第三章逻辑门电路

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高电平扇出数:
NOH
I OH(驱动门) I IH(负载门)
IOH :驱动门的输出端为高电平时的电流
IIH :负载门的输入电流
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(b)带灌电流负载(低电平输出)
当驱动门的输出端为低电平时,负载电流IOL流入驱动门,它是负载门 输入端电流IIL之和。当负载门的个数增加时,总的灌电流IOL将增加, 同时也将引起输出低电压VOL的升高。当输出为低电平,并且保证不超 过输出低电平的上限值。
➢ 电路类型TTL数字集成电路约有400多个品种,大致可以分为以下几类: 门电路、译码器/驱动器、触发器、计数器、移位寄存器、单稳/双稳电路和多谐
振荡器、 加法器、乘法器、奇偶校验器、 码制转换器、线驱动器/线接收器、多路 开关、存储器
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CMOS集成电路
➢ CMOS,全称Complementary Metal Oxide Semiconductor,即互补金属
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N增强型MOS管输出特性
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MOS开关及其等效电路
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VDS增加到使VGD=VGS-VDS =VT时, 导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断,称为预夹断。 此时的漏极电流ID 基本饱和。
VDS继续增加使VGD=VGS-VDS <VT
导电沟道夹断的区域向源极方 向延伸,对应特性曲线的饱和 区,VDS增加的部分基本降落 在随之加长的夹断沟道上, ID基本趋于不变。
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当VDS=0V,VGS较小时,虽然在P型衬底表面形成一层耗尽 层,但负离子不能导电。
当VDS=0V,当VGS=VT时,在P型衬底表面形成一层电子层, 形成N型导电沟道。
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当VGS>VT时, 沟道加厚, 外加较小的VDS时,ID随着 VDS迅速增加,由于沟道存在电位梯度,沟道厚度不均 匀,其形状为楔形,此时MOS管进入可变电阻区。
第三章 逻辑门电路
➢ 3.1 MOS逻辑门电路 ➢ 3.2 TTL逻辑门电路 ➢ 3.5 逻辑描述中的几个问题 ➢ 3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题
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3.1 MOS逻辑门电路
➢ 3.1.1 数字集成电路简介 ➢ 3.1.2 逻辑电路的一般特性 ➢ 3.1.3 MOS开关及其等效电路 ➢ 3.1.4 CMOS反相器 ➢ 3.1.5 CMOS逻辑门电路 ➢ 3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路 ➢ 3.1.7 CMOS传输门 ➢ 3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数 ➢ 3.1.9 NMOS门电路
❖ CMOS电路相比于TTL,具有功耗低、工作电压范围宽、 抗干扰能力强等优点,工作速度也已经赶上甚至超过TTL 电路,因此几乎所有超大规模存储器以及PLD器件均采用 CMOS工艺制造,且成本较低。
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双极型集成电路
直接耦合晶体管集成电路(DCTL)
电阻-晶体管集成电路(RTL)
氧化物半导体,是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。采用 CMOS技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 集成在一块硅片上。该技术通常用于生产RAM和交换应用系统,在计算 机领域里通常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的 ROM芯片。
➢ CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成,它的特点是低功耗。由于CMOS
CMOS电路的静态功耗非常低,CMOS门电路有动态功
耗,动态功耗正比于转换频率和电源电压的平方。
对于TTL门电路来说,静态功耗是主要的。
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5. 延时功耗积 是速度功耗综合性的指标-延时功耗积,用符号DP表示
DPtpdPD
6. 扇入与扇出数 扇入数:取决于逻辑门的输入端的个数。
MOS管的定义及分类
MOS管是金属(metal)—氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)场 效应晶体管,利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。
MOS管分类
PMOS管: 结构简单,工作速度低,负电源工作。 NMOS管: 工艺复杂,正电源工作。 CMOS管: PMOS管和NMOS管组成互补电路。
对应一定的电压范围,而不是一个固定值。当逻辑电路的 输入信号在一定范围内变化时,输出电压并不会改变。
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2. 噪声容限
噪声容限表示门电路的抗干扰能力,指在保证输出电平不变的条 件下,输入电平允许波动的范围。
负载门输入高电平时的噪声容限: VNH —当前级门输出高电平的最小值
时允许负向噪声电压的最大值。
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CMOS电路的优势
CMOS发展比TTL晚,但是以其较高的优越性在很多场合逐 渐取代了TTL。
以下比较两者性能,大家就知道其中原因。
1. CMOS是场效应管构成,TTL为双极晶体管构成;
2. CMOS的逻辑电平范围比较大(5~15V),TTL只能 在5V下工作;
3. CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强, TTL则相差小,抗干扰能力差;
TTL门电路
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❖ 数字集成电路产品的种类有很多种。数字集成电路构成了 各种逻辑电路,如各种门电路、编译码器、 触发器、计
数器、寄存器等。他们广泛应用在生活中的各个方面,小 至电子表,大至计算机,都是由数字集成电路构成。
❖ 从集成结构上来分,数字集成电路分为双极型电路(TTL 、ECL 、HTL等)、MOS型(PMOS 、NMOS 、CMOS )、BiMOS型(BiMOS和BiCMOS)。
输出逻 辑摆幅
/V
CT54/74 +5 10
15
TTL
CT54LS/74LS +5 7.5
2
150
1.2 2.2 3.5
15
0.4 0.5 3.5
HTL
+15 85
30
2550
7 7.5 13
CE10K系列 -5.2 2
25
ECL
CE100K系列 -4.5 0.75
40
50
0.155 0.125 0.8
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3.1.1 数字集成电路简介
1 、逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路, 如与门,与非门,或门等等。门电路中以高/低电平表示逻辑 状态的1/0。
2、 逻辑门电路的分类 分立门电路
逻辑门电路 集成门电路
二极管门电路
三极管门电路 NMOS门 MOS门电路 PMOS门
CMOS门
30
0.135 0.130 0.8
VDD=5V
+5
45 5×10-3 225 ×10-3 2.2 3.4
5
CMOS
VDD=15V +15 12 15×10-3 180 ×10-3 6.5 9.0
15
高速CMOS
+5
8 1×10-3 8 ×10-3 1.0 1.5
5
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3.1.3 MOS开关及其等效电路
输入高电平的下限值 VIH(min)
输出高电平的下限值 VOH(min)
输出低电平的上限值 VOL(max)
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注意:
1. VH 和 VL都是对具体门输入/输出高、低电平电压值的要 求。
2. 在正逻辑体制中,用逻辑1和0分别表示高、低电平。 3. 高电平表示逻辑状态1,低电平表示逻辑状态0,一种状态
VNH =VOH(min)-VIH(min)
负载门输入低电平时的噪声容限:
VNL —当前级门输出低电平的最大
值时允许正向噪声电压的最大值
VNL =VIL(max)-VOL(max)
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3.传输延迟时间
传输延迟时间是表征门电路开关速度 的参数,它说明门电路在输入脉冲波 形的作用下,其输出波形相对于输入 波形延迟了多长的时间。
TTL系列
➢ TTL电路是晶体管-晶体管逻辑电路的英文缩写(Transistor-Transistor-Logic),是 数字集成电路的一大门类。它采用双极型工艺制造,具有高速度低功耗和品种多等 特点。 从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品: 第一代TTL包括SN54/74系列,(其中54系列工作温度为-55℃~+125℃,74系列 工作温度为0℃~+75℃) ,低功耗系列简称LTTL,高速系列简称HTTL。 第二代TTL包括肖特基箝位系列(STTL)和低功耗肖特基系列(LSTTL)。 第三代为采用平面工艺制造的STTL(ASTTL)和低功耗STTL(ALSTTL)。由于 LSTTL和ALSTTL的电路延时功耗积较小,STTL和ASTTL速度很快,因此获得了 广泛的应用。
低电平扇出数:
N OL
I OL (驱动门) I IL (负载门)
IOL :驱动门的输出端为低电平时的电流
IIL :负载门输入端电流
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各类数字集成电路主要性能参数的比较
百度文库
电路类型
电源电 压/V
传输延 迟时间
/ns
静态功耗 /mW
功耗-延迟 积/mW-ns
直流噪声容限 VNL/V VNH/V
74HC 74HCT
速度加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低
74VHC 74VHCT
速度两倍于74HC 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低
74LVC 74VAUC
低(超低)电压 速度更加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰功耗低
2.TTL 集成电路: 广泛应用于中大规模集成电路
74系列
饱和型集成 二极管-晶体管集成电路(DTL)
电路
高阀值晶体管集成电路(HTL)
晶体管-晶体管集成电路(TTL)
双极型数字
集成注入集成电路(I2L)
集成电路
抗饱和型集成电路---肖特基晶体管-晶体管集成电路 (STTL)
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非饱和型集成电路---发射极耦合集成电路(ECL)
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双极型集成电路
74LS系列
74AS系列
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74ALS
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3.1.2 逻辑电路的一般特性
▪ 输入和输出的高、低电平 ▪ 噪声容限 ▪ 传输延迟时间 ▪ 功耗(静态和动态) ▪ 延时–功耗积 ▪ 扇入数与扇出数
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1. 输入和输出的高、低电平
1输出 0输出
1输入 0输入
输入低电平的上限值 VIL(max)
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MOS:金属-氧化层-半导体结构的电容结构
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N沟道MOS管的截面图
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电路符号
箭头方向由衬底指向沟道
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N沟道增强型MOS的工作原理
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当VGS=0V,VDS=0V时,漏源之间相当两个背靠背 的PN结,MOS管处于截止区。
CMOS电路传输延迟时间
类型 参数
tPLH或 tPHL(ns)
74HC
VDD=5 V
74HCT 74LVC 74AUC VDD=5V VDD=3.3V VDD=1.8V
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2.1
0.9
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4. 功耗
静态功耗:指的是当电路的输出没有状态转换时的功耗,即门 电路空载时电源总电流ID与电源电压VDD的乘积。 动态功耗:指的是电路在输出发生状态转换时的功耗。 CMOS电路的动态功耗主要由两部分组成: 由状态转换瞬间大电流引起:PT CPD VD 2D f 由CMOS管的电容性负载充放电引起: PLCLVD 2Df
4. CMOS功耗很小,TTL功耗较大(1~5mA/门);
5. CMOS的工作频率较TTL略低,但是高速CMOS的速 度与TTL相当。
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CMOS和TTL集成电路的发展及应用
1.CMOS集成电路: 广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路
4000系列
速度慢 与TTL不兼容 抗干扰 功耗低
扇出数:是指其在正常工作情况下,所能带同类门电路 的最大数目。 扇出数的计算分两种情况: (a)拉电流和(b)灌电流
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(a)带拉电流负载(高电平输出)
当驱动门的输出端为高电平时,将有电流IOH从驱动门拉出而流入负载门, 负载门的输入电流为IIH,当负载门的个数增加时,总的拉电流将增加, 会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值,这就限制 了负载门的个数。
中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要 么都截至,比线性的三极管(BJT)效率要高得多,因此功耗很低。
➢ 相对于其他逻辑系列,CMOS逻辑电路具有以下优点:
1、允许的电源电压范围宽,方便电源电路的设计
2、逻辑摆幅大,使电路抗干扰能力强
3、静态功耗低
4、隔离栅结构使CMOS器件的输入电阻极大,从而使CMOS器件驱动 同类逻辑门的能力比其他系列强得多。
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