数字电路逻辑设计第3章

本章知识要点
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集成电路的分类
半导体器件的开关特性 逻辑门电路 逻辑函数的实现
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3.1 数字集成电路的分类
数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据
集成规模的大小进行分类。
一. 根据所采用的半导体器件进行分类
根据所采用的半导体器件，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。主要 特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。 单极型集成电路(MOS集成电路): 采用金属-氧化物半导体 场效应管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Transister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集成度 高、功耗低，但速度相对双极型较慢。
0.1V，硅管约0.5V。
正向电压 VF ≤VTH：管子截止，电阻很大、正向电流 IF 接近于 0，二极管类似于开关的断开状态 ； 正向电压 VF = VTH：管子开始导通，正向电流 IF 开始上升； 正向电压 VF ＞VTH ：管子充分导通(导通电压一般锗管约0.3V， 硅管约 0.7V，通常称为导通电压) ，电阻很小，正向电流IF 急剧增加 ，二 极管类似于开关的接通状态。
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2． 反向特性
二极管在反向电压 VR 作用下，处于截止状态，反向电阻 很大，反向电流 IR 很小（将其称为反向饱和电流，用 IS 表示 ，通常可忽略不计），二极管的状态类似于开关断开。而且反 向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。
使用注意事项!
● 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成实 际电路时通常要串接一只电阻 R，以限制二极管的正向电流； ● 反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR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VBR），一般不允许反向电压超过此值。 11
根据设计方法和功能定义通常可分为如下3类：
1. 非定制电路（又称为标准集成电路）
2. 全定制电路（又称为专用集成电路） 3. 半定制电路
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3.2 半导体器件的开关特性
数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是 以开关方式运用的，工作状态相当于相当于开关的“接通”与 “断开”。 数字系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中
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当输入电压vi由-V1 跳变到+V2时，三极管从截止到开始导通所需要的时 间称为延迟时间td。 经过延迟时间td后，iC不断增大。iC上升到最大值的90%所需要的时间称 为上升时间tr 当输入电压vi由+V2跳变到-V1时，集电极电流从ICS到下降至0.9ICS所需要 的时间称为存储时间ts。 集电极电流由0.9ICS降至0.1ICS所需的时间称为下降时间tf 。
一. 非门
非门又称“反相器”。晶体三极管反相器的电路图和逻 辑符号如图 (a)和图(b)所示0
A 0 1
F 1 0
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二.
与门
一个由二极管构成的2输入与门电路如下图所示。
A/V B/ V 0 0 0 +5 +5 0 +5 +5 F/V 0 0 0 +5
A
B
F 0 0 0 1
，研究其开关特性时，不仅要研究它们在导通与截止两种状态 下的静止特性，而且还要分析它们在导通和截止状态之间的转 变过程，即动态特性。
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3.2.1 晶体二极管的开关特性
常见外形图
一．静态特性
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 管的静态特性曲线为：
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1. 正向特性 ： 门槛电压 ( VTH )：使二极管开始导通的正向电压，一般锗管约
第
三
章
随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元 器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封 装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的集成 电路块，通常又称为集成电路芯片。
集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的
物质基础。
采用集成电路进行数字系统设计的优点： 可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大 大简化设计和调试过程。 2
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1．开通时间（ ton ） 开通时间：三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间。 开通时间ton = 延迟时间td +上升时间tr
2. 关闭时间 （ toff ）
关闭时间 ：三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间。 关闭时间toff =存储时间ts +下降时间tf 开通时间ton和关闭时间toff是影响电路工作速度的主要 因素。 23
3.3 逻 辑 门 电 路
实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的逻辑器件统称 为逻辑门电路，它们是组成数字系统的基本单元电路。
以TTL集成逻辑门和CMOS集成逻辑为例进行介绍。 要求：重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性，以 及器件的使用方法。对其内部结构和工作原理只要求作一般 了解。
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3.3.1 简单逻辑门电路
2. 开通时间
开通时间：二极管从反向截止到正向导通的时间称为开 通时间。 由于 PN 结在正向电压作用下空间电荷区迅速变窄，正 向电阻很小，因而它在导通过程中及导通以后，正向压降都 很小，故电路中的正向电流IF ≈VF/R。而且加入输入电压VF 后，回路电流几乎是立即达到IF的最大值。 即：二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相 对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。 16
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双极型集成电路分为： 晶体管-晶体管逻辑电路TTL(Transistor Transistor
Logic) 发射极耦合逻辑电路(Emitter Coupled Logic) 集成注入逻辑电路I2L(Integrated Injection Logic) ┊ TTL电路的“性能价格比”较佳，应用最广泛。 MOS集成电路分为： PMOS( P-channel Metel Oxide Semiconductor) NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor) CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor) ┊ CMOS 电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电 路的设计，而且综合性能好 。 5
1. 反向恢复时间
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。
当作用在二极管两端的电压由正向导通电压VF 转为反向
截止电压 VR 时，在理想情况下二极管应该立即由导通转为截 止，电路中只存在极小的反向电流。
实际情况如何呢？ 13
实际过程如图所示：
ts — 称为存储时间； tt — 称为渡越时间； tre= ts+tt —称为反
0 0 0 1 1 0 1 1
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三.
或门
一个由二极管构成的2输入或门电路如下图所示。
A/V B/ V 0 0 0 +5 +5 0 +5 +5 F/V 0 +5 +5 +5
A
B
F 0 1 1 1
0 0 0 1 1 0 1 1
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3.3.2 TTL 集成逻辑门电路
TTL(Transistor Transistor Logic)电路是晶体管- 晶体 管逻辑电路的简称。60年代问世，经过对电路结构和工艺
3.2.2
晶体三极管的开关特性
各种不同三极管的实物图
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一．静态特性 晶体三极管由集电结和发射结两个 PN 结构成。三极管 有截止、放大、饱和3种工作状态。 一个用 NPN 型共发射极晶体三极管组成的简单电路及 其输出特性曲线如下图所示。
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电路工作特点：
1. 截止状态 vI≤0，两个PN结均为反偏，iB≈0,iC ≈0,vCE ≈VCC。三极管呈 现高阻抗，类似于开关断开。 2. 放大状态 vI＞ VTH ，发射结正偏，集电结反偏，iC =βiB 。 3. 饱和状态 vB ＞ VTH，并达到一定值 ，两个PN结均为正偏，iB ≥IBS(基极 临界饱和电流) ≈VCC/βRc ,此时iC = ICS(集电极饱和电流)≈VCC/Rc。三 极管呈现低阻抗，类似于开关接通。 19
※ 当有输入端接低电平(0.3V)时：输入端为低的发射结 导通，使T1的基极电位vb1=0.3V+0.7V=1V。该电压作用于T1的 集电结和T2、T4的发射结上，不可能使T2和T4导通，即T2、T4均 截止。
该电路可按 图中虚线划分为三部分：
输入级—— 由多发射极晶体管T1和电阻R1组成； 中间级—— 由晶体管T2和电阻R2、R3组成； 输出级—— 由晶体管T3、T4、D4和电阻R4、R5组成。 29
(2) 工作原理
※ 输入端全部接高电平(3.6V)：电源Vcc通过R1和T1的集电 结向T2提供足够的基极电流，使T2饱和导通。T2的发射极电流在 R3 上产生的压降又使 T4 饱和导通，输出为低电平(≈0.3V)。 此时，T1的基极电压 vb1=vbc1+vbe2+vbe4≈ 2.1V；T2的集电 极电压vc2 = vces2+vbe4≈0.3V+0.7V≈1V,该值不足以使T3和D4导 通,故D4截止。 实现了“输入全高 ，输出为低”的逻辑关系。 30
的不断改进，性能得到不断改善，至今仍被广泛应用于各 种逻辑电路和数字系统中。 TTL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。 下面，对几种常见TTL门电路进行介绍，重点讨论TTL与 非门。
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一. 典型TTL与非门
1. 电路结构及工作原理
(1) 电路结构 典型TTL与非门电路 图及相应逻辑符号如右 图所示。
二．根据集成电路规模的大小进行分类
根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数 ，分为 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。 1. SSI (Small Scale Integration : 逻辑门数小于10 门(或 元件数小于100个)；