負(fù)邏輯負(fù)邏輯negativenegative103 33.1 3.1 邏輯信號(hào)和門電路邏輯信號(hào)和門電路從物理的角度從物理的角度考慮電路如何工作，工作中的電氣特性考慮電路如何工作，工作中的電氣特性實(shí)際物理器件不可避免的時(shí)間延遲問

2、題實(shí)際物理器件不可避免的時(shí)間延遲問題從邏輯角度從邏輯角度輸入、輸出的邏輯關(guān)系輸入、輸出的邏輯關(guān)系三種基本邏輯：與、或、非三種基本邏輯：與、或、非4 4基本邏輯運(yùn)算：與（基本邏輯運(yùn)算：與（ANDAND）0 0 00 1 01 0 01 1 1ABZ邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式Z = A B開關(guān)：開關(guān)：1通、通、0斷斷燈：燈：1亮、亮、0不亮不亮當(dāng)且僅當(dāng)所有輸入當(dāng)且僅當(dāng)所有輸入全為全為1 1時(shí)，輸出為時(shí)，輸出為1 1真值表真值表&ABZABZ邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)A B Z5 5基本邏輯運(yùn)算：或（基本邏輯運(yùn)算：或（OROR）邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式：Z = A + BA B Z真值表真值表ABZ只要有任何一個(gè)輸只要

3、有任何一個(gè)輸入為入為1 1，輸出就為，輸出就為1 11ABZABZ邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)0 0 00 1 11 0 11 1 16 6基本邏輯運(yùn)算：非（基本邏輯運(yùn)算：非（NOTNOT）A Z0 11 0真值表真值表邏輯表達(dá)式：邏輯表達(dá)式：Y = A = A AZR產(chǎn)生一個(gè)與輸產(chǎn)生一個(gè)與輸入相反的輸出入相反的輸出通常稱為反相器（通常稱為反相器（inverter）1ZAAZ邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)7 7與非與非 和和 或非或非與非與非 邏輯表達(dá)式：邏輯表達(dá)式： Z = ( A B ) 邏輯符號(hào)：邏輯符號(hào)：或非或非 邏輯表達(dá)式：邏輯表達(dá)式： Z = ( A + B ) 邏輯符號(hào)：邏輯符號(hào)：&18 8邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)

4、算 與非與非 或非或非 邏輯符號(hào)邏輯符號(hào) 邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式 Y=(AB) Y=(A+B) A B 0 0 0 1 1 0 1 1 Y 1 1 1 0 Y 1 0 0 0 真真值值表表&19 93.2 3.2 邏輯系列邏輯系列（Logic FamilyLogic Family）同一系列的芯片具有類似的輸入、輸出同一系列的芯片具有類似的輸入、輸出及內(nèi)部電路特征，但邏輯功能不同。及內(nèi)部電路特征，但邏輯功能不同。不同系列的芯片可能不匹配不同系列的芯片可能不匹配 TTL邏輯系列邏輯系列 CMOS系列系列 10103.2 CMOS3.2 CMOS邏輯邏輯 CMOS邏輯電平邏輯電平邏輯邏輯1（高態(tài)）（高

5、態(tài)）邏輯邏輯0（低態(tài)）（低態(tài)）5.0V3.5V1.5V0.0V未定義未定義典型的典型的5V電源電壓電源電壓其它電源電壓：其它電源電壓：3.3V 或或 2.7V11 112 2、MOSMOS晶體管晶體管分為：分為：N溝道溝道 和和 P溝道溝道通常：通常：Vgs = 0 Vgs = 0 Rds很高（很高（106 ） 截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài) Vgs Rds 導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)漏極漏極 drain源極源極 source柵極柵極 gateVgs+N溝道溝道源極源極 source漏極漏極 drain柵極柵極 gate+VgsP溝道溝道1212MOSMOS晶體管晶體管分為：分為：N溝道溝道 和和 P溝道溝道源極源極

6、 source漏極漏極 drain柵極柵極 gate+VgsP溝道溝道通常：通常：Vgs 兆歐）兆歐）無論柵電壓如何無論柵電壓如何 柵漏、柵源之間幾乎沒有電流柵漏、柵源之間幾乎沒有電流 （漏電流（漏電流 leakage current , A）柵極與源和漏極之間有電容耦合柵極與源和漏極之間有電容耦合 信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，電容充放電，功耗較大信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，電容充放電，功耗較大1414MOSMOS管的基本開關(guān)電路管的基本開關(guān)電路vI+vO+iD+ VDDRDDGS只要電路參數(shù)選擇合理只要電路參數(shù)選擇合理輸入低，截止，輸出高輸入低，截止，輸出高輸入高，導(dǎo)通，輸出低輸入高，導(dǎo)通，輸出低15153 3、基本的、基

7、本的CMOSCMOS反相器反相器工作原理工作原理1、VIN = 0.0VVGSN = 0.0V，Tn截止截止VGSP = VIN VDD = 5.0V，Tp導(dǎo)通導(dǎo)通VOUT VDD = 5.0V2、VIN = VDD = 5.0VVGSN = 5.0V，Tn導(dǎo)通導(dǎo)通VGSP = VIN VDD = 0.0V ，Tp截止截止VOUT 0VDD = +5.0VVOUTVINTpTnGDSS16164 4、CMOSCMOS與非門與非門 工作原理：工作原理：1、A、B只要有一個(gè)為低只要有一個(gè)為低 T1、T3至少有一個(gè)截止，至少有一個(gè)截止， T2、T4至少有一個(gè)導(dǎo)通；至少有一個(gè)導(dǎo)通；Z為高（為高（ VD

8、D）2、A、B都為高都為高 T1、T3都導(dǎo)通，都導(dǎo)通， T2，T4都截止，都截止， Z為低（為低（ 0V）VDD = +5.0VZABT1T2T4T317174 4、CMOSCMOS或非門或非門工作原理：工作原理： 1、A、B都為低都為低 T1、T3都截止，都截止， T2，T4都導(dǎo)通，都導(dǎo)通， Z為高（為高（ VDD） 2、A、B至少有一個(gè)為高至少有一個(gè)為高 T1、T3至少有一個(gè)導(dǎo)通，至少有一個(gè)導(dǎo)通， T2、T4至少有一個(gè)截止；至少有一個(gè)截止； Z為低（為低（ 0V）VDD = +5.0VZABT1T2T4T318185 5、扇入（、扇入（fanfaninin）門電路所具有的輸入端的數(shù)目門電路

9、所具有的輸入端的數(shù)目導(dǎo)通電阻的可加性限制了導(dǎo)通電阻的可加性限制了CMOS門的扇入數(shù)門的扇入數(shù)可用較少輸入門級(jí)聯(lián)得到較多的輸入可用較少輸入門級(jí)聯(lián)得到較多的輸入19196 6、非反相門、非反相門VDD = +5.0VAZ非反相緩沖器非反相緩沖器2020VDD = +5.0VABZCD7 7、CMOSCMOS與或非門與或非門21213.4 CMOS3.4 CMOS電路的電氣特性電路的電氣特性邏輯電壓電平邏輯電壓電平直流噪聲容限直流噪聲容限扇出扇出速度速度功耗功耗噪聲噪聲靜電放電靜電放電漏極開路輸出、三態(tài)輸出漏極開路輸出、三態(tài)輸出物理上的物理上的而不是邏輯上的而不是邏輯上的22223.5 CMOS3.

10、5 CMOS穩(wěn)態(tài)電氣特性穩(wěn)態(tài)電氣特性邏輯電平和噪聲容限邏輯電平和噪聲容限VDD = +5.0VVOUTVINTpTnVOUTVIN5.01.53.55.0電壓傳輸特性電壓傳輸特性2323邏輯電平規(guī)格邏輯電平規(guī)格高態(tài)高態(tài)不正常狀態(tài)不正常狀態(tài)低態(tài)低態(tài)VOLmaxVILmaxVIHminVOHminVCC0.1V地地0.1V0.7VCC0.3VCC2424直流噪聲容限直流噪聲容限（DC noise marginDC noise margin）多大的噪聲會(huì)使最壞輸出電壓被破壞得不可識(shí)別多大的噪聲會(huì)使最壞輸出電壓被破壞得不可識(shí)別高態(tài)高態(tài)不正常狀態(tài)不正常狀態(tài)低態(tài)低態(tài)VOLmaxVILmaxVIHminVO

11、Hmin30%VCC0.1V2525帶電阻性負(fù)載的電路特性帶電阻性負(fù)載的電路特性要求有一定的驅(qū)動(dòng)電流才能工作要求有一定的驅(qū)動(dòng)電流才能工作VCCAZVCCRThevRpRnVThev +VOUTVIN2626VCC = + 5.0VRp1M Rn電阻性電阻性負(fù)載負(fù)載VOLmaxIOLmax輸出為低態(tài)時(shí)輸出為低態(tài)時(shí) VOUT 1M 電阻性電阻性負(fù)載負(fù)載VOHminIOHmax輸出為高態(tài)時(shí)輸出為高態(tài)時(shí) VOUT = VOHmin輸出端提供電流輸出端提供電流 sourcing current能提供的最大電流能提供的最大電流 IOHmax （拉電流）（拉電流）2828非理想輸入時(shí)的電路特性非理想輸入時(shí)的

12、電路特性VCC = + 5.0V400 2.5k VIN 1.5VVOUT 4.31VVCC = + 5.0V4k 200 VIN 3.5VVOUT 0.24V輸出電壓變壞（有電阻性負(fù)載時(shí)更差）輸出電壓變壞（有電阻性負(fù)載時(shí)更差）更糟糕的是：輸出端電流更糟糕的是：輸出端電流 ，功耗，功耗 2929扇出（扇出（fan-outfan-out）在不超出其最壞輸出電平的條件下，在不超出其最壞輸出電平的條件下， 一個(gè)邏輯門能驅(qū)動(dòng)的輸入端個(gè)數(shù)。一個(gè)邏輯門能驅(qū)動(dòng)的輸入端個(gè)數(shù)。扇出需考慮輸出高電平和低電平兩種狀態(tài)扇出需考慮輸出高電平和低電平兩種狀態(tài) 總扇出總扇出minmin（高態(tài)扇出，低態(tài)扇出）高態(tài)扇出，低態(tài)扇

13、出）直流扇出直流扇出 和和 交流扇出交流扇出3030負(fù)載效應(yīng)負(fù)載效應(yīng) 當(dāng)輸出負(fù)載大于它的扇出能力時(shí)（當(dāng)輸出負(fù)載大于它的扇出能力時(shí)（P77）輸出電壓變差（不符合邏輯電平的規(guī)格）輸出電壓變差（不符合邏輯電平的規(guī)格）傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間變長傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間變長溫度可能升高，可靠性降低，器件失效溫度可能升高，可靠性降低，器件失效3131不用的不用的CMOSCMOS輸入端輸入端不用的不用的CMOS輸入端絕不能懸空輸入端絕不能懸空XZ1k +5VXZXZ增加了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電增加了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電容負(fù)載，使操作變慢容負(fù)載，使操作變慢3232電流尖峰和去耦電容器電流尖峰和去耦電容器電流傳輸特性電流傳輸特性iDvI1

14、2VDDVDD = +5.0VVOUTVINTpTncurrent spikea & decoupling capacitorscurrent spikea & decoupling capacitors33333.6 CMOS3.6 CMOS動(dòng)態(tài)電氣特性動(dòng)態(tài)電氣特性考慮兩個(gè)方面：速度、功耗考慮兩個(gè)方面：速度、功耗轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間傳播延遲傳播延遲3434轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間考慮兩個(gè)因素：考慮兩個(gè)因素：晶體管的晶體管的“導(dǎo)通導(dǎo)通”電阻電阻寄生電容（寄生電容（stray capacitance）VCC = + 5.0VRLRpRnVL+CL電容兩端電壓不能突變電容兩端電壓不能突變?cè)趯?shí)際電路中在實(shí)際電路

15、中可用時(shí)間常數(shù)可用時(shí)間常數(shù)近似轉(zhuǎn)換時(shí)間近似轉(zhuǎn)換時(shí)間P79 圖圖3-36上升時(shí)間上升時(shí)間t tr r下降時(shí)間下降時(shí)間t tf f 3535傳播延遲傳播延遲P83 圖圖3-42VINVOUTpLHtpHLt信號(hào)通路：信號(hào)通路：一個(gè)特定輸入信號(hào)到邏輯元件的一個(gè)特定輸入信號(hào)到邏輯元件的 特定輸出信號(hào)所經(jīng)歷的電氣通路。特定輸出信號(hào)所經(jīng)歷的電氣通路。3636功率損耗功率損耗動(dòng)態(tài)功耗的來源：動(dòng)態(tài)功耗的來源：兩個(gè)管子瞬間同時(shí)導(dǎo)通兩個(gè)管子瞬間同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生的功耗產(chǎn)生的功耗 PT對(duì)負(fù)載電容充、放電所對(duì)負(fù)載電容充、放電所產(chǎn)生的功耗產(chǎn)生的功耗 PLVDD = +5.0VVOUTVINTpTn分為：靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗分為

16、：靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗CL3737功率損耗功率損耗動(dòng)態(tài)功耗的來源：動(dòng)態(tài)功耗的來源：兩個(gè)管子瞬間同時(shí)導(dǎo)通兩個(gè)管子瞬間同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生的功耗產(chǎn)生的功耗 PT對(duì)負(fù)載電容充、放電所對(duì)負(fù)載電容充、放電所產(chǎn)生的功耗產(chǎn)生的功耗 PL分為：靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗分為：靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗V VCC CC 的大小的大小輸入波形的好壞輸入波形的好壞輸入信號(hào)頻率輸入信號(hào)頻率負(fù)載電容負(fù)載電容輸入信號(hào)頻率輸入信號(hào)頻率 ( (V VCC CC ) ) 2 2 38383.6 CMOS3.6 CMOS動(dòng)態(tài)電氣特性動(dòng)態(tài)電氣特性考慮兩個(gè)方面：考慮兩個(gè)方面：速度速度功耗功耗轉(zhuǎn)換時(shí)間（轉(zhuǎn)換時(shí)間（transition time）傳播延遲（傳播延

17、遲（propagation delay）靜態(tài)功耗（靜態(tài)功耗（static power dissipation）動(dòng)態(tài)功耗（動(dòng)態(tài)功耗（dynamic power dissipation）39393.7 3.7 其他其他CMOSCMOS輸入輸出結(jié)構(gòu)輸入輸出結(jié)構(gòu)傳輸門傳輸門當(dāng)當(dāng)EN = 0EN = 0，EN_L = 1EN_L = 1， 晶體管截止，晶體管截止， A A、B B斷開斷開當(dāng)當(dāng)EN = 1EN = 1，EN_L = 0EN_L = 0， 晶體管導(dǎo)通，晶體管導(dǎo)通， A A、B B之間低之間低 阻抗連接阻抗連接v雙向器件雙向器件v傳播延遲非常短傳播延遲非常短ENEN_LAB4040施密特觸發(fā)器

18、輸入施密特觸發(fā)器輸入VOUTVIN5.02.1 2.95.0電壓傳輸特性電壓傳輸特性VT+VT-輸輸入入門限門限電壓電壓VT+VT-采用內(nèi)部反饋，邊沿更陡采用內(nèi)部反饋，邊沿更陡滯后：滯后：兩個(gè)門限電壓之差兩個(gè)門限電壓之差邏輯符號(hào)：邏輯符號(hào)：4141三態(tài)輸出三態(tài)輸出VCCOUTENA當(dāng)當(dāng)EN=0EN=0時(shí)，時(shí)， C=1, Tp C=1, Tp截止截止 B=1, D=0, Tn B=1, D=0, Tn截止截止 高阻態(tài)高阻態(tài)（懸空態(tài)）（懸空態(tài)）當(dāng)當(dāng)EN=1EN=1時(shí)，時(shí)， C=A , B=0 , D=A C=A , B=0 , D=A 由由A A控制輸出為控制輸出為 邏輯邏輯0 0 或或 邏輯邏輯1 1BCDTpTnAENOUT邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)4242輸出電平？輸出電平？造成邏輯混亂造成邏輯混亂很大的負(fù)載電流很大的負(fù)載電流同時(shí)流過輸出級(jí)同時(shí)流過輸出級(jí)可使門電路損壞可使門電路損壞漏極開路輸出漏極開路輸出VCCAZ有源上拉有源上拉activ