数字集成电路的特点与分类

1　　杨德生编制　亚盛电大分校理工部退出退出2第四章门电路34.1数字集成电路的特点与分类半导体集成电路：采用外延生长、氧化、光刻、扩散等技术，将多个晶体管、电阻、电容等元件以及它们之间的连线做在一块半导体基片上所构成的电路。按内部有源器件不同分类：双极型晶体管集成电路MOS集成电路4按集成度不同分类：小规模集成电路（SSI）：10～100元件／片如各种逻辑门电路、集成触发器。中规模集成电路（MSI）：100～1000元件／片，如译码器、编码器、寄存器、计数器。大规模集成电路（LSI）：1000～105元件／片，如中央处理器，存储器。超大规模集成电路（VLSI）：105元件以上／片。CPU（Pentium)含有元件310万～330万个5逻辑状态与正、负逻辑约定事物两种互相对立的状态可以抽象地表达为0和1，称为逻辑0状态和逻辑1状态。逻辑0状态和逻辑1状态各代表什么，是人为规定的。在数字电路中，我们可以规定高电位为逻辑1，低电位为逻辑0，反之也可以规定低电位为逻辑1，高电位为逻辑0。前者叫做“正逻辑”约定，后者叫做“负逻辑”约定。6同一个电路，按两种不同的约定去分析，会得出不同的结论。uo1001高电位低电位正逻辑约定负逻辑约定在今后讨论电路时，必须明确采用哪种约定。一般采用正逻辑约定。74.2晶体管－晶体管逻辑电路(TTL电路)4.2.1最简单的与门、非门和与非门电路1.二极管与门设UHI=+3V；UIL=0V。二极管正向导通时的压降近似为08输入输出FAB000010100111输入输出FAB0V0V0V0V3V0V3V0V0V3V3V3V电路的输入与输出电位电路的真值表由真值表可知，上面电路是一个与门92.三极管非门设UHI=5V；UIL=0.2V。三极管饱和时UCES=0.2V10输入A输出F0110输入A输出F0.2V5V5V0.2V电路的输入与输出电位电路的真值表由真值表可知，上面电路是一个非门11+3晶体管与非门124.2.1TTL与非门电路输入输出FAB001011101110输入输出FAB0.2V0.2V5V0.2V5V5V5V0.2V5V5V5V0.2V输入与输出电位电路的真值表13输出级：推拉式电路或图腾柱输出电路14P10415PN16T1处于“反向运用”放大状态—发射极和集电极颠倒使用，反向运用时β很小，小于0.05。KCL170.3VKCL饱和结论：1.计算得出UIH=3.6V→T4饱和,UOL=0.2V2.给出结论：IIH=40µA;IOL=16mA(UOL=0.2V)18结论：1.计算得出UIL=0.2V→UOH=3.6V2.给出结论：IIL=1.6mA(器件手册);IOH=0.4mA(UOH=3.6V)19IIH=40µA;IOL=16mATTL工作参数P119以上电流参数规定流入为正，流出为负。IIL=－1.6mA;IOH=－0.4mA20P106TTL非门传输特性当uI从0V电位逐渐上升到高电位时，输出电压uO的变化情况。21为了区别1和0两种逻辑状态，规定了输出高电位的下限UOH(min)＝2.4V，和输出低电位的上限UOL(max)＝0.4V。UO＞2.4V，为逻辑1状态UO＜0.4V，为逻辑0状态开启电压UIH(min)：保证输出为低电位即UO＜0.4V，输入高电位的下限。关闭电压UIL(max)：保证输出为高电位即UO＞2.4V，输入低电位的上限。22TTL非门传输特性开启电压UIH(min)=2.0V关闭电压UIL(max)=0.8V当uI增大到1.4V左右时，输出电压uO急剧下降，此时对应的输入电压值称为阈值电压uTHuTH=1.4V如果把传输特性理想化，阈值电压就是输出高、低电位的分界线23UOHUIH躁声容限门电路之间相互连接时，前一级门的输出就是后一级门的输入，在前一级输出为最坏的情况下（输出高电位为UOH(min)），后一级门的输入电压允许的变化幅度叫做噪声容限。UNH=UOH(min)-UIH(min)=2.4-2.0V=0.4VP10624UOLUIL躁声容限门电路之间相互连接时，前一级门的输出就是后一级门的输入，在前一级输出为最坏的情况下（输出低电位为UOL(max)），后一级门的输入电压允许的变化幅度叫做噪声容限。UNL=UIL(max)-UOL(max)=0.8-0.4V=0.4V25门电路躁声容限=min{UNH,UNL}噪声容限是用来说明门电路抗干扰能力大小的参数。26IHOHOHIIN101040104.063扇出系数NO：一个与非门能够驱动同类型与非门的最大数目。27ILOLOLIIN106.116扇出系数N0=min{NOH,NOL}28集电极开路门简称OC门29UCCRL与普通TTL与非门相比，OC门去掉了T3、D，使T4集电极开路，并作为电路的输出端。OC门正常工作时，要外接电源并串接一个电阻RL。只要RL阻值选择的合适即能实现与非功能，还可以将两个或更多的OC门输出端直接连接在一起。30Y1Y2YABY1CDY2CDABYYY21实现了与功能，称为线与。CDABY实现了或功能，称为线或。31三态TTL门三态TTL门与普通TTL门不同，它的输出端除了可以出现高、低电平（正常工作状态，低阻输出），还可以出现第三种状态——高阻状态（或称阻塞状态、禁止状态）A、B输入端F输出端G阻塞信号输入端EN使能信号输入端32三态门输入输出FG(EN)A10高阻态10001133三态门最重要的一个用途是可以实现用同一根导线轮流传送不同的数据或信号，这根线叫做总线。34DIR=0DIR=1354.3CMOS逻辑电路4.3.1CMOS反相器36CMOS反相器传输特性1.阈值电压UTH=UDD/2;UDD=5V,UTH=2.5V2.UOH≈5V;UOL≈0V3.UNL=UNH≥0.3UDD1.5V(CMOS)0.4V(TTL)COMS反相器抗干扰能力强37电源电流和的关系iDDuI无论输入为高电平还是低电平，T1和T2总有一个截止，因此静态电流近似为零，静态功耗极小。38MOS门电路互相连接时，门电路输出总要接到其他门电路的输入端，所以相当于带有电容性负载CL。在uI由低电位跳变到高电位时，CL通过T1放电，uI由低电位跳变到高电位时，电源通过T2对CL充电，造成动态功耗。CMOS反相器的动态功耗为PC＝CLUDD2f与TTL不同，MOS管的栅极电流极小，CMOS门的扇出系数取决于负载电容的大小和工作速度的要求，即驱动的门数越多，负载电容越大，充放电时间越长，工作速度越慢。39CMOS传输门A和A控制传输门的通断：A＝＋UDDA＝0V时，传输门接通A＝0VA＝＋UDD时，传输门断开左下图uI由0V变为UDD时，CL充电右下图uI由UDD变为0V时，CL放电4041