数字逻辑设计八讲义课件

第8讲3.5.1 CMOS反相器反相器 3.5.2 COMS与非门与非门 3.5 CMOS3.5 CMOS集成逻辑集成逻辑 门电路门电路3.5.3 COMS或非门或非门3.5.4 CMOS传输门传输门3.5.5 CMOS门电路的使用注意事项门电路的使用注意事项 6/25/20241第8讲MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。CMOS 门电路门电路6/25/20242第8讲3.5.1 CMOS反相器反相器1MOS管的开关特性MOS管有NMOS管和PMOS管两种。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。6/25/20243第8讲NMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小（1）NMOS管的开关特性 栅极栅极漏极漏极源极源极6/25/20244第8讲PMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接负电源（2）PMOS管的开关特性 导通导通电阻相当小截止栅极栅极漏极漏极源极源极6/25/20245第8讲CMOS反相器PMOS管负载管NMOS管驱动管开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。2CMOS反相器的工作原理 （1）基本电路结构互补对称式金互补对称式金属属-氧化物氧化物-半半导体电路导体电路6/25/20246第8讲 （2）工作原理CMOS反相器UIL=0V截止导通UOHVDD当uI=UIL=0V时，VTN截止，VTP导通，uO=UOHVDD 6/25/20247第8讲CMOS反相器UIH=VDD截止UOL 0V当uI=UIH=VDD，VTN导通，VTP截止，uO=UOL0V导通6/25/20248第8讲 （3）逻辑功能实现反相器功能（非逻辑）。（4）工作特点VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。6/25/20249第8讲CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性3 电压传输特性和电流传输特性AB段：截止区i iD D为0BC段：转折区阈值电压UTHVDD/2转折区中点：电流最大CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。CD段：导通区6/25/202410第8讲4.CMOS电路的优点（1）微功耗。CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。（2）抗干扰能力很强。输入噪声容限可达到VDD/2。（3）电源电压范围宽。多数CMOS电路可在318V的电源电压范围内正常工作。（4）输入阻抗高。（5）负载能力强。CMOS电路可以带50个同类门以上。（6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD）6/25/202411第8讲 负载管并联（并联开关）驱动管串联（串联开关）3.5.2CMOS与非门与非门1.1.电路组成电路组成电路组成电路组成6/25/202412第8讲2.2.工作原理工作原理工作原理工作原理（1）当输入A0、B0时，VTN1和VTN2都截止，VTP1和VTP2同时导通，输出Y1。（2）当输入A0、B1时，VTN1截止，VTP1导通，输出Y1。（3）当输入A1、B0时，VTN2截止，VTP2导通，输出Y1。（4）当输入A1、B1时，VTN1和VTN2同时导通，而VTP1和VTP2均截止，输出Y0。由上分析可知，电路实现了与非逻辑功能，其逻辑表达式为6/25/202413第8讲 负载管串联（串联开关）3.5.3 CMOS或非门 驱动管并联（并联开关）CMOS或非门 A、B有高电平，则驱动管导通、负载管截止，输出为低电平。10截止导通1.1.电路组成电路组成电路组成电路组成6/25/202414第8讲 该电路具有或非逻辑功能,即Y=A+B当输入全为低电平，两个驱动管均截止，两个负载管均导通，输出为高电平。00截止导通12.2.工作原理工作原理工作原理工作原理6/25/202415第8讲1.1.1.1.电路组成电路组成电路组成电路组成C C和 是一对互补的控制信号。由于VTVTP P和VTVTN N在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。3.5.4 CMOS传输门CMOS传输门（a）电路 （b）逻辑符号6/25/202416第8讲若C=1（接VDD)、C=0（接地），当0uI(VDD|UT|)时，VTN导通；当|UT|uIVDD时，VTP导通；uI在0VDD之间变化时，VTP和VTN至少有一管导通，使传输门TG导通。（2 2）工作原理（了解）工作原理（了解）工作原理（了解）工作原理（了解）若C=0（接地)、C =1（接VDD），uI在0VDD之间变化时，VTP和VTN均截止，即传输门TG截止。6/25/202417第8讲（3）应用举例CMOS模拟开关CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。C=0时，TG1导通、TG2截止，uO=uI1；C=1时，TG1截止、TG2导通，uO=uI2。6/25/202418第8讲3.5.53.5.5COMSCOMS集成逻辑门的使用注意事项集成逻辑门的使用注意事项集成逻辑门的使用注意事项集成逻辑门的使用注意事项1.使用时的工作条件对于各种集成电路，在技术手册中都会给出各主要参数的工作条件和极限值，使用时一定要在推荐的工作条件范围内。2.电源电压（1）CMOS电路的电源电压极性不可接反，否则。可能会造成电路永久性失效。（2）CC4000系列的电源电压可在315V的范围内选择，最大不允许超过极限值18V。电源电压选择得越高，抗干扰能力也越强。6/25/202419第8讲（3）高速CMOS电路，HC系列的电源电压可在26V的范围内选用，HCT系列的电源电压在4.55.5V的范围内选用，最大不允许超过极限值7V。（4）在进行CMOS电路实验，或对CMOS数字系统进行调试、测量时，应先接入直流电源，后接信号源；使用结束时，应先关信号源，后关直流电源。3.闲置输入端的处理（1）闲置输入端不允许悬空。（2）对于与门和与非门，闲置输入端应接正电源或高电平；对于或门和或非门，闲置输入端应接地或低电平。6/25/202420第8讲（3）闲置输入端不宜与使用输入端并联使用因为这样会增大输入电容，从而使电路的工作速度下降。但在工作速度很低的情况下，允许输入端并联使用。4.输出端的连接（1）输出端不允许直接与电源或与地相连。因为电路的输出级通常为CMOS反相器结构，这会使输出级的NMOS管或PMOS管可能因电流过大而损坏。6/25/202421第8讲（2）为提高电路的驱动能力，可将同一芯片上相同门电路的输入端、输出端并联使用。（3）当CMOS电路输出端接大容量的负载电容时，流过管子的电流很大，有可能使管子损坏。因此，需在输出端和电容之间串接一个限流电阻，以保证流过管子的电流不超过允许值。6/25/202422第8讲5.其它注意事项（1）焊接时，电烙铁必须接地良好，必要时，可将电烙铁的电源插头拔下，利用余热焊接。（2）集成电路在存放和运输时，应放在导电容器或金属容器内。（3）组装、调试时，应使所有的仪表、工作台面等具有良好的接地。6/25/202423第8讲3.6 TTL3.6 TTL电路与电路与COMSCOMS电路电路的连接的连接在数字系统中，如果同时采用TTL和CMOS电路，便出现TTL与CMOS电路的相互连接问题。两种不同类型的集成门电路，在相互连接时必须满足一定的条件，否则必须通过接口电路进行电平或电流的变换之后，才能连接。1.两类集成门电路互相连接的条件门电路在连接时，前者称为驱动门，后者称为负载门，如图所示。驱动门为负载门提供符合要求的高、低电平和足够的输入电流，具体条件是6/25/202424第8讲驱动门负载门UOH（min）UIH（min）UOL（max）UIL（max）IOH（max）NOHIIH（max）IOL（max）NOLIIL（max）书中表3-7列出了TTL、COMS4000和HCOMS电路的输出电压、输出电流、输入电压、输入电流等参数，可作为选择接口电路时参考。6/25/202425第8讲2.COMS电路驱动TTL电路通过比较TTL系列和CMOS系列的有关参数可知，高速CC74HCT系列CMOS电路与TTL电路完全兼容，它们可以直接相互连接。另外，CC74HC系列CMOS电路也可以直接驱动CT74系列和CT74LS系列TTL电路。CC4000系列CMOS电路也可直接驱动CT74LS系列TTL电路。6/25/202426第8讲（1）CMOS4000系列驱动TTL电路由表3.7可知，CMOS4000系列电路输出的高、低电平都满足要求，但由于TTL电路输入低电平电流较大，而CMOS4000系列电路输出低电平电流却很小，灌电流负载能力低，不能向TTL提供较大的低电平电流。提高CMOS4000系列电路输出低电平电流的方法的两种：6/25/202427第8讲一是可将同一芯片上的多个CMOS电路并联作为驱动门。如图（a）所示。另一种方法是在CMOS电路输出端和TTL电路输入端之间接入CMOS驱动器，如图（b）所示。（a）驱动门并联使用（b）采用CMOS驱动器6/25/202428第8讲2.高速CMOS电路驱动TTL电路由表3.7可知，高速CMOS电路的电源电压VDDVCC5V时，CC74HC和CC74HCT系列电路的输出端和TTL电路输入端可直接相连。3.TTL电路驱动CMOS4000系列电路由表3.7可知，TTL电路输出低电平电流比较大，能满足驱动CMOS电路的要求，而其输出高电平的下限值小于CMOS电路输入高电平的下限值，它们之间不能直接驱动。6/25/202429第8讲因此，应设法提高TTL电路输出高电平的下限值，使其大于CMOS电路输入高电平的下限值。解决这个问题的方法有两种：一是在TTL电路的输出端与电源之间接入上拉电阻，如图所示。当TTL电路输出为高电平时，输出级的负载管和驱动管同时截止，于是有接入上拉电阻提高TTL电路输出的高电平。6/25/202430第8讲另一种方法是在TTL电路输出和CMOS电路输入端之间接入一个CMOS电平转换器，如图所示。6/25/202431第8讲（4）TTL电路驱动74HCT系列高速CMOS电路高速CMOS电路CC74HCT系列在设计制造时就已经考虑了和TTL电路的兼容问题，使它的输入高电平UIH（min）2V，而TTL电路输出高电平UOH（min）2.7V。因此，TTL电路的输出端可直接与高速CMOS电路CC74HCT系列的输入端相连。不用另外再加其它器件。6/25/202432第8讲2.6.1 CMOS门电路的使用知识门电路的使用知识1输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：2.6 CMOS门电路和门电路和TTL门电路的门电路的使用知识及相互连接使用知识及相互连接6/25/202433第8讲 （1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。2多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。6/25/202434第8讲2.6.2 TTL门电路的使用知识门电路的使用知识1多余或暂时不用的输入端不能悬空，可按以下方法处理：（1）与其它输入端并联使用。（2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。6/25/202435第8讲 (1)在每一块插板的电源线上，并接几十F的低频去耦电容和0.010.047F的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。(2)整机装置应有良好的接地系统。2 电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。6/25/202436第8讲2.6.3 TTL门电路和门电路和CMOS 门电路门电路的相互连接的相互连接TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。一般要考虑两个问题：一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。6/25/202437第8讲1.TTL门驱动CMOS门门（1）电平不匹配TTL门作为驱动门，它的UOH2.4V,UOL0.5V；CMOS门作为负载门，它的UIH3.5V，UIL1V。可见，TTL门的UOH不符合要求。（2）电流匹配CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。6/25/202438第8讲（3）解决电平匹配问题TTL门驱动CMOS门外接上拉电阻RP在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH5V。（当电源电压相同时）6/25/202439第8讲选用电平转换电路(如CC40109)若电源电压不一致时可选用电平转换电路。CMOS电路的电源电压可选318V；而TTL电路的电源电压只能为5V。采用TTL的OC门实现电平转换。若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。6/25/202440第8讲2.CMOS门驱动TTL门（1）电平匹配 CMOS门电路作为驱动门，UOH5V，UOL0V；TTL门电路作为负载门，UIH2.0V，UIL0.8V。电平匹配是符合要求的。（2）电流不匹配 CMOS门电路4000系列系列最大允许灌电流为0.4mA，TTL门电路的IIS1.4 mA，CMOS4000系列驱动电流不足。6/25/202441第8讲（3）解决电流匹配问题CMOS电路常用的是4000系列和54HC/74HC系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。选用CMOS缓冲器比如，CC4009的驱动电流可达4 mA。选用高速CMOS系列产品选用CMOS的54HC/74HC系列产品可以直接驱动TTL电路。6/25/202442第8讲各种系列门电路的主要参数6/25/202443第8讲常用集成门电路(TTL系列）型号名称主要功能74LS00四2输入与非门74LS02四2输入或非门74LS04六反相器74LS05六反相器OC门74LS08四2输入与门74LS13双4输入与非门施密特触发74LS308输入与非门74LS32四2输入或门74LS644-2-3-2输入与或非门74LS13313输入与非门74LS136四异或门OC输出74LS365六总线驱动器同相、三态、公共控制74LS368六总线驱动器反相、三态、两组控制6/25/202444第8讲 常用集成门电路(CMOS系列）型号名称主要功能CC4001四2输入或非门CC4011四2输入与非门CC4030四异或门CC4049六反相器CC4066四双向开关CC4071四2输入或门CC4073三3输入与门CC4077四异或非门CC40788输入或/或非门CC40862-2-2-2输入与或非门可扩展CC4097双8选1模拟开关CC4502六反相器/缓冲器三态、有选通端6/25/202445第8讲本章小结本章小结 门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。本章介绍了目前应用最广泛的TTL和CMOS两类集成逻辑门电路。在学习这些集成电路时，应把重点放在它们的外部特性上。外部特性包含两个内容，一个是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理，但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解，以便更好地利用这些器件。6/25/202446第8讲作业作业题3.86/25/202447