第02章逻辑门电路.ppt
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1、数字电路与逻辑设计孙文生,第 2 章 逻辑门电路,历史回顾,1956年,肖克利、巴丁、布拉坦获得诺贝尔物理学奖,表彰他们在半导体和晶体管研究领域的贡献。晶体管的发明是20世纪中叶科学技术领域划时代的一件大事,它的诞生使电子学发生了根本性变革。,1962年,TTL集成逻辑电路诞生。1971年,Intel公司推出第一款NMOS四位微处理器Intel 4004,主频108kHz,支持8位指令集及12位地址集。,1947年,美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管,开创了人类的硅文明时代。,随着半导体工艺的进步,CMOS集成电路逐渐称为主流。,2.1 晶体管的开关特性,二极管的开关特性双极型晶体三极管
2、的开关特性,2.1.1 二极管的开关特性,在数字电路中,二极管工作在开关状态。由于结电容的存在,导通与截止状态的转换需要一定的时间。,反向恢复时间:tR=ts+tf其中:ts 存储时间 tf 下降时间,在放大状态:,2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性,四种工作状态,2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性,晶体管反相器,开关特性,延迟时间 td上升时间 tr存储时间 ts下降时间 tf,2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性,饱和深度,临界饱和状态:,在深度饱和情况下:,饱和深度:,晶体管反相器,2.1.2 双极型晶体三极管的开关特性,肖特基晶体管:抗饱和晶体管,抗饱和晶体管原理,肖特基晶体
3、管符号,在晶体管的集电结上并联一个肖特基势垒二极管,以降低晶体管的饱和深度。,肖特基二极管由金属和半导体接触形成,正向压降0.3 0.4伏,没有电荷存储效应。,2.2 晶体三极管反相器,利用二极管的开关特性,可构成二极管与门电路和或门电路。,2.2 晶体三极管反相器,二极管或门电路,输入:高电平 5 V 低电平 0 V,输出:高电平 4.3 V 低电平 0 V,F=A+B,2.2 晶体三极管反相器,二极管电路的缺点,F=ABC,5V,1.输入/输出电平不一致.2.信号通过多级门电路时,会导致电平偏离.3.带负载能力低.,2.2 晶体三极管反相器,晶体管反相器,反相器的工作原理,输入低电平0V时
4、,晶体管截止 Vb=-0.92V 输出高电平 3.7V,输入高电平3V时,晶体管饱和 Ib=0.82mA,Ibs 0.4mA 输出低电平 0.3V,电路实现逻辑非的功能。,输入为脉冲信号晶体管VT工作在开关状态,2.2 晶体三极管反相器,晶体管反相器,反相器的负载能力 负载就是反相器输出端所接的其它电路。,灌电流负载(对反相器而言),拉电流负载,晶体管输出低电平负载电流流入反相器灌电流降低了饱和深度,晶体管输出高电平负载电流流出反相器拉电流降低了输出电平,2.2 晶体三极管反相器,灌电流负载(对反相器而言),当晶体管VT饱和时,输出低电平,灌电流IL流入集电极,,其中:,三极管的饱和深度随着
5、IL 的增加而减小,当VT退出饱和时,VO将不再保持低电平。,灌电流负载能力是指三极管从饱和退到临界饱和时所允许灌入的最大负载电流ILMax。,IbIbs,集电极电流 IC=IRc+IL,2.2 晶体三极管反相器,例如,输入高电平ViH3V时,基极电流Ib0.82mA,晶体管饱和。在临界饱和时,集电极电流:,为保证VT饱和,集电极电流的最大值为24.6mA.,反相器带灌电流负载,18,Eq,2.2 晶体三极管反相器,反相器带拉电流负载,当反相器输入低电平时,晶体管截止,输出高电平,负载电流IL从反相器流出,形成拉电流。,流经电阻RC的电流分为两部分:一部分为流入钳位二极管的电流Ig,另一部分为
6、流入负载的电流IL。,拉电流负载(对反相器而言),当负载电流IL增加时,Iq将减小。为保证输出高电平稳定,钳位二极管必须导通,极限情况为Ig 0。,Eq,Eq,2.2 晶体三极管反相器,反相器带拉电流负载,流过负载RL的最大允许电流ILMax是Iq 0 时的负载电流,即:,可见,RC越小,带拉电流负载的能力越强。,2.3 TTL集成逻辑门,54系列:使用温度范围-55+12574系列:使用温度范围0+70,早期的集成逻辑门采用的是二极管-三极管电路(DTL),速度较低,以后发展成为晶体管-晶体管电路(TTL)。TTL系列分为标准系列、肖特基系列等,目前广泛使用的是肖特基系列。,2.3.1 标准
7、TTL与非门的电路结构和工作原理,电路结构和工作原理,与非门7400内部电路,逻辑电平:高电平 3.6V 低电平 0.3V,输入有一个为低电平输出高电平,输入全部为高电平输出低电平实现与非逻辑功能,+5V,2.3.1 标准TTL与非门的电路结构和工作原理,电路结构和工作原理,与非门7400内部电路,逻辑电平:高电平 3.6V 低电平 0.3V,提高工作速度的措施输入级采用多发射极晶体管 某输入 高低缩短T2、T5存储时间输出级采用同类管推挽输出电路 CL充放电快改善边沿特性,2.3.2 TTL与非门的特性及参数,电压传输特性及相关参数,AB段:vI0.6V,T1深度饱和,使T2和T4截止,T3
8、导通 输出高电平。,BC段:0.6VvI1.3V,T1仍处 于饱和状态,T2开始导 通,T4尚未导通。T2处 于放大状态,其集电极 电压随输入电压的增加 下降,并通过T3、D3反 映在输出端。,7400与非门的电压传输特性,CD段:1.3V vI1.4V,T4开 始导通,输出电压迅速 降低,T3趋于截止。,DE段:vI1.4V,T1进入倒置放 大状态,其基极电流全部 注入T2的基极,使T2饱和,T4也饱和,T3截止,输出 低电平。,2.3.2 TTL与非门的特性及参数,电压传输特性及相关参数,7400与非门的电压传输特性,2.3.2 TTL与非门的特性及参数,(1)输出高电平 VOH 典型值V
9、OH 3.4V,电压传输特性及相关参数,7400与非门的电压传输特性,VOHmin是满足输出电流指标时,输出高电平允许的最低值,一般要求 VOHmin 2.7V,(2)输出低电平 VOL 典型值VOL 0.25V,VOLmax是满足输出电流指标时,输出低电平允许的最高值,一般要求 VOLmax 0.4V,2.3.2 TTL与非门的特性及参数,(3)阈值电压 VTH(门限电压)电压传输特性曲线CD段中点所对应的输入电压值.,电压传输特性及相关参数,7400与非门的电压传输特性,VTH 1.4V,2.3.2 TTL与非门的特性及参数,电压传输特性及相关参数,7400与非门的电压传输特性,(6)输入
10、低电平的最大值 VILmax 典型值VILmax=0.8V,(7)输入高电平的最小值 VIHmin 典型值VIHmin=2V,器件手册给出的参数,与关门电平类似,但通常略小于VOFF。,器件手册给出的参数,与开门电平类似,但通常略大于VON。,2.3.2 TTL与非门的特性及参数,电压传输特性及相关参数,(8)低电平噪声容限,(9)高电平噪声容限,VOLmax,VOHmin,7400与非门的电压传输特性,保证输出高电平时,允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压.,保证输出低电平时,允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压.,2.3.2 TTL与非门的特性及参数,静态输入特性曲线,(2)输入短路电流
11、IiS-1.075mA 当vI=0 时的输入电流,通常IiL IiS,(1)输入漏电流 IiH=14.5A 当vi=ViH 时,T1倒置工作的输入电流.,静态输入特性,7400 TTL与非门电路,设电流流入发射极为正,2.3.2 TTL与非门的特性及参数,输入负载特性,(1)输入端与电源之间接电阻RI,输入端接高电平、接电源、悬空,都相当于输入逻辑“1”。通过上拉电阻RI接电源时,RI的阻值一般在10k左右。,(2)输入端与地之间接电阻RI,2.3.2 TTL与非门的特性及参数,输入负载特性,(2)输入端与电源之间接电阻RI,关门电阻ROFF:保证T4截止,输出高电平时,允许RI的最大值.开门
12、电阻RON:保证T4导通,输出低电平时,允许RI的最小值.,注:门电路的输入端悬空,相当于接高电平。为避免干扰,不用输入端应接合适电平。,TTL与非门输入端负载特性曲线,TTL与非门输入端接电阻负载,ROFF=300,RON=2 k,2.3.2 TTL与非门的特性及参数,扇出系数 No:推动同类门的个数,通常 N 8.,输出低电平时:NOL=IOLmax/IiLmax输出高电平时:NOH=IOHmax/IiHmax,考虑最坏的情况,扇出系数:N=min(NL,NH),2.3.2 TTL与非门的特性及参数,平均传输延迟时间 tpd=0.5(tpdL+tpdH)输出信号略滞后于输入信号.典型值:纳
13、秒级,问题:假设 tpd=20ns,现将三个反相器首尾相连,会出现什么现象?TTL或非门内部电路如何构成?,应用举例,例:某逻辑电路如下图所示,门电路参数IOHmax=-0.4mA,IOLmax=4mA,IILmax=-0.4mA,IIHmax=20A。试问与非门G1最多可驱动多少个同样 的逻辑门?,所以,与非门G1最多可以驱动6个同样的逻辑门。,应用举例,例:门电路的输入和输出特性曲线如下图所示。要求G1输出高电平满足 VOH3.2V,输出低电平满足VOL0.2V。试问与非门G1最多可驱 动几个非门?,低电平输出电流,高电平输出电流,输入特性曲线,应用举例,试说明在下列情况下,用万用表测量下
14、图中vI2的电压各为多少?万用表使用5V量程,等效内阻为100K/V。(1)vI1悬空;(2)vI1=0.2V;(3)vI1=3.2V;(4)vI1经100电阻接地;(5)vI1经10K电阻接地。,74系列TTL与非门电路,TTL最基本的功能逻辑,2.3.3 或非、与非及异或门,或非门,2.3.3 或非、与非及异或门,与或非门,2.3.3 或非、与非及异或门,异或门,问题思考,若实现如下功能:下面的电路是否可行?为什么?,74H 系列TTL与非门电路,注意,TTL门的输出端不允许直接相连,除非能保证这几个门的输出完全一致。,1,0,2.3.4 集电极开路门电路(OC门),OC门及线与逻辑功能,
15、把逻辑门输出级晶体管T4的集电极开路,构成集电极开路门电路,简称OC门。,与非OC门7403的内部电路,OC门的符号,2.3.4 集电极开路门电路(OC门),OC门及线与逻辑功能,OC门的线连接逻辑:多个OC门的输出端可并联使用,实现逻辑与功能,又由于是输出端直接进行线连接,因此称为线与(Wired-AND)。,OC门上拉电阻RL的选取,例:假设有n个OC门并接在一起,输出推动m 个TTL反相器,门电路 的参数均已知,试计算负载电阻RL的取值范围。,思路:保证逻辑关系和驱动能力正确,F,(2)F为低电平时,要求 VOLVOLmax,(1)F为高电平时,要求 VOHVOHmin,此时所有OC门均
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