邏輯門電路全解課件

1、第二章 集成邏輯門集成電路大致分為兩種類型：CMOS和雙極型。其中CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor, 互補金屬氧化物半導體）電路是目前運用最廣的邏輯電路。并且逐步取代了原來的TTL電路。雙極型電路是由雙極型三極管構成的電路。有：TTL 和ECL電路等。在性能，功耗，容量等方面受到限制，故被CMOS逐漸取代。2.1MOS管的開關特性一、MOS管的結構S (Source)：源極G (Gate)：柵極D (Drain)：漏極B (Substrate):襯底金屬層氧化物層半導體層PN結 MOS管的結構和符號漏極源極柵極開啟電壓：VGS（th)以N

2、溝道增強型為例：當加+VDS時，VGS=0時，D-S間是兩個背向PN結串聯(lián)，iD=0加上+VGS，且足夠大至VGS VGS (th), D-S間形成導電溝道（N型層）開啟電壓MOS管的基本開關電路等效電路OFF ，截止狀態(tài) ON，導通狀態(tài)MOS管的四種類型增強型耗盡型大量正離子導電溝道MOS門的開關作用MOS門 D 、 S極之間的開關狀態(tài)受 VGS 的控制增強型：N溝道P溝道VGS V GS（th) 0 (開啟電壓）VGS V GS（th)D S斷開D S導通（幾百歐）VGS VGS（th) VGS（th)D S導通（幾百歐）D S斷開MOS反相器（非門）0VVDD1) VA = 0V:工作原

3、理:2)VA = VDD :VGS VGS（th) ,T截止; VF = UDD , F=“1”。 NMOS增強型+VDDFARDSGTVDD0VVGS VGS（th) ,T導通; VF 0V , F=“0”。結構:0 11 0 真 值 表： 輸入 輸出 A F0VVDD NMOS增強型VDD0V+VDDFARDSG邏輯式：F=1AF邏輯符號:2. CMOS反相器CMOS電路Complementary -Symmetry MOS互補對稱式MOST2T1 PMOS管NMOS管T1 : ONT2: OFFOFFON同一電平:+VDDSDADSGF1) 結構“0”(0V)VGS VGS（th) 0導

4、通+VDDSDAFDSGT2T1PMOSNMOSVGS0截止“1”(+VDD)2) 工作原理VA=0V“0”(0V)VGS VGS（th) VGS（th) 0導通“1”(+VDD)FVA= VDD 0VVDD真 值 表：A F T1 T2 F+VDDSDADSGT2T11 導通 截止0 0 截止 導通11AF邏輯式：F=VDD0V優(yōu)點：靜態(tài)功耗小速度較快電壓、電流傳輸特性閾值電壓輸入噪聲容限輸入特性輸出特性輸出特性3. CMOS與非門&ABFF =+VDDAFT2T1BT3T4SSSSGG工作原理:結構:0 0 10 1 11 0 11 1 0A B T1 T2 T3 T4 F4. CMOS或

5、非門A B T1 T2 T3 T4 F1ABFF =+VDDFAT2T1BT3T4GGSSS工作原理:結構:0 0 10 1 0 1 0 0 1 1 0 5.帶緩沖極的CMOS門1、與非門5.帶緩沖極的CMOS門解決方法6.漏極開路的門電路（OD門）實現(xiàn)輸出電平變換、吸收大負載電流、線與 7.三態(tài)輸出門三態(tài)輸出的CMOS門三態(tài)輸出的CMOS門三態(tài)門的用途主要作為TTL電路與總線（BUS)間的接口電路公用總線E1E2E3用公用總線分時傳送不同數(shù)據(jù)譯碼器&A1B1E1&A2B2E2&A3B3E3 門工作 門工作 門工作三態(tài)門的用途7.CMOS傳輸門及雙向模擬開關 傳輸門雙向模擬開關雙極型三極管的開

6、關特性（BJT, Bipolar Junction Transistor）2.2 TTL門電路2.2.1 半導體三極管的開關特性ok雙極型三極管的基本開關電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T導通，VO=VOL工作狀態(tài)分析：三極管的開關等效電路截止狀態(tài)飽和導通狀態(tài)三極管非門AF0.3V3.2V保證VA=0.3V時,三極管可靠截止1)當VA=0.3V時:+2.5VD+12V1.5K1K18K-12VP=30T工作情況:設:T截止要求: VBE0.5V當VA=0.3V時:設:IB=0A0.3V1.5K1K18K-12VP+12VF+2.5VD=30TIB=-1.8

7、VD導通,起箝位作用: VD=0.7V 箝位二極管 Vp IBs ,T飽和的假設成立。得:VF = 0.3VA3.2V1.5K1K18K-12VP+12VF+2.5VD=30TICIBI1I2I1 =I2 +IB0.3V0 11 0 真 值 表FAD+12V+2.5V1.5K1K18K-12VP=300.3V3.2V0.3V3.2V 輸入 輸出 A F“0”“1”“1”“0”0 11 0 真 值 表 輸入 輸出 A F功能：當A為高時,輸出F為低；A為低時，F(xiàn)為高。F是A的非函數(shù)。邏輯式：F=邏輯求反運算“”:邏輯非運算邏輯符號：三極管非門波形圖（時序圖）A1AFF求反運算* DTL電路ABD

8、1D2+12V3.9KR二極管與門與非門：A BA B(Diode Transistor Logic)-12V三極管非門D+12V+2.5V1.5K1K18KP=30F與非門：任 0 則 1全 1 則 0口訣：&ABF邏輯式：邏輯符號：F =或非門：ABD1D2-12VR二極管或門A + BD+12V+3V1.5K1K18K-12VP=30三極管非門FA + B或非門：任 1則 0全 0 則 1口訣：ABF邏輯式：邏輯符號：F =1、體積大、工作不可靠。2、需要不同電源。3、各種門的輸入、輸出電平不匹配。分立元件門電路的缺點2.2.2 TTL與非門電路結構和工作原理一、結構0.3V3.4V+5

9、VABCFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T51007503603K+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5輸入級輸出級中間級T1 與R1組成輸入級：T1 多發(fā)射極晶體管：實現(xiàn)“與”運算。等效電路 b1=A B C c1+5VR1T1b1ABCc1AB+5Vb1R1C+5VR1c1T1b1ABCR2T2R3FR4R5T3T4T5“與”“非”復合管形式與非門輸出級+5VR1c1T1b1ABCR2T2R3FR4R5T3T4T5“與”“非”復合管形式 TTL與非門輸出級0.3V3.4V二、 工作原理1、任一輸入為低電平（0.3V）時+5VFR4R2R1R5R3T3b1ABC“0

10、” 截止c1T1T5T2T41V0.3VVF=5 -VBE3-VBE4 -VR2 3.4V 高電平！+5V“0”FR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC1VVFRLT2 ，T5 ： 截止邏輯關系:任0則12、輸入全為高電平（3.4V）時4.1V3.4V“1”(3.4V)T5T4發(fā)射結全反偏R2+5VFR4R1T2R5R3T3T1b1c1ABC電位箝在2.1V0.7V1.4V2、輸入全為高電平（3.4V）時 全導通(T2、 T5飽和)T5T4R2截止T1:倒置狀態(tài)C、E作用顛倒+5VFR4R1T2R5R3T3T1b1c1ABC1V0.7V1.4V“1”(3.4V)發(fā)射結全反偏電位箝在2.

11、1VVF=0.3V飽和T1T2T5T2：截止邏輯關系：全1則0+5VFR2R13kR3b1c1ABC“1”(3.4V)電位箝在2.1V發(fā)射結全反偏TTL與非門&ABCF 輸入任0：T2、T5 截止,T3、T4 導通； U0= U0H 。 輸入全1： T4 截止,T2、T5飽和導通; U0= U0L 。邏輯關系：任0則1全1則0與非門2.2.3 TTL與非門外特性和參數(shù)測試電路一、電壓傳輸特性： VO VI&+5VVIVOR簡化的傳輸特性( VO VI )曲線 二值性曲線VOHVOLVIHVIL1.4VTH截止區(qū)(T5 ：關門)轉折區(qū)(過渡區(qū)飽和區(qū)(T5：開門)閾值電壓:VTH=1.4V 門檻電

12、壓(Threshold)+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC1007503603K簡化的傳輸特性( VO VI )曲線 二值性曲線VOHVOLVIHVIL1.4UT截止區(qū)(T5 ：關門)轉折區(qū)(過渡區(qū)飽和區(qū)(T5：開門)閾值電壓:VT=1.4V 門檻電壓(Threshold)簡化的傳輸特性( VO VI )曲線 二值性曲線VOHVOLVIHVIL1.4UT截止區(qū)(T5 ：關門)轉折區(qū)(過渡區(qū)飽和區(qū)(T5：開門)閾值電壓:VT=1.4V 門檻電壓(Threshold) 通用：VOH2.4V ， VOL 0.4V 典型值 ： 輸出高電平 VOH=3.4V 輸出低電平

13、VOL =0.3V 閾值電壓 VT =1.4V1. 輸出端2. 輸入端： 典型值 ： 輸入高電平 VIH=3.4V 輸入低電平 VIL =0.3V 通用：VIVT VI=“1”，與非門開門 VOL ； VIVT VI=“0”，與非門關門 VOH 。 典型參數(shù)：二、輸入噪聲容限三、輸入負載特性 (VI RI ) VIVRIC+5VR4R2R13kb1100750FT2R5R3T3T4T1T5c1AB3603KVI=RIRI+R1(5-VBE1)=4.3RI3+RI例：RI=0.5K VI =0.6V VT VI 為低電平當RI較小時：設：T2、T5 截止 截止R4T2R3c1T1+5VR13kT

14、5b1RIVIR2R5T3T4F當RI較小時：VIVT , T2 、 T5 截止，T3、T4 導通：VF = VOH 。T1+5VR13kb1RIVIR2R4R5T3T4VFRLF當VI=VT 時，T5將飽和導通:VF = VOL;此時RI =?求出：RI =1.45K 臨界電阻 即 : 1.45K ;1.4=RIRI+3(5-VBE1)1.4V當RI 1.45K時 箝位 VI =1.4V, VF = VOL 。1.45K 飽和VF = VOL +5 VRIFR2R13kT2R3T1T5b1c12.1V1.4V0.7V20RI(K)vI(V)12310.60.51.41.45多余輸入端處理：接

15、+5V若懸空:UI=“1”輸入端并聯(lián)使用對應:vOH對應:vOLABCF UIVRI& RI VI 關系 :RI 1.45K時: 輸入端（VI）相當于接 “1” (高電平);RI 1.45K時: 輸入端（VI）相當于接 “0” (低電平);RI = (輸入端懸空)時：相當于接 “1” (高電平) 。 四、輸入特性 TTL反相器的輸入端等效電路1. 與非門輸出為 高電平時：（ VIL: T2 、T5 截止，T3、 T4導通。） 拉電流：IOH（幾百)RL(等效)拉電流能力：維持VOH時，所允許的最大拉電流值。+5VR4R2R5T3T4VOH五、輸出特性iL2. 與非門輸出為 低電平時：iORL+

16、5V(等效)灌電流：IOL約十幾mA灌電流能力：維持VOL時，所允許的最大灌電流值 。+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1VOL扇出系數(shù)(fan out)與非門輸出驅動同類門的個數(shù)：N 8 。與非門的扇出系數(shù)一般是10。帶負載能力驅動器：扇出系數(shù)可以大于20。2.2.4 動態(tài)特性tViotVoo50%50%tp1tp2導通傳輸時間截止傳輸時間波形邊沿變壞延遲變化Vo 平均傳輸時間（Propagation delay)tpd=tp1 + tp22典型值：3 10 ns對TTL與非門的要求：1）掌握其邏輯關系：任0則1，全1則0；2）掌握其典型參數(shù)，會使用；3）了解其基本結構，能定性分析其工

17、作原理。2.3.1其它類型的TTL門電路 TTL或非門電路一、其他邏輯功能的TTL門電路TTL與或非門一、其他邏輯功能的TTL門電路2.3.1 其它類型的TTL門電路TTL異或門2.3.1 其它類型的TTL門電路一、其他邏輯功能的TTL門電路二、集電極開路的與非門（OC門）1 . 問題的提出標準TTL與非門進行與運算:&ABEF&CD&G1A B C D&ABEF&CDG 能否“線與”？（Open Collector)G=EF=A B C D E F E F2.3.1 其它類型的TTL門電路問題：TTL與非門的輸出電阻很低。i功耗與非門截止： T4熱擊穿iVOL與非門導通：不允許&ABEF&C

18、DG與非門 截止與非門 導通+5VR4R2T3T4T51007503KR3VOH+5VR4R2T3T4T51007503KR3VOL2 . OC門結構+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC去掉T3,T4標準TTL與非門可以斷開（Open Collector)F =ABC&符號集電極開路“與”“非”RL（外接）VCCFT5+5VR2R13kT2R3T1b1c1ABC特點：RL 和VCC 可以外接。3 .“線與”電路F=F1 F2 F3RL（外接）任 0 則 0全 1 則 1“線與”使用OC門的關鍵是選擇外接RL:根據(jù)帶負載情況確定。三 、三態(tài)輸出與非門（TS門）(Three State)三種狀態(tài)高電平低電平高阻狀態(tài)（禁止狀態(tài)）標準與非門輸出狀態(tài)2.3.1 其它類型的TTL門電路1 .