南理工電子技術(shù)第2章講稿

第2章邏輯門電路

邏輯門：完成一些基本邏輯功能的電子電路。現(xiàn)使用的主要為集成邏輯門。

集成電路分類：小規(guī)模集成電路(SSI):1~10門/片或1~100個元件/片；1.按規(guī)模分類

中規(guī)模集成電路(MSI):10~100門/片或100~1000個元件/片；大規(guī)模集成電路(LSI):100~10000門/片或1000~100000個元件/片；超大規(guī)模集成電路(VLSI):10000門/片以上或100000個元件/片以上.MOS型(單極型)NMOS(N-ChannelMetal-Oxide-Semiconductor)CMOS

(ComplementMetal-Oxide-Semiconductor)2.按器件類型分類雙極型DTL(DiodeTransistorlogic)TTL(Transistor—TransistorLogic)ECL(EmitterCoupledLogic)2.1

晶體管的開關(guān)特性

在數(shù)字電路中,常將半導(dǎo)體二極管,三極管和場效應(yīng)管作為開關(guān)元件使用。

理想開關(guān):接通時阻抗為零;斷開時阻抗為無窮大;

兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時間為零。實(shí)際半導(dǎo)體開關(guān):導(dǎo)通時具有一定的內(nèi)阻;截止時有一定的反向電流;兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要時間。

2.1.1

半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性下面以硅二極管為例D(1)導(dǎo)通條件及導(dǎo)通時的特點(diǎn)ID(mA)VDVO0.50硅二極管伏安特性D+-Vi>0.7R電路圖+-Vi>0.7RVD近似等效電路+-Vi>0.7RK簡化等效電路(2)截止條件及截止時的特點(diǎn)D+-Vi<0.5R電路圖+-Vi<0.5RK簡化等效電路(3)開關(guān)時間①開啟時間:由反向截止轉(zhuǎn)換為正向?qū)ㄋ枰臅r間.

二極管的開啟時間很小,可忽略不計(jì)。②關(guān)斷時間:由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換為反向截止所需要的時間。二極管的關(guān)斷時間大約幾納秒。RCICRbIBViVoVcc三極管開關(guān)電路(1)飽和導(dǎo)通條件及飽和時的特點(diǎn)飽和導(dǎo)通條件:IB≥IBS=ICSβ≈VCCβRC飽和導(dǎo)通時的特點(diǎn):VBE≈0.7VVCE=VCES=0.1~0.3V發(fā)射極和集電極之間如同閉合的開關(guān)2.1.2

半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性(2)截止條件及截止時的特點(diǎn)截止條件:VBE<0.5V(硅三極管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓)截止時的特點(diǎn):發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置,IB≈IC≈0,

發(fā)射極和集電極之間如同斷開的開關(guān)。+_+_0.7V0.1~0.3Vbce飽和時ecb截止時三極管開關(guān)的近似直流等效電路(3)開關(guān)時間開啟時間ton

:三極管由截止到飽和所需要的時間,

納秒(ns)級。關(guān)斷時間toff

:三極管飽和由到截止所需要的時間,

納秒(ns)級,toff>ton

。

toff的大小與工作時三極管飽和導(dǎo)通的深度有關(guān),飽和程度越深,toff越長,反之則越短。2.1.3MOS管的開關(guān)特性GSDRDVCCMOS管的三個工作區(qū)：截止區(qū)；非飽和區(qū)；飽和區(qū)。MOS管作開關(guān)使用時，通常工作在截止區(qū)和非飽和區(qū)。數(shù)字集成電路中常用的MOS管為P溝道增強(qiáng)型和N溝道增強(qiáng)型。NMOS管開關(guān)電路(1)導(dǎo)通條件及導(dǎo)通時的特點(diǎn)(以NMOS管為例)導(dǎo)通條件:VGS>VTN

(VTN為NMOS管的開啟電壓)導(dǎo)通時的特點(diǎn):在開關(guān)電路中,MOS管導(dǎo)通時一般工作在非飽和區(qū),這時要求VGS>VTN+VDS

,導(dǎo)通電阻RDS為幾百歐姆。(2)截止條件及截止時的特點(diǎn)截止條件:

VGS<VTN截止時的特點(diǎn):漏—源之間沒有形成導(dǎo)電溝道,呈高阻狀態(tài),阻值一般為109~1010Ω,MOS管截止。NMOS管開關(guān)近似直流等效電路VDDRDRDSDGS(幾百Ω)導(dǎo)通狀態(tài)VDDRDDGS截止?fàn)顟B(tài)(3)開關(guān)時間

MOS管本身的開關(guān)時間很小.組成開關(guān)電路時,由于管子間的寄生電容和布線電容的存在,加上MOS管的輸入、輸出阻抗較大,使輸入、輸出電路的充放電時間常數(shù)增加,影響了開關(guān)時間。2.2

分立元件門電路2.2.1

二極管門電路1.二極管與門&ABCF邏輯符號DADBDCROVCC(5V)ABCF原理圖假設(shè)：二極管為理想開關(guān)；輸入信號VIL=0V,VIH=3V.綜上所述:電路為二極管與門DADBDCROVCC(5V)ABCF分兩種情況分析：1)A、B、C三端輸入均為3V二極管DA、DB、DC均導(dǎo)通

F=3V3V3V3V3V2)A、B、C三端輸入有0V信號輸入時，如A、B為0V,C端輸入3V二極管DA、DB導(dǎo)通,DC截止

F=0V0V0V3V0V2.二極管或門≥1ABCF邏輯符號

3V3V3V0V0V0V0V0VDADBDCROVCC(-5V)ABCF原理圖假設(shè)：二極管為理想開關(guān)；輸入信號VIL=0V,VIH=3V。分兩種情況分析：A、B、C三端輸入均為0V，二極管DA、DB、DC均導(dǎo)通F=0V2)A、B、C三端輸入有3V信號輸入時，如A、B為3V,C端輸入0V，二極管DA、DB導(dǎo)通,DC

截止F=3V

2.2.2

三極管門電路1.非門工作原理(設(shè)三極管電流放大倍數(shù)β=30)Vi=0V,則三極管基極電位VB<0V,滿足截止條件VBE<0.5V,三極管截止,IC=0,VO=Vcc=3V,為高電平。RCR1ViVoVcc(3V)三極管非門電路1.5kΩR2VBB(-5V)10kΩ1kΩVB而三極管飽和時所需要的最小基極電流

IBS=ICS/β=(Vcc－VCE)/(RC·β)=(3－0.3)/(1×30)=0.09mA②Vi=3V，三極管飽和。因?yàn)轱柡蜁rVB=0.7V,基極電流

IB=(Vi－VB)/R1－(VB－VBB)/R2=(3－0.7)/1.5－(0.7－(－5))/10=0.96mARCR1ViVoVcc(3V)三極管非門電路1.5kΩR2VBB(-5V)10kΩ1kΩVB結(jié)論:由于IB>IBS所以,三極管飽和.輸出為低電平.VO=0.1~0.3VTTL電路分類:

中速TTL、高速TTL(HTTL)、肖特基TTL(STTL)、低功耗TTL(LTTL)、低功耗肖特基TTL(LSTTL)、先進(jìn)低功耗肖特基TTL(ALSTTL)等。

2.3

TTL門電路

三極管—三極管邏輯門電路(TTL),是指輸入端和輸出端都用三極管的電路,簡稱TTL電路,是雙極型數(shù)字集成電路。2.3.1

TTL與非門典型電路及其工作原理(1)電路組成電路分三個部分:輸入級、中間級、輸出級。①輸入級：R1、T1、D1、D2T1為多發(fā)射極晶體管ABbcebcABe1e2R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5輸入極中間極輸出極D3D1、D2

為鉗位二極管，起保護(hù)T1管的作用。②中間級:R2、T2、R3分相、放大作用③輸出級:R4、T4、T5、D3

輸出級特點(diǎn)：靜態(tài)功耗低，開關(guān)速度快，這種電路結(jié)構(gòu)稱為推拉式電路。(2)工作原理R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5輸入極中間極輸出極D3設(shè)輸入信號高低電平分別為ViH=3.4V;ViL=0.2VPN結(jié)正向?qū)妷簽?.7V;三極管電流放大倍數(shù)β=20。(一)輸入中有低電平T1管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通,T1管飽和。R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5D30.2V0.9V1mA0mA0.3V5V3.6V由于T2基極電壓僅為0.3V,故T2、T5均截止。T4、D3導(dǎo)通，輸出約為3.6V(5-0.7-0.7=3.6).輸出高電平1。(二)輸入均為高電平T1管處于倒置工作狀態(tài)(be結(jié)反偏,bc結(jié)正偏.);R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5D33.4V2.1V0.7mA0.78mA1.4V1V0.1V3.4V(40μA)(40μA)2.5mA0.7mA0.7V2.6mAT2管處于飽和工作狀態(tài);T4管處于截止工作狀態(tài);T5管處于飽和工作狀態(tài);F輸出為“0”。綜合上面兩種情況,該電路實(shí)現(xiàn)與非功能。F=AB2.3.2

TTL與非門的電壓傳輸特性電壓傳輸特性是指輸出電壓VO隨輸入電壓VI的變化規(guī)律。

VO=f(VI)1.特性曲線分析V0(V)VI(V)32100.511.5截止區(qū),T5管截止.線性區(qū),T5管截止,T4管處于放大區(qū)(射極跟隨輸出).轉(zhuǎn)折區(qū),T2、T5由放大進(jìn)入飽和,T4進(jìn)入截止.飽和區(qū),T5管飽和.VOHVOLVTH2.主要參數(shù)(1)輸出高電平VOH,

低電平VOL。(2)閾值電壓VTH:轉(zhuǎn)折區(qū)中間點(diǎn)對應(yīng)的輸入電壓,約為

1.4V。(3)輸入端噪聲容限

VNH、VNL1輸出0輸出1輸入1輸入VOHminVIHminVNHVILmanVOLmanVNLVOVI11VOVI2.3.3

TTL與非門的靜態(tài)輸入與輸出特性1.輸入特性1)輸入伏安特性(II=f(Vi))定義：電流流入T1的發(fā)射極方向?yàn)檎较颉?.51.01.5VI(V)II(mA)-0.5-1.0-1.5高電平輸入低電平輸入040μA2)反映出的主要參數(shù)(1)IIL(輸入低電平電流)(2)IIH(輸入高電平電流)IIH約在40μA以下。(作為前級門的拉電流負(fù)載.)(作為前級門的拉電流負(fù)載.)2.輸入端負(fù)載特性

在門輸入端和地之間接電阻Ri,當(dāng)電阻從0Ω逐步增加時，由于電阻內(nèi)部有電流流過,會使電阻兩端電壓Vi逐步增加。R14kΩViT1RiVCC當(dāng)T1管飽和導(dǎo)通時:Roff≈0.9kΩ,Ron≈3kΩ。Vi(V)Ri(kΩ)12012當(dāng)Ri小于R0ff時,輸入為低電平;當(dāng)Ri高于Ron時,輸入為高電平。3.輸出特性1拉電流拉電流負(fù)載0灌電流灌電流負(fù)載Vo(V)1.02.03.0051015-5-10-15I0(mA)拉電流情況灌電流情況&&1AB驅(qū)動門負(fù)載門Vo1)灌電流工作情況

驅(qū)動門輸出為低電平（T5管飽和，T4管截止）,負(fù)載門電流流入驅(qū)動門，流入驅(qū)動門的電流值IL取決于和驅(qū)動門相連接的負(fù)載門個數(shù),即IL=NIIL(IIL為負(fù)載門低電平輸入電流,約為1mA左右)Vo(V)1.02.03.0051015-5-10-15I0(mA)拉電流情況灌電流情況由曲線可見,對所分析的電路,當(dāng)灌電流不超過16mA時,VO不超過VOLmax=0.4V。稱帶灌電流負(fù)載能力IOLmax=16mA一個門在低電平時能驅(qū)動同類門的最大個數(shù)為:

NOL=IOLmax/IIS=16/1.1≈14(這里的IIS為輸入短路電流)2)拉電流工作情況

驅(qū)動門輸出為高電平（T5管截止）,負(fù)載門輸入電流由驅(qū)動門提供,流出驅(qū)動門的電流值IH取決于和驅(qū)動門相連接的負(fù)載門的管腳的個數(shù),即

Vo(V)1.02.03.0051015-5-10-15I0(mA)拉電流情況灌電流情況從曲線上看，當(dāng)IO大于5mA時，VO才開始出現(xiàn)下降趨勢，但決定IOHmax值的并不是VOHmax,而是器件的功耗。在上面討論的電路中,IOHmax約為400mA。NOH=IOHmax/IIH=400/40=10IH=NIIH(IIH為負(fù)載門高電平輸入電流,約為40μA左右)取min(NOL,NOH)=N

定義為扇出系數(shù)則

min(14,10)=102.3.4

TTL與非門的動態(tài)特性1.傳輸延遲時間tpd

傳輸延遲時間指門電路的輸出信號相對于輸入信號的延遲時間。定義:

tpd=12(tPHL+tPLH)050%50%VIVO0tPHLtPLH延遲時間導(dǎo)通截止一般

tPLH>tPHL2.電源的動態(tài)尖峰電流

TTL門電路的功耗等于電源電壓VCC和電源電流ICC的乘積,由于VCC=5V為定值,所以ICC的大小就能反映功耗的大小.對于上述電路,穩(wěn)態(tài)時,輸出為高電平時的電流ICCH≈1.1mA,輸出為低電平時的電流ICCL≈3.4mA。

在動態(tài)情況下,特別是當(dāng)輸出電平由低突然變?yōu)楦叩倪^渡過程中,在某個瞬間,會使門電路中的所有管子均導(dǎo)通,使電源電流出現(xiàn)尖峰脈沖.尖峰電流有時可達(dá)40mA。

電源的動態(tài)尖峰電流引起的后果:使電源的平均電流加大.而且,工作頻率越高,平均電流增加越多;2)電源的動態(tài)尖峰電流通過電源和地線的內(nèi)阻,形成系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲源。2.3.5

改進(jìn)型TTL門電路主要改進(jìn)1）傳輸延遲時間；2）功耗；3）轉(zhuǎn)換特性。TTL集成電路系列型號及性能表

系列標(biāo)準(zhǔn)系列低功耗肖特基系列肖特基系列先進(jìn)低功耗肖特基系列高速系列先進(jìn)肖特基系列快速系列低功耗系列型號舉例740074LS0074S0074ALS0074F0074AS0074H0074l00功耗/門P(mW)102191410221傳輸時延

tpd(ns)10

103431.5635時延功耗積

Ptpd(PJ)10020574121513235電源電壓VCC=5V

邏輯擺幅

3.5V2.3.6

其它類型的TTL門電路除與非門外,TTL電路產(chǎn)品中還有各種功能的門,如或非門、異或門等。這里介紹兩種具有不同輸入輸出結(jié)構(gòu)的TTL門,較為重要。1.集電極開路門(OC門)(以與非門為例說明)R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩR31kΩD2ABT1T2T5輸入極中間極輸出極&ABF邏輯符號OC門的特點(diǎn):1)實(shí)現(xiàn)線與功能&&VCCRABCDF=ABCD=AB+CD說明:①普通的TTL電路不能將輸出端連在一起,輸出端連在一起,可能使電路形成低阻通道,使電路因電流過大而燒毀;②由于OC門的集電極是開路的,要實(shí)現(xiàn)正常的邏輯功能,需外加上拉電阻。上拉電阻上拉電阻R的選?。簄:OC門輸出端并接的個數(shù)m:負(fù)載門的輸入端總數(shù)P:負(fù)載門的總數(shù)2)作電平轉(zhuǎn)換器

改變和上拉電阻相連的電源值，可改變輸出高電平的值。&ABF10V高電平輸出電壓為10VRL3)作驅(qū)動器

OC門能輸出較大的電壓和電流，可直接作為驅(qū)動器驅(qū)動發(fā)光二極管、脈沖變壓器等。OC門的缺點(diǎn)：工作速度慢。

原因：推拉式輸出結(jié)構(gòu)被破壞，使輸出端負(fù)載電容的充電要經(jīng)過RL。2.三態(tài)輸出門(TSL門)三態(tài)門(TSL門)的輸出有三個狀態(tài),即:

0,1和高阻,在使用中,由控制端(稱使能控制端)來控制電路的輸出狀態(tài)。R4R1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩDABT1T2T4T5D311PENABENFEN&當(dāng)EN=1時,P=1,二極管截止,電路等效為普通與非門。2)當(dāng)EN=0時,P=0,T4

和T5均截止,輸出高阻態(tài)。

三態(tài)門的基本用途為實(shí)現(xiàn)用一根導(dǎo)線輪流傳輸幾個不同的數(shù)據(jù)或控制信號,通常將接受多個門的輸出信號的線稱為總線。A1EN1FEN1A2EN2FEN1A3EN3FEN1總線單向總線結(jié)構(gòu)D1ENENEN11總線

D2雙向總線結(jié)構(gòu)注意：在總線結(jié)構(gòu)中，任一時刻僅允許一個門工作。2.4

ECL門電路(EmitterCoupledLogic)

ECL門電路是一種新型高速邏輯電路,內(nèi)部采用高速電流開關(guān)型電路,內(nèi)部放大器工作在放大區(qū)或截止區(qū),從根本上克服了因飽和而產(chǎn)生的存儲電荷對速度的影響。

ECL門電路是目前各類集成電路中速度最快的電路.2.4.1ECL門電路的工作原理1.ECL門的核心電路-VEE(-5V)Re500ΩRc2135ΩRc1120ΩViVR-1.2VVO1VO2T1T2ECL門的核心電路是電流開關(guān)電路.電流開關(guān)電路實(shí)際上是一個差分放大器。設(shè):VR=－1.2V;ViL=－1.6V;ViH=－0.8V;α=0.95-VEE(-5V)Re500ΩRc2135ΩRc1120ΩViVR-1.2VVO1VO2T1T2-1.6V-0.8V-0.8V0V-0.8V0V當(dāng)Vi=ViL時:

由于:VR=－1.2V

所以T2導(dǎo)通,T1截止.

Ve=VR－0.7=－1.9V

流過Re的電流為

Ie=[－1.9－(－5)]/0.5=6.2mA

該電流全部流過T2管的集電極,VO2為

VO2=－αIeRC2≈－0.8V

顯然,T2工作在放大區(qū).由于T1截止,所以

VO1=0V2)當(dāng)Vi=ViH時:由于VR=－1.2V,所以T1導(dǎo)通,T2截止,Ve=－0.8－0.7=－1.5V

-VEE(-5V)Re500ΩRc2135ΩRc1120ΩViVR-1.2VVO1VO2T1T2-1.6V-0.8V-0.8V0V-0.8V0V-VEE(-5V)Re500ΩRc2135ΩRc1120ΩViVR-1.2VVO1VO2T1T2-1.6V-0.8V-0.8V0V-0.8V0V

流過Re的電流為

Ie=[－1.9－(－5)]/0.5=7mA該電流全部流過T1管的集電極,VO1為

VO1=－αIeRC1≈－0.8V顯然,T1工作在放大區(qū).由于T2截止,所以

VO2=0V2.實(shí)用的ECL門電路-VEEReRc2Rc1BT1T2T3T4AR3R1R2VRT5R1.2R1.1T’1F2F1≥1F1F2ABF1=A+BF2=A+B

電路由電流開關(guān)、基準(zhǔn)電壓、射極跟隨器組成；

T4、T5兩管（構(gòu)成射極跟隨器）使輸入電壓和輸出電壓一致，同時使輸出負(fù)載能力提高；3)互補(bǔ)輸出，同時實(shí)現(xiàn)或和或非功能。2.4.2

ECL門電路的主要特點(diǎn)1.速度快開關(guān)管導(dǎo)通時工作在非飽和狀態(tài),消除了存儲電荷效應(yīng);2)邏輯擺幅小,縮短了寄生電容的充放電時間。2.帶負(fù)載能力強(qiáng)

輸入阻抗高輸出阻抗低。3.邏輯功能強(qiáng)

互補(bǔ)輸出。4.功耗大

功耗包括電流開關(guān)、射極跟隨器、參考電源。5.抗干擾能力差2.5

MOS門電路

MOS門電路具有制造工藝簡單、集成度高、功耗低、體積小、成品率高等優(yōu)點(diǎn)。特別適用于中、大規(guī)模集成電路的制造，是目前集成電路中的主打產(chǎn)品。2.5.1

NMOS門電路1.NMOS反相器1)T2管為負(fù)載管,始終導(dǎo)通,導(dǎo)通阻抗為T1管導(dǎo)通阻抗的10~100倍。2)T1管為驅(qū)動管,A為1時導(dǎo)通,輸出低電平,A為0時截止,輸出高電平。

VDDT2T1F=AA2.其它邏輯功能的NMOS門電路NMOS非門的等效電路為:AFVDDR1)與非門AFVDDRBVDDT3T1F=ABAT2B特點(diǎn):驅(qū)動管串聯(lián)2)或非門VDDT3T1F=ABAT2BAFVDDRB特點(diǎn):驅(qū)動管并聯(lián)。2)與或非門AFVDDRCBD*在MNOS門電路中,驅(qū)動管串聯(lián)的個數(shù)不能太多,否則將影響輸出邏輯的低電平值。2.5.2

CMOS門電路(ComplementarySymmetryMOS)1.CMOS反相器

和NMOS反相器一樣,CMOS反相器是CMOS邏輯電路中最基本的單元電路。圖中驅(qū)動管T1為NMOS管,負(fù)載管T2為PMOS管,為保證電路正常工作,電源電壓VDD大于兩管的開啟電壓的絕對值之和。VDDT2T1F=AASSGGDD當(dāng)A=0時,T1管截止，T2管導(dǎo)通，F(xiàn)