第3章集成逻辑门.ppt

第3章 集成逻辑门,教学基本要求（1）掌握晶体管、MOS管开关特性。（2）掌握TTL和CMOS门的逻辑功能、外部特性、主要参数和正确使用方法。（3）掌握门电路标准推拉输出、开路输出、三态输出的特点和应用。（4）理解TTL和CMOS门电路的工作原理。（5）了解ECL、I2L门电路的基本原理。本章重点（1）晶体管、MOS管开关特性。（2）门电路的外部电气特性和正确使用方法。（3）门电路开路输出、三态输出的特点和应用。,第3章 集成逻辑门,概述 3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL 集成逻辑门*3.3 ECL和I2L电路 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路*3.6 VHDL描述逻辑门电路,概述,把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制做在同一块半导体基片上，这样的产品叫集成电路。若它完成的功能是逻辑功能或数字功能，则称为逻辑集成电路或数字集成电路，本章介绍的集成逻辑门属于SSIC。,数字集成电路按其内部有源器件的不同可以分为两大类：双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件构成，简称TTL集成电路。(2)单极型集成电路：采用电压控制型半导体器件作为元件构成，简称MOS集成电路。,概述,一双极型集成电路：TTL电路 主要特点：速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。,双极型集成电路又可分为：(1)TTL(Transistor Transistor Logic)电路（54/74系列、54H/74H系列、54LS/74LS系列等）;(2)ECL(Emitter Coupled Logic)电路;(3)IL(Integrated Injection Logic)电路等类型。,TTL电路的“性能价格比”较佳，应用较广泛。,概述,二单极型集成电路：MOS电路 采用金属-氧化物半导体场效应管(Metel Oxide Semi-conductor Field Effect Transister,简写为MOSFET)作为元件。主要特点：结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。,MOS集成电路又可分为：(1)PMOS(P-channel Metel Oxide Semiconductor)、(2)NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)(3)CMOS(Complement Metal OxideSemiconductor)（4000系列、54HC/74HC系列等）等类型。,CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻辑电路的设计，而且综合性能最好。,概述,门电路:用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路统称为门电路。正、负逻辑的应用:如果以输出的高电平表示逻辑“1”，输出的低电平表示逻辑“0”，则为正逻辑编码。反之则为负逻辑编码。一般未加说明，默认采用“正逻辑”。,正逻辑编码,负逻辑编码,与门,或门,电平表,例,概述,TTL数字集成电路型号的命名法,概述,示例：,（1）(2)(3)(4)(5),CT 74 LS 00 P,塑料双列直插封装,器件系列：低功耗肖特基,温度范围：0+70,中国制造的TTL类,器件品种：四2输入与非门,SN 74 S 195 J,黑陶瓷双列直插封装,器件品种：4位并行移位寄存器,器件系列：肖特基,温度范围：0+70,美国TEXAS公司,（1）(2)(3)(4)(5),概述,CMOS，ECL器件型号组成符号意义,CC 40 25 M,温度范围：-55+125,器件品种：3输入与非门,器件系列,中国制造CMOS器件,示例：,CE 10 131,器件品种:双主从D触发器,器件系列,中国制造ECL器件,(1)(2)(3)(4),(1)(2)(3),第3章 集成逻辑门,概述 3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL 集成逻辑门 3.3 ECL和I2L电路 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路 3.6 VHDL描述逻辑门电路,3.1 晶体管的开关特性,开关特性,晶体二极管开关特性 晶体三极管开关特性,理想开关特性,晶体二极管具有单向导电性，在数字电路中工作在开关状态下。,一个理想开关应具有如下特性：（1）开关S断开时，通过开关的电流i0，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V0，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他因素（如温度等）的影响。,稳态开关特性,一、二极管稳态开关特性,稳态开关特性（静态特性）：电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的开关特性。二极管的静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。典型二极管的静态特性曲线(又称伏安特性曲线)如下图所示,开关特性曲线,从特性曲线可知，二极管的电压与电流关系是非线性的。其正、反向特性如下：,(a)为实际特性，（b)为理想特性，（c)为折线化近似特性,正向特性,正向电压小于Vth时：管子处于截止状态，电阻很大、正向电流接近于0，二极管类似于开关的断开状态；,正向电压等于Vth时：管子开始导通，正向电流 开始上升；当正向电压大于Vth达到一定值(一般锗管为0.3V，硅管为0.7V。)时，管子处于充分导通状态，电阻变得很小，正向电流急剧增加，此时二极管类似于开关的接通状态。,1 正向特性,门槛电压(Vth又称阈值电压):,使二极管开始导通的正向电压,有时又称为导通电压,对于硅二极管Vth0.60.7 V，锗二极管Vth0.20.3 V。,反向特性,2反向特性,二极管的反向特性表现为在反向电压作用下，二极管处于截止状态，此时反向电阻很大，反向电流很小，将其称为反向饱和电流，用IS表示，通常可忽略不计，此时二极管的状态类似于开关断开，而且反向电压的变化基本不引起反向电流的变化。,当反向电压超过极限值UBR时，二极管被击穿。,开关等效电路,下图(a)给出了二极管组成的开关电路图，图(b)所示为二极管导通状态下的等效电路，图(c)所示为二极管在截止状态下的等效电路，图中忽略了二极管的正向压降。,使用注意事项,使用注意事项,由于正向导通时可能因流过的电流过大而导致二极管烧坏，所以，组成实际电路时通常要串接一只限流电阻R，以限制二极管的正向电流；,由于反向电压超过某个极限值将使反向电流突然猛增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向击穿电压UBR），一般不允许反向电压超过此值。,瞬态开关特性,二、二极管瞬态开关特性,二极管瞬态开关特性即动态特性：二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间。过渡过程工作波形如下图所示。,反向恢复时间,1 反向恢复时间,二极管从正向导通到反向截止所需要的时间称为反向恢复时间。,ts（存储时间）：iD由IR=VR/R降 至0.9IR所需驱散存储电荷的时间tf（下降时间):iD由0.9IR逐渐下降至0.1IR所需驱散存储电荷的时间trr=ts+tf 时间称为反向恢复时间,正向恢复时间,2 开通时间（正向恢复时间）,二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间 或正向恢复时间。tr（上升时间）由iDmax=(VR+VF)/R下降至iD=VF/R所需的时间,由于tr比tstf小得多，所以忽略不计，反向恢复时间成为影响二极管开关速度的主要原因。,二极管的应用,三、二极管的应用,1 限幅电路 2 二极管钳位电路 3 构成分立元件门电路,限幅电路,1 限幅电路,功能是将输入波形的一部分传送到输出端。限幅电路主要应用于波形变换与整形。,常用限幅电路有:串联限幅电路：并联限幅电路:串联上限限幅 并联上限限幅 串联下限限幅 并联下限限幅 串联双向限幅 并联双向限幅,串联限幅电路,串联限幅电路,串联限幅电路是利用二极管的截止状态起限幅作用。下图为三种典型限幅电路，其中VREF为限幅电平。,限幅电平为VREF1的串联下限幅,当vIVREF1，则D导通，vo=vI,当vIVREF1，则D截止，vo=VREF1,串联双向限幅,当vI=0时，由于VREF2VREF1，则D1截止，D2导通，A点电位为:,双向限幅工作波形如图所示。设图中，限幅电平VREF2VREF1。,当vIVA时，D1截止，D2导通，输出vOVA，由D1实现下限限幅，限幅电平为VA。,当vIVREF2时，D1导通，D2截止，输出vOVREF2，由D2实现上限限幅，限幅电平为VREF2。当VAvIVREF2时，D1导通，D2导通，输出vOvI。,并联限幅电路,并联限幅电路,二极管并联限幅电路是利用二极管导通状态实现限幅，其电路图如图所示。,注意：在限幅器中，应该注意二极管截止时，二极管两端的反向电压不能超过二极管的击穿电压。,二极管钳位电路,2 二极管钳位电路,钳位电路是将输入信号波形的顶部或底部钳位在某一电平。钳位是利用二极管的导通实现的，也是有一定条件的。,钳位条件,右图（a)是将输入脉冲波形顶部钳位于零电平的电路。,工作波形的钳位条件是：1)输入脉冲能使电路中的二极管D导通2)RrD(rD是二极管导通电阻)3）rDCT2(输入脉冲休止期),发现问题(p61),图（a）是将输入脉冲波形顶部钳位在VREF的电路，波形如图（c）所示。图（b）是将输入脉冲波形底部钳位在VREF的电路，波形如图（d）所示。,设右图(a)电路及输入波形满足钳位条件：VREFuI的幅值 RCTirDC Ti是输入信号周期 rD是二极管导通电阻,所以输出波形（c）没有问题。,电路（b）与波形（d）有问题吗？,构成分立元件门电路,（1）二极管与门（2）二极管或门,3 构成分立元件门电路,二极管与门,Y=AB,（1）二极管与门,二极管或门,Y=A+B,（2）二极管或门,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放大元件来使用，而在脉冲与数字电路中，晶体管交替工作于截止区与饱和区，作为开关元件来使用。,三极管稳态开关特性,输入电压vI直接通过电阻RB作用于晶体管T的发射结，输出电压vo由晶体管集电极取出。关系公式：vBE vI-RBiBvo=vCE=VCC-RCiC,晶体单管共射电路,一、三极管稳态开关特性,电压传输特性,电压传输特性：电路的输出电压vo与输入电压vI的函数关系曲线。,晶体单管共射电路电压传输特性,稳态工作状态,晶体三极管作为开关，有两个稳态工作状态：(1)稳态时工作在截止状态，称为稳态断开状态。此时iC0，vOVCC。(2)稳态时工作在饱和状态，称为稳态闭合状态，此时iBiBS，vo=VCE(set)0.3V,NPN型三极管工作状态特点,三极管开关电路稳态分析举例,饱和区,截止区,放,大,区,一般不给具体参数的开关电路，默认满足开关条件要求，稳态工作于截止状态和饱和状态。,稳态等效电路,截止状态,饱和状态,iBIBS,ui=UIL0.5V,uo=+VCC,ui=UIH,uo=0.3V,开关条件分析举例,ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：,ui=1V时，三极管导通，基极电流：,因为0iBIBS，三极管工作在放大状态。iC=iB=500.03=1.5mA，输出电压：,三极管临界饱和时的基极电流：,uo=uCE=VCC-iCRc=5-1.51=3.5V,uo=VCC=5V=V0H,ui3V时，三极管导通，基极电流：,而,因为iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：,uoUCES0.3V=V0L,三极管瞬态开关特性,二、三极管瞬态开关特性,晶体三极管开关稳态是处于截止或饱和态，在外加信号作用下，晶体三极管由截止转向饱和，或由饱和转向截止的过渡过程，称为瞬态开关特性，如下图所示。,晶体三极管瞬态开关特性，,晶体三极管基区少子浓度分布曲线,（三极管饱和时）,三极管瞬态开关特性的参数,（1）三极管由截止转向饱和的过程,当vI由V跳至+V时：形成集电极电流，iC上升至0.1ICS的过程，所需时间td称为延迟时间。iC由0.1ICS上升至0.9Ics的过程，所需时间tr称为上升时间。三极管由截止到饱和所经历的时间，称为开启时间ton，其大小为ton=td+tr。,三极管瞬态开关特性的参数,当vI由+V下跳至V时：三极管集电极电流由ICS下降至0.9ICS所需的时间称为存储时间ts。三极管集电极电流由0.9ICS下降至0.1ICS所需的时间称为下降时间tf。三极管由饱和状态转向截止状态所经历的时间称为关断时间toff，其大小为toff=ts+tf。,（2）三极管由饱和状态转向截止状态的过程,反相器或“非门”,三、三极管开关应用电路（反相器或“非门”）,1、反相器的工作原理 晶体三极管开关电路的最基本应用电路为反相器电路。,实际的反相器或“非门”电路,理论电路,实际电路,稳态分析,稳态分析（小加速电容Cj开路）,当vI=VL时，保证三极管截止，即要求VBE0,此时，V0=VCC=VOH,稳态分析,当vI=VH时,稳态分析,此时，VO=VCE(sat)0.3 V=V0L。,当vI=VH时，保证三极管饱和，要求iBiBS,瞬态分析,瞬态分析（小加速电容 Cj 的作用）,a.当VI从VL上跳至VH时刻：,Cj相当于短路。VBE=VH-VL，使iB瞬间很大，有利于开通过程ton。之后，Cj很快充满，UCj=VH-VBES，iB由稳态饱和状态决定。,瞬态分析,b.当VI从VH 下跳至VL时刻：,可见Cj加速了电路的转换过程，故称加速电容。,UCj电压不能突变。使瞬间VBE=VL-UCj 0，产生基极反向驱动电流，有利于关断过程toff 之后，Cj很快放电结束，VBE由稳态截至状态决定。,反相器的负载能力,2、反相器的负载能力,反相器的负载：是指反相器输出端所接的其他电路(如图中虚线框所示的电路)。它分为灌电流负载和拉电流负载”两种情况。,灌电流负载,灌电流负载,灌电流负载：是指负载电流IL从负载流入反相器。,拉电流负载,拉电流负载,拉电流负载：是指负载电流IL从反相器流入负载。,第3章 集成逻辑门,概述 3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL 集成逻辑门*3.3 ECL和I2L电路 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路 3.6 VHDL描述逻辑门电路,3.2 TTL 集成逻辑门,TTL(TransistorTransistor Logic)电路是晶体管-晶体管逻辑电路的简称。由于这种电路的功耗大、线路较复杂，使其集成度受到一定的限制，故广泛应用于中小规模逻辑电路中。,分析电路中晶体管工作状态时，以估算的办法，每个PN结压降为0.7 V，深饱和时VCE(sat)0.1 V。,DTL 集成逻辑门电路,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。由于其速度低，以后发展成晶体管-晶体管电路（TTL）形式。,TTL 集成逻辑门系列,目前国产常用的TTL集成电路有1、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）；2、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）；3、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）；4、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）；,要点（小节）,晶体管-晶体管逻辑门电路（TTL）TTL与非门的功能及主要外部特性TTL或非门、异或门、OC门、三态输出门等其它系列的TTL门电路,一、TTL与非门电路组成,输入级,中间级,输出级,多发射极晶体管T1和电阻R构成输入级。其作用是对输入变量A、B、C实现“与运算”。,晶体管T2和电阻R2、R3构成中间级。其集电极和发射极各输出一个极性相反的电平，分别用来控制晶体管T4和T3的工作状态。,晶体管T3、T4,D4和电阻R4、构成输出级，它们的作用是实现推拉式输出。,输入级3个二极管起保护作用，称保护二极管。,多发射极晶体管结构及等效电路,0.3V,1V,1.输入端有低电平输入,不足以让T2、T4导通,vo=5-vR2-vbe3-vD43.6V高电平！,T2，T4截止,T3，D3导通,T1深饱和,二、TTL与非门电路工作原理,2.输入端全为高电平输入,电位被钳在2.1V,全反偏,vo=0.3V,1V,T1倒置,1.4v,3.TTL门电路各晶体管工作状态,TTL与非门电路的工作状态,分析开态关态的转换过程：当输入端全部为高电平转变为有一个或几个输入端为低电平时，VE1=0.3v,VB1=1v,VC1=1.4v(T1处于放大工作状态)。,三、推拉式输出电路和多发射极晶体管的作用,TTL与非门具有较高的开关速度，主要原因是使tS。,T2截止导致VC2 T3由截止迅速转为导通，这样就使T4集电极有了一个瞬时的大集电极电流，使存储电荷得到迅速消散，从而加速了T4管脱离饱和的过程，提高了开关速度。,T1放大状态产生较大的iC1，恰好是T2的反向驱动基极电流使T2基区的存储电荷迅速消散，因而加快了T2由饱和到截止的过程。,此外，由于采用推拉式输出级，与非门输出低电平时T4处于深饱和状态，输出电阻很低；而输出高电平时T3、D4导通，组成射极跟随器，其输出电阻也很低。因此无论哪种稳定状态，输出电阻都很低，都有很强的带负载能力。,推拉式输出级带负载能力强,3.2 TTL 集成逻辑门,晶体管-晶体管逻辑门电路（TTL）TTL与非门的主要外部特性TTL或非门、异或门、OC门、三态输出门等其它系列的TTL门电路,3.2.2 TTL与非门的特性与参数,1.电压传输特性,电压传输特性是指输出电压跟随输入电压变化的关系曲线，即UO=f(UI)函数关系，它可以用下图所示的曲线表示。,TTL与非门的电压传输特性,TTL与非门的电压传输特性,*,AB段(截止区)：,当UI0.6V时，T1工作在深饱和状态，Uces10.1V，UBE2=Uces1+UI 0.7V，故T2、T4截止，T3、D4均导通，输出高电平UOH=3.6V。,BC段(线性区)：,*,当0.6VUI1.3V时，0.7VUb21.4V，T2开始导通，T4尚未导通。此时T2处于放大状态，,*,UO=UC2-UBE3-UD4=UC2-1.4 UO=UC2,UE2=UI+Uces1-UBE2 UI=UE2,UO/UI=UC2/UE2=-iC2R2/iE2R3 iC2 iE2,UO/UI-R2/R3,CD段(转折区)：,*,1.3VUI1.4V，当UI略大于1.3V时，T4开始导通，此时T2发射极到地的等效电阻为R3Rbe5，UO/UI=-iC2R2/iE2(R3rbe4)-R2/rbe4,DE段(饱和区)：,*,当UI1.4V时，随着UI增加T1进入倒置工作状态，T3、D4截止，T2、T4饱和，因而输出低电平UOL=0.3V。,从电压传输特性可以得出以下几个重要参数：,TTL与非门的主要参数,阈值电压Uth。阈值电压也称门槛电压。电压传输特性上转折区中点所对应的输入电压Uth1.4V，可以将Uth看成与非门导通(输出低电平)和截止(输出高电平)的分界线。,输出高电平UOH和输出低电平UOL。电压传输特性的截止区的输出电压UOH=3.6V，饱和区的输出电压UOL=0.3V。一般产品规定UOH2.4V、UOL0.4V时即为合格。,开门电平UON和关门电平UOFF。,开门电平UON和关门电平UOFF,关门电平UOFF是保证输出电平为额定高电平USH(3V)的90%(2.7V)时，允许输入低电平的最大值，即只有当UIUOFF时，输出才是高电平。通常UOFF1V，一般产品要求UOFF0.8V。,开门电平UON是保证输出电平达到额定低电平USL(0.35V)时，所允许输入高电平的最低值，即只有当UIUON时，输出才为低电平。通常UON=1.4V，一般产品规定UON1.8V。,噪声容限UNL、UNH,若UON=1.8V，UIH=3V，则UNH=1.2V。,噪声容限UNL、UNH,实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。,低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示：UNL=UOFF-UIL 若UOFF=0.8V,UIL=0.3V，则UNL=0.5V。,高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用UNH表示：UNH=UIH-UON,TTL与非门输入特性,TTL与非门的输入特性,输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系曲线，即iI=f(uI)的函数关系。典型的输入特性如图所示。,当UI=0时的输入电流称为输入短路电流IIS。IIS=(VCC-VBES1)/R1 当UI为高电平时的输入电流称为输入漏电流或高电平输入电流IIH。如图IIH与IIS方向相反。,3.输入负载特性,为了保持电路稳定地输出高电平，必须使UIUOFF，即,故,这个电阻值称为关门电阻ROFF。可见，要使与非门稳定地工作在截止状态，必须选取RiROFF。一般 ROFF=0.91 k,TTL与非门的输入负载特性,为了保证与非门稳定地输出低电平，应该有UIUON。,求得的输入电阻称为开门电阻，用RON表示。一般 RON=3.2 k,TTL与非门输出低电平的输出特性图,与非门处于开态时，输出低电平，此时T4饱和，输出电流io从负载流进T4，形成灌电流；,当灌电流增加时，T4饱和程度减轻，因而UOL随io增加略有增加。等效输出电阻约1020。当UOL上升到0.35V时对应的Io称最大灌电流负载电流，用Iomax表示。,TTL与非门的输出特性,与非门处于关态时，输出高电平。,图 TTL与非门输出高电平时的输出特性,此时T4截止，T3，D4导通，负载电流为拉电流，等效输出电阻约100,当拉电流增加时，输出电压将会减小。,平均延迟时间是衡量门电路速度的重要指标，它表示输出信号滞后于输入信号的时间。,5.平均延迟时间tpd,通常将输出电压由高电平跳变为低电平的传输延迟时间称为导通延迟时间tPHL，将输出电压由低电平跳变为高电平的传输延迟时间称为截止延迟时间tPLH。,TTL与非门的平均延迟时间tpd,tPHL和tPLH是以输入、输出波形对应边上等于最大幅度50%的两点时间间隔来确定的，如图所示。tpd为tPLH和tPHL的平均值。,6.功耗 PCC=VCCICC,在动态工作情况下，特别是当输入由高电平下跳到低电平时，会出现T1 T2 T3 D4 T4管同时导通，因而使电源电流产生一尖峰脉冲。此尖峰电流使电源的平均电流增大，而且，信号的重复频率越高，电源电流的平均值增加越多。使平均功耗增大。,TTL与非门的功耗,(1)空载导通功耗PON 输出为低电平时的功耗（开态）(2)空载截止功耗POFF 输出为高电平时的功耗（关态）PON POFF(3)平均功耗 P=(PON+POFF)/2,扇入系数是指门的输入端数。扇出系数NO是指一个门能驱动同类型门的个数。IIS为输入短路电流；当测出输出端为低电平时允许灌入的最大负载电流I0max后，则可求出驱动门的扇出系数NO：,TTL与非门的扇入系数和扇出系数,7.扇入系数和扇出系数,输出高电平UOH，输出低电平UOL，阈值电压Uth，开门电平UON，关门电平UOFF，噪声容限UNL、UNH，输入短路电流IIS，输入漏电流或高电平输入电流IIH，关门电阻ROFF，开门电阻RON，最大灌电流负载电流I0max，平均延迟时间tpd（tPHL，tPLH）平均功耗 P（PON，POFF）扇出系数NO,归纳主要参数：,3.2 TTL 集成逻辑门,晶体管-晶体管逻辑门电路（TTL）TTL与非门的主要外部特性TTL或非门、异或门、OC门、三态输出门等其它系列的TTL门电路,TTL或非门,A、B中只要有一个为1，即高电平，如A1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T4饱和导通，输出为低电平，即Y0。,AB0时，iB1、iB1均分别流入T1、T1发射极，使T2、T2、T4均截止，T3、D4导通，输出为高电平，即Y1。,TTL异或门,见教材,一般的TTL门电路，不论输出高电平，还是输出低电平，其输出电阻都很低，只有几欧姆至几十欧姆。因此不能把两个或两个以上的TTL门电路的输出端直接并接在一起。否则，当其中一个输出高电平，另一个输出低电平时，它们中的导通管，就会在+UCC和地之间形成一个低阻串联通路。因此产生的大电流会导致门电路因功耗过大而损坏。既使门电路不被损坏，也不能输出正确的逻辑电平，从而造成逻辑混乱。,集电极开路的TTL与非门（OC门）,可见，一般的TTL门电路输出端不能直接并联“线与”,一般TTL门电路输出端不能直接并联,门1输出高电平，门2输出低电平时，两者的并联情况。,OC门(集电极开路门Open Collector),OC门是允许输出端“线与”的门电路,集电极开路门Open Collector（OC门）,OC门的典型电路及逻辑符号如图所示。,(1)OC门的电路特点是其输出管的集电极开路。使用时，必须外接“上拉电阻RL”和+UCC相连。多个OC门输出端相连时，可以共用一个上拉电阻RC，如图所示。,外接“上拉电阻RL”,在实际应用中必须合理选择RL，其原则是：,（a）上拉电阻RL起限流作用，要保证IRL=VCC/RL的值不超过IOL(max)。,（b）RL值大小影响OC门的开关速度。由于门电路的输出电容、输入电容及接线分布电容的存在，RL愈大负载电容的充电时间愈大，因而开关速度愈慢，因此必须选择适当的RL值。,由于开关速度受到限制，故OC门只适用于开关速度不高的场合。,合理选择RL,OC门实现总线传输,当 E1=1E2=E3=En=0时Y=F1,(2)OC门的应用。,实现多路信号在总线(母线)上的分时传输，如图所示。,实现电平转换抬高输出高电平。,实现电平匹配,由OC门的功能分析可知，OC门输出的低电平UOL=UCES40.3V，高电平UOH=UCC-nICEO4RCUCC。所以，改变电源电压可以方便地改变其输出高电平。只要OC门输出管的U(BR)CEO大于UCC，即可把输出高电平抬高到UCC的值。OC门的这一特性，被广泛用于数字系统的接口电路，实现前级和后级的电平匹配。,图是用来驱动电容负载的，构成锯齿波发生器。当UI=UOL时，OC门截止，UCC通过RC对电容C充电，UO近似线性上升；当UI=UOH时，OC门导通，电容通过OC门放电，UO迅速下降，在电容两端形成锯齿波电压。,驱动非逻辑性负载,OC门驱动非逻辑性负载。,实现“与或非”运算。,用OC门实现“与或非”运算，要比用其它门的成本低，如图（b)。,用来实现“与或非”运算。,利用反演律可把下图（a)的输出函数变换为：,三态输出门（Three State Logic，简称三态门）是在普通门电路的基础上，增加控制端和控制电路构成。其电路结构如下图所示,TTL三态输出门(TSL门),EN0时，二极管D导通，T2、T4均截止，T3、D4也截止，输出端开路，电路处于高阻状态。,TTL三态输出门工作过程,三态与非门(TSL门),高输出阻抗的第三状态高阻态、禁止态,EN=1 时，与非门EN=0 时，高阻态 控制端高电平有效,第三状态高阻态、禁止态,若电路中EN端少一个非门，则逻辑符号如下图：,控制端低电平有效,总线结构,三态门的应用,利用三态门可以实现多路数据的分时传送。三态门的输出端并联使用时，只要控制使能端轮流分时地工作，就可用来在一条数据总线上分时传递若干路门电路的输出信号。,数据的双向传输,3.2 TTL 集成逻辑门,晶体管-晶体管逻辑门电路（TTL）TTL与非门的主要外部特性TTL或非门、异或门、OC门、三态输出门等其它系列的TTL门电路,其它系列的TTL门电路,TTL电路的改进系列主要有：54H/74H系列又称高速系列；54S/74S系列又称肖特基系列；54LS/74LS系列又称低功耗肖特基系列；54AS/74AS及54ALS/74ALS系列，又称先进的肖特基系列和先进的低功耗肖特基系列；不同系列性能比较如表321所示,CT54H/74H系列,CT54H/74H系列与非门,CT54S/74S系列,54S/74S系列与非门,抗饱和晶体管,抗饱和晶体管,CT54LS/74LS系列,CT54LS/74LS系列与非门,第3章 集成逻辑门,概述 3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL 集成逻辑门*3.3 ECL和I2L电路 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路*3.6 VHDL描述逻辑门电路,ECL电路,ECL是一种非饱和型高速逻辑电路，是发射极耦合电路，主要应用于高速、超高速数字系统中。,3.3.1 发射极耦合逻辑（ECL）门,ECL电路的特点,与TTL相比其优点是：（1）速度最快，目前ECL门电路的传输延迟时间已缩短在0.1 ns以内。（2）射极输出结构，输出内阻很低，带负载能力很强，扇出系数达90以上。（3）设有互补输出端，同时输出端可以并联，实现线或逻辑功能。其主要缺点是：（1）功耗大，每个门平均功耗可达100 mW以上。（2）输出电平稳定性较差。（3）抗干扰能力差，ECL逻辑摆幅只有0.8 V，噪声容限只有200 mW。,ECL门电路,ECL门电路,P=A+B+C,I2L电路,集成注入逻辑(I2L)电路的基本单元是由多集电极三极管构成的反相器，反相器偏流由恒流管提供，工作在恒流状态。目前I2L主要用于制作大规模集成电路的内部逻辑电路。,3.3.2 I2L逻辑门,I2L电路的特点,I2L电路的优点是：（1）电路结构简单，电路中没有电阻元件，既节省所占硅片面积，又降低功耗。（2）多集电极输出结构可以通过线与将几个门输出端并联，以获得所需的逻辑功能。（3）I2L电路能在低电压、微电流下工作，最低可以工作在1 V以下，I2L反相器的工作电流可以小于1 nA。I2L电路的缺点是：（1）抗干扰能力差，输出摆幅比较小，通常在0.6 V，噪声容限很小。（2）开关速度慢，反相器传输时间可达2030 ns。,以恒流源供电的非门为基本单元,两级I2L非门串接的电路,多集电极I2L电路,多集电极I2L电路,I2L逻辑门举例,I2L逻辑门举例,肖特基I2L电路基本单元,肖特基I2L电路基本单元,第3章 集成逻辑门,概述 3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL 集成逻辑门*3.3 ECL和I2L电路 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路*3.6 VHDL描述逻辑门电路,3.4 MOS逻辑门,3.4.1 MOS晶体管3.4.2 MOS反相器和门电路,MOS晶体管,MOS器件输出特性和阈值电压,MOS管有P沟道MOS管和N沟道MOS管两种，每种又分有增强型和耗尽型两类。下面以N沟道增强型为例说明。,N沟道增强型MOS管,MOS管输出特性曲线,输出特性是指在一定栅源电压vGS下，漏源电流iDS和漏源电压vDS之间的关系。N沟道增强型MOS管有三个工作区：,N沟道增强型MOS管输出特性曲线,MOS管的三个工作区域,（1）当vGSVGS(th)N时，iDS0，为截止区。,（2）当vGSVGS(th)N，且vDS（vGSVGS(th)N）时，iDS随vDS线性上升，为非饱和区，又称可调电阻区。,（3）当vGSVGS(th)N，且vDS（vGSVGS(th)N）时，iDS不随vDS线性上升，vDS增加，iDS几乎不变，为饱和区。,VGS(th)N为其阈值电压，又称开启电压。,MOS管转移特性,转移特性和跨导,N沟道MOS管转移特性,MOS管开关电路,工作原理电路,转移特性曲线,输出特性曲线,MOS管开关等效电路,截止状态,vi VGS(th)N,vo=+VDD,导通状态,vi VGS(th)N,vo0,增强型MOS管开关条件,N沟道增强型MOS管:,导通条件：,vGS VGS(th)N0,截止条件：,vGS VGS(th)N,P沟道增强型MOS 管:,导通条件：,vGSVGS(th)P0,截止条件：,vGS VGS(th)P,E/E MOS反向器,1 E/E MOS反向器及逻辑门电路,E/E MOS反向器,E/E MOS反向器的图解分析,E/E MOS与非门、或非门电路,E/E MOS与非门、或非门电路,E/E MOS与门、或门电路,E/E MOS与门、或门电路,E/D MOS反相器,2 E/D MOS反相器及逻辑门电路,E/D MOS反相器,N沟道耗尽型MOS管特性曲线,N沟道耗尽型MOS管特性曲线,E/D MOS 反相器负载线的图解分析,E/D MOS 反相器负载线的图解分析,E/D MOS 逻辑门电路,E/D MOS 逻辑门电路,第3章 集成逻辑门,概述 3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL 集成逻辑门*3.3 ECL和I2L电路 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路*3.6 VHDL描述逻辑门电路,3.5 CMOS电路,3.5.1 CMOS反相器工作原理3.5.2 CMOS反相器的主要特性3.5.3 CMOS传输门3.5.4 CMOS逻辑门电路3.5.5 BiCMOS门电路3.5.6 CMOS电路的正确使用方法,CMOS反相器,CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串接组成。P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管（开关管）,它们的开启电压分别是：VGS(th)P0，VGS(th)N0。,CMOS反相器工作原理,当vI=0 V时，vGSN=0 V，开关管TO截止，vGSP=VDD，负载管TL导通，输出vOVDD。,当vI=VDD时，vGSN=VDD，开关管TO导通，vGSP=0 V，负载管TL截止，输出vO0 V。,CMOS反相器的主要特性,1、电压传输特性和电流传输特性,输出电压与输入电压之间的关系曲线称为电压传输特性,CMOS反相器的电流传输特性,输出电流与输入电压之间的关系曲线称为电流传输特性。,CMOS反相器的主要特性分析,由电压传输特性和电流传输特性可以看出：,(1)输出高电平VOH=VDD，输出低电平VOL=0 V。,(2)CMOS反相器在稳态时，工作电流均极小，只有在状态急剧变化时，由于负载管和输出管均处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。,(3)在状态发生变化时，反转速度较快，其阈值电压为Vth=VDD/2,CMOS反相器的特点,CMOS反相器具有如下特点：,静态功耗极低。,抗干扰能力较强。,电源利用率高，且允许VDD可以在一个较宽的范围内变化。,输入阻抗高，带负载能力强。,输入端结构及输入特性,下图所示为带双二极管输入保护电路的CMOS反相器，输入端增加了上下保护二极管VD1、VD2和一个串联电阻R，一般R=13K，C1和C2分别为VTP管和VTN管栅极等效输入电容。在正向或负向尖峰脉冲作用下，相应的保护二极管导通，使输入的大电流仅通过保护电路，而不通过MOS管的沟道，使电路得到保护。,CMOS输入保护电路,CMOS反相器输入特性,低电平输出特性,输出低电平等效电路,输出低电平时输出特性,高电平输出特性,输出高电平等效电路,输出高电平时输出特性,CMOS传输门,CMOS传输门由P沟道和N沟道增强型MOS管并联互补组成，其基本形式和逻辑符号如图所示。,CMOS传输门工作过程,传输门高、低电平传输情况,传输门用作模拟开关,由于TP和TN管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互换使用，因而CMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可以互易使用。,传输门的一个重要用途是作模拟开关，它可以用来传输连续变化的模拟电压信号。模拟开关的基本电路由CMOS传输门和一个CMOS反相器组成，如图所示。当C=1时，开关接通，C=0时，开关断开，因此只要一个控制电压即可工作。和CMOS传输门一样，模拟开关也是双向器件。,CMOS逻辑门电路,1.CMOS与非门、或非门,CMOS与非门,A、B当中有一个或全为低电平时，T1、T2中有一个或全部截止，T3、T4中有一个或全部导通，输出Y为高电平。,只有当输入A、B全为高电平时，T1和T2