第二章集成逻辑门解析课件

2024/7/141 目目 录录二、二、TTL集成门电路集成门电路三、三、MOS集成门电路集成门电路一、一、元件及其开关作用元件及其开关作用2024/7/142门门：用来实现开和关的工具用来实现开和关的工具门电路门电路：按一定条件控制信号通、断的电路按一定条件控制信号通、断的电路逻辑门电路逻辑门电路：实现逻辑关系的门电路实现逻辑关系的门电路集成逻辑门电路集成逻辑门电路：用集成电路技术和工艺实用集成电路技术和工艺实 现的逻辑门电路现的逻辑门电路概念概念集成逻辑门集成逻辑门概念概念2024/7/143 二极管二极管-晶体三极管逻辑门（晶体三极管逻辑门（DTL）集集 晶体三极管晶体三极管-晶体三极管逻辑门晶体三极管逻辑门（TTL）成成 双极型双极型 射极耦合逻辑门射极耦合逻辑门（ECL）逻逻 集成注入逻辑门电路集成注入逻辑门电路（）辑辑 N沟道沟道MOS门门(NMOS)门门 单极型单极型(MOS型型)P 沟道沟道MOS门门 (PMOS)互补互补MOS门门(CMOS)分类分类集成逻辑门集成逻辑门分类分类2024/7/144稳态特性稳态特性瞬态特性瞬态特性元元件件特特性性：稳定状态下所呈现的特性（：稳定状态下所呈现的特性（伏安特性伏安特性）：通、断转换中所呈现的特性（：通、断转换中所呈现的特性（电容充放电电容充放电）二极管的开关特性二极管的开关特性 三极管的开关特性三极管的开关特性 场效应管的开关特性场效应管的开关特性简略介绍简略介绍2024/7/145 当开关当开关K K打开时，打开时，I=0,ZI=0,Zk k=当开关当开关K K闭合时，闭合时，V Vk k=0=0，Z Zk k=0=0 开闭动作瞬间完成。开闭动作瞬间完成。不受环境、温度等影响。不受环境、温度等影响。ERK理想开关理想开关特性特性2024/7/146DR+D正偏正偏导通导通UD很小很小电路导通电路导通 UD 0.7V,硅管硅管 UD 0.3V,锗管锗管D反偏反偏截止截止UD很大很大电路断开电路断开如无特殊说明如无特殊说明,一般均以硅管为例一般均以硅管为例.二极管导通和截止对应不同状态二极管导通和截止对应不同状态 0 和和 1半导体二极管半导体二极管特性特性2024/7/14710KVcc=5V1k Vo=30T截止截止饱和饱和放大放大Vbe Vbc反偏反偏反偏，反偏，ibic 0，开关断开，开关断开正偏正偏反偏，反偏，ic ib，线性放大线性放大正偏正偏正偏，正偏，ib Ibs ，开关闭合开关闭合三极管三极管饱和饱和和和截止截止对应不同状态对应不同状态 0 和和 1半导体三极管半导体三极管特性特性2024/7/148VA VF T0V 5V 止止5V 0.3V 通通电位表：电位表：真值表真值表:A F 0 1 1 0实现了非实现了非逻辑功能逻辑功能ARbRcVcc(5V)FT国标国标 惯用惯用 国外国外FA1AFFA三极管的非门（反相）三极管的非门（反相）特性特性2024/7/149 5V A0V BFRD1D2Vcc（5V）VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 通通 通通0V 5V 0.7V 通通 止止5V 0V 0.7V 止止 通通5V 5V 5 V 止止 止止0低电位低电位1高电位高电位 A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1实现实现了与了与逻辑逻辑功能功能实现实现了与了与逻辑逻辑功能功能F&AB二极管二极管与门与门2024/7/1410VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 止止 止止0V 5V 0.7V 止止 通通5V 0V 0.7V 通通 止止5V 5V 5 V 通通 通通0低电位低电位1高电位高电位 A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1实现实现了与了与逻辑逻辑功能功能实现实现了或了或逻辑逻辑功能功能 5V A0V BFRD1D2FAB1二极管二极管或门或门2024/7/14112024/7/1412+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 多发射极多发射极输入级输入级中间中间倒相级倒相级推挽推挽输出级输出级输输入入级级由由多多发发射射极极晶晶体体管管T1和和基基极极电电组组R1组组成成，它它实实现现了了输输入入变变量量A、B、C的与运算。的与运算。BFRD1D3Vcc（5V）D2ACD4中间级是放大中间级是放大级，由级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极的集电极C2和和发射极发射极E2可以可以分别提供两个分别提供两个相位相反的电相位相反的电压信号压信号C2E2输出级：由输出级：由T3、T4、T5和和R4、R5组成，其中组成，其中T3、T4构成复合构成复合管，与管，与T5组成推拉式输出结构，组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。具有较强的负载能力。(对比书上对比书上P46图图2-8）电路电路2024/7/1413“0”1VV Vb1b1=0.3+0.7=1V=0.3+0.7=1V三个三个PN结结导通需导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1VVV 3.63.60.3T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T5T5截止截止1.输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时不足以让不足以让T2、T5导通导通原理原理2024/7/1414+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube4 3.6V 高电平！高电平！1.输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时(续续)T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T5T5截止截止T3T3微饱和微饱和T4T4放大放大结论结论1:输入有低时输入有低时,输出为高输出为高2024/7/1415T1:T1:倒置倒置全饱和导通全饱和导通Vb1=2.1VVc1=1.4V全反偏全反偏 1V截止截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 2.输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时2.1V1.4V3.6V0.3VT2:T2:饱和饱和T5:T5:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止放大放大 T1管管:Ve1=3.6V Vb1=2.1V Vc1=1.4VT1管在管在倒置工作状态倒置工作状态T2,T5管饱和导通管饱和导通,Vce2=0.3V所以所以:Vc2=1VT3:放大放大 Vb4=0.3V T4:截止截止2024/7/1416+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC饱和饱和uF=0.3V 2.输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时(续续)饱和饱和3.6VT1:T1:倒置倒置T2:T2:饱和饱和T5:T5:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止结论结论2:输入全高时输入全高时,输出为低输出为低T5饱和,Vce5=0.3V2024/7/14171.输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时 输出为高即输出为高即V VF F=3.6V=3.6V2.输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时 输出为低即输出为低即V VF F=0.3V=0.3V结论结论2024/7/14183.输入多发射极的作用输入多发射极的作用 TTLTTL集成门在输入级采用集成门在输入级采用晶体管晶体管多发射极多发射极，其作用是其作用是:1.1.参数一致性好参数一致性好;2.2.缩小体积缩小体积;3.3.缩短缩短T2T2从饱和向截止的转换时间从饱和向截止的转换时间加速转换过程加速转换过程。(即加速输入有全即加速输入有全“1 1”输入有输入有“0 0”的转换过程的转换过程)2024/7/1419输入多发射极的作用（续）输入多发射极的作用（续）+5V3.60.3FR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5b1c13.6VVc3.6V饱和饱和饱和饱和饱和到截止，需要基区电荷消散时间饱和到截止，需要基区电荷消散时间1V放大区放大区集电极电流集电极电流1.4V基区电荷迅速消散基区电荷迅速消散T2截止，截止，Vc2电压升高，电压升高，T3导通，做导通，做电压跟随电压跟随T4进入放大。进入放大。集电极电流加大，集电极电流加大，T5迅速截止迅速截止由于输入级的存在，由于输入级的存在，T1在转换瞬间进入放大状态，加速了在转换瞬间进入放大状态，加速了T2的状态转换，的状态转换，从而加速了整个电路的工作速度。从而加速了整个电路的工作速度。VA=VB=2024/7/1420输出级采用输出级采用推挽电路推挽电路不仅不仅提供比较大的提供比较大的带负载能力，带负载能力，而且而且在接容性负载状态转换时，在接容性负载状态转换时，可以产生比较大的充放电电流，产生陡峭的可以产生比较大的充放电电流，产生陡峭的上升或下降沿，也提高了整体电路的开关速上升或下降沿，也提高了整体电路的开关速度。度。4.推挽输出电路的作用推挽输出电路的作用2024/7/1421+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5“1”“1”“1”RL饱和饱和截止截止T5T5深度饱和，集深度饱和，集电极电流可以全部电极电流可以全部用于驱动负载。用于驱动负载。输出电阻为输出电阻为T5T5的的饱和饱和c-e c-e 电阻，阻电阻，阻值很小，带负载能值很小，带负载能力强。力强。输出为低电平时输出为低电平时：Co 容性负载时容性负载时,放电较快放电较快,形成陡峭的下降沿。形成陡峭的下降沿。2024/7/1422输出为高电平时：输出为高电平时：+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5“0”“1”“1”RL截止截止T4T4处在放大区，处在放大区，工作在射极输出状态，工作在射极输出状态，组成组成电压跟随器电压跟随器，跟跟随随VCCVCC，输出稳定，输出稳定，带负载能力强。带负载能力强。容性负载时容性负载时,充电较快充电较快,形成陡峭的上升沿。形成陡峭的上升沿。Co2024/7/1423 TTL与非门工作于开态时等效电路与非门工作于开态时等效电路:&V VIHIHV VO O=V=VOLOL=0.3V=0.3VR RO O=r=rCESCES=10=1020200.3v TTL与非门工作于关态时等效电路与非门工作于关态时等效电路:&V VILILV VO O=V=VOHOHR RO O 100 1003.6vV VO O=V=VOHOH3 3TTL与非门的等效电路与非门的等效电路io oi io o2024/7/14241.悬空的输入端悬空的输入端（RI）相当于接高相当于接高电平。电平。2.为了防止干扰，可将悬空的输入为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。端接高电平。2024/7/1425开门电阻开门电阻 RON关门电阻关门电阻 ROFF在保证与非门输出为在保证与非门输出为低低时，时，允许输入电阻允许输入电阻R R的最的最小小值。值。在保证与非门输出为在保证与非门输出为高高时，允时，允许输入电阻许输入电阻R R的最的最大大值。值。RON3.2 KROFF0.91 K当当RI RON时时，相当输入高电平。相当输入高电平。当当RI ROFF时时，相当输入低电平。相当输入低电平。2024/7/14262024/7/1427RiAB&F如果电阻如果电阻R Ri i R RONON，则，则F=F=?如果电阻如果电阻R Ri i R ROFFOFF，则，则F=F=?应用举例：应用举例：在如下的电路图中在如下的电路图中2024/7/1428+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1六、二种特殊门六、二种特殊门集电极开路门集电极开路门(OC门门)电路电路无无T3,T4VCC2RL 负载电阻负载电阻VCC11.正常使用时，输出端必须正常使用时，输出端必须外接负载电阻外接负载电阻RL。2.VCC1和和VCC2可以不等。可以不等。集电极悬空集电极悬空2024/7/1429FABC&符号符号&ABCF2024/7/1430&VCCF1F2F3FF=F1F2F3RL输出级输出级 VCCRLT5T5T5 F直接将两个逻直接将两个逻辑门的输出连辑门的输出连接起来，希望接起来，希望实现实现与与的逻辑的逻辑功能。功能。OC门的用途门的用途1)实现实现“线与线与”功功能能2024/7/1431F=F1F2F3?任一导通任一导通F=0VCCRLF1F2F3F 2024/7/1432全部截止全部截止F=1F=F1F2F3?所以：所以：F=F1F2F3VCCRLF1F2F3F 2024/7/14332)电平转移功能电平转移功能TTL电平电平“1”3.6V“0”0.3V转移电平转移电平“1”10V“0”0V&VCC2=10VF1F RLVCC1=5V2024/7/1434三态门电路三态门电路 通常数字逻辑是二值的，即仅通常数字逻辑是二值的，即仅0，1值，其值，其所对应电路的输出电平是高、低两种状态。在所对应电路的输出电平是高、低两种状态。在实际电路中，还有一种输出既非高电平又非低实际电路中，还有一种输出既非高电平又非低电平的状态，被称之为第三状态。于是数字电电平的状态，被称之为第三状态。于是数字电路的输出就有：路的输出就有：0、1和和Z（高阻）的三种状态。（高阻）的三种状态。这种电路称三态逻辑电路或称这种电路称三态逻辑电路或称三态门电路三态门电路。2024/7/1435+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB DE 电路电路E称为控制端、使能端称为控制端、使能端2024/7/14361截止截止+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB 原理原理E 结论结论：E1时，电路具备自时，电路具备自身逻辑功能身逻辑功能2024/7/1437截止截止截止截止高阻态高阻态+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB 原理（续）原理（续）E 0导通导通结论结论：E0时，电路输出为时，电路输出为高阻状态。高阻状态。FZ（高阻）（高阻）1V1V2024/7/1438功能表功能表低电平起作用低电平起作用符号符号高电平起作用高电平起作用功能表功能表&ABF&ABF2024/7/1439 分时控制各个门的分时控制各个门的CS端，就可以让端，就可以让各个门的输出信号各个门的输出信号分时分时进入总线进入总线同一时刻，只允许一个门进入总同一时刻，只允许一个门进入总线。其他门必须保持为高阻状态线。其他门必须保持为高阻状态三态门用途三态门用途1总线总线&A3B3CS3&A2B2CS2&A1B1CS1&A4B4 注意和注意和OC门门线与线与的区别！的区别！总线连接电路总线连接电路2024/7/1440两个三态门组成的电路，两个三态门组成的电路，门门1为低电平使能为低电平使能门门2为高电平使能为高电平使能实现数据的实现数据的双向传输双向传输E=0，门，门1导通，门导通，门2禁止，禁止，数据从数据从ABE=1，门，门2导通，门导通，门1禁止，禁止，数据从数据从BA三态门用途（续）三态门用途（续）2024/7/1441TTL与非门电路使用注意与非门电路使用注意见见-Page 532024/7/14422024/7/14433 CMOS集成门电路集成门电路知识复习：知识复习：MOSMOS管分类管分类PMOSPMOS管管:结构简单，工作速度低，负电源工作。结构简单，工作速度低，负电源工作。NMOSNMOS管管:工艺复杂，正电源工作。工艺复杂，正电源工作。CMOSCMOS管管:PMOSPMOS管和管和NMOSNMOS管组成互补电路。管组成互补电路。工作区工作区TTL:截止截止 放大放大 饱和饱和CMOS:截止截止 饱和饱和 非饱和非饱和相当开关电路相当开关电路:断开断开 接通接通2024/7/1444符号及导通条件符号及导通条件VNSDGDSGVPPMOS管管NMOS管管VGSVTP 时导通时导通取取:VTP=2VVGSVTN 时导通时导通取取:VTN=2V即即:|VGS|VTP|=2V时导通时导通2024/7/1445NMOS管管驱动管驱动管PMOS管管负载管负载管一、一、CMOS反相器反相器VDDAFSPDNGPVPVNDPSNGN漏极相连漏极相连做输出端做输出端PMOSPMOS管的衬底总是接到管的衬底总是接到电路的电路的最高电位最高电位NMOSNMOS管的衬底总是接到管的衬底总是接到电路的电路的最低电位最低电位柵柵极极相相连连做输入端做输入端电路电路2024/7/1446A=1导通导通截止截止V=0V即即F0VDDAFVPVN工作原理工作原理设设VDD10V，A1时，时，VA10V A0时，时，VA0 VVgsP=0 VVgsN=10 V2024/7/1447工作原理（续）工作原理（续）A=0截止截止导通导通V=10V即即F1VDDAFVPVN设设VDD10V，A1时，时，VA10V A0时，时，VA0 VVgsP=10 VVgsN=0 VA VP VN Y 0 导通导通 截止截止 1 1 截止截止 导通导通 0 结论：结论：2024/7/1448二、二、CMOS与非门与非门VDDVP2VP1VN2VN1ABF电路电路负载管并联负载管并联驱动管串联驱动管串联2024/7/1449工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABFA=0,B=0:设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 VVgsP1=VgsP2=10 VVgsN1=VgsN2=0 VVN1、VN2：截止：截止VP1、VP2：导通：导通F=10012024/7/1450工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 VA=0,B=0:VN1、VN2：截止：截止VP1、VP2：导通：导通F=1A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=10112024/7/1451工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 VA=0,B=0:VN1、VN2：截止：截止VP1、VP2：导通：导通F=1A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=1101A=1,B=0:VP1、VN2：截止：截止VN1、VP2：导通：导通F=12024/7/1452工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 V110A=0,B=0:VN1、VN2：截止：截止VP1、VP2：导通：导通F=1A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=1A=1,B=0:VP1、VN2：截止：截止VN1、VP2：导通：导通F=1A=1,B=1:VP1、VP2：截止：截止VN1、VN2：导通：导通F=02024/7/1453工作原理（续）工作原理（续）逻辑关系逻辑关系:A B VP1 VP2 VN1 VN2 F 0 0 导通导通 导通导通 截止截止 截止截止 10 1 导通导通 截止截止 截止截止 导通导通 11 0 截止截止 导通导通 导通导通 截止截止 11 1 截止截止 截止截止 导通导通 导通导通 0负载管负载管驱动管驱动管2024/7/1454三、三、CMOS或非门或非门电路电路VDDVP2VP1VN2VN1ABF负载管串联负载管串联驱动管并联驱动管并联2024/7/1455工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 VA=0,B=0:VP1、VP2：导通：导通F=1VN1、VN2：截止：截止VgsN1=VgsN2=0 VVgsP1=VgsP2=10 V0012024/7/1456工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 VA=0,B=0:VP1、VP2：导通：导通F=1VN1、VN2：截止：截止010A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=02024/7/1457工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 V100A=0,B=0:VP1、VP2：导通：导通F=1VN1、VN2：截止：截止A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=0A=1,B=0:F=0VP1、VN2：截止：截止VN1、VP2：导通：导通2024/7/1458工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 V110A=0,B=0:VP1、VP2：导通：导通F=1VN1、VN2：截止：截止A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=0A=1,B=0:F=0VP1、VN2：截止：截止VN1、VP2：导通：导通A=1,B=1:VP1、VN2：截止：截止VN1、VP2：导通：导通F=02024/7/1459工作原理（续）工作原理（续）逻辑关系逻辑关系:A B VP1 VP2 VN1 VN2 F 0 0 导通导通 导通导通 截止截止 截止截止 10 1 导通导通 截止截止 截止截止 导通导通 01 0 截止截止 导通导通 导通导通 截止截止 01 1 截止截止 截止截止 导通导通 导通导通 0负载管负载管驱动管驱动管2024/7/1460四、四、CMOS传输门传输门(TG)由两个对称的由两个对称的MOS管组成。管组成。传输模拟信号的模拟开关：传输模拟信号的模拟开关：VOVI+5V-5VVPVNCCvIvOvIvOCCTG电路电路栅极（栅极（g）：控制端）：控制端源极（源极（S）：输入）：输入漏极（漏极（D）：输出）：输出符号：符号：ggSD2024/7/1461 CMOS双向模拟开关双向模拟开关TGCvI/vOvO/vICvI/vOvO/vISW由由CMOS反相器和反相器和 CMOS传输门组成传输门组成MOS管结构对称，漏极和管结构对称，漏极和源极可以互换源极可以互换,CMOS具有双具有双向传输特性。向传输特性。功能：功能：C1时，传输门导通，时，传输门导通，内阻内阻 R1K。C0时，传输门截止，时，传输门截止，内阻内阻 R109。12024/7/1462CMOS电路使用注意电路使用注意输出端输出端不能接电源不能接地不能线与不能接电源不能接地不能线与输入端可接电源可接地可并联输入端可接电源可接地可并联但但绝对不能悬空绝对不能悬空2024/7/14632024/7/1463静态功耗小。（约静态功耗小。（约10W）允许电源电压范围宽。（允许电源电压范围宽。（3 18V）扇出系数大。（带同类负载扇出系数大。（带同类负载N50）抗噪容限大。（抗噪容限大。（Vth=1/2VDD）CMOS电路电路的特点的特点最大提供最大提供电流电流1.5mA速度较低。（速度较低。（tpd=40 nS）CMOS电路导通时阻抗较大（电路导通时阻抗较大（1K），由于分布），由于分布电容电容Co的存在，电平高低变化时充放电较慢，影的存在，电平高低变化时充放电较慢，影响其工作速度。响其工作速度。2024/7/1464本章巩固本章巩固1、TTL与非门电路中二极管的作用是：与非门电路中二极管的作用是：2、TTL与非门的开门电平是：与非门的开门电平是：，关门电平是：，关门电平是：阈值电平是：阈值电平是：3、输入端的个数叫：、输入端的个数叫：输出端带同类门的个数叫：输出端带同类门的个数叫：4、TTL与非门输出端为高电平时，电流方向：与非门输出端为高电平时，电流方向：；而低电平时，则为：；而低电平时，则为：5、TTL与非门不能实现线与（与非门不能实现线与（）；而）；而OC门则可以实现线与（门则可以实现线与（）6、TTL门最大优点是（门最大优点是（）；而）；而MOS门则为（门则为（）。）。7、三态门的三态指的是、三态门的三态指的是 、和和 。防止负脉冲干扰，保护输入级防止负脉冲干扰，保护输入级1.8V0.8V1.4V扇入系数扇入系数扇出系数扇出系数拉出拉出灌入灌入速度快速度快静态功耗极低静态功耗极低开态开态关态关态高阻态高阻态2024/7/1465