第三章 邏輯門電路

3邏輯門電路3.1MOS邏輯門電路3.2

TTL邏輯門電路*3.3射極耦合邏輯門電路*3.4砷化鎵邏輯門電路3.5邏輯描述中的幾個問題3.6邏輯門電路使用中的幾個實際問題*3.7用VerilogHDL描述邏輯門電路教學(xué)基本要求：1、了解半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性。2、熟練掌握基本邏輯門（與、或、與非、或非、異或門）、三態(tài)門、OD門（OC門）和傳輸門的邏輯功能。3、學(xué)會門電路邏輯功能分析方法。4、掌握邏輯門的主要參數(shù)及在應(yīng)用中的接口問題。3.邏輯門電路3.1MOS邏輯門3.1.1數(shù)字集成電路簡介3.1.2邏輯門的一般特性3.1.3

MOS開關(guān)及其等效電路3.1.4

CMOS反相器3.1.5

CMOS邏輯門電路3.1.6

CMOS漏極開路門和三態(tài)輸出門電路3.1.7

CMOS傳輸門3.1.8

CMOS邏輯門電路的技術(shù)參數(shù)1、邏輯門:實現(xiàn)基本邏輯運算和復(fù)合邏輯運算的單元電路。2、邏輯門電路的分類二極管門電路三極管門電路TTL門電路MOS門電路PMOS門CMOS門邏輯門電路分立門電路集成門電路NMOS門3.1.1數(shù)字集成電路簡介1.CMOS集成電路:廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路4000系列74HC74HCT74VHC74VHCT速度慢與TTL不兼容抗干擾功耗低74LVC74VAUC速度加快與TTL兼容負載能力強抗干擾功耗低速度兩倍于74HC與TTL兼容負載能力強抗干擾功耗低低(超低)電壓速度更加快與TTL兼容負載能力強抗干擾功耗低

74系列74LS系列74AS系列74ALS2.TTL集成電路:廣泛應(yīng)用于中大規(guī)模集成電路3.1.1數(shù)字集成電路簡介3.1.2邏輯門電路的一般特性1.輸入和輸出的高、低電平

vO

vI

驅(qū)動門G1

負載門G2

1

1

輸出高電平的下限值

VOH(min)輸入低電平的上限值VIL(max)輸入高電平的下限值VIL(min)輸出低電平的上限值

VOH(max)輸出高電平+VDD

VOH(min)VOL(max)

0

G1門vO范圍

vO

輸出低電平

輸入高電平VIH(min)

VIL(max)

+VDD

0

G2門vI范圍

輸入低電平

vI

負載門輸入高電平時的噪聲容限VNH

：負載門輸入低電平時的噪聲容限VNL

：2.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，輸入電平允許波動的范圍。它表示門電路的抗干擾能力

1

驅(qū)動門

vo

1

負載門

vI

噪聲

類型參數(shù)74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或tPHL(ns)782.10.93.傳輸延遲時間傳輸延遲時間是表征門電路開關(guān)速度的參數(shù)，它說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波形延遲了多長的時間。CMOS電路傳輸延遲時間

tPHL

輸出

50%

90%

50%

10%

tPLH

tf

tr

輸入

50%

50%

10%

90%

4.功耗靜態(tài)功耗：指的是當(dāng)電路沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的功耗，即門電路空載時電源總電流ID與電源電壓VDD的乘積。5.延時功耗積是速度功耗綜合性的指標.延時功耗積，用符號DP表示 扇入數(shù)：取決于邏輯門的輸入端的個數(shù)。6.扇入與扇出數(shù)動態(tài)功耗：指的是電路在輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的功耗，對于TTL門電路來說，靜態(tài)功耗是主要的。CMOS電路的靜態(tài)功耗非常低，CMOS門電路有動態(tài)功耗扇出數(shù)：是指其在正常工作情況下，所能帶同類門電路的最大數(shù)目。

（a)帶拉電流負載當(dāng)負載門的個數(shù)增加時，總的拉電流將增加，會引起輸出高電壓的降低。但不得低于輸出高電平的下限值，這就限制了負載門的個數(shù)。

高電平扇出數(shù):IOH:驅(qū)動門的輸出端為高電平電流IIH:負載門的輸入電流為。(b)帶灌電流負載當(dāng)負載門的個數(shù)增加時，總的灌電流IOL將增加，同時也將引起輸出低電壓VOL的升高。當(dāng)輸出為低電平，并且保證不超過輸出低電平的上限值。IOL：驅(qū)動門的輸出端為低電平電流 IIL：負載門輸入端電流之和 電路類型電源電壓/V傳輸延遲時間/ns靜態(tài)功耗/mW功耗－延遲積/mW-ns直流噪聲容限輸出邏輯擺幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74＋510151501.22.23.5CT54LS/74LS＋57.52150.40.53.5HTL＋158530255077.513ECLCE10K系列－5.2225500.1550.1250.8CE100K系列－4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V＋5455×10－3225×10－32.23.45VDD=15V＋151215×10－3180×10－36.59.015高速CMOS＋581×10－38×10－31.01.55

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：MOS管工作在可變電阻區(qū)，輸出低電平:MOS管截止，輸出高電平當(dāng)υI

<VT當(dāng)υI

>VTMOS管相當(dāng)于一個由vGS控制的無觸點開關(guān)。MOS管工作在可變電阻區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)“閉合”，輸出為低電平。MOS管截止，相當(dāng)于開關(guān)“斷開”輸出為高電平。當(dāng)輸入為低電平時：當(dāng)輸入為高電平時：CMOS管特性N溝道CMOS管及其特性P溝道CMOS管及其特性ddgs截止：Vgs<VT導(dǎo)通：Vgs>VT截止：Vgs>VT導(dǎo)通：Vgs<VTsgdgsd3.1.4

CMOS反相器1.工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0V0V-10V截止導(dǎo)通10V10V10V0V導(dǎo)通截止0VVTN=2VVTP=-2V邏輯圖邏輯表達式vi(A)0vO(L)1邏輯真值表10A

BTN1TP1

TN2TP2L00011011截止導(dǎo)通截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通1110與非門1.CMOS與非門vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)電路結(jié)構(gòu)(b)工作原理VTN=2VVTP=-2V0V10VN輸入的與非門的電路輸入端增加有什么問題?3.1.5CMOS邏輯門或非門2.CMOS或非門+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA

BTN1TP1TN2TP2L00011011截止導(dǎo)通截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通1000AB≥10V10VVTN=2VVTP=-2VN輸入的或非門的電路的結(jié)構(gòu)?輸入端增加有什么問題?3.異或門電路=A⊙B4.輸入保護電路和緩沖電路**采用緩沖電路能統(tǒng)一參數(shù)，使不同內(nèi)部邏輯集成邏輯門電路具有相同的輸入和輸出特性。（1）輸入端保護電路:**(1)0<vI<VDD+vDF(2)vI

>

VDD+vDF

二極管導(dǎo)通電壓：vDF(3)vI

<

-

vDF

當(dāng)輸入電壓不在正常電壓范圍時,二極管導(dǎo)通，限制了電容兩端電壓的增加,保護了輸入電路。D1、D2截止D1導(dǎo)通,D2截止vG

=

VDD+vDFD2導(dǎo)通,D1截止vG=

-

vDFRS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延遲且衰減后到柵極。

D2---分布式二極管(iD大)（2）CMOS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。增加了緩沖器后的邏輯功能為與非功能1.CMOS漏極開路門**1.）CMOS漏極開路門的提出輸出短接，在一定情況下會產(chǎn)生低阻通路，大電流有可能導(dǎo)致器件的損毀，并且無法確定輸出是高電平還是低電平。3.1.6CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路+VDDTN1TN2AB+VDDAB01（2）漏極開路門的結(jié)構(gòu)與邏輯符號(c)可以實現(xiàn)線與功能;+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABL電路邏輯符號(b)與非邏輯不變漏極開路門輸出連接(a)工作時必須外接電源和電阻;(2)上拉電阻對OD門動態(tài)性能的影響Rp的值愈小，負載電容的充電時間常數(shù)亦愈小，因而開關(guān)速度愈快。但功耗大,且可能使輸出電流超過允許的最大值IOL(max）。電路帶電容負載10CLRp的值大，可保證輸出電流不能超過允許的最大值IOL(max）、功耗小。但負載電容的充電時間常數(shù)亦愈大，開關(guān)速度因而愈慢。最不利的情況：只有一個OD門導(dǎo)通，110為保證低電平輸出OD門的輸出電流不能超過允許的最大值IOL(max)且VO=VOL(max），RP不能太小。當(dāng)VO=VOL+VDDIILRP&&&&n…&m&…kIIL（total)IOL（max)(2)上拉電阻對OD門動態(tài)性能的影響當(dāng)VO=VOH+VDDRP&&&&n…&m&…111IIH（total)IOH（total)為使得高電平不低于規(guī)定的VOH最小值，則Rp的選擇不能過大。Rp的最大值Rp(max)：

2.三態(tài)(TSL)輸出門電路10011截止導(dǎo)通111高阻

×0輸出L輸入A使能EN001100截止導(dǎo)通010截止截止X1邏輯功能：高電平有效的同相邏輯門013.1.7CMOS傳輸門(雙向模擬開關(guān))

1.CMOS傳輸門電路電路邏輯符號υI

/υO(shè)υo/υIC等效電路2、CMOS傳輸門電路的工作原理

設(shè)TP:VTP=-2V，TN:VTN=2VI的變化范圍為0V到+5V。

5V+5V0V到+5VGSN<VTN,TN截止GSP=5V(0V到+5V)=(5到0)V輸入和輸出之間呈高阻態(tài)，傳輸門是斷開的，不能轉(zhuǎn)送信號GSN=0V(0V到+5V)=(0到-5)VGSP>VTP,TP截止1）當(dāng)c=0，c=1(+5V)時0V

C

TP

vO/vI

vI/vO

+5V

–5V

TN

C

+5V0VGSP=0V

(2V~+5V)=2V~5VGSN=5V(0V~+3V)=(5~2)Vb、I=2V~5VGSN>VTN,TN導(dǎo)通a、I=0V~3VTN和TP至少一個導(dǎo)通GSP＜VTP,TP導(dǎo)通C、I=0V~5V2）當(dāng)c=1(+5V)

，c=0時傳輸門組成的數(shù)據(jù)選擇器C=0TG1導(dǎo)通,TG2斷開L=XTG2導(dǎo)通,TG1斷開L=YC=1傳輸門的應(yīng)用CMOS邏輯集成器件發(fā)展使它的技術(shù)參數(shù)從總體上來說已經(jīng)達到或者超過TTL器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出數(shù)大，噪聲容限大，靜態(tài)功耗小，動態(tài)功耗隨頻率的增加而增加。參數(shù)系列傳輸延遲時間tpd/ns(CL=15pF)功耗(mW)延時功耗積(pJ)4000B751(1MHz)10574HC101.5(1MHz)1574HCT131(1MHz)13BiCMOS2.90.0003~7.50.00087~223.1.8CMOS邏輯門電路的技術(shù)參數(shù)幾種CMOS系列器件的主要參數(shù)3.2TTL邏輯門3.2.1

BJT的開關(guān)特性3.2.2基本BJT反相器的動態(tài)特性3.2.3

TTL反相器的基本電路3.2.4

TTL邏輯門電路3.2.5

集電極開路門和三態(tài)門3.2.6

BiMOS門電路3.2TTL邏輯門3.2.1

BJT的開關(guān)特性iB0，iC0，vO＝VCE≈VCC，c、e極之間近似于開路。vI=0V時:ic=VCC/RC=Ics，iB>VCC/βRC

vO＝VCE≈0.2V，c、e極之近似于短路,三極管工作在飽和區(qū)，做開關(guān)管使用。vI=5V時:0<iB<VCE＝VCC－iCRcic

≈iB放大條件取反iC＝ICS≈很小，約為數(shù)百歐，相當(dāng)于開關(guān)閉合可變很大，約為數(shù)百千歐，相當(dāng)于開關(guān)斷開c、e間等效內(nèi)阻VCES≈0.2~0.3VVCE＝VCC－iCRcVCEO≈VCC管壓降

且不隨iB增加而增加ic

≈iBiC≈0集電極電流發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反偏偏置情況工作特點iB>iB≈0條件飽和放大截止工作狀態(tài)BJT的開關(guān)條件0<iB<2.BJT的開關(guān)時間從截止到導(dǎo)通開通時間ton(=td+tr)從導(dǎo)通到截止關(guān)閉時間toff(=ts+tf)BJT飽和與截止兩種狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換需要一定的時間才能完成。

CL的充、放電過程均需經(jīng)歷一定的時間，必然會增加輸出電壓O波形的上升時間和下降時間，導(dǎo)致基本的BJT反相器的開關(guān)速度不高。3.2.2基本BJT反相器的動態(tài)性能若帶電容負載故需設(shè)計有較快開關(guān)速度的實用型TTL門電路。

Rb1

4kW

Rc2

1.6kW

Rc4

130W

T4

D

T2

T1

+

–

vI

T3

+

–

vO

負載

Re2

1KW

VCC(5V)

輸入級

中間級輸出級

3.2.3TTL反相器的基本電路1.電路組成AL1輸入A輸出L0110邏輯真值表

1.TTL與非門電路多發(fā)射極BJT

T1e

e

bc

eeb

cA&

BAL=B3.2.4

TTL邏輯門電路2.TTL或非門

邏輯表達式AB≥1a）集電極開路與非門電路b）使用時的外電路連接C）邏輯功能L=ABOC門輸出端連接實現(xiàn)線與3.2.5集電極開路門和三態(tài)門電路TTL電路AB2.三態(tài)與非門(TSL)

CS數(shù)據(jù)輸入端輸出端LAB10010111011100××高阻三態(tài)與非門真值表ABCS

&

L

EN邏輯符號特點:功耗低、速度快、驅(qū)動力強3.2.6BiCMOS門電路3.5.1正負邏輯問題3.5邏輯描述中的幾個問題3.5.2基本邏輯門的等效符號及其應(yīng)用3.5.1正負邏輯問題1.正負邏輯的規(guī)定

01

10正邏輯負邏輯3.5邏輯描述中的幾個問題正邏輯體制:將高電平用邏輯1表示，低電平用邏輯0表示負邏輯體制:將高電平用邏輯0表示，低電平用邏輯1表示

A

B

L

1

1

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

___與非門A

B

L

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

某電路輸入與輸出電平表A

B

L

L

L

H

L

H

H

H

L

H

H

H

L

采用正邏輯___或非門采用負邏輯與非

或非負邏輯正邏輯2.正負邏輯等效變換

與

或非

非3.5.2基本邏輯門電路的等效符號及其應(yīng)用1、基本邏輯門電路的等效符號與非門及其等效符號系統(tǒng)輸入信號中，有的是高電平有效，有的是低電平有效。低電平有效，輸入端加小圓圈；高電平有效，輸入端不加小圓圈?；蚍情T及其等效符號

邏輯門等效符號的應(yīng)用利用邏輯門等效符號，可實現(xiàn)對邏輯電路進行變換，以簡化電路，能減少實現(xiàn)電路的門的種類。end

控制電路邏輯門等效符號強調(diào)低電平有效L=0如RE、AL都要求高電平有效，EN高電平有效如RE、AL都要求低電平有效，EN高電平有效如RE、AL都要求高電平有效，EN低電平有效3.6邏輯門電路使用中的幾個實際問題3.6.1各種門電路之間的接口問題3.6.2門電路帶負載時的接口問題1)驅(qū)動器件的輸出電壓必須處在負載器件所要求的輸入電壓范圍，包括高、低電壓值（屬于電壓兼容性的問題）。在數(shù)字電路或系統(tǒng)的設(shè)計中，往往將TTL和CMOS兩種器件混合使用，以滿足工作速度或者功耗指標的要求。由于每種器件的電壓和電流參數(shù)各不相同，因而在這兩種器件連接時，要滿足驅(qū)動器件和負載器件以下兩個條件：2)驅(qū)動器件必須對負載器件提供足夠大的拉電流和灌電流（屬于門電路的扇出數(shù)問題）；3.6.1各種門電路之間的接口問題vOvI驅(qū)動門

負載門1

1

VOH(min)vO

VOL(max)

vI

VIH(min)VIL(max)

負載器件所要求的輸入電壓VOH(min)≥VIH(min)VOL(max)≤VIL(max)灌電流IILIOLIIL拉電流IIHIOHIIH10111…1n個01110…1n個對負載器件提供足夠大的拉電流和灌電流

IOH(max)≥IIH(total)IOL(max)≥IIL(total)驅(qū)動電路必須能為負載電路提供足夠的驅(qū)動電流

驅(qū)動電路負載電路1、）VOH(min)≥VIH(min)2、）VOL(max)≤VIL(max)4、）IOL(max)≥IIL(total)驅(qū)動電路必須能為負載電路提供合乎相應(yīng)標準的高、低電平IOH(max)≥IIH(total)3、）2、CMOS門驅(qū)動TTL門VOH（min)=4.9VVOL(max)=0.1VTTL門（74系列）：VIH(min)=2VVIL(max)=0.8VIOH（max)=-0.51mAIIH（max)=20AVOH(min)≥VIH(min)VOL(max)≤VIL(max)帶拉電流負載輸出、輸入電壓帶灌電流負載?CMOS門(4000系列）：IOL（max)=0.51mAIIL（max)=-0.4mA，IOH(max)≥IIH(total)例用一個74HC00與非門電路驅(qū)動一個74系列TTL反相器和六個74LS系列邏輯門電路。試驗算此時的CMOS門電路是否過載？VOH（min)=3.84V，VOL(max)=0.33VIOH（max)=-4mAIOL（max)=4mA74HC00：IIH（max)=004mAIIL（max)=1.6mA74系列：VIH（min)=2V，VIL(max)=0.8V&111…CMOS門74系列74LS系列74LS系列