Transcript 第三章门电路
第三章 逻辑门 逻辑门电路：用来实现基本逻辑运算和复合逻 辑运算的电子电路统称为逻辑门电路。 基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相 器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。 逻辑门是构成所有数字电路的基本单元电路。 目前在数字电路中用的最多的是CMOS电路和TTL电 路两种类型。 3.1 MOS管的开关特性 1. N沟道增强型MOS管的结构和符号 半导体层 PN结 SiO2绝缘 层 S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底 2. P沟道增强型MOS管的结构和符号 S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底 3. N沟道耗尽型和P沟道耗尽型 区别：耗尽型MOS管在VGS=0时就已经有导电沟道存在 3.2 CMOS门电路 3.2.1 CMOS反相器和传输门 1. CMOS反相器 (1) 电路结构 1．逻辑关系： （设VDD＞（VTN+|VTP|），且VTN=|VTP|） （1）当Vi=0V时，T1截止，T2导通。输出VO≈5V。 （2）当Vi=5V时，T1导通，T2截止，输出VO≈0V。 v0 vi 电压、电流传输特性 VI VTN时，VO VDD VOH VI VDD VTP 时，VO VOL 0 VTN VI VDD VTP ，T1 , T2同时导通。 若T1 , T2参数完全对称，VTH 1 1 VDD时，VO VDD 2 2 2. CMOS传输门 开关状态由加在P和N的控制信号决定。 当P=0V，N=VDD时，两个MOS管均导通，A-B接通。 当P=VDD，N=0V时，两个MOS管均截止，A-B断开。 3.2.2 CMOS与非门、或非门和异或门 1. 与非门 2. 或非门 3. 异或门 4. 异或非门 工作原理与异或门类似 5. 与门、或门和同相缓冲器 由反相器、传输门、与非门、或非门可以组成其他 逻辑功能的门电路或逻辑电路。 与非门+反相器 或非门+反相器 反相器+反相器 6. 输入、输出端有反相器的或非门和与非门 通常在集成电路芯片的每个输入和输出端内部都接有标准参 数的反相器。 3.2.3 三态输出和漏极开路输出的CMOS门电路 1. 三态输出的门电路 EN 0时，Y A EN 1时，Y Z (高阻) 三态门的用途：总线连接 2. 漏极开路输出的门电路 (1) 输出并联使用，实现线与运算 (2) 需要在输出端与电源之间外接上拉电阻RP (1) 输出并联使用，实现线与运算 (2) 使用时在输出端与电源之间外接上拉电阻RP 若RON RP ROFF，则VOH VDD、VOL 0 RP的计算方法: • 将n个OD门接成“线与”结构，并考虑存在负载电流 IL的情况下，电路如图所示 为保证输出电压高于VOH，RP不能太大， VDD ( nI OH I L ) RP VOH RP (VDD VOH ) ( nI OH I L ) RP(max) 为保证流入O D门的电流不超过允许的低 电平输出电流最大值I OL(max)，RP不能太小 I L (VDD VOL ) RP I OL(max) RP (VDD VOL ) ( I OL(max) I L ) RP(min) 漏极开路输出的CMOS门电路的用途：接成总线结构 3.2.4 CMOS电路的静电防护和锁定效应 1. 静电防护 为了防止静电击穿，在CMOS集成电路的每个输 入端都设置了输入保护电路。 2. 锁定效应 当CMOS电路的输入端或输出端出现瞬时高压时， 有可能使电路进入这样一种状态，即电源至电 路公共端之间有很大的电流流过，输入端也失 去了控制作用。 通过改进制造工艺，已经可以做到一般情况下不 会发生，但还不能绝对避免。 3.2.5 CMOS电路的电气特性和参数 1. 直流电气特性和参数 也称静态特性，指电路处于稳定工作状态下的电压、 电流 特性，通常用一系列电气参数来描述。 (1) 输入高电平VIH和输入低电平VIL VDD为+5V时，74HC系列集成电路的VIH(min)约为3.5V， VIL(max)约为1.5V。 (2) 输出高电平VOH和输出低电平VOL VDD为+5V时， 74HC系列集成电路的VOH(min)为4.4V （当输出端流出的负载电流为－4mA时），VOL(max)为 0.33V（当流入输出端的负载电流为4mA时）。 (3) 噪声容限VNH和VNL VNH＝VOH(min)－ VIH(min) ＝4.3－3.5＝0.8V VNL＝VIL(max)－ VOL(max) ＝1.5－0.33＝1.17V (4) 高电平输入电流IIH和低电平输入电流IIL IIH(max)和 IIL(max)通常在1μA 以下。 (5) 高电平输出电流IOH和低电平输出电流IOL 74HC系列电路中，当VDD＝5V时，RON(N)不大于50Ω， 而RON(N)在100Ω 以内； 高电平输出电流IOH为-4mA； 低电平输出电流IOL为4mA。 2. 开关电气特性和参数 也称动态特性，是指电路在状态转换过程中的电压、 电流特性。 (1) 动态功耗 PD PL PT 2 (C L C pd )VDD f (2) 传输延迟时间tpd 在CL＝50pF的条件下，74HC04的传输延迟时间tpd约为9ns。 导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的 中点所经历的时间。 截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的 中点所经历的时间。 与非门的传输延迟时间tpd： t PLH t PHL t pd 2 一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。 3.3 双极型半导体二极管和三极管的开关特性 3.3.1 双极型二极管的开关特性和二极管门电路 1. 二极管的结构和伏安特性： PN结 + 引线 + 封装构成 二极管与门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=4V VIL=0.3V 二极管导通时 VDF=0.7V A 0.3V 0.3V 4.0V 4.0V B 0.3V 4.0V 0.3V 4.0V Y 1.0V 1.0V 1.0V 4.7V 规定4V以上为1 1V以下为0 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Y 0 0 0 1 二极管或门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=4V VIL=0.3V 二极管导通时 VDF=0.7V A 0.3V B 0.3V Y 0V 0.3V 4.0V 4.0V 4.0V 0.3V 4.0V 3.3V 3.3V 3.3V 规定3.3V以上为1 0.3V以下为0 A 0 B 0 Y 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 二极管构成的门电路的缺点 • 电平有偏移 • 带负载能力差 • 只用于IC内部电路 3.3.2 双极型三极管的开关特性 1. 双极型三极管的结构示意图和符号 npn型三极管 pnp型三极管 2. npn型三极管开关电路 只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL 3. 三极管的开关等效电路 3.4 TTL门电路 3.4.1 TTL反相器 1. 电路结构和工作原理 设定： VCC 5V VIH 3.6V VIL 0.2V PN结导通压降VON 0.7V (1) VI V IL 0.2V VO VOH (2) VI V IH 3.6V ( A 1) VO VOL (Y 0) 输入级 倒相级 输出级 （1）输入低电平0.2V 时。 该发射结导通，VB1≈0.9V。T2、T4都截止。 忽略流过R2 的电流，VB3≈VCC=5V 。 由于T3和D导通，所以： VO≈VCC-VBE3-VD =5-0.7-0.7=3.6（V） 0.2V 实现了非门的逻辑功能之一： 输入低电平时，输出为高电平。 0.9V 5V 3.6V （2）输入为高电平3.6V时。 由于T 饱和导通，输出电压为： 4 T2、T4饱和导通， VO=VCES4≈0.2V 由于T2饱和导通，VC2=1V。 T3和二极管D2都截止。 实现了非门逻辑功能的另一方面： 输入为高电平时，输出为低电平。 综合上述两种情况 ，该电 路满足非的逻辑功能，即： YA 3.6V 2.1V 1V 1.4V 0.7V 0.2V • 需要说明的几个问题： ① 输入级由T1 , R1和D1组成，为后面的倒相级提供驱动信号 ② 倒相级由T2和R2、R3组成。T2的输出VC2 和Ve2变化方向 相反, 故称倒相级。 ③ 由T3、T4和D2和R4组成输出级，在稳态下， T3和T4总有一个导通、一个截止。 既能降低功耗又提高了带负载能力，称推拉式。 ④ D1抑制负向干扰 D2 保证T4 导通时T3可靠地截止。 电压传输特性 阈值电压VTH约为1.4V 2. 输入特性 以反相器SN7404为例 当VI V IL 0.2V时， 当VI V IH 3.6V时，vB1 2.1V , I IL (VCC vBE1 VIL ) / R1 T1处于“倒置”状态， 小于0.01 (5 0.7 0.2) / 4 103 1mA 输入电流I IH 非常小 I IH(max) 40A 若将输入端经过电阻RP 接地， vI 将随RP的增加而升高, 升至1.4V以后，vB1＝2.1V， vI维持在1.4V左右 vI Rp RP R1 (VCC vBE1 ) 结论：TTL输入端悬空和接逻辑1电平效果相同 注意：CMOS电路中若输入端经过电阻接地，输入端电位为零 3. 输出特性 （1） IoL——是输出低电平时，流入输出端的电流。 IoL(max)=16mA。 （2） IoH——是输出高电平时，流出输出端的电流。IoH(max)=0.4mA。 1. 反相器接有负载电路时，输出的高低电平随负载电流的变化而改变， 且变化不大。 2. 需要驱动较大的负载电流时，总是用输出低电平去驱动。 3.4.2 TTL与非门、或非门、与或非门和异或门 1. 与非门 A B由多发射极三极管实现 当A和B有一个或同时为0.2V时，VB1 0.9V , T2和T4 截止，T3 导通，VO VOH 1 当A和B同为高电平3.6V时，VB1 2.1V , T3 截止，T2和T4 导通，VO VOL 0 输入电流计算： I IL：并联后与仅一个接地时相同 I IH ：每个值相同，并联后加倍 Y AB 2. 或非门 3.与或非门 两个完全一样的输入电路 因为T2和T2的输出并联 所以A、B任何一个为1均使T4 导通，T3 截止 VO VOL 只有A、B同为0，才有T4 截止，T3 导通 VO VOH 输入电流计算时，I IH 和I IL 均加倍 4. 异或门 3.4.3 三态输出和集电极开路输出的TTL门电路 1. 三态输出的门电路 输出有三个状态：VOL ,VOH，高阻( Z ) (1) EN 0, P 1, D3截止，反相器为“工作状态” Y A (2) EN 1, P 0, D3导通，输出端为“高阻状态” Y Z 2. 集电极开路输出的门电路（open collector） 结构图和逻辑符号 • 两个OC门的输出端并联实现“线与”，并可将OC门用于 信 号到总线的连接。 • 为了获得输出的高低电平，需要将OC门的输出端经过一 个 上拉电阻接至电源。 RL（min） VCC VOL I OL (max) m IIL VCC VOH RL（max） nIOH m IIH 图2.17 OC门外接负载电阻和电源示意图 式中，IOL(max)为OC门导通时允许流过的最大负载电流， IOH为OC门截止时的漏电流。 图 3.4.4 TTL门电路的电气特性和参数 1. 直流电气特性和参数 (1) 输入高电平VIH和输入低电平VIL 在74系列中，电源电压+5V， VIH(min)为2V， VIH(max)为 0.8V。 (2) 输出高电平VOH和输出低电平VOL 在74系列中， VOH(min)为2.4V（当负载电流为－0.4mA）， VOL(max)为0.4V（当负载电流为16mA ）。 (3) 噪声容限VNH和VNL VNH＝VOH(min)－ VIH(min)＝0.4V VNL＝VIL(max)－ VOL(max)＝0.4V (4) 高电平输出电流IOH和低电平输出电流IOL IOH(max)<<IOL(max) 在74系列中，IOL(max)＝16mA，IOH(max)＝－0.4mA 。 (5) 高电平输入电流IIH和低电平输入电流IIL IIH(max)<<IIL(max) 在74系列中，IIH(max)＝0.04mA，IIL(max)＝－1.6mA 。 (6) 输出高电平时的电源电流ICCH和输出低电平时的电源电流ICCL I CCH (VCC v B1 ) / R1 ( 5 0.9) / 4 103 1m A I CCL (VCC v B1 ) / R1 (VCC vC2 ) / R2 ( 5 2.1) / 4 103 ( 5 0.8) / 1.6 103 3.4m A 2. 开关电气特性和参数 (2) (1) 电源动态尖峰电流 传输延迟时间tpd tPLH > tPHL 在74系列中， tPHL＝8ns， tPLH＝12ns，平均传 输延迟时间tpd在10ns左右。 成因：输出电平转换中，瞬时T3和T4同时导通 影响：iP较大，流过公共电源线形成干扰源 3.5 ECL电路 非饱和型的高速逻辑电路 ECL或/或非门电路结构 优点：能以极快的速度完成电路状态的转换 缺点：电路功耗大，稳定性较差 第3章 3.1 3.3 3.4 习题 3.6 3.14 3.16 3.19 3.20 3.13