数字电路逻辑设计-第3章-集成逻辑门

1第3章集成逻辑门主要内容（1）晶体管开关特性及TTL逻辑门的基本工作原理。（2）CMOS逻辑门的基本工作原理。（3）各类门电路的外部电气特性：电压传输特性、输入输出特性、抗干扰特性、电源特性等。（4）门电路的标准推拉输出、开路输出、三态输出的特点及用途。（5）各类门电路性能比较。重点（1）晶体管开关特性。（2）门电路的外部电气特性。（3）门电路开路输出、三态输出的特点和应用。2第3章集成逻辑门用来实现基本逻辑关系的电子电路通称为逻辑门电路。常用的逻辑门电路在逻辑功能上有与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。在逻辑门电路中，利用晶体二极管、三极管及MOS管的导通和截止、电平的高和低分别表示二值逻辑中的1和0。33.1晶体管的开关特性3.1.1晶体二极管开关特性晶体二极管是由PN结构成，具有单向导电的特性。在开关电路近似的分析中，晶体二极管可以当作一个理想开关来分析。何谓理想开关？（1）开关S断开时，通过开关的电流i=0，这时开关两端点间呈现的电阻为无穷大。（2）开关S闭合时，开关两端电压v=0，这时开关两端点间呈现的电阻为零。（3）开关S的接通或断开动作瞬间完成。（4）上述开关特性不受其它因素（如温度等）的影响。43.1.1晶体二极管开关特性通常把电压Vth称为二极管的正向开启电压或门限电压，也称阈值电压。一般硅管的门限电压Vth为0.6~0.7V；锗管的门限电压Vth为0.2~0.3V。通常硅二极管取0.7V，锗二极管取0.3V。53.1.1晶体二极管开关特性在数字电路中，二极管可构成与门和或门。构成与门构成或门63.1.1晶体二极管开关特性二极管开关应用电路（1）限幅电路波形限幅电路又称为限幅器，其功能是将输入波形的一部分传送到输出端，而将其余部分抑制掉。可以对脉冲波形进行变换或整形。假设二极管为理想开关。当vIVREF1时，二极管导通，vO≈vI；当vIVREF1时，二极管截止，vO=VREF1。这样就将输入波形中瞬时电位低于VREF1的部分波形抑制掉，而将瞬时波形高于VREF1的部分波形传送到输出端。73.1.1晶体二极管开关特性二极管开关应用电路（2）钳位电路波形的钳位电路是将脉冲波形的顶部或底部钳定在某一电平上。设输入信号vI为矩形脉冲，电容C初始电压为0，且满足RrD（rD为二极管导通电阻），时间常数τ1=rDCT1（输入脉宽），时间常数τ2=RCT2（输入脉冲休止期）。由输出vO的波形可见，它与输入vI的波形相似，但vO的顶部被钳定在0V。83.1.2晶体三极管开关特性在一般模拟电子线路中，晶体三极管常常当作线性放大元件或非线性元件来使用。而在脉冲与数字电路中，在大信号作用下，晶体管交替工作于截止区与饱和区，作为开关元件来使用。9当输入电压vI小于晶体管阀值电压Vth时，工作于截止区。晶体管T相当于开关断开。当输入电压vI大于阀值电压Vth而小于某一数值（约为1V）时，晶体管工作于放大区。vO随vI的增加而下降，二者基本上呈线性关系。当输入电压vI大于某一数值时，晶体管工作于饱和区。晶体管C、E之间相当于开关闭合。三极管稳态开关特性103.1.2晶体三极管开关特性利用晶体三极管作开关，最常用、最基本的电路就是反相器电路。右图为晶体三极管反相器基本电路。基极电阻R1、R2及外加偏压–VBB构成偏置电路，与输入电压vI共同决定晶体三极管的工作状态。当vI=VL时，三极管截止，vO=VH=VCC；当vI=VH时，三极管饱和，vO=VL=VCE(sat)。输出电压vO与输入电压vI反相，故称为反相器。113.2TTL集成逻辑门早期的双极型集成逻辑门采用的是二极管–三极管电路（DTL）形式。由于其速度较低，以后发展成晶体管–晶体管电路（TTL）形式。目前国产的TTL集成电路有CT54/74系列（标准通用系列，国内沿用的是T1000系列，与国际上SN54/74系列相当）；CT54H/74H系列（高速系列，国内沿用的是T2000系列，与国际上SN54H/74H系列相当）；CT54S/74S系列（肖特基系列，国内沿用的是T3000系列，与国际上SN54S/74S系列相当）；CT54LS/74LS系列（低功耗肖特基系列，国内沿用的是T4000系列，与国际上SN54LS/74LS系列相当）。123.2.1晶体管–晶体管逻辑门电路（TTL）DTL与非门1.输入级由多发射极晶体管T1和电阻R1构成，实现与逻辑；2.中间级由T2和电阻R2、R3组成，从T2的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为T3和T4输出级的驱动信号；3.输出级由T3、D4、T4和R4构成，实现非逻辑。133.2.2TTL与非门的主要外部特性为了更好地合理地使用集成电路，必须了解其外部特性。TTL与非门主要外部特性有电压传输特性、输入特性、输出特性和传输延时特性等。141.电压传输特性TTL与非门电压传输特性是指输出电压VO随输入电压VI的变化曲线。截止区线性区转折区饱和区关态开态151.电压传输特性（1）输出逻辑高电平和输出逻辑低电平在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高电平VOH，饱和区的输出电压为输出逻辑低电平VOL。通常规定TTL与非门输出高电平VOH=3V和输出低电平VOL=0.35V为额定逻辑高、低电平。（2）开门电平Von和关门电平Voff及阈值电压Vth在保证输出为额定高电平（3V）的90%（2.7V）的条件下，允许的输入低电平的最大值，称为关门电平Voff；在保证输出为额定低电平（0.35V）的条件下，允许的输入高电平的最小值，称为开门电平Von。一般Voff≥0.8V，Von≤1.8V。在转折区内，TTL与非门状态发生急剧的变化，通常将转折区的中点对应的输入电压称为TTL门的阈值电压Vth。一般Vth≈1.4V。（3）抗干扰能力在受到噪声干扰时，电路能允许的噪声干扰以不破坏其开关状态为原则。162.TTL与非门输入特性TTL与非门的输入特性是指输入电压和输入电流之间的关系曲线。在保证TTL与非门工作于关态时，Ri0.91kΩ；在保证TTL与非门工作于开态时，Ri3.2kΩ。173.TTL与非门输出特性TTL与非门的输出特性反映了输出电压vO和输出电流iO的关系。（1）与非门处于开态时，负载电流为灌电流。输出低电平随灌电流增加而略有增大，如图（a）中0A段所示。输出电阻约在10~20Ω。（2）与非门处于关态时，负载电流为拉电流。输出电阻为100Ω左右。当拉电流增加时，输出高电平将减小。184.平均延迟时间晶体管作为开关应用时，存在着延迟时间td、存储时间ts、上升时间tr、下降时间tf。在集成门电路中由于晶体管开关时间的影响，使得输出和输入之间存在延迟。即存在导通延迟时间tPHL和截止延迟时间tPLH。)(21PLHPHLpdttt平均延迟时间大小反映了TTL门的开关特性，主要说明TTL门的工作速度。193.2.3TTLOC门、三态输出门等1.集电极开路的TTL与非门（OC门）两个逻辑门输出端相连，可以实现两输出相与的功能，称为线与。为了使TTL门能够实现线与，把输出级改为集电极开路的结构，简称OC门。集电极开路门常用于驱动高电压、大电流的负载。203.2.3TTLOC门、三态输出门等2.三态输出门三态输出门（简称三态门）是在普通门电路基础上，增加控制端和控制电路构成。0,1,ENENAB高阻1,0,ENENAB高阻21利用三态门可以实现总线结构。如右上图，只要控制各个门的EN端，轮流定时地使各个EN端为1，并且在任何时刻只有一个EN端为1。这样就可以把各个门的输出信号轮流传输到总线上。利用三态门还可以实现数据的双向传输。如右下图，当三态使能端EN=1时，D0经门G1反相送到数据总线，门G2呈高阻态；当三态使能端EN=0时，数据总线中的DI由门G2反相后输出，而门G1呈高阻态。4.三态输出门223.2.4其它系列TTL门电路前面分析的是CT54/74系列的典型与非门电路，为了提高工作速度，降低功耗，在CT54/74系列后又相继研制生产了CT54H/74H系列、CT54S/74S系列、CT54LS/74LS系列。CT54/74CT54H/74HCT54S/74SCT54LS/74LS平均传输延迟/每门(ns)平均功耗/每门(mW)最高工作频率(MHz)101035622503191259.5245例如：7400、74LS00、74H00、74S00TTL系列器件主要性能比较233.5CMOS电路CMOS集成电路是以增强型P沟通MOS管和增强型N沟道MOS管串联互补（反相器）和并联互补（传输门）为基本单元的组件，因此称为互补型MOS器件。243.5.1CMOS反相器工作原理CMOS反相器由一个P沟通增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。通常以P沟道管作为负载管，N沟道MOS管作为输入管。当输入VI为低电平，如VI=0V时，输入管N管截止，负载管P管导通，输出电平为高电平。当输入VI为高电平，如VI=VDD时，输入管N管导通，负载管P管截止，输出电平为低电平。251.CMOS反相器的主要特性（1）静态功耗极低。CMOS反相器在低频工作时，功耗是极小的，低功耗是CMOS的最大优点。（2）抗干扰能力较强。低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等。而且随电源电压升高，抗干扰能力增加。（3）电源利用率高。由于其阈值电压随VDD变化而变化，所以允许VDD可以在一个较宽的范围内变化。一般VDD允许范围为+3V~+18V。（4）输入阻抗高，带负载能力强。262.CMOS传输门CMOS传输门是由P沟道和N沟道增强型MOS管并联互补组成。CMOS传输门的输出可以是模拟电路，它的主要用途是用作电子开关。273.CMOS逻辑门电路目前国产CMOS逻辑门有CC4000系列（相当于国际上CD4000系列及MC14000系列）、高速54HC/74HC系列（相当于国际上MC54HV/74HC）。系列电源电压/V传输延迟/ns边沿时间/ns最高工作频率/MHZCC4000系列54HC/74HC系列3～182～6909806325CMOS门性能比较28作业P1123-4P1143-11、3-13