第四章-邏輯門電路-作業(yè)題(參考答案)

精選文檔精選文檔精選文檔第四章邏輯門電路（LogicGatesCircuits）1．知識要點CMOS邏輯電平和噪聲容限；CMOS邏輯反相器、與非門、或非門、非反相門、與或非門電路的結(jié)構(gòu)；CMOS邏輯電路的穩(wěn)態(tài)電氣特性：帶電阻性負(fù)載的電路特性、非理想輸入時的電路特性、負(fù)載效應(yīng)、不用的輸入端及等效的輸入/輸出電路模型；動態(tài)電氣特性：轉(zhuǎn)換時間、傳輸延遲、電流尖峰、扇出特性；特殊的輸入/輸出電路結(jié)構(gòu)：CMOS傳輸門、三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)、施密特觸發(fā)器輸入結(jié)構(gòu)、漏極開路輸出結(jié)構(gòu)。重點：1．CMOS邏輯門電路的結(jié)構(gòu)特點及與邏輯表達(dá)式的對應(yīng)關(guān)系；2．CMOS邏輯電平的定義和噪聲容限的計算；3．邏輯門電路扇出的定義及計算；4．邏輯門電路轉(zhuǎn)換時間、傳輸延遲的定義。難點：1．CMOS互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計；2．邏輯門電路對負(fù)載的驅(qū)動能力的計算。（1）PMOS和NMOS場效應(yīng)管的開關(guān)特性MOSFET管實際上由4部分組成：Gate，Source，Drain和Backgate，Source和Drain之間由Backgate連接，當(dāng)Gate對Backgate的電壓超過某個值時，Source和Drain之間的電介質(zhì)就會形成一個通道，使得兩者之間產(chǎn)生電流，從而導(dǎo)通管子，這個電壓值稱為閾值電壓。對PMOS管而言，閾值電壓是負(fù)值，而對NMOS管而言，閾值電壓是正值。也就是說，在邏輯電路中，NMOS管和PMOS管均可看做受控開關(guān)，對于高電平1，NMOS導(dǎo)通，PMOS截斷；對于低電平0，NMOS截斷，PMOS導(dǎo)通。（2）CMOS門電路的構(gòu)成規(guī)律每個CMOS門電路都由NMOS電路和PMOS電路兩部分組成，并且每個輸入都同時加到一個NMOS管和一個PMOS管的柵極（Gate）上。對正邏輯約定而言，NMOS管的串聯(lián)（SeriesConnection）可實現(xiàn)與操作（ImplementANDOperation），并聯(lián)（ParallelConnection）可實現(xiàn)或操作（ImplementOROperation）。PMOS電路與NMOS電路呈對偶關(guān)系，即當(dāng)NMOS管串聯(lián)時，其相應(yīng)的PMOS管一定是并聯(lián)的；而當(dāng)NMOS管并聯(lián)時，其相應(yīng)的PMOS管一定需要串聯(lián)?；具壿嬯P(guān)系體現(xiàn)在NMOS管的網(wǎng)絡(luò)上，由于NMOS網(wǎng)絡(luò)接地，輸出需要反相（取非）。（3）CMOS邏輯電路的穩(wěn)態(tài)電氣特性VOHmin 輸出為高電平時的最小輸出電壓VIHmin 能保證被識別為高電平時的最小輸入電壓VOLmax 能保證被識別為低電平時的最大輸入電壓VILmax 輸出為低電平時的最大輸出電壓不同邏輯種類對應(yīng)的參數(shù)值不同。輸入電壓主要由晶體管的開關(guān)門限電壓決定，而輸出電壓主要由晶體管的“導(dǎo)通”電阻決定。噪聲容限是指芯片在最壞輸出電壓情況下，多大的噪聲電平會使精選文檔精選文檔精選文檔為VOHminVIHmin。對于輸出是低電平的情況，噪聲容限為VILmaxVOLmax。輸出電流的定義如下。IOLmax：輸出低態(tài)且仍能維持輸出電壓不大于VOLmax時，輸出端能吸收的最大電流；IOHmax：輸出高態(tài)且仍能維持輸出電壓不小于VOHmin時，輸出端可提供的最大電流。（4）扇出邏輯門的扇出（fanout）是指該門電路在不超出其最壞情況負(fù)載規(guī)格的條件下能驅(qū)動的輸入端的個數(shù)。扇出不僅依賴于輸出端的特性，還依賴于它驅(qū)動的輸入端的特性。扇出的計算必須考慮輸出的兩種可能狀態(tài)：高電平狀態(tài)和低電平狀態(tài)。直流扇出能力的計算方法為：最大輸出電流/最大輸入電流。一個門電路的高電平扇出和低電平扇出不一定相等。通常，門電路的總扇出應(yīng)為高電平扇出和低電平扇出中的較小值。（5）CMOS電路的動態(tài)特性轉(zhuǎn)換時間可分為輸出上升時間tr和輸出下降時間tf，其值的大小和門的導(dǎo)通電阻與負(fù)載電容之積成正比。傳輸延遲時間tp指的是從輸入變化到輸出變化所需的時間。其值取決于器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與信號傳輸?shù)穆窂?；同一個器件，不同輸入/輸出間的傳輸延遲可能不同，由多種因素決定。（6）CMOS電路的功耗輸出不變時的CMOS電路功耗稱為靜態(tài)功耗。CMOS電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時消耗的電能稱為動態(tài)功耗，其來源是輸出端上的電容性負(fù)載CL，輸出從低到高轉(zhuǎn)換時，電流流過P溝道晶體管給負(fù)載充電，類似地，輸出從高到低轉(zhuǎn)換時，電流流過N溝道晶體管給負(fù)載放電，這兩種情況下晶體管導(dǎo)通的電阻都消耗功率。充電開始時電壓變化為VDD，結(jié)束時電壓變化很小，故平均電壓變化為VDD/2，則每次轉(zhuǎn)換消耗的電能為，若每秒鐘變化2f次，則由電容性負(fù)載引起的動態(tài)功耗為。2．Exercises4.1TheStubSeriesTerminaltedlowVoltage(SSTV)logicfamily,usedforSDRAMmodules,definesaLOWsignaltobeintherange0.0～0.7V,andaHIGHsignaltobeintherange1.7～2.5V.Underapositive-logicconvention,indicatethelogicvalueassociatedwitheachofthefollowingsignallevels:(a)0.0V (b)0.7V (c)1.7V (d)0.6V(e)1.6V (f)2.0V (g)2.5V (h)3.3V(a)0 (b)0 (c)1 (d)undefined(e)undefined (f)undefined (g)1 (h)undefined4.2Repeatexercise4.1usinganegative-logicconvention.(a)1 (b)1 (c)0 (d)undefined(e)undefined (f)undefined (g)0 (h)undefined4.3Trueorfalse:Foragivensetofinputvalues,aNANDgateproducestheoppositeoutputasaNORgate.Whenthetwoinputsaredifferent,itwillbeture.4.4Foragivensiliconarea,whichislikelytobefaster,aCMOSNANDgateoraCMOSNOR?精選文檔精選文檔精選文檔CMOSNANDwillbefasterthanCMOSNOR.4.5Whichhasfewertransistors,aCMOSinvertinggateoranoninvertinggate?CMOSinvertinggatehasfewertransistors.4.6Foreachofthefollowingresistiveloads,determinewhethertheoutputdrivespecificationsofthe74HC00overthecommercialoperatingrangeareexceeded(useV=0.33V，VOHmin=3.84VandVCC=5.0V).YoumaynotexceedIOLmax(4mA)orIOHmax(4mA)inanystate.(1)1.2ktoVCCand820toGND(2)470toVCCand470toGND74HC00VccVcc1.2k82074HC00VccVcc1.2k820VoVin1Vin2R1R2=5×820/(1200+820)≈2.03VIShort=Vcc/R1RThev=VThev/IShort=R1×R2/(R1+R2)=1200×820/(1200+820)≈487.13∵VOHmin=3.84V∴IOH=(VOHmin-VThev)/RThev≈3.7mA<IOHmax=4mA∵VOLmax=0.33V∴IOL=(VThev-VOLmax)/RThev≈3.5mA<IOLmax=4mA因此，沒有超出商用工作范圍，可以正常驅(qū)動負(fù)載。74HC00VccVcc270Ω330ΩVo74HC00VccVcc270Ω330ΩVoVin1Vin2R1R274HC00VccVcc470470VoVin1Vin2R1R2=5/2=2.5VIShort=Vcc/R1RThev=VThev/IShort=R1×R2/(R1+R2)=470/2=235∵VOHmin=3.84V∴IOH=(VOHmin-VThev)/RThev≈5.7mA>IOHmax=4mA∵VOLmax=0.33V∴IOL=(VThev-VOLmax)/RThev≈9.2mA>IOLmax=4mA因此，超出了商用工作范圍，不能驅(qū)動負(fù)載。4.7AparticularSchmitt-triggerinverterhas=0.8V,=2.0V,=1.7V,and=1.2V.Howmuchhysteresisdoesithave?Hysteresis=-=1.7-1.2=0.5V4.8Discusstheprosandconsoflargerversussmallerpull-upresistorsforopen-drainCMOSoutputs.較小的上拉電阻：優(yōu)點是輸出電平在上升時較快，使得其工作運行的速度較快；缺點是在輸出低電平時電源對地的電流較大，使得其功耗較大。精選文檔精選文檔精選文檔較大的上拉電阻：優(yōu)點是在輸出低電平時電源對地的電流較小，使得其功耗較??；缺點是輸出電平在上升時較慢，使得其工作運行的速度較慢。4.9Howmanydiodesarerequiredforann-inputdiodeANDgate?ndiodesarerequired.4.10ComputethemaximumfanoutforeachofthefollowingcasesofaTTLoutputdrivingmultipleTTLinputs.Alsoindicatehowmuch“excess”drivingcapabilityisavailableintheLOWorHIGHstateforeachcase.(RefertodatasheetsinAppendix)(1)74LSdriving74AS(2)74LSdriving74F(1)根據(jù)數(shù)據(jù)表，74LS的IOLmax=8mA，74AS的IILmax=-0.5mA∴Low-stateFan-Out=8/0.5=1674LS的IOHmax=-400μA，74AS的IIHmax=20μA∴High-stateFan-Out=400/20=20因此，總的最大扇出為16。高態(tài)剩余驅(qū)動能力=(20-16)×20=80μA(b)根據(jù)數(shù)據(jù)表，74LS的IOLmax=8mA，74F的IILmax=-0.6mA∴Low-stateFan-Out=8/0.6≈1374LS的IOHmax=-400μA，74F的IIHmax=20μA∴High-stateFan-Out=400/20=20因此，總的最大扇出為13。高態(tài)剩余驅(qū)動能力=(20-13)×20=140μA4.11ComputetheLOW-stateandHIGH-stateDCnoisemarginsforeachofthefollowingcasesofaTTL-compatibleCMOSoutputdrivingaTTLinput,orviceversa(1)74HCTdriving74LS (2)74ALSdriving74HCT(1)根據(jù)數(shù)據(jù)表，74HCT的VOHminT=3.84V，74LS的VIHmin=2.0V∴High-stateNoiseMargin:3.84–2.0=1.84V74HCT的VOLmaxT=0.33V，74LS的VILmax=0.8V∴Low-stateNoiseMargin:0.8–0.33=0.47V(2)根據(jù)數(shù)據(jù)表，74ALS的VOHmin=2.7V，74HCT的VIHmin=2.0V∴High-stateNoiseMargin:2.7–2.0=0.7V74ALS的VOLmax=0.5V，74HCT的VILmax=0.8V∴Low-stateNoiseMargin:0.8–0.5=0.3V4.12ComputethemaximumfanoutforeachofthefollowingcaseofaTTL-compatibleCMOSoutputdrivingmultipleinputsinaTTLlogicfamily.Alsoindicatehowmuch“excess”drivingcapabilityisavailableintheLOWorHIGHstateforeachcase.(RefertodatasheetsinAppendix)(1)74HCTdriving74LS (2)74AHCTdriving74S(1)根據(jù)數(shù)據(jù)表，74HCT的IOLmaxT=4mA，74LS的IILmax=-0.4mA精選文檔精選文檔精選文檔∴Low-stateFan-Out=4/0.4=1074HCT的IOHmaxT=-4mA，74LS的IIHmax=20μA∴High-stateFan-Out=4000/20=200因此，總的最大扇出為10。高態(tài)剩余(excess)驅(qū)動能力=(200-10)×20=3.8mA(2)根據(jù)數(shù)據(jù)表，74AHCT的IOLmaxT=8mA，74S的IILmax=-2.0mA∴Low-stateFan-Out=8/2=474AHCT的IOHmaxT=-8mA，74S的IIHmax=50μA∴High-stateFan-Out=8000/50=160因此，總的最大扇出為4。高態(tài)剩余(excess)驅(qū)動能力=(160-4)×50=7.8mAOptions4.13Drawacircuitdiagram,functiontable,andlogicsymbolforaCMOSgatewithtwoinputsAandBandanoutputZ,whereZ=1ifA=0andB=1,andZ=0otherwise(Hint:Onlysixtransistorsarerequired).Filloutthetruthtablefist:ABZ000011100110Getthelogicexpression:Z=A’·BThendrawthelogicdiagram:←Needs←Needssixtransistors←NeedseighttransistorsSo,drawit’scirciut