第3章集成門電路

第三章

集成門電路與觸發(fā)器

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，人們把實現(xiàn)各種邏輯功能的元器件及其連線都集中制造在同一塊半導體材料小片上，并封裝在一個殼體中，通過引線與外界聯(lián)系，即構(gòu)成所謂的集成電路塊，通常又稱為集成電路芯片。集成門電路和觸發(fā)器等邏輯器件是實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。采用集成電路進行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)點：

可靠性高、可維性好、功耗低、成本低等優(yōu)點，可以大大簡化設(shè)計和調(diào)試過程。本章知識要點

●集成電路的分類

●半導體器件的開關(guān)特性

●邏輯門電路

●邏輯函數(shù)的實現(xiàn)

3.1數(shù)字集成電路的分類數(shù)字集成電路通常按照所用半導體器件的不同或者根據(jù)集成規(guī)模的大小進行分類。一.根據(jù)所采用的半導體器件進行分類

根據(jù)所采用的半導體器件，分為兩大類。

雙極型集成電路：采用雙極型半導體器件作為元件。主要特點是速度快、負載能力強，但功耗較大、集成度較低。

單極型集成電路(MOS集成電路):采用金屬-氧化物半導體場效應管(MetelOxideSemiconductorFieldEffectTra-nsister)作為元件。主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、集成度高、功耗低，但速度相對雙極型較慢。

雙極型集成電路分為：

晶體管-晶體管邏輯電路TTL(TransistorTransistorLogic)發(fā)射極耦合邏輯電路(EmitterCoupledLogic)集成注入邏輯電路I2L(IntegratedInjectionLogic)

┊

TTL電路的“性能價格比”較佳，應用最廣泛。MOS集成電路分為：

PMOS(P-channelMetelOxideSemiconductor)

NMOS(N-channelMetelOxideSemiconductor)

CMOS(ComplementMetalOxideSemiconductor)┊

CMOS電路應用較普遍，因為它不但適用于通用邏電路的設(shè)計，而且綜合性能好。二．根據(jù)集成電路規(guī)模的大小進行分類

根據(jù)一片集成電路芯片上包含的邏輯門個數(shù)或元件個數(shù)，分為SSI、MSI、LSI、VLSI。

1.SSI(SmallScaleIntegration:邏輯門數(shù)小于10門(或元件數(shù)小于100個)；

2.MSI(MediumScaleIntegration):邏輯門數(shù)為10門～99門(或元件數(shù)100個～999個)；

3.LSI(LargeScaleIntegration):邏輯門數(shù)為100門～9999門(或元件數(shù)1000個～99999個)；

4.VLSI(VeryLargeScaleIntegration):邏輯門數(shù)大于10000門(或元件數(shù)大于100000個)。

三．根據(jù)設(shè)計方法和功能定義分類根據(jù)設(shè)計方法和功能定義通常可分為如下3類：

1.非定制電路（又稱為標準集成電路）

2.全定制電路（又稱為專用集成電路）

3.半定制電路

3.2半導體器件的開關(guān)特性

數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MOS管等器件一般是以開關(guān)方式運用的，工作狀態(tài)相當于相當于開關(guān)的“接通”與“斷開”。數(shù)字系統(tǒng)中的半導體器件運用在開關(guān)頻率十分高的電路中，研究其開關(guān)特性時，不僅要研究它們在導通與截止兩種狀態(tài)下的靜止特性，而且還要分析它們在導通和截止狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變過程，即動態(tài)特性。3.2.1晶體二極管的開關(guān)特性一．靜態(tài)特性

靜態(tài)特性是指二極管在導通和截止兩種穩(wěn)定狀態(tài)下的特性。典型二極管的靜態(tài)特性曲線為：常見外形圖1.正向特性：

門檻電壓(VTH)：使二極管開始導通的正向電壓，一般鍺管約0.1V，硅管約0.5V。正向電壓VF≤VTH：管子截止，電阻很大、正向電流IF

接近于0，二極管類似于開關(guān)的斷開狀態(tài)；正向電壓VF=VTH：管子開始導通，正向電流IF開始上升；正向電壓VF＞VTH：管子充分導通(導通電壓一般鍺管約0.3V，硅管約0.7V，通常稱為導通電壓)，電阻很小，正向電流IF

急劇增加，二極管類似于開關(guān)的接通狀態(tài)。

2．反向特性

二極管在反向電壓VR

作用下，處于截止狀態(tài)，反向電阻很大，反向電流IR

很?。▽⑵浞Q為反向飽和電流，用IS

表示，通常可忽略不計），二極管的狀態(tài)類似于開關(guān)斷開。而且反向電壓在一定范圍內(nèi)變化基本不引起反向電流的變化。

●正向?qū)〞r可能因電流過大而導致二極管燒壞。組成實際電路時通常要串接一只電阻R，以限制二極管的正向電流；

●反向電壓超過某個極限值時，將使反向電流IR突然猛增，致使二極管被擊穿（通常將該反向電壓極限值稱為反向擊穿電壓VBR），一般不允許反向電壓超過此值。使用注意事項!注意：圖中忽略了二極管的正向壓降。

由于二極管的單向?qū)щ娦裕栽跀?shù)字電路中經(jīng)常把它當作開關(guān)使用。二極管開關(guān)電路及等效電路二.動態(tài)特性

二極管的動態(tài)特性是指二極管在導通與截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的特性，它表現(xiàn)在完成兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要一定的時間。為此，引入了反向恢復時間和開通時間的概念。1.反向恢復時間

反向恢復時間：二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂顾枰?/p>

時間稱為反向恢復時間。

當作用在二極管兩端的電壓由正向?qū)妷篤F

轉(zhuǎn)為反向截止電壓

VR

時，在理想情況下二極管應該立即由導通轉(zhuǎn)為截止，電路中只存在極小的反向電流。

2.開通時間

開通時間：二極管從反向截止到正向?qū)ǖ臅r間稱為開通時間。

由于PN結(jié)在正向電壓作用下空間電荷區(qū)迅速變窄，正向電阻很小，因而它在導通過程中及導通以后，正向壓降都很小，故電路中的正向電流IF≈VF/R。而且加入輸入電壓VF后，回路電流幾乎是立即達到IF的最大值。即：二極管的開通時間很短，對開關(guān)速度影響很小，相對反向恢復時間而言幾乎可以忽略不計。

3.2.2晶體三極管的開關(guān)特性各種不同三極管的實物圖

晶體三極管由集電結(jié)和發(fā)射結(jié)兩個PN結(jié)構(gòu)成。三極管有截止、放大、飽和3種工作狀態(tài)。一個用NPN型共發(fā)射極晶體三極管組成的簡單電路及其輸出特性曲線如下圖所示。一．靜態(tài)特性3.飽和狀態(tài)vB

＞VTH，并達到一定值，兩個PN結(jié)均為正偏，iB≥IBS(基極臨界飽和電流)≈VCC/βRc

,此時iC=ICS(集電極飽和電流)≈VCC/Rc。三極管呈現(xiàn)低阻抗，類似于開關(guān)接通。1.截止狀態(tài)

vI≤0，兩個PN結(jié)均為反偏，iB≈0,iC≈0,vCE≈VCC。三極管呈現(xiàn)高阻抗，類似于開關(guān)斷開。2.放大狀態(tài)vI＞VTH

，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，iC=βiB。電路工作特點：

晶體三極管在截止與飽和這兩種穩(wěn)態(tài)下的特性稱為三極管的靜態(tài)開關(guān)特性。

在數(shù)字邏輯電路中，三極管相當于一個由基極信號控制的無觸點開關(guān)，其作用對應于觸點開關(guān)的“閉合”與“斷開”。

上述共發(fā)射極晶體三極管電路在三極管截止與飽和狀態(tài)下的等效電路如下圖所示。

3.3邏輯門電路

實現(xiàn)基本邏輯運算和常用復合邏輯運算的邏輯器件統(tǒng)稱為邏輯門電路，它們是組成數(shù)字系統(tǒng)的基本單元電路。

以TTL集成邏輯門和CMOS集成邏輯為例進行介紹。要求：重點掌握集成邏輯門電路的功能和外部特性，以及器件的使用方法。對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理只要求作一般了解。二.與門一個由二極管構(gòu)成的2輸入與門電路如下圖所示。A/V

B/

VF/V000+5+50+5+5000+5ABF000110110001三.或門一個由二極管構(gòu)成的2輸入或門電路如下圖所示。A/V

B/

VF/V000+5+50+5+50+5+5+5ABF0001101101113.3.2TTL集成邏輯門電路

TTL(TransistorTransistorLogic)電路是晶體管-晶體管邏輯電路的簡稱。60年代問世，經(jīng)過對電路結(jié)構(gòu)和工藝的不斷改進，性能得到不斷改善，至今仍被廣泛應用于各種邏輯電路和數(shù)字系統(tǒng)中。

TTL電路的功耗大、線路較復雜，使其集成度受到一定的限制，故廣泛應用于中小規(guī)模邏輯電路中。主要外部特性參數(shù)

TTL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)、扇出系數(shù)、平均傳輸時延和空載功耗等。(2)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VOL≤0.4V。

(1)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VOH≥2.4V。(3)開門電平VON：開門電平VON是指保證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輸入高電平最小值。

VON的典型值是1.5V，產(chǎn)品規(guī)范值為VON≤1.8V。開門電平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。(4)關(guān)門電平VOFF：關(guān)門電平VOFF是指保證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)斷的輸入低電平最大值。

VOFF

的典型值是1.3V，產(chǎn)品規(guī)范值VOFF≥0.8V。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。

(5)扇入系數(shù)Ni：指與非門提供的輸入端數(shù)目。

Ni是由制造廠家安排的，一般Ni為2～5，最多不超過8。當應用中要求輸入端數(shù)目超過Ni時，可通過分級實現(xiàn)的方法減少對扇入系數(shù)的要求。(6)扇出系數(shù)No：指允許與非門輸出端連接同類門的最多個數(shù)。

它反映了與非門的帶負載能力.典型TTL與非門的扇出系數(shù)No≥8。(7)平均傳輸延遲時間tpd: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。

通常將從輸入波上沿中點到輸出波下沿中點的時間延遲稱為導通延遲時間tpHL；從輸入波下沿中點到輸出波上沿中點的時間延遲稱為截止延遲時間tpLH。

平均延遲時間定義為

tpd=(tpHL+tpLH)/2

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。

(8)空載功耗P：平均功耗指在空載條件下工作時所消耗的平均電功率。通常將輸出為低電平時的功耗稱為空載導通功耗PON，輸出為高電平時的功耗稱為空載截止功耗POFF

，一般PON大于POFF。

平均功耗P=(PON+POFF)/2

TTL與非門的平均功耗一般為20mW左右。有關(guān)各種邏輯門的具體參數(shù)可在使用時查閱有關(guān)集成電路手冊和產(chǎn)品說明書。二.常用TTL集成邏輯門

常用的TTL集成邏輯門有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等不同功能的產(chǎn)品。各種集成邏輯門屬于小規(guī)模集成電路，下圖所示為幾種常用邏輯門的芯片實物圖。

基本邏輯門是指實現(xiàn)3種基本邏輯運算的與門、或門和非門。常用的TTL與門集成電路芯片有四2輸入與門7408，三3輸入與門7411等。例如：1.基本邏輯門2、

復合邏輯門

復合邏輯門是指實現(xiàn)復合邏輯運算的與非門、或非門、與或非門、異或門等。與非門

常用的TTL與非門集成電路芯片有四2輸入與非門7400，三3輸入與非門7410，二4輸入與非門7420等。

2、

復合邏輯門(2)或非門

常用的TTL或非門集成電路芯片有四2輸入或非門7402，三3輸入或非門7427等。例如：74022、

復合邏輯門(3)與或非門

常用的TTL與或非門集成電路芯片有雙2-2與或非門7451、3-2-2-3與或非門7454等。例如：74512、

復合邏輯門(4)異或門

異或門只有兩個輸入端，常用的TTL異或門集成電路芯片有7486等。下圖所示為異或門的邏輯符號和7486的引腳排列圖。

注意：一般TTL邏輯門的輸出是不能并聯(lián)使用的，即兩個邏輯門的輸出不能直接對接！

4．TTL邏輯門的使用注意事項

①TTL邏輯門的電源電壓應滿足5V±5%的要求，電源不能反接。②一般邏輯門的輸出不能并聯(lián)使用（OC門和三態(tài)門除外），也不允許直接與電源或“地”相連接。③對邏輯門的多余輸入端，應根據(jù)不同邏輯門的邏輯要求接電源、地，或者與其他使用的輸入引腳并接。例如，將與門和與非門的多余輸入端接電源，或門和或非門的多余輸入端接地。總之，既要避免多余輸入端懸空造成信號干擾，又要保證對多余輸入端的處置不影響正常的邏輯功能。

3.4邏輯函數(shù)的實現(xiàn)

用邏輯函數(shù)表達式描述的各種邏輯問題均可用邏輯門實現(xiàn)，而且實現(xiàn)某一邏輯功能的邏輯電路并不是唯一的。它不僅與表征該邏輯功能的函數(shù)表達式形式及繁簡有關(guān)，而且與采用的邏輯門類型有關(guān)。

由于用邏輯代數(shù)中的與、或、非3種基本運算可以描述各種不同的邏輯問題，所以使用相應的與門、或門、非門即可構(gòu)成實現(xiàn)各種邏輯功能的電路。例如用3種基本邏輯門實現(xiàn)邏輯函數(shù)

采用3種基本邏輯門實現(xiàn)邏輯函數(shù)的必然結(jié)果是在一個電路中要同時使用不同類型的邏輯門。實際應用中，人們從電路中邏輯門性能以及類型的一致性考慮，廣泛使用各種復合邏輯門實現(xiàn)邏輯函數(shù)功能。3.4.1用與非門實現(xiàn)邏輯函數(shù)用與非門實現(xiàn)邏輯函數(shù)一般步驟：

第一步：求出函數(shù)的最簡與—或表達式。第二步：將最簡與—或表達式變換成與非—與非表達式。第三步：畫出邏輯電路圖。例如用與非門實現(xiàn)邏輯函數(shù)

F(A,B,C,D)=∑m(0,1,4,5,6,7,8,9,15)

解：首先求出函數(shù)的最簡與—或表達式（假定利用卡諾圖化簡）3.4.2用或非門實現(xiàn)邏輯函數(shù)用或非門實現(xiàn)邏輯函數(shù)一般步驟：

第一步：求出函數(shù)的最簡或—與表達式。第二步：將最簡或—與表達式變換成或非—或非表達式。第三步：畫出邏輯電路圖。例如用或非門實現(xiàn)邏輯函數(shù)解：第一步求出函數(shù)的最簡或—與表達式（假定利用卡諾圖化簡）畫出給定函數(shù)卡諾圖，先合并卡諾圖上的0