第3章集成門電路與觸發(fā)器zyz

集成門電路與觸發(fā)器第三章概述集成門電路和觸發(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)。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。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。概述本章知識要點:半導體器件的開關(guān)特性；邏輯門電路的功能、外部特性及使用方法；常用觸發(fā)器的功能、觸發(fā)方式與外部工作特性。數(shù)字集成電路的分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(又稱為MOS集成電路)

采用金屬-氧化物半導體場效應管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)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，但速度較慢。根據(jù)所采用的半導體器件進行分類雙極型集成電路又可進一步可分為：TTL(TransistorTransistorLogic)電路；TTL電路的“性能價格比”最佳，應用最廣泛ECL(EmitterCoupledLogic)電路；I2L(IntegratedInjectionLogic)電路根據(jù)所采用的半導體器件進行分類MOS集成電路又可進一步分為：PMOS(P-channelMetalOxideSemiconductor)NMOS(N-channelMetalOxideSemiconductor)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，而且綜合性能最好。根據(jù)所采用的半導體器件進行分類數(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。通常根據(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。根據(jù)集成電路規(guī)模的大小進行分類SSI(SmallScaleIntegration)

小規(guī)模集成電路:邏輯門數(shù)小于10門(或元件數(shù)小于100個)MSI(MediumScaleIntegration)

中規(guī)模集成電路:邏輯門數(shù)為10門～99門(或元件數(shù)100個～999個)；LSI(LargeScaleIntegration)

大規(guī)模集成電路:邏輯門數(shù)為100門～9999門(或元件數(shù)1000個～99999個)；VLSI(VeryLargeScaleIntegration)

超大規(guī)模集成電路邏輯門數(shù)大于10000門(或元件數(shù)大于100000個)根據(jù)集成電路規(guī)模的大小進行分類半導體器件的開關(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，其工作狀態(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，通常開關(guān)狀態(tài)變化的速度可高達每秒百萬次數(shù)量級甚至千萬次數(shù)量級因此，研究這些器件的開關(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。晶體二極管的開關(guān)特性數(shù)字電路中，二極管(diode)工作在開關(guān)狀態(tài)接通狀態(tài)阻抗很小，相當于短路（導通）斷開狀態(tài)阻抗很大，相當于開路（截止）二極管的開關(guān)特性表現(xiàn)在正向?qū)ê头聪蚪刂範顟B(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。PNVi+-+-指二極管在導通和截止兩種穩(wěn)定狀態(tài)下的特性靜態(tài)特性典型二極管的靜態(tài)特性曲線(又稱伏安特性曲線)正向特性：二極管在外加正向電壓

UF作用下，處于導通狀態(tài)。門檻電壓(UTH)：使二極管開始導通的正向電壓，有時又稱為導通電壓(一般鍺管約0.1V，硅管約0.5V)。正向靜態(tài)特性正向靜態(tài)特性伏安特性曲線正向電壓UF≤UTH

：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UF=UTH：管子開始導通，正向電流IF

開始上升；正向電壓UF

＞UTH(一般鍺管為0.3V，硅管為0.7V)：管子充分導通，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)。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；反向特性二極管在反向電壓UR作用下，處于截止狀態(tài)，類似于開關(guān)斷開反向電阻很大，反向電流IR

很小（將其稱為反向飽和電流，用IS

表示，通?？珊雎圆挥嫞┓聪螂妷涸谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化基本不引起反向電流的變化。反向靜態(tài)特性反向靜態(tài)特性伏安特性曲線反向電壓超過某個極限值時，將使反向電流IR突然猛增，致使二極管被擊穿反向電阻很大，反向電流IR

很小（將其稱為反向飽和電流，用IS

表示，通?？珊雎圆挥嫞┩ǔ⒃摲聪螂妷簶O限值稱為反向擊穿電壓UBR，一般不允許反向電壓超過此值。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)使用靜態(tài)特性

二極管開關(guān)電路及其等效電路DU0RR斷開R關(guān)閉(a)(b)導通(c)截止圖中忽略了二極管的正向壓降。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)換需要一定的時間反向恢復時間開通時間動態(tài)特性vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRitRLvii＋－D在o～t1期間，Vi

＝VF時，D導通電路中電流導通到截止的動態(tài)特性RLvii＋－DvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit當作用在二極管兩端的電壓由正向?qū)妷?/p>

UF

轉(zhuǎn)為反向截止電壓

UR

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。在t1

時，突然Vi

＝－VR時，電路中電流i=?導通到截止的動態(tài)特性vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit正向電流IF

變到一個很大的反向電流IR≈UR/R,IR

，并維持一段時間tsts后反向電流開始逐漸下降，經(jīng)過一段時間tt后下降到一個很小的數(shù)值0.1IR(接近反向飽和電流IS)，二極管進入反向截止狀態(tài)。在t1

時刻，輸入電壓由正向電壓VF

轉(zhuǎn)為反向電壓VR導通到截止的動態(tài)特性vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存儲時間渡越時間通常將二極管從導通轉(zhuǎn)為截止所需的時間稱為反向恢復時間

tre=ts+tt導通到截止的動態(tài)特性產(chǎn)生反向恢復的過程的原因－存儲電荷消散需要時間正向（飽和）電流愈大，電荷的濃度分布梯度愈大，存儲的電荷愈多，電荷消散所需的時間也愈長。導通到截止的動態(tài)特性二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄋ璧臅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，比VF小得多，故電路中的正向電流IF

VF/RL

。主要由外電路參數(shù)決定。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。二極管的開通時間與反向恢復時間相比很小，可以忽略不計。截止到導通的動態(tài)特性晶體三極管的開關(guān)特性晶體三極管（BJT）由集電結(jié)和發(fā)射結(jié)兩個PN結(jié)構(gòu)成。NPNc:集電極b:基極e:發(fā)射極集電結(jié)發(fā)射結(jié)根據(jù)兩個PN結(jié)的偏置極性，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。靜態(tài)特性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。靜態(tài)特性截止狀態(tài)

Ub＜0，兩個PN結(jié)均為反偏，Ib≈0，IC≈0,Uce≈Ucc。三極管呈現(xiàn)高阻抗，類似于開關(guān)斷開。放大狀態(tài)

Ub＞0，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，iC=βiB飽和狀態(tài)

Ub

＞0，兩個PN結(jié)均為正偏;ib≥IBS(基極臨界飽和電流)，ib≈Ucc/βRc;ic=Ics(集電極飽和電流)≈UCC/Rc;Vce≈0.3V

三極管呈現(xiàn)低阻抗，類似于開關(guān)接通在數(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”靜態(tài)特性三極管截止的等效電路三極管飽和的等效電路靜態(tài)特性晶體三極管在飽和與截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中具有的特性稱為三極管的動態(tài)特性。三極管的開關(guān)過程和二極管一樣，管子內(nèi)部也存在著電荷的建立與消失過程。因此，兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換也需要一定的時間才能完成。動態(tài)特性動態(tài)特性

tOttdtr0.1ICS0.9ICSICStstf-U1＋U2延遲時間td當輸入電壓ui由-U1

跳變到+U2時，三極管從截止到開始導通所需要的時間上升時間tr經(jīng)過延遲時間td后，ic不斷增大。ic上升到最大值的90%所需要的時間開通時間tON=td+tr

三極管從截止狀態(tài)到飽和狀態(tài)所需要的時間動態(tài)特性

tOttdtr0.1ICS0.9ICSICStstf-U1＋U2存儲時間ts當輸入電壓ui由+U2跳變到-U1時，集電極電流從Ics開始下降到0.9Ics所需要的時間下降時間tf集電極電流由0.9Ics降至0.1Ics所需的時間關(guān)閉時間三極管從飽和狀態(tài)到截止狀態(tài)所需要的時間tOFF=tS+tf開通時間ton和關(guān)閉時間toff是影響電路工作速度的主要因素。本章知識要點:半導體器件的開關(guān)特性；邏輯門電路的功能、外部特性及使用方法；常用觸發(fā)器的功能、觸發(fā)方式與外部工作特性。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。從實際應用的角度出發(fā)，主要介紹TTL集成邏輯門和CMOS集成邏輯門。邏輯門電路學習時應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。邏輯門電路簡單邏輯門電路二極管與門電路二極管與門電路與邏輯符號

VCC+(5V)

R

3kW

L

D1

D2

D3

A

B

C

VCC+(5V)

R

3kW

L

D1

D2

D3

A

B

C

0v

輸入輸出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHH0V5V5V

輸入輸出VAVBVCVL000000+5V00+5V000+5V+5V0+5V0+5V0+5V0+5V0+5V+5V00+5V+5V+5V+5V二極管與門電路

輸入輸出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHVCC+(5V)

R

3kW

L

D1

D2

D3

A

B

C

＋5v5V5V5V

輸入輸出ABCL00000010010001101000101011001111二極管與門電路二極管或門電路二極管或門電路或邏輯符號≥10V輸入輸出ABCL00000011010101111001101111011111輸入輸出ABCL000000110101011110011011110111110V0V0V二極管或門電路＋5V輸入輸出ABCL00000011010101111001101111011111輸入輸出ABCL000000110101011110011011110111110V5V5V二極管或門電路非門電路─反相器非邏輯符號反相器傳輸特性UQ（2.5v）UBUB0

vcc1輸入A輸出L01非邏輯真值表非門電路─BJT反相器UB1

0.3v0輸入A輸出L0110非邏輯真值表非門電路─BJT反相器TTL邏輯門輸入級

中間級

輸出級

TTL反相器的基本電路

Rb1

4kW

Rc2

1.6kW

Rc4

130W

T4

D

T2

T1

+

–

vI

T3

+

–

vO

負載

Re2

1KW

VCC(5V)

當輸入為低電平（I=0.3V）1.0V0.3VI低電平(0.3V)T1深飽和T2截止T4放大T3截止O高電平（3.6V）TTL反相器的工作原理O≈VCC－VBE4－VD

＝5－0.7－0.7=3.6V3.6V4.3V2.1V1.4V0.3VI全為高電平(3.6V)T1倒置放大T2飽和T4截止T3飽和O低電平0.3V）TTL反相器的工作原理當輸入為高電平（I=3.6V）多發(fā)射極

T1

e

e

e

e

b

b

c

c

TTL與非門任一輸入端為低電平時:T1的發(fā)射結(jié)正向偏置而導通，T2截止。輸出為高電平。

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

TTL與非門工作原理只有當全部輸入端為高電平時：T1將轉(zhuǎn)入倒置放大狀態(tài)，T2和T3均飽和，輸出為低電平。

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

IT1T2T4T3O輸入有低電平

(0.3V)深飽和截止放大截止高電平（3.6V）輸入全為高電平(3.6V)倒置使用的放大狀態(tài)飽和截止飽和低電平（0.3V）TTL與非門工作原理TTL與非門集成電路芯片輸出高電平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。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≤0.4VTTL與非門的技術(shù)參數(shù)輸出的高、低電壓開門電平VON

開門電平VON是指確保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的典型值為1.5V，VON的產(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。TTL與非門的技術(shù)參數(shù)關(guān)門電平VOFF

關(guān)門電平VOFF是指確保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)斷所允許的輸入低電平的最大值。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。TTL與非門的技術(shù)參數(shù)扇入系數(shù)Ni扇入系數(shù)Ni是指與非門允許的輸入端數(shù)目。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。扇出系數(shù)No扇出系數(shù)NO是指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，一般No≥8。扇入和扇出是反映門電路互連性能的指標。TTL與非門的技術(shù)參數(shù)扇出數(shù):則區(qū)分灌電流和拉電流灌電流是指負載電流IL從負載流入反相器。當負載門的個數(shù)增加時，總的灌電流IIL將增加,引起輸出低電壓VOL的升高。拉電流是指負載電流IL從反相器流入負載。當負載門的個數(shù)增多時，必將引起輸出高電壓的降低。TTL與非門的技術(shù)參數(shù)負載門驅(qū)動門0

VCC(5V)

Rb1

4kW

T1

IIL

T4

T3

Rc4

130W

D

“1”“0”IILIOL當負載門的個數(shù)增加時，總的灌電流IIL將增加,IC=IIL+IRc,則IC增加，對應的基極飽和電流IBS也增加，當Ib>IBS被破壞時，T3由飽和進入放大狀態(tài)，引起輸出低電壓VOL隨著T3的Uce的升高而升高。Vo<=0.4vTTL與非門的技術(shù)參數(shù)當負載門的個數(shù)增多時，必將引起輸出高電壓的降低。Vo>2.4v負載門驅(qū)動門1

VCC(5V)

Rb1

4kW

T1

IIH

T4

T3

Rc4

130W

D

“0”“1”IIHIOHTTL與非門的技術(shù)參數(shù)輸入短路電流IIS

當與非門的某一個輸入端接地而其余輸入端懸空時，流過接地輸入端的電流。在實際電路中，IIS是流入前級與非門的灌電流，它的大小將直接影響前級與非門的工作情況。輸入短路電流的產(chǎn)品規(guī)范值IiS≤1.6mA。輸入漏電流IIH某一輸入端接高電平，而其他輸入端接地時，流入高電平輸入端的電流一般IIH≤50μA。TTL與非門的技術(shù)參數(shù)傳輸延遲時間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。tPLH為門電路輸出由低電平轉(zhuǎn)換到高電平所經(jīng)歷的時間(從輸入波下沿中點到到輸出波上沿中點)tPHL為由高電平轉(zhuǎn)換到低電平所經(jīng)歷的時間(從輸入波上沿中點到到輸出波下沿中點)平均傳輸延遲時間tPd＝(tPLH＋tPHL)/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。TTL與非門的技術(shù)參數(shù)空載功耗P空載功耗是當與非門空載工作時所消耗的功率（電源總電流Icc和電源電壓Ucc的乘積）。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

，PON大于POFF

。平均功耗P=(PON+POFF)/2一般P＜50mW,如74H系列門電路平均功耗為22mW。TTL與非門的技術(shù)參數(shù)TTL或非門≥1AFBTTL或非門集成芯片7402引腳分配圖TTL與或非門A2&≥1A1B1B2FTTL與或非門集成芯片7451的引腳排列圖集電極開路門

(OpenCollectorGate)

實際應用中，可將兩個與非門的輸出直接對接就可實現(xiàn)與的功能，即“線與”。但是，前面所介紹的一般邏輯門輸出端不能對接。集電極開路門(OC門)

vOHvOLX

集電極開路門(OpenCollectorGate）是一種輸出端可以直接相互連接的特殊邏輯門，簡稱OC門。

OC門電路將一般TTL與非門電路的推拉式輸出級改為三極管集電極開路輸出。下圖給出了一個集電極開路與非門的電路結(jié)構(gòu)圖和邏輯符號。集電極開路門(OC門)

集電極開路門結(jié)構(gòu)

按此結(jié)構(gòu)，只要負載電阻RL和電源V’CC選擇恰當，便能既保證輸出的高電平符合要求，又能使流過T4的電流不至于過大。集電極開路門結(jié)構(gòu)集電極開路門結(jié)構(gòu)

注意！集電極開路與非門只有在外接負載電阻RL和電源V’CC后才能正常工作。

TTL

電路

TTL

電路

D

C

B

A

T1

T2

VCC

RP

L

A

B

C

D

&

)()(CDABL=

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

集電極開路門結(jié)構(gòu)集電極開路與非門在計算機中應用很廣泛，可以用它實現(xiàn)"線與"邏輯、電平轉(zhuǎn)換以及直接驅(qū)動發(fā)光二極管、干簧繼電器等。集電極開路門例如，下圖所示電路中，只要有一個門輸出為低電平，輸出F便為低電平；僅當兩個門的輸出均為高電平時，輸出F才為高電平。即F=F1F2=A1B1C1·A2B2C2集電極開路門該電路實現(xiàn)了兩個與非門輸出相“與”的邏輯功能。由于該“與”邏輯功能是由輸出端引線連接實現(xiàn)的，故稱為“線與”邏輯。三態(tài)輸出門(TS門)三態(tài)輸出門有三種輸出狀態(tài)輸出高電平、輸出低電平和高阻狀態(tài)前兩種狀態(tài)為工作狀態(tài)，后一種狀態(tài)為禁止狀態(tài)簡稱三態(tài)門(ThreestateGate)、TS門等。三態(tài)與非門(TSL)

三態(tài)輸出門結(jié)構(gòu)

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1與非門A

B

DENEN數(shù)據(jù)輸入端輸出端LAB10010111011100××高阻三態(tài)與非門真值表三態(tài)輸出門原理=AB三態(tài)與非門(TSL)

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1與非門A

B

DEN當EN=1時EN數(shù)據(jù)輸入端輸出端LAB10010111011100××高阻三態(tài)與非門真值表三態(tài)輸出門原理三態(tài)與非門(TSL)

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1與非門A

B

DEN當EN=0時1V三態(tài)與非門(TSL)

AB

EN

&

L

高電平使能==高阻狀態(tài)與非功能

ZL

ABLEN=0____EN=1三態(tài)輸出門原理三態(tài)與非門主要應用于總線傳送，它既可用于單向數(shù)據(jù)傳送，也可用于雙向數(shù)據(jù)傳送三態(tài)輸出門應用當某個三態(tài)門的控制端為1時，該邏輯門的輸入數(shù)據(jù)經(jīng)反相后送至總線。為了保證數(shù)據(jù)傳送的正確性，任意時刻，n個三態(tài)門的控制端只能有一個為1，其余均為0，即只允許一個數(shù)據(jù)端與總線接通，其余均斷開，以便實現(xiàn)n個數(shù)據(jù)的分時傳送。如下圖所示，用兩種不同控制輸入的三態(tài)門可構(gòu)成的雙向總線。三態(tài)輸出門應用EN=1時G1工作，G2處于高阻狀態(tài)，數(shù)據(jù)D1被取反后送至總線；

EN=0時

G2工作，G1處于高阻狀態(tài)，總線上的數(shù)據(jù)被取反后送到數(shù)據(jù)端D2。實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分時雙向傳送。CMOS集成邏輯門電路MOS型集成門電路的主要優(yōu)點制造工藝簡單、集成度高、功耗小、抗干擾能力強等主要缺點速度相對TTL電路較低。MOS門電路有三種類型使用P溝道管的PMOS電路；使用N溝道管的NMOS電路；同時使用PMOS管和NMOS管的CMOS電路。相比之下，CMOS電路性能更優(yōu)，是當前應用較普遍的邏輯電路之一MOS管作為開關(guān)元件，同樣是工作在截止或?qū)▋煞N狀態(tài)MOS管是電壓控制元件，主要由柵源電壓UGS決定其工作狀態(tài)。MOS管的開關(guān)特性由NMOS增強型管構(gòu)成的等效開關(guān)電路如下圖所示靜態(tài)特性當UGS＜開啟電壓UT時MOS管工作在截止區(qū)，漏源電流IDS基本為0，輸出電壓UDS≈UDD，MOS管處于“斷開”狀態(tài)

靜態(tài)特性當UGS＞開啟電壓UT時MOS管工作在導通區(qū)漏源電流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中，rDS為MOS管導通時的漏源電阻。輸出電壓UDS=UDD·rDS/(RD+rDS),若rDS＜＜RD，則UDS≈0V，MOS管處于“接通”狀態(tài)靜態(tài)特性動態(tài)特性MOS管本身導通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的動態(tài)特性主要取決于電路中雜散電容充、放電所需的時間動態(tài)特性當電壓Ui由高變低，MOS管由導通轉(zhuǎn)換為截止時，電源UDD通過RD向雜散電容CL充電，充電時間常數(shù)τ1=RDCL當電壓Ui由低變高，MOS管由截止轉(zhuǎn)換為導通時，雜散電容CL上的電荷通過rDS進行放電，其放電時間常數(shù)τ2≈rDSCL。因為rDS比RD小得多，因此，由截止到導通的轉(zhuǎn)換時間比由導通到截止的轉(zhuǎn)換時間要短由于MOS管導通時的漏源電阻rDS比晶體三極管的飽和電阻rCES要大得多，漏極外接電阻RD也比晶體管集電極電阻RC大，所以，MOS管的充、放電時間較長，使MOS管的開關(guān)速度比晶體三極管的開關(guān)速度低。動態(tài)特性為了提高MOS器件的工作速度，引入了CMOS電路。在CMOS電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電路，因此，其充、放電過程都比較快，從而使CMOS電路有較高的開關(guān)速度。CMOS電路gdsgds(a)NMOS(b)PMOS高電平“1”(positiveVGS)使NMOS導通PMOS截止低電平“0”(negativeVGS)使NMOS截止PMOS導通VIN=0TP

導通TN截止VO=1VIN=1TP截止TN導通VO=0VOUT=VINgdsgsVINVOUTVDDTNTPCMOS反相器CMOS反相器電路正常工作條件VDD大于TN管開啟電壓VTN和TP管開啟電壓VTP的絕對值之和

VDD＞VTN+|VTP|。gdsgsVINVOUTVDDTNTPVOUTVDD0VINCMOS反相器gdsgsVINVOUTVDDTNTPVIN＞VTNTN開始導通輸出電壓VOUT開始下降VIN≈VDD/2TN，TP飽和導通輸出電壓VOUT急劇下降VIN＜VTNTN截止，TP導通輸出VOUT≈VDDVIN＞VDD/2輸出電壓VOUT變小VIN＞

VDD－|VTP|TN導通，TP截止輸出電壓VOUT≈0Vi=0TN截止，TP導通VOUT≈VDD為高電平Vi=VDDTN導通，TP截止VOUT≈0V實現(xiàn)了"非"的邏輯功能。gdsgsVINVOUTVDDTNTPCMOS反相器

注意！

CMOS反相器除有較好的動態(tài)特性外，由于它處在開關(guān)狀態(tài)下總有一個管子處于截止狀態(tài)，因而電流極小，電路靜態(tài)功耗很低(μW數(shù)量級)。A=1,B=1TP1&TP2

截止TN1&TN2

導通VO=0A=0(B=O)TN1(TN2)截止TP1(TP2)導通VO=1ssgAVOUTVDDTN2gBTN1TP2TP1VOUT=ABCMOS與非門A=0,B=0TN1&TN2

截止TP1&TN2

導通VO=1A=1(B=1)TP1(TP2)截止TN1(TN2)導通VO=0VOUT=A+BssgAVOUTVDDTP1gBTP2TN1TN2CMOS或非門CMOS三態(tài)門低電平使能控制的三態(tài)非門該電路是在CMOS反相器的基礎(chǔ)上增加NMOS管TN’

和PMOS管TP’構(gòu)成的。EN=0TN’和TP’同時截止輸出F呈高阻狀態(tài)EN=1TN’和TP’同時導通非門正常工作，實現(xiàn)非門的功能。CMOS三態(tài)門也可用于總線傳輸。110001CMOS傳輸門兩管的柵極分別與一對互補的控制信號C和C’相接。TN

和TP

的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對稱CMOS傳輸門GATE(柵極)DRAIN(漏極)SOURCE(源極)gdsNPPCurrentchannelP-Njunction(depletionregion)CMOS傳輸門MOS管的結(jié)構(gòu)是對稱的，源極和漏極可以互換使用因此，傳輸門的輸入端和輸出端可以互換使用即MOS傳輸門具有雙向性，故又稱為可控雙向開關(guān)

前面討論各種邏輯門電路的邏輯功能時，約定用高電平表示邏輯1、低電平表示邏輯0。事實上，既可以規(guī)定用高電平表示邏輯1、低電平表示邏輯0，也可以規(guī)定用高電平表示邏輯0，低電平表示邏輯1。這就引出了正邏輯和負邏輯的概念。

正邏輯：用高電平表示邏輯1，低電平表示邏輯0。

負邏輯：用高電平表示邏輯0，低電平表示邏輯1。正邏輯和負邏輯

對于同一電路，可以采用正邏輯，也可以采用負邏輯。正邏輯與負邏輯的規(guī)定不涉及邏輯電路本身的結(jié)構(gòu)與性能好壞，但不同的規(guī)定可使同一電路具有不同的邏輯功能。正邏輯和負邏輯的關(guān)系

例如，假定某邏輯門電路的輸入、輸出電平關(guān)系如下表所示。正邏輯和負邏輯的關(guān)系

輸入輸出電平關(guān)系輸入輸出ABFLHLLLLLLHHHH

按正邏輯與負邏輯的規(guī)定，電路的邏輯功能分別如何？

正邏輯和負邏輯的關(guān)系

輸入輸出電平關(guān)系輸入輸出ABFLHLLLLLLHHHH

正邏輯真值表輸入輸出ABF010000001111

負邏輯真值表輸入輸出ABF101111110000電路是一個正邏輯的“與”門，負邏輯的“或”門。

即正邏輯與門等價于負邏輯或門。

上述邏輯關(guān)系可以用反演律證明。假定一個正邏輯與門的輸出為F，輸入為A、B，則有F=A﹒B正邏輯和負邏輯的關(guān)系根據(jù)反演律，可得可見，若將一個邏輯門的輸出和所有輸入都反相，則正邏輯變?yōu)樨撨壿嫛?jù)此，可將正邏輯門轉(zhuǎn)換為負邏輯門。正邏輯和負邏輯的關(guān)系

前面討論各種邏輯門電路時，都是按照正邏輯規(guī)定來定義其邏輯功能的。在本課程中，若無特殊說明，約定按正邏輯討論問題，所有門電路的符號均按正邏輯表示。本章知識要點:半導體器件的開關(guān)特性；邏輯門電路的功能、外部特性及使用方法；常用觸發(fā)器的功能、觸發(fā)方式與外部工作特性觸發(fā)器(flip-flop)是一種具有記憶功能的電子器件，能用來存儲一位二進制信息在數(shù)字系統(tǒng)中，為了構(gòu)造實現(xiàn)各種功能的邏輯電路，除了需要實現(xiàn)邏輯運算的邏輯門之外，還需要有能夠保存信息的邏輯器件。集成觸發(fā)器的種類很多，分類方法也各不相同，但就其結(jié)構(gòu)而言，都是由邏輯門加上適當?shù)姆答伨€耦合而成。本節(jié)將從實際應用出發(fā)，介紹幾種最常用的集成觸發(fā)器，重點掌握它們的外部工作特性。有兩個穩(wěn)定狀態(tài)”1”和”0”Q=1（=0）為“1”狀態(tài)Q=0（=1）為“0”狀態(tài)觸發(fā)器結(jié)構(gòu)有兩個互補的輸出端Q和QQQRSQ&&Q觸發(fā)器狀態(tài)有兩個穩(wěn)定狀態(tài)”1”和”0”當輸入信號不發(fā)生變化時，觸發(fā)器狀態(tài)穩(wěn)定不變。在一定輸入信號作用下，觸發(fā)器可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)態(tài)(presentstate)輸入信號作用前的狀態(tài)，記作Qn

和Qn

一般簡記為Q和Q

次態(tài)(nextstate)輸入信號作用后的狀態(tài)，記作Q(n+1)和Qn+1

次態(tài)是現(xiàn)態(tài)和輸入的函數(shù)觸發(fā)器狀態(tài)基本R-S觸發(fā)器基本R-S觸發(fā)器是直接復位置位觸發(fā)器的簡稱，由于它是構(gòu)成各種功能觸發(fā)器的基本部件，故稱為基本R-S觸發(fā)器。RSQ&&用與非門構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器R稱為置0端或者復位端S稱為置1端或置位端QRSQQ01110110R=1,S=1PresentstateOutputnextstate&a&bQR=1,S=110111001PresentstateOutputnextstate&a&bQR=0,S=111001010OutputnextstatePresentstate&a&bQR=0,S=101111010OutputnextstatePresentstate&a&bQR=1,S=010101011OutputnextstatePresentstate&a&bQ00110101PresentstateR=1,S=0Outputnextstate&a&bQR=0,S=00011PresentstateOutputnextstate&a&bQ工作原理RSQ&&Q00R=0,S=011R=1,S=1111100RSQG1G2TG1>TG2Outputnextstate1&G1&G2Q00R=0,S=011R=1,S=1111100RSQG1G2TG1<TG2Outputnextstate1&G1&G2Q00R=0,S=011R=1,S=1111100RSQG1G2TG1=TG2Nostableoutput,Oscillate0011110000&G1&G2Q與非門構(gòu)成的R-S觸發(fā)器的邏輯功能描述如下RSQ(n+1)功能說明00011011d01Q不定置0置1不變基本R-S觸發(fā)器功能表表中“d”表示觸發(fā)器次態(tài)不確定該表又稱為次態(tài)真值表。功能表現(xiàn)態(tài)Q01次態(tài)Qn＋1狀態(tài)表狀態(tài)表反映了觸發(fā)器在輸入作用下現(xiàn)態(tài)和次態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系RSQ(n+1)功能說明00011011d01Q不定置0置1不變基本R-S觸發(fā)器功能表RS＝00ddRS＝0100RS＝1101RS＝1011狀態(tài)圖狀態(tài)圖是一種反映觸發(fā)器兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移關(guān)系的有向圖。01RS=10RS=01RS=01RSQ(n+1)功能說明00011011d01Q不定置0置1不變

RS=11RS=10RS=11狀態(tài)圖狀態(tài)圖是一種反映觸發(fā)器兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移關(guān)系的有向圖。01RS=10RS=01RS=10,11RS=01,11若把觸發(fā)器次態(tài)Q(n+1)表示成現(xiàn)態(tài)Q和輸入RS的函數(shù)次態(tài)方程RSQ(n+1)功能說明00011011d01Q不定置0置1不變

000111100101236745RSQ11dd10000111101010101dd001101RSQnQn+100110011若把觸發(fā)器次態(tài)Q(n+1)表示成現(xiàn)態(tài)Q和輸入RS的函數(shù)次態(tài)方程RSQ(n+1)功能說明00011011d01Q不定置0置1不變

000111100101236745RSQ11dd1Qn+1=S+RQR+S=1(limitation)激勵表觸發(fā)器的激勵表反應了觸發(fā)器從現(xiàn)態(tài)Q轉(zhuǎn)移到某種次態(tài)Qn+1時，對輸入信號的要求RSQ(n+1)功能說明00011011d01Q不定置0置1不變次態(tài)真值表0011d101101dQn

Qn+1RS0101與非門構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器注意：當與非門構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器的同一輸入端連續(xù)出現(xiàn)多個負脈沖信號時，僅第一個使觸發(fā)器狀態(tài)發(fā)生改變。這一性質(zhì)可以用來消除毛刺。SRQ150v05v1kΩkR5v1kΩk5v1kΩSRSQQv0VSVRQK由R到SK由S到R用或非門構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器SRQ≥1≥1QRSQQ工作原理SRQ≥1≥1QRSQ(n+1)功能說明00011011Q10d不變置1置0不定

基本R-S觸發(fā)器功能表功能表01RS=01RS=10RS=00,01RS=00,10現(xiàn)態(tài)Q01次態(tài)Qn＋1RS＝0001RS＝0111RS＝11ddRS＝1000激勵表觸發(fā)器的激勵表反應了觸發(fā)器從現(xiàn)態(tài)Q轉(zhuǎn)移到某種次態(tài)Qn+1時，對輸入信號的要求0011d010010dQn

Qn+1RS0101000111100101236745RSQ1101ddQn+1=S+RQRS=0(limitation)基本R-S觸發(fā)器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單它不僅可作為記憶元件獨立使用，而且由于它具有直接復位、置位功能，因而被作為各種性能完善的觸發(fā)器的基本組成部分但由于R、S之間的約束關(guān)系，以及不能進行定時控制，使它的使用受到一定限制時鐘控制觸發(fā)器具有時鐘脈沖控制的觸發(fā)器稱為“時鐘控制觸發(fā)器(clockedflip-flop)”或者“定時觸發(fā)器”時鐘脈沖控制觸發(fā)器的工作特點：由時鐘脈沖確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時刻(即何時轉(zhuǎn)換)由輸入信號確定觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方向(即如何轉(zhuǎn)換)時鐘控制R-S觸發(fā)器邏輯圖和邏輯符號R’S’QRSCP&&&&QRSQCQR-SNANDLatchR=1,S=1Qn+1=Q;R=1,S=0Qn+1=1;R=0,S=1Qn+1=0;R=0,S=0R’S’QQRSCP&&&&RSQQ&&CP=1R=0,S=0Qn+1=Q;R=0,S=1Qn+1=1;R=1,S=0Qn+1=0;R=1,S=1不允許;CP=0Qn+1=Q;Qn+1’=Q’;邏輯功能描述R’S’QRSCP&&&&Q功能表與激勵表RSQ(n+1)功能說明00011011Q10d不變置1置0不定時鐘R-S觸發(fā)器功能表0011d010010dQn

Qn+1RS0101現(xiàn)態(tài)Q01次態(tài)Qn＋1RS＝0001RS＝0111RS＝11ddRS＝1000狀態(tài)表與狀態(tài)圖現(xiàn)態(tài)Q01次態(tài)Qn＋1RS＝0001RS＝0111RS＝11ddRS＝1000000111100101236745RSQ111dd01RS=01RS=10RS=00,01RS=00,10000111100101236745RSQ111dd現(xiàn)態(tài)Q01次態(tài)Qn＋1RS＝0001RS＝0111RS＝11ddRS＝1000Qn+1=S+RQR?S=0(limitation)RS=00,remainsameRS=01/10,Qn+1=SRS=11,indeterminateD觸發(fā)器為了解決時鐘控制R-S觸發(fā)器在輸入端R、S同時為1時狀態(tài)不確定的問題，可對時鐘控制R-S觸發(fā)器的控制電路稍加修改形成了只有一個輸入端的D觸發(fā)器。R’S’QRSCP&&&&QCPR’S’QDD’&&&&Q邏輯圖和邏輯符號DQCQCPR’S’QDD’&&&&Q(S)(R)S=R’,Qn+1=S=DRS=00,remainsameRS=01/10,Qn+1=SRS=11,indeterminate邏輯功能描述R’S’QRSCP&&&&QCPR’S’QDD’&&&&QCP=1D=0Qn+1=0;

D=1Qn+1=1;

CP=0Qn+1=Q;邏輯功能描述CPR’S’QDD’&&&&Q功能表與激勵表DQ(n+1)功能說明01D觸發(fā)器功能表01置0置100110101Qn

Qn+1D0101現(xiàn)態(tài)Q01次態(tài)Qn＋1D=000D=11101D=1D=0D=1D=0次態(tài)方程Qn+1=DCPR’S’QDD’&&&&Q鐘控JK觸發(fā)器邏輯圖和邏輯符號R’S’QKJCP&&&&QKJQCQ邏輯功能描述CP=1J=0,K=0Qn+1=Q;Qn+1=Q;0011R’S’QKJCP&&&&QR=1,S=1Qn+1=SQ=Q;Qn+1=RQ=Q;邏輯功能描述CP=1J=1,K=0,Q=1Qn+1=1;Qn+1=0;01111010R’S’QKJCP&&&&QR=1,S=1Qn+1=SQ=Q;Qn+1=RQ=Q;邏輯功能描述01100110CP=1J=1,K=0,Q=0Qn+1=1;Qn+1=0;

R’S’QKJCP&&&&QR=1,S=0Qn+1=1;Qn+1=0;0101CP=1J=1,K=0Qn+1=1;Qn+1=0;

R’S’QKJCP&&&&邏輯功能描述Q1001CP=1J=0,K=1Qn+1=0;Qn+1=1;

R’S’QKJCP&&&&邏輯功能描述Q邏輯功能描述R=0,S=1Qn+1=0;Qn+1=1;CP=1J=1,K=1,Q=1Qn+1=1;Qn+1=0;11011001R’S’QKJCP&&&&Q邏輯功能描述R=1,S=0Qn+1=1;Qn+1=0;CP=1J=1,K=1,Q=0Qn+1=1;Qn+1=0;11100101QR’S’QKJCP&&&&11Qn’QnCP=1J=1,K=1Qn+1=Q;Qn+1=Q;

R’S’QKJCP&&&&邏輯功能描述QCP=1J=0,K=0Qn+1=Q;J=0,K=1Qn+1=0;J=1,K=0Qn+1=1;J=1,K=1Qn+1=Q;CP=0Qn+1=Q;Qn+1=Q;邏輯功能描述功能表與激勵表JKQ(n+1)功能說明00011011Q01Q不變置0置1翻轉(zhuǎn)時鐘J-K觸發(fā)器功能表001101dddd10Qn

Qn+1JK0101狀態(tài)表與狀態(tài)圖現(xiàn)態(tài)Q01次態(tài)Qn＋1JK＝0001JK＝0100JK＝1110JK＝101101JK=10,11JK=01,1100,1000,01次態(tài)方程000111100101236745JKQ1111現(xiàn)態(tài)Q01次態(tài)Qn＋1JK＝0001JK＝0100JK＝1110JK＝1011Qn+1=JQ+KQJK=00,remainsameJK=01/10,Qn+1=JJK=11,toggle鐘控T觸發(fā)器R’S’QTCP&&&&邏輯圖和邏輯符號QTQCQCP=1T=1Qn+1=Q;Qn+1=Q;T=0Qn+1=Q;Qn+1=Q;CP=0Qn+1=Q;Qn+1=Q;R’S’QTCP&&&&邏輯功能描述Q功能表與激勵表TQ(n+1)功能說明01T觸發(fā)器功能表QQ不變翻轉(zhuǎn)00110110Qn

Qn+1T0101狀態(tài)表與狀態(tài)圖現(xiàn)態(tài)Q01次態(tài)Qn＋1T=001T=11001T=1T=1T=0T=0Qn+1=TQ+TQ=T⊕Q

T=0,remainsameT=1,toggle次態(tài)方程R’S’QTCP&&&&Q時鐘控制觸發(fā)器電位控制觸發(fā)器觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移被控制在一個約定的時間間隔內(nèi)，而不是控制在某一時刻。CP=0，觸發(fā)器保持狀態(tài)不變CP=1，觸發(fā)器在輸入信號作用下發(fā)生狀態(tài)變化存在空翻的問題CLKDQ“空翻”同一個時鐘脈沖作用期間觸發(fā)器狀態(tài)發(fā)生兩次或兩次以上變化的現(xiàn)象“空翻”原因在時鐘脈沖作用期間，輸入信號直接控制著觸發(fā)器狀態(tài)的變化CP為1時，輸入信號發(fā)生變化，觸發(fā)器狀態(tài)會跟著變化時鐘寬度控制不夠CP為1時間過長，輸入的多次變化得到完全響應，使得一個時鐘脈沖作用期間觸發(fā)器多次翻轉(zhuǎn)

“空翻”將造成狀態(tài)的不確定和系統(tǒng)工作的混亂，這是不允許的。時鐘控制觸發(fā)器CLKJKQ主從鐘控觸發(fā)器

master-slave

flip-flop主從觸發(fā)器可以看作是兩個簡單觸發(fā)器串聯(lián)而成。主從R-S觸發(fā)器&&SRG5G6&&G7G8CPmasterslave&&QG1G2&&G3G4MQQMQSDRD1G9&&SRG5G6&&G7G8CPmasterslave&&QG1G2&&G3G4MQQMQSDRD1G9主從R-S觸發(fā)器output從觸發(fā)器的輸入主從觸發(fā)器的時鐘反相1G9&&SRG5G6&&G7G8CPmasterslave&&QG1G2&&G3G4MQQMQSDRD1G9主從R-S觸發(fā)器直接置1端直接置0端ISIR&&SRG5G6&&G7G8CPmasterslave&&QG1G2&&G3G4MQQMQS