第2章逻辑门电路.ppt

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1、第2章 逻辑门电路,逻辑门：完成一些基本逻辑功能的电子电路。现使用的 主要为集成逻辑门。,首先介绍晶体管的开关特性,着重讨论的TTL和CMOS门电路的 逻辑功能和电气特性,简要介绍其他类型的双极型和MOS门电路,2.1 晶体管的开关特性,在数字电路中,常将半导体二极管,三极管和场效应管作 为开关元件使用。,理想开关: 接通时阻抗为零;断开时阻抗为无穷大; 两状态之间的转换时间为零。,实际半导体开关: 导通时具有一定的内阻;截止时有一定 的反向电流;两状态之间的转换需要时间。,2.1.1 半导体二极管的开关特性,下面以硅二极管为例,(1) 导通条件及导通时的特点,(2) 截止条件及截止时的特点,

2、(3) 开关时间, 开启时间: 由反向截止转换为正向导通所需要的时间. 二极管的开启时间很小,可忽略不计。,关断时间: 由正向导通转换为反向截止所需要的时间。 二极管的关断时间大约几纳秒。,(1) 饱和导通条件及饱和时的特点,饱和导通条件:,饱和导通时的特点:,VBE0.7V VCE=VCES=0.10.3V,发射极和集电极之间如同闭合的开关,2.1.2 半导体三极管的开关特性,(2) 截止条件及截止时的特点,截止条件: VBE0.5V (硅三极管发射结导通电压),截止时的特点: 发射结和集电结均为反向偏置,IBIC0, 发射极和集电极之间如同断开的开关。,三极管开关的近 似直流等效电路,(3

3、) 开关时间,开启时间ton : 三极管由截止到饱和所需要的时间, 纳秒(ns)级。,关断时间toff : 三极管饱和由到截止所需要的时间, 纳秒(ns)级, toff ton 。,toff的大小与工作时三极管饱和导通的深度有关,饱和程度越深, toff 越长,反之则越短。,2.1.3 MOS管的开关特性,MOS管的三个工作区： 截止区；非饱和区；饱和区。,MOS管作开关使用时，通常工作在截止区和非饱和区。,数字集成电路中常用的MOS管为P沟道增强型和N沟道增强型。,NMOS 管开关 电路,(1) 导通条件及导通时的特点(以NMOS管为例),导通条件: VGS VTN (VTN为NMOS管的开

4、启电压),导通时的特点: 在开关电路中,MOS管导通时一般工作在非饱和区,这时要求VGS VTN +VDS ,导通电阻RDS为几百欧姆。,(2) 截止条件及截止时的特点,截止条件: VGS VTN,截止时的特点: 漏源之间没有形成导电沟道,呈高阻状态,阻值一般为1091010,MOS管截止。,NMOS管开关近 似直流等效电路,(3) 开关时间,MOS管本身的开关时间很小.组成开关电路时,由于管子间的寄生电容和布线电容的存在,加上MOS管的输入、输出阻抗较大,使输入、输出电路的充放电时间常数增加,影响了开关时间。,2.2 分立元件门电路,2.2.1 二极管门电路,1. 二极管与门,假设：二极管为

5、理想开关； 输入信号VIL=0V,VIH=3V.,综上所述:电路为二极管与门,分两种情况分析：,1) A、B、C三端输入均为3V,二极管DA、DB、DC均导通 F=3V,2) A、B、C三端输入有0V信号输入时，如A、B为0V, C端输入3V,二极管DA、DB导通,DC截止 F=0V,2. 二极管或门,假设：二极管为理想开关； 输入信号VIL=0V,VIH=3V。,分两种情况分析：,A、B、C三端输入 均为0V，二极管DA、DB、DC均导通 F=0V,2) A、B、C三端输入有 3V信号输入时，如A、B为3V, C端输入0V， 二极管DA、DB导通,DC 截止 F=3V,2.2.2 三极管门电

6、路,1. 非门,工作原理(设三极管电流放大倍数=30),Vi=0V,则三极管基极电位VB0V,满足截止条件VBE0.5V, 三极管截止,IC=0, VO=Vcc=3V, 为高电平。,而三极管饱和时所需要的最小基极电流 IBS=ICS/=(VccVCE)/(RC ) =(3 0.3)/(130)=0.09mA, Vi=3V，三极管饱和。因为饱和时VB=0.7V,基极电流 IB=(ViVB)/R1(VB VBB)/R2 =(3 0.7)/1.5 (0.7 (5)/10 =0.96mA,结论: 由于 IBIBS所以,三 极管饱和.输出为低电平. VO=0.10.3V,TTL电路分类: 中速TTL、高

7、速TTL(HTTL)、肖特基TTL(STTL)、低功耗TTL(LTTL) 、低功耗肖特基TTL(LSTTL) 、先进低功耗肖特基TTL(ALSTTL)等。,2.3 TTL门电路,三极管三极管逻辑门电路(TTL),是指输入端和输出端都用三极管的电路,简称TTL电路,是双极型数字集成电路。,2.3.1 TTL与非门典型电路及其工作原理,(1) 电路组成,电路分三个部分: 输入级、中间级、输出级。, 输入级：R1、T1、D1、D2,T1为多发射极晶体管,D1、D2 为钳位二极管，起保护T1管的作用。, 中间级: R2、T2、R3,分相、放大作用, 输出级: R4、T4、T5、D3,输出级特点： 静态

8、功耗低，开关速 度快，这种电路结构 称为推拉式电路。,(2) 工作原理,设输入信号高低电平分别为 ViH=3.4V; ViL=0.2V,PN结正向导通电压为0.7V;,三极管电流放大倍数=20。,(一) 输入中有低电平,T1管发射结导通,T1管饱和。,由于T2基极电压仅为0.3V ,故T2、 T5均截止。,T4、D3导通，输出约为3.6V(5-0.7-0.7=3.6). 输出高电平1。,(二) 输入均为高电平,T1管处于倒置工作状态 (be结反偏,bc结正偏.);,T2管处于饱和工作状态;,T4管处于截止工作状态;,T5管处于饱和工作状态;,F输出为“0”。,2.3.2 TTL与非门的电压传输

9、特性,电压传输特性是指输出电压VO随输入电压VI的变化规律。 VO=f(VI),1. 特性曲线分析,截止区,T5管截止.,线性区,T5管截止,T4管 处于放大区 (射极跟随输出).,转折区,T2、T5由放大 进入饱和,T4进入截止.,饱和区,T5管饱和.,VOH,VOL,VTH,2. 主要参数,(1)输出高电平VOH, 低电平VOL。,(2)阈值电压VTH:转折区中间点对应的输入电压,约为 1.4V。,(3) 输入端噪声容限 VNH、VNL,2.3.3 TTL与非门的静态输入与输出特性,1. 输入特性,1)输入伏安特性( II=f(Vi) ),定义：电流流入T1的发射极 方向为正方向。,2)反

10、映出的主要参数,(1) IIL (输入低电平电流),(2) IIH (输入高电平电流),IIH约在40A以下。(作为前级门的拉电流负载.),(作为前级门的拉电流 负载.),2.输入端负载特性,在门输入端和地之间接电阻Ri,当电阻从0逐步增加时，由于电阻内部有电流流过,会使电阻两端电压Vi逐步增加。,当T1管饱和导通时:,Roff0.9k, Ron3k。,当Ri小于R0ff时,输入为低 电平;当Ri高于Ron时,输入 为高电平。,3.输出特性,1) 灌电流工作情况,驱动门输出为低电平（T5管饱和，T4管截止）,负载门电流流入驱动门，流入驱动门的电流值IL取决于和驱动门相连接的负载门个数,即IL=

11、NIIL(IIL为负载门低电平输入电流,约为1mA左右),由曲线可见,对所分析的电路,当灌电流不超过16mA时,VO不超过VOLmax=0.4V。称带灌电流负载能力IOLmax=16mA,一个门在低电平时能驱动同类门的最大个数为: NOL=IOLmax/IIS=16/1.114 (这里的IIS为输入短路电流),2) 拉电流工作情况,驱动门输出为高电平 （T5管截止）,负载门输入电流由驱动门提供,流出驱动门的电流值IH取决于和驱动门相连接的负载门的管脚的个数,即,从曲线上看，当IO大于5mA时，VO才开始出现下降趋势，但决定IOHmax值的并不是VOHmax,而是器件的功耗。在上面讨论的电路中,

12、 IOHmax约为400mA。,NOH=IOHmax/IIH=400/40=10,IH=NIIH (IIH为负载门高电平输入电流,约为40A左右),取 min(NOL,NOH)=N 定义为扇出系数,则 min(14,10)=10,2.3.4 TTL与非门的动态特性,1. 传输延迟时间tpd,传输延迟时间指门电路的输出信号相对于输入信号的延迟时间。,一般 tPLHtPHL,2. 电源的动态尖峰电流,TTL门电路的功耗等于电源电压VCC和电源电流ICC的乘积,由于VCC=5V为定值,所以ICC的大小就能反映功耗的大小.对于上述电路,稳态时,输出为高电平时的电流ICCH1.1mA,输出为低电平时的电

13、流ICCL3.4mA。,在动态情况下,特别是当输出电平由低突然变为高的过渡过程中,在某个瞬间,会使门电路中的所有管子均导通,使电源电流出现尖峰脉冲.尖峰电流有时可达40mA。,电源的动态尖峰电流引起的后果:,使电源的平均电流加大.而且,工作频率越高,平均电流增加越多;,2)电源的动态尖峰电流通过电源和地线的内阻,形成系统 内部的噪声源。,2.3.5 其他类型的TTL门电路,具有不同输入、输出结构的门电路,除与非门外,TTL电路产品中还有各种功能的门,如或非门、异或门等。,1.集电极开路门(OC门) (以与非门为例说明),OC门的特点:,1) 实现线与功能,说明: 普通的TTL电路不能将输出端连

14、在一起,输出端连在一起,可能使电路形成低阻通道,使电路因电流过大而烧毁; 由于OC门的集电极是开路的,要实现正常的逻辑功能,需外加上拉电阻。,上拉电阻R的选取：,n: OC门输出端并接的个数,m: 负载门的输入端总数,P: 负载门的总数,2) 作电平转换器,改变和上拉电阻相连的电源值，可改变输出高电平的值。,3) 作驱动器,OC门能输出较大的电压 和电流，可直接作为驱动 器驱动发光二极管、脉冲 变压器等。,OC门的缺点：工作速度慢。 原因： 推拉式输出结构被破坏，使输出端负载电 容的充电要经过RL。,2. 三态输出门(TSL门),三态门(TSL门)的输出有三个状态,即: 0,1和高阻,在使用中

15、,由控制端(称使能控制端)来控制电路的输出状态。,当EN=1时,P=1,二极管截止,电路等效为普通与非门。,2) 当EN=0时,P=0,T4 和T5均截止,输出 高阻态。,三态门的基本用途为实现用一根导线轮流传输几个不同的数据或控制信号,通常将接受多个门的输出信号的线称为总线。,注意： 在总线结构中，任一时刻仅允许一个门工作。,2.3.6 TTL数字集成电路的各种系列,主要改进 1）传输延迟时间； 2）功耗； 3）转换特性。,TTL集成电路系列型号及性能表,系 列 标准系列 低功耗肖 特基系列 肖特基系列 先进低功耗 肖特基系列 高速系列 先进肖特 基系列 快速系列 低功耗系列,型号举例 74

16、00 74LS00 74S00 74ALS00 74F00 74AS00 74H00 74l00,功耗/门 P(mW) 10 2 19 1 4 10 22 2,传输时延 tpd(ns) 10 10 3 4 3 1.5 6 35,时延功耗积 P tpd(PJ) 100 20 57 4 12 15 132 35,电源电压VCC=5V 逻辑摆幅 3.5V,2.4 其它类型的双极型数字集成电路,2.4.1 ECL门电路,(Emitter Coupled Logic),ECL门电路是一种新型高速逻辑电路,内部采用高速电流开关型电路,内部放大器工作在放大区或截止区,从根本上克服了因饱和而产生的存储电荷对速

17、度的影响。,ECL门电路是目前各类集成电路中速度最快的电路.,1 ECL门电路的工作原理,ECL门的核心电路是电流 开关电路.电流开关电路实 际上是一个差分放大器。,设: VR=1.2V;ViL=1.6V; ViH=0.8V;=0.95,当Vi=ViL时: 由于: VR=1.2V 所以T2导通,T1截止. Ve=VR0.7=1.9V 流过Re的电流为 Ie= 1.9 (5)/0.5=6.2mA,该电流全部流过T2管的集电极,VO2为 VO2=IeRC2 0.8V 显然,T2工作在放大区.由于T1截止,所以 VO1=0V,2) 当Vi=ViH时: 由于 VR=1.2V,所以T1 导通,T2截止,

18、 Ve= 0.80.7=1.5V,流过Re的电流为 Ie= 1.9 (5)/0.5=7mA 该电流全部流过T1管的集电 极,VO1为 VO1=IeRC1 0.8V 显然,T1工作在放大区.由于T2截止,所以 VO2=0V,2.实用的ECL门电路,电路由电流开关、基准电压、射极跟随器组成； T4、T5两管（构成射极跟随器）使输入电压和输出电 压一致，同时使输出负载能力提高； 3) 互补输出，同时实现或和或非功能。,3. ECL门电路的主要特点,1. 速度快,开关管导通时工作在非饱和状态,消除了存储电荷效应; 2) 逻辑摆幅小,缩短了寄生电容的充放电时间。,2.带负载能力强,输入阻抗高输出阻抗低。

19、,3.逻辑功能强,互补输出。,4.功耗大,功耗包括电流开关、射极跟随器、参考电源。,5. 抗干扰能力差,逻辑摆幅小，噪声容限低所以抗干扰能力较低,特点:电路结构简单、功耗低,适于制成大规模集成电路,1工作原理,1 单元电路的任何一个输出端与输入的关系 都是非逻辑关系,2 单元电路是一个多输出反相器,3 集电极开路,4 不同单元电路的输出端并接，实现线与逻辑,结构特点：,2主要特点,（1）集成度高,（2）速度功耗积小,（3）抗干扰能力较差,（4）工作速度低,主要用于制作大规模集成电路的内部逻辑电路,2.5 CMOS门电路,MOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗低、体积小、成品率高等优点。

20、特别适用于中、大规模集成电路的制造，在目前数字集成电路产品中占据了相当大的比例,2.5.1 CMOS反相器的电路结构,CMOS反相器电路图,总是工作在一个导通而另一个截止的状态,静态功耗极小,图中驱动管T2为NMOS管,负载管 T1为PMOS管,为保证电路正常工作,电源电压VDD大于两管的开启电压的绝对值之和。,当VI=0时, T2管截止， T1管导通，F=1; 当VI=1(VDD)时, T2管导通, T1管截止,F=0。,工作原理:,2.5.2 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性,CMOS反相器的电压传输特性,CMOS反相器的电流传输特性,2.5.3 CMOS反相器的静态输入特性和输

21、出特性,1输入特性,CMOS反相器的输入特性,2输出特性,vO= VOL时的工作状态,CMOS反相器的低电平输出特性,vO= VOH时的工作状态,CMOS反相器的高电平输出特性,2.5.4 CMOS反相器的动态特性,1传输延迟时间,CMOS反相器传输延迟时间的定义,2动态功耗,当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转 变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功 耗，称之为动态功耗。,动态功耗由两部分组成，一部分是因为T1和T2在短时间内同时导通所产生的瞬时导通功耗PT，另一部分是对负载电容充、放电所消耗的功率Pc。,2.5.5 其它类型的CMOS门电路,1其他逻辑功能的CMOS门电路,CMOS

22、与非门,CMOS或非门,2漏极开路的CMOS门电路（OD门）,用做输出缓冲驱动器，或者用于 输出电平的变换，可实现线与逻辑。,漏极开路输出的与非门,3CMOS传输门（TG门）,功能是：在控制信号的作用下，实现输入和 输出间的双向传输。,CMOS传输门的电路结构和逻辑符号,工作原理：设两管开启电压的绝对值为2V,VDD=5V.输入信号在05V内连续变化。,关于CMOS传输门： (1)由于MOS为对称的,源极和漏极可以互换,输入和输出 端也可互换,即CMOS传输门为双向的。,(2) 传输门和非门结合,可组成模拟开关。,CMOS双向模拟开关的电路结构和符号,CMOS三态非门,CMOS三态门可方便地

23、用于构成总线结构。,4三态输出的CMOS门电路,特点: 1) 功耗低,2) 工作电源电压范围宽,3) 抗干扰能力强,4) 带负载能力强,5) 输出幅度大,使用注意事项:,1) 多余的输入端不能悬空,2) 注意输入电路的过流保护,3) 电源电压极性不能反接,防止输出短路。,2.5.7 CMOS集成电路的特点和注意事项,2.6 其他类型的MOS数字集成电路,2.6.1 PMOS门电路,PMOS反相器电路,工作速度比较低,使用负电源,2.6.2 NMOS门电路,1NMOS反相器,（a）增强型负载（E/E MOS）；（b）耗尽型负载（E/D MOS）,2与非门,3或非门,驱动管是并联的,驱动管是串联的

24、,4与或非门,T5为负载管 T1、T2、T3和T4 均是驱动管,2.6.3 E2CMOS电路,Electrically Erasable CMOS,电可擦除CMOS,由CMOS和NMOS技术结合而成,用在可编程逻辑器件中,E2CMOS单元,2.7 Bi-CMOS电路,（a）最简单的电路结构； （b）常用的电路结构,2.8 TTL与CMOS电路的接口,1. 由TTL到CMOS的接口电路,驱动门为TTL电路,负载门为CMOS电路,主要考虑的是电平匹配,连接方法有多种：, 若CMOS门的电源为5V（和TTL门相同）, 若CMOS门的电源不为5V（和TTL门不同）,则TTL 电路可采用OC门。, 采用专用集成电路。,由CMOS到 TTL的接口电路,除考虑电压匹配外,还得考虑驱动电流(CMOS电路允许的最大灌电流为0.4mA,而TTL门的输入短路电流大于1mA), 常用方法有:, 采用CMOS缓冲转换器,2. 由CMOS 到 TTL的接口电路, 将同一封装内的CMOS电路并接使用,以增大输出灌电 流。, 采用射极跟随器,增大输出灌电流。,