数字逻辑原理与实践3-3综述课件

Class Exercise Class Exercise VCCOUTENA1、Analyse the logic relationship between the input and output of the circuit below.1 1Answer keyAnswer key2 2CMOS Steady-State Electrical Behavior(CMOS CMOS稳态电气特性）稳态电气特性）Logic Levels（逻辑电压电平）（逻辑电压电平）Noise Margin（噪声容限）（噪声容限）高态高态不正常状态不正常状态低态低态VOLmaxVILmaxVIHminVOHminReview of lass classReview of lass class3 3VOUT =0VCC=+5.0VRThevVThev+VCC=+5.0VRThevVThev+VOUT =1Circuit Behavior with Resistive Loads （带电阻性负载的电路特性）（带电阻性负载的电路特性）保证提供或吸收的电流保证提供或吸收的电流小于门电路的规定值小于门电路的规定值Output Behavior Get Worse with a load(负载导致输出特性变坏负载导致输出特性变坏)Sinking currentSourcing currentReview of lass classReview of lass class4 4非理想输入时的电路特性非理想输入时的电路特性输入偏离供电轨道，输出电压变坏输入偏离供电轨道，输出电压变坏VDD=+5.0VVOUTVINTpTnCurrent Spikes and Decoupling Capacitors (电流尖峰和去耦电容器电流尖峰和去耦电容器)iDvI12VDDReview of lass classReview of lass class5 5Fan-Out（扇出（扇出）当输出负载大于它的扇出能力时？当输出负载大于它的扇出能力时？输出特性变差输出特性变差电流电流，功耗，功耗，温度升高，温度升高传输延迟、转换时间变长传输延迟、转换时间变长Unused Inputs (不用的不用的CMOS输入端如何处理？输入端如何处理？)Review of lass classReview of lass class6 6EXAMPLE 2(P107)EXAMPLE 2(P107)7 73.6 3.6 CMOS Dynamic Electrical BehaviorCMOS Dynamic Electrical Behavior (CMOS(CMOS动态电气特性动态电气特性)Consider Two Factors:Speed and Power-Consumption (考虑两个方面：速度、功耗考虑两个方面：速度、功耗)Transition Time(转换时间转换时间)Propagation Delay(传播延迟传播延迟)Review of lass classReview of lass class8 8Transition Time(Transition Time(转换时间转换时间)Consider Two Factors(考虑两个因素考虑两个因素)：“On”Transistor Resistance (晶体管的晶体管的“导通导通”电阻电阻)Stray Capacitance（寄生电容（寄生电容）VCC=+5.0VRLRpRnVL+CLFigure 3-36Rise Time(Rise Time(上升时间上升时间t tr r )Fall Time(Fall Time(下降时间下降时间t tf f)Review of lass classReview of lass class9 9VCC=+5.0VRLRpRnVL+CL电容两端电压不能突变电容两端电压不能突变When working with Real digital circuit,the Transition Time approximately Equals the RC time Constant(在实际电路中可用时间在实际电路中可用时间常数常数近似转换时间近似转换时间)Transition Time(Transition Time(转换时间转换时间)Rise Time(Rise Time(上升时间上升时间t tr r )Fall Time(Fall Time(下降时间下降时间t tf f)Review of lass classReview of lass class1010Propagation Delay (Propagation Delay (传播延迟传播延迟)VINVOUTSignal Path:Electical Path from a Particular Input Signal to a Particular Output Signal of a Logic Element.(信号通路：一个特定输入信号到逻辑元件的信号通路：一个特定输入信号到逻辑元件的 特定输出信号所经历的电气通路。特定输出信号所经历的电气通路。)Review of lass classReview of lass class1111Power Consumption(Power Consumption(功率损耗功率损耗)VDD=+5.0VVOUTVINTpTnStatic/Quiescent Power Dissipation and Dynamic Power Dissipation(分为：静态功耗、动态功耗分为：静态功耗、动态功耗)CLReview of lass classReview of lass class1212Power Consumption(Power Consumption(功率损耗功率损耗)两个管子瞬间同时导通两个管子瞬间同时导通产生的功耗产生的功耗 PT对负载电容充、放电所对负载电容充、放电所产生的功耗产生的功耗 PLVDD=+5.0VVOUTVINTpTnSource of Dynamic Power Dissipation(动态功耗动态功耗的来源的来源):CLReview of lass classReview of lass class1313动态功耗的来源：动态功耗的来源：两个管子瞬间同时导通两个管子瞬间同时导通产生的功耗产生的功耗 PT对负载电容充、放电所对负载电容充、放电所产生的功耗产生的功耗 PLV VCC CC 的大小的大小输入波形的好坏输入波形的好坏输入信号频率输入信号频率负载电容负载电容输入信号频率输入信号频率(V VCC CC)2 2 Power Consumption(Power Consumption(功率损耗功率损耗)Static/Quiescent Power Dissipation and Dynamic Power Dissipation(分为：静态功耗、动态功耗分为：静态功耗、动态功耗)Review of lass classReview of lass class14143.7 Other CMOS Input and Output Structures（其他（其他CMOS输入输出结构）输入输出结构）(P129)1515Transmission Gates (传输门传输门)When EN=0When EN=0，EN_L=1EN_L=1，Transistor Off,Transistor Off,A,B OffA,B Off(晶体管截止，晶体管截止，A A、B B断开断开)When EN=1When EN=1，EN_L=0EN_L=0，Transistor On,A,B On(晶体管导通，晶体管导通，A A、B B之间低之间低 阻阻抗连接抗连接)v双向器件双向器件v传播延迟非常短传播延迟非常短ENEN_LAB3.7.1 Transmission Gates(3.7.1 Transmission Gates(传输门传输门)16163.7.1 Transmission Gates(3.7.1 Transmission Gates(传输门传输门)Example 1(P129 Figure 3-46)0100101117173.7.2 Schmitt-Trigger Inputs3.7.2 Schmitt-Trigger Inputs(施密特触发器输入施密特触发器输入)(P130)(P130)VOUTVIN5.02.1 2.95.0Input-Output TransferCharacteristic(电压传输特性电压传输特性)VT+VT-输输入入门限门限电压电压VT+VT-Use Feedback Internally(采用内部反馈，边沿更陡采用内部反馈，边沿更陡)Logic Symbol(逻辑符号逻辑符号)：1818Schmitt-Trigger InputsSchmitt-Trigger Inputs(施密特触发器输入施密特触发器输入)VOUTVIN5.02.1 2.95.0Input-Output TransferCharacteristic(电压传输特性电压传输特性)VT+VT-Hysteresis:Difference Between the Two Thresholds(滞后：两个门限电压之滞后：两个门限电压之差差)Logic Symbol(逻辑符号逻辑符号)：1919Example 2Example 22020Applications of Schmitt-Trigger Applications of Schmitt-Trigger(施密特触发器的应用施密特触发器的应用)波形变换波形变换2121脉冲整形脉冲整形Applications of Schmitt-Trigger Applications of Schmitt-Trigger(施密特触发器的应用施密特触发器的应用)Figure 3-472222脉冲鉴幅脉冲鉴幅Applications of Schmitt-Trigger Applications of Schmitt-Trigger(施密特触发器的应用施密特触发器的应用)23233.7.3 Three-State Outputs 3.7.3 Three-State Outputs(三态输出三态输出)(P373)(P373)VCCOUTENAWhen EN=0When EN=0，C=1,C=1,TpTp Off(Off(截止截止)B=1,D=0,B=1,D=0,TnTn Off Off Hi-Z,High-Impedance Hi-Z,High-Impedance/Floating State/Floating State(高阻态高阻态/悬空态）悬空态）BCDTpTn2424Three-State Outputs(Three-State Outputs(三态输出三态输出)VCCOUTENAWhen EN=1When EN=1，C=A,B=0,C=A,B=0,D=AD=A Output Controlled Output Controlled by A is Logic by A is Logic Levels:Levels:High or LowHigh or Low(由由A A控制输出为控制输出为:逻辑逻辑0 0 或或 逻辑逻辑1 1)BCDTpTnAENOUT逻辑符号逻辑符号2525输出电平？输出电平？造成逻辑混乱造成逻辑混乱很大的负载电流很大的负载电流同时流过输出级同时流过输出级可使门电路损坏可使门电路损坏3.7.4 Open-Drain Outputs3.7.4 Open-Drain Outputs(漏极开路输出漏极开路输出)(P133)(P133)VCCAZActive Pull-Up(有源上拉有源上拉)VCCB低低高高有源上拉的有源上拉的CMOSCMOS器件器件其输出端不能直接相联其输出端不能直接相联100 1M 100 1M 2626ABZVCCVCCR(pull-up resister)上拉电阻上拉电阻ABZ逻辑符号逻辑符号希望尽量小，减少上升时间希望尽量小，减少上升时间太小则吸收电流太大太小则吸收电流太大应用：驱动应用：驱动LED、线与、线与、驱动多源总线驱动多源总线Open-Drain Outputs(Open-Drain Outputs(漏极开路输出漏极开路输出)The underscorded diamond2727ABZVCCVCCRCDVCCZ=Z1 Z2 =(AB)(CD)3.7.7 Wired Logic of Open-Drain Outputs3.7.7 Wired Logic of Open-Drain Outputs(漏极开路输出的线连逻辑漏极开路输出的线连逻辑)(P138)(P138)Z1Z2Wired AND(线与线与)28283.3.9 Low-voltage CMOS Logic and interfacing 9 Low-voltage CMOS Logic and interfacing 低电压低电压CMOSCMOS逻辑和接口逻辑和接口(P151)(P151)为什么使用低电压？为什么使用低电压？减小电源电压可以减小动态功耗减小电源电压可以减小动态功耗更小的尺寸、更高的集成度更小的尺寸、更高的集成度3.3 0.3V 2.5 0.5V 1.8 0.15V29293.3.10 Bipolar Logic(10 Bipolar Logic(双极逻辑双极逻辑)(P156)(P156)Diode TransferCharacteristic(二极管开关特性二极管开关特性)Thresholds(门限电门限电压压)Breakdown(反向击穿反向击穿)Leakage Current(漏电流漏电流)viVTI s30303.3.10 Bipolar Logic(10 Bipolar Logic(双极逻辑双极逻辑)Diode TransferCharacteristic(二极管开关特性二极管开关特性)viVTI s+RfVdForward Biased(正偏（导通）正偏（导通）)+Reverse Biased(反偏（截止）反偏（截止）)25 0.6V3131Diode Logic (二极管逻辑二极管逻辑)ABD1D2RVCCY02V Low(低电平低电平)0(逻辑逻辑0)23V Noise Margin(噪声电平）噪声电平）Undefined(未定义未定义)35V High(高电平高电平)1(逻辑逻辑1)Diode AND Gate(二极管与门二极管与门)3.3.10 Bipolar Logic(10 Bipolar Logic(双极逻辑双极逻辑)32323.10.2 Bipolar Junction Transistors 3.10.2 Bipolar Junction Transistors(双极结型晶体管双极结型晶体管)(P158)(P158)截止区截止区放大区放大区饱和区饱和区Base(基极基极)Collector(集电极集电极)Emitter发射极发射极VCCvo+_vi+-RBRCiCTransistor Logic Inverter(三极管反相器三极管反相器)3333SchottkySchottky Transistors Transistors(肖特基晶体管肖特基晶体管)三极管内部电荷的建立和消散都需要时间三极管内部电荷的建立和消散都需要时间 存储时间（传输延迟的重要部分）存储时间（传输延迟的重要部分）确保晶体管正常工作时不进入深度饱和确保晶体管正常工作时不进入深度饱和利用利用Schottky diode(肖特基二极管肖特基二极管)Vd=0.25V基极基极集电极集电极发射极发射极3434逻辑系列逻辑系列3.8 3.8 CMOSCMOS系列系列HC、HCT 高速高速VHC、VHCTFCT、FCT-T3.13.10.6 TTL0.6 TTL系列系列H高速高速S肖特基肖特基L低功耗（低功耗（LS）A高级（高级（AS、ALS）F快速快速7454FAM nn器件标号器件标号功功能能对称输出驱动对称输出驱动35353.13.10.8 CMOS/TTL0.8 CMOS/TTL interfacing(P169)interfacing(P169)需要考虑：需要考虑：噪声容限、扇出、电容负载噪声容限、扇出、电容负载不正常状态不正常状态VOLmaxT0.33VILmax0.8VIHmin2.0VOHminT3.84HCTVCC=5V不正常状态不正常状态VOLmax0.5VOHmin2.7VIHmin2.0VILmax0.8TTLVCC=5V00363674HCT驱动驱动74LS 高态高态:3.84 2.0=1.84V 低态低态:|0.33 0.8|=0.47V不正常状态不正常状态VOLmax0.33VILmax0.8VIHmin2.0VOHmin3.8474HCT不正常状态不正常状态VOLmax0.5VOHmin2.7VIHmin2.0VILmax0.874LS74LS驱动驱动74HCT 高态高态:2.7 2.0=0.7V 低态低态:|0.5 0.8|=0.3V1 1、直流噪声容限、直流噪声容限373774HCT74HCT驱动驱动7474LSLS 低态扇出：低态扇出：2 2、扇出、扇出 高态扇出：高态扇出：高态剩余驱动能力：高态剩余驱动能力：CMOS:74HCTIOH=4 mAIOL =4 mAIIH=1 AIIL =1 ATTL:74LSIOH=400 AIOL =8 mAIIH=20 AIIL =0.4 mA总扇出总扇出3838