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1、数字电路与逻辑设计第二章 逻辑门电路2.1 数字集成电路的特点和分类数字集成电路的特点和分类 n集成电路的特点集成电路的特点n将元件和连线制作在一块半导体基片将元件和连线制作在一块半导体基片上上.n体积小、可靠性高、功耗低体积小、可靠性高、功耗低.n集成度越来越高，功能、系统的集成集成度越来越高，功能、系统的集成.n模拟和数字集成电路模拟和数字集成电路nTTL和和MOS集成电路集成电路n通用、专用集成电路，可编程逻辑器件通用、专用集成电路，可编程逻辑器件2.1 数字集成电路的特点和分类数字集成电路的特点和分类n集成电路的发展集成电路的发展:n小规模集成电路小规模集成电路:10 20门门n中规模
2、集成电路中规模集成电路:20 100门门n大规模集成电路大规模集成电路:100 1000门门n超大规模集成电路超大规模集成电路:1000门以上门以上奔腾奔腾IV拥有拥有4200万只晶体管万只晶体管 标准标准SSI/MSI具有批量大、价格便宜等特点，是传统具有批量大、价格便宜等特点，是传统数字系统设计中的主要逻辑器件。它的缺点是密度低，数数字系统设计中的主要逻辑器件。它的缺点是密度低，数字系统硬件规模大，印刷线路板走线复杂，焊点多，系统字系统硬件规模大，印刷线路板走线复杂，焊点多，系统可靠性差、功耗大、时延大。可靠性差、功耗大、时延大。微处理器和单片机等逻辑器件虽然较好地弥补了标准微处理器和单片
3、机等逻辑器件虽然较好地弥补了标准器件的缺陷，但它们本身工作速度不够高，需要配合若干器件的缺陷，但它们本身工作速度不够高，需要配合若干标准器件搭成的外围电路才可以工作。标准器件搭成的外围电路才可以工作。2.1 数字集成电路的特点和分类数字集成电路的特点和分类 n集成电路的分类集成电路的分类n通用集成电路通用集成电路:如如RAMn专用集成电路专用集成电路(ASIC)为满足特定功能需求而制造的专用芯片。集成度高，为满足特定功能需求而制造的专用芯片。集成度高，能减少系统的规模和功耗，提高系统的可靠性和工作速度，能减少系统的规模和功耗，提高系统的可靠性和工作速度，加密位可实现设计加密。加密位可实现设计加
4、密。n全定制电路全定制电路:由半导体器件生产厂家专门设计与制造。由半导体器件生产厂家专门设计与制造。n半定制电路半定制电路:由由生产厂家预先做好的生产厂家预先做好的单元电路组成单元电路组成,用用 户可二次编程户可二次编程,有一定通用性。有一定通用性。n可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLDPLD:器件内部集成大量功能独立的单器件内部集成大量功能独立的单 元和可配置的连线，用户可以借助开发工具，元和可配置的连线，用户可以借助开发工具，对器件进行编程，实现其功能。对器件进行编程，实现其功能。2.2 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 n晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性n二极管的工作状态：截止、导
5、通n信号传输时延n晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性n三极管的工作状态：截止、饱和n饱和深度n信号传输时延2.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性 一、工作状态一、工作状态 在大信号情况下，二极管的伏安特性曲线表现为强非线性，在大信号情况下，二极管的伏安特性曲线表现为强非线性，即即单向导电性单向导电性。因此，用两段折线近似表示伏安特性曲线，引。因此，用两段折线近似表示伏安特性曲线，引入了间断点，二极管可视为入了间断点，二极管可视为理想单向导电开关理想单向导电开关。二极管二极管 二极管特性折线化二极管特性折线化 二极管开关模型二极管开关模型2.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二
6、极管的开关特性二、开关特性二、开关特性反向恢复时间：反向恢复时间：tR=ts+tf其中：其中：ts 存储时间存储时间 tf 下降时间下降时间二极管由导通到截止二极管由导通到截止2.2.2 晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性n四种工作状态四种工作状态工作状态工作状态发射结发射结集电结集电结放放 大大正正 偏偏反反 偏偏饱饱 和和正正 偏偏正正 偏偏截截 止止反反 偏偏反反 偏偏反反 向向反反 偏偏正正 偏偏在放大状态：在放大状态：BCCBEiiiii晶体管反相器2.2.2 晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性n开关时间开关时间n延迟时间延迟时间 tdn上升时间上升时间 trn存储时间存
7、储时间 tsn下降时间下降时间 tffsoffrdontttttt开通时间开通时间关断时间关断时间2.3 二极管逻辑门二极管逻辑门二极管与门电路二极管与门电路 二极管或门电路二极管或门电路输出：输出：高电平高电平 5 V 低电平低电平 0.7 V输出：输出：高电平高电平 4.3 V 低电平低电平 0 VABCYLLLLLLHLLHHHH二极管与门输入和输出电平关系二极管与门输入和输出电平关系ABCY0000001001111二极管与门真值表二极管与门真值表2.3 二极管逻辑门二极管逻辑门二极管与门电路二极管与门电路 二极管或门电路二极管或门电路输出：输出：高电平高电平 5 V 低电平低电平 0
8、.7 V输出：输出：高电平高电平 4.3 V 低电平低电平 0 V二极管门电路的缺点二极管门电路的缺点1.输入输入/输出电平不一致输出电平不一致.2.信号通过多级门电路时信号通过多级门电路时,会导致电平偏离会导致电平偏离.3.带负载能力低带负载能力低.2.4 三极管反相器三极管反相器n反相器的工作原理反相器的工作原理n输入为脉冲信号：输入为脉冲信号：VIL=0V,VIH=3Vn晶体管工作在开关状态晶体管工作在开关状态n电路实现电路实现“逻辑非逻辑非”功能功能2.4 三极管反相器三极管反相器n饱和深度饱和深度临界饱和状态：临界饱和状态：CSBSCCCCCE(Sat)CCCSIIRVRVVI在深度
9、饱和情况下：在深度饱和情况下：CSBSBIIi2.4 三极管反相器三极管反相器n反相器的负载能力反相器的负载能力n灌电流负载灌电流负载n晶体管输出低电平晶体管输出低电平n负载电流负载电流流入流入反相器反相器n灌电流降低了饱和深度灌电流降低了饱和深度n拉电流负载拉电流负载n晶体管输出高电平晶体管输出高电平n负载电流负载电流流出流出反相器反相器n拉电流降低了输出电平拉电流降低了输出电平晶体管反相器晶体管反相器灌电流负载灌电流负载：见图：见图 当晶体管当晶体管VT饱和时，基极电流饱和时，基极电流 。灌电流灌电流IL流入集电极流入集电极，IC=IRC+ILILbsbII CCRCREI其中其中饱和深度
10、会随着饱和深度会随着IL的增加的增加而减小，当而减小，当IL进一步增加，进一步增加，VT将退出饱和，将退出饱和，Vo将将不再不再保持为低电平保持为低电平2.4 三极管反相器三极管反相器bbsIImAIIbscs6.2482.03030灌电流负载能力灌电流负载能力指三极管从指三极管从饱和饱和退到临界饱和时所允许灌入的退到临界饱和时所允许灌入的最大负载电流最大负载电流ILMAX 例如例如,输入高电平输入高电平VIH=3V时，时，基极电流为基极电流为Ib=0.82mA加灌电流负载后，加灌电流负载后，在临界饱和时，有：在临界饱和时，有：Ec=12VIL2.4 三极管反相器三极管反相器因此，在保证管子饱
11、和的前提下最大可能的集电极电流是24.6mAmAREICCRC12由于：mAIIIRCCLMAX6.12126.24所以：Ec=12VIL2.4 三极管反相器三极管反相器拉电流负载拉电流负载 当反相器三极管截止，输出为高电平时，负载电当反相器三极管截止，输出为高电平时，负载电流流IL从反相器中流出来，形成拉电流。由于三极管从反相器中流出来，形成拉电流。由于三极管截止，所以截止，所以IC=0。IL流经电阻流经电阻RC的电流的电流IRC分为分为两部分，有：两部分，有：LVDqRCIII2.4 三极管反相器三极管反相器IL 当负载电流当负载电流IL增加时，增加时，IVDq将相应的将相应的减小。为了保
12、证电路正常工作，高电减小。为了保证电路正常工作，高电平输出稳定，钳位二极管必须始终导平输出稳定，钳位二极管必须始终导通，有电流通过。通，有电流通过。IVDq0时流过负载的时流过负载的电流是允许的最大拉电流是允许的最大拉电流。即：电流。即：RCLIImax2.4 三极管反相器三极管反相器CDqqCRCLMAXRUEEII拉电流：RC越小，带拉电流负载能力越大越小，带拉电流负载能力越大CDqqCbRCbLMAXRUEEIIII灌电流：RC越大，带灌电流负载能力越强越大，带灌电流负载能力越强2.4 三极管反相器三极管反相器矛盾矛盾2.5 TTL与非门图2.5.1 LSTTL与非门电路2.5.1 TT
13、L与非门工作原理n输入有一个为低电平输入有一个为低电平n输出为高电平输出为高电平n输入全部位高电平输入全部位高电平n输出为低电平输出为低电平n实现实现与非逻辑与非逻辑功能功能 逻辑电平：逻辑电平：高电平高电平 3.6V 低电平低电平 0.3V输入级中间级输出级2.5.1 TTL与非门工作原理n与非门的输出端与非门的输出端不允许不允许直接相连。直接相连。TTL与非门的特性及参数电压传输特性(1)阈值电压阈值电压 VT=1.4 V 电压传输特性曲线转折电压传输特性曲线转折区所对应的输入电压值区所对应的输入电压值.(2)关门电平关门电平 VOFF 0.8 V 保证输出高电平时保证输出高电平时,输入输
14、入低电平的最大值低电平的最大值.(3)开门电平开门电平 VON 2 V 保证输出低电平时保证输出低电平时,输入输入高电平的最小值高电平的最小值.TTL与非门电压传输特性与非门电压传输特性TTL与非门的特性及参数电压传输特性(4)低电平噪声容限低电平噪声容限 VNL=ViLmax VoLmax =Voff VoLmax 保证输出高电平时保证输出高电平时,允许允许叠加在输入低电平上的最大噪叠加在输入低电平上的最大噪声电压声电压.(5)高电平噪声容限高电平噪声容限 VNH=VoHmin ViHmin =VoHmin Von 保证输出低电平时保证输出低电平时,允许允许叠加在输入高电平上的最大噪叠加在输
15、入高电平上的最大噪声电压声电压.TTL与非门电压传输特性与非门电压传输特性TTL与非门的特性及参数输入特性(1)输入短路电流输入短路电流 IiS -1.5mA 当当Ui=0 时的输入电流时的输入电流.(2)输入漏电流输入漏电流 IiH 10 A 当当Ui=UiH 时时,VT1倒置工作的输入电流倒置工作的输入电流.(3)关门电阻关门电阻ROFF 和开门电阻和开门电阻RON 关门电阻关门电阻:保证与非门关闭，输出高电平保证与非门关闭，输出高电平 (UOH 2.7V)时时,允许允许Ri的最大的最大值值.开门电阻开门电阻:保证与非门导通，输出低电平保证与非门导通，输出低电平 (UOL 0.2V)时时,
16、允许允许Ri的最小的最小值值.ROFF=700 ,RON=2 k 注注:门电路输入端悬空门电路输入端悬空,相当于接高电平相当于接高电平.为避免干扰为避免干扰,不用的输入端应接高电平不用的输入端应接高电平.TTL与非门的特性及参数输出特性n扇出系数扇出系数:推动同类门的个数，推动同类门的个数，通常通常 N 8.N=ILmax/IiLTTL与非门的灌电流与拉电流负载与非门的灌电流与拉电流负载或非门L+V123123D1312312313AL=A+B(a)(b)CC4TR3TT1AT2AT1BT2BR1BR1AR2R43ABB1与或非门+VL12312313D13 123123CC4TR3T1AT2AT1BT2BTR1BR1AR24R3AB11A2B2TTL集成逻辑门OC门n采用OC门实现功能：DEFABCYYY 21集电极开路与非门集电极开路与非门R的取值范围?OC门负载电阻R的选取例：假设有例：假设有n个个OC门并接在一起，其输出推动门并接在一起，其输出推动m个个TTL与非门，试与非门，试 计算负载电阻计算负载电阻R的取值范围。的取值范围。(1)计算Rlmax 当所有OC门均为截止态时，
