数字电路ch2-3

*,*,*,2.3.1 NMOS,门电路,2.3.2 CMOS,非门,2.3.3,其他,CMOS,逻辑门电路,2.3.4 CMOS,逻辑门电路的系列及技 术参数,2.3.5,集成逻辑门电路的应用,2.6 MOS,逻辑门电路,大规模集成芯片集成度高，所以要求体积小，而,TTL,系列不可能做得很小，但,MOS,管的结构和制造工艺对高密度制作较之,TTL,相对容易，下面我们介绍,MOS,器件。,与双极性电路比较，,MOS,管的优点是功耗低，可达,0.01mw,，缺点是开关速度稍低。在大规模的集成电路中，主要采用的,CMOS,电路。,1,、,NMOS,反相器,-,饱和型负载管反相器,V,i,V,o,T,2,T,1,+V,DD,即：,Vi,为高电平时，,Vo,为低电平,Vi,为低电平时，,Vo,为高电平,当输入电压为高电平时，,T,1,导通,当输入电压为低电平时，,T,1,截止,T,2,还是导通,所以，是反相器,T,1,为工作管，,T,2,为负载管,1V,V,o,V,DD,V,T,3-10K,100-200K,（,低电平,）,2.3.1 NMOS,门电路,2,、,NMOS,与非门,当,A,、,B,中有一个或两个均为低电平时，,T1,、,T2,有一个或两个都截止，输出为高电平,只有,A,、,B,全为高电平时，,T1,、,T2,均导通，输出为低电平,T1,、,T2,为工作管，,T3,为负载管,B,L,T,3,T,2,+V,DD,A,T,1,L=AB,2.3.1 NMOS,门电路,3,、,NMOS,或非门,当,A,、,B,中有一个为高电平时，,T1,、,T2,有一个导通，输出,0,A,、,B,都为低电平时，,T1,、,T2,均截止，输出为,1,即,L=A+B,T1,、,T2,为工作管，,T3,为负载管,因为,T,1,、,T,2,是并联的，要想增加输入端的个数时不会引起输出低电平的变化。这给制造多输入端的或非门带来方便。,L,+V,DD,B,T,3,T,2,A,T,1,2.3.1 NMOS,门电路,V,DD,T,P,T,N,v,O,v,I,2.3.2 CMOS,非门,电路,V,DD,T,P,T,N,v,O,v,I,当,v,I,=0 V,时,V,DD,1.CMOS,反相器的工作原理,V,GSN,=0,V,TN,T,N,管截止；,|,V,GSP,|=,V,DD,V,TP,电路中电流近似为零（忽略,T,N,的截止漏电流）,V,DD,主要降落在,T,N,上，输出为高电平,V,OH,T,P,管导通。,V,DD,V,DD,T,P,T,N,v,O,v,I,当,v,I,=,V,OH,=,V,DD,时,1.CMOS,反相器的工作原理,V,GSN,=V,DD,V,TN,T,N,管导通；,|,V,GSP,|=0 10,7,，导通电阻,+,3V,3V+3V,一管导通程度愈深，另一管导通愈浅，导通电阻近似为一常数。,C,T,P,v,O,/,v,I,v,I,/,v,O,T,N,C,+,5V,-5V,当,c,端接高电压,+5V,2.3.4 CMOS,门电路的系列及主要参数,1,CMOS,逻辑门电路的系列,（,1,）基本的,CMOS4000,系列,这是早期的,CMOS,集成逻辑门产品，工作电源电压范围为,3,18V,，由于具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点，已得到普遍使用。缺点是工作速度较低，平均传输延迟时间为几十,ns,，最高工作频率小于,5MHz,（,2,）高速的,CMOSHC,（,HCT,）系列,（,3,）先进的,CMOSAC,（,ACT,）系列,2,CMOS,逻辑门电路的主要参数,(1).,输入和输出的高、低电平,v,O,v,I,驱动门,G,1,负载门,G,2,1,1,输出高电平的下限值,V,OH(min,),输入低电平的上限值,V,IL(max),输入高电平的下限值,V,IH(min,),输出低电平的上限值,V,OL(max,),输出,高电平,+,V,DD,V,OH,(,min,),V,OL,(,max,),0,G,1,门,v,O,范围,v,O,输出,低电平,输入,高电平,V,IH,(,min,),V,IL,(,max,),+,V,DD,0,G,2,门,v,I,范围,输入,低电平,v,I,输入噪声容限,:,输入高电平的噪声容限为,V,NH,=,V,OH(min,),V,IH(min,),1,驱动门,v,o,1,负载门,v,I,噪声,1,输出,1,输入,0,输入,0,输出,v,o,v,I,+,V,DD,0,V,N,H,V,OH,(,min,),V,IH,(,min,),V,N,L,V,OL,(,max,),V,IL,(,max,),+,V,DD,0,输入低电平的噪声容限为,V,NL,=,V,IL(max,),V,OL(max,),当电路受到干扰时，,在保证输出高、低电平基本不变的条件下，,输入电平的允许波动范围。,(2).,噪声容限,类型,参数,74HC,V,DD,=5V,74HCT,V,DD,=5V,74LVC,V,DD,=3.3V,74AUC,V,DD,=1.8V,t,PLH,或,t,PHL,(ns,),7,8,2.1,0.9,(3).,传输延迟时间,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,。,CMOS,电路传输延迟时间,t,PHL,输出,50,%,90,%,50%,10%,t,PLH,t,f,t,r,输入,50,%,50%,10%,90,%,功耗分为,:,静态功耗：,动态功耗：,对于,TTL,门电路来说，静态功耗是主要的。,延时,功耗积,DP,=,t,pd,P,D,指的是当电路没有状态转换时的功耗,是在门的状态转换的瞬间的功耗。,是一综合性的指标，用,DP,表示，其单位为焦耳。,DP,的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。,(4).,功耗与延时,功耗积,扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。,(5).,扇入与扇出数,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。,2.3.5,集成逻辑门电路的应用,1),电压兼容性,驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值；,不同类型器件,连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：,2),扇出数,驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和,灌电流,。,1,各种门电路之间的接口问题,v,O,v,I,驱动门,负载门,1,1,V,OH,(,min,),v,O,V,OL,(,max,),v,I,V,IH,(,min,),V,IL,(,max,),负载器件所要求的输入电压,V,OH(min),V,IH(min),V,OL(max),V,IL(max),灌,电流,I,IL,I,OL,I,IL,拉电流,I,IH,I,OH,I,IH,1,0,1,1,1,1,n,个,0,1,1,1,0,1,n,个,对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流,I,OH(max),I,IH(total,),I,OL(max),I,IL(total,),驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流,驱动电路 负载电路,1、）V,OH(min),V,IH(min),2、）V,OL(max),V,IL(max),4、）I,OL(max),I,IL(total),驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平,I,OH(max),I,IH(total),3、）,(1),、,CMOS,门驱动,TTL,门,V,OH（min),=4.9V V,OL(max),=0.1V,TTL,门（,74,系列）,：,V,IH(min),=2V V,IL(max),=0.8V,I,OH（max),=-0.51mA,I,IH（max),=20,A,V,OH(min),V,IH(min),V,OL(max),V,IL(max),带拉电流负载,输出、输入电压,带灌电流负载,?,CMOS,门,(4000,系列）：,I,OL（max),=0.51mA,I,IL（max),=-0.4,m,A，,I,OH(max),I,IH(total),(2).TTL,门驱动,CMOS,门,(,如,74HC,）,V,OH(min),=,2.7V,V,IH(min),为,3.5V,TTL（74LS ）,：,CMOS（,74,HC）,：,式,2,、,3,、,4,、都能满足，但式,1,V,OH(min),V,IH(min),不满足,(1).,用门电路直接驱动显示器件,2,门电路带负载时的接口电路,门电路的输入为低电平，输出为高电平时，,LED,发光,当输入信号为高电平，输出为低电平时,LED,发光,解：,LED,正常发光需要几,mA,的电流，并且导通时的压降,V,F,为,1.6V,。,根据附录,A,查得，当,V,CC,=5V,时，,V,OL,=0.1V,，,I,OL(max),=4mA,，,因此,I,D,取值不能超过,4mA,。,限流电阻的最小值为,例,3.6.2,试用,74HC04,六个,CMOS,反相器中的一个作为接口电路，使门电路的输入为高电平时，,LED,导通发光。,(2).,机电性负载接口,用各种数字电路来控制机电性系统的功能,而机电系统所需的工作电压和工作电流比较大。要使这些机电系统正常工作，必须扩大驱动电路的输出电流以提高带负载能力，而且必要时要实现电平转移。,如果负载所需的电流不特别大，可以将两个反相器并联作为驱动电路，并联后总的最大负载电流略小于单个门最大负载电流的两倍。,如果负载所需的电流比较大，则需要在数字电路的输出端与负载之间接入一个功率驱动器件。,(1),、多余输入端的处理措施,(2),、去耦合电容,每个芯片加接,0.1,F,电容滤除开关噪声,，,同时将,10-100,F,的电容与直流电源并联，滤除不需要的频率成分,(3),、接地及安装工艺,3,抗干扰措施,本章小结,1.,在数字电路中，半导体二极管、三极管一般都工作在开关状态，即工作于导通（饱和）和截止两个对立的状态，来表示逻辑,1,和逻辑,0,。,2,目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由,NPN,型三极管组成，简称,TTL,集成电路；另一类由,MOSFET,构成，简称,MOS,集成电路。,4,TTL,集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。,5,在,TTL,系列中，还有集电极开路门和三态门，它们能够实现线与，还可用来驱动需要一定功率的负载。三态门还可用来实现总线结构。,6,MOS,集成电路与,TTL,门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大,(,指带同类门负载,),，噪声容限大，开关速度与,TTL,接近，已成为数字集成电路的发展方向。,7,为了更好地使用数字集成芯片，应熟悉,TTL,和,CMOS,各个系列产品的外部电气特性及主要参数，还应能正确处理多余输入端，能正确解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。,