【正文】 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 目前生產(chǎn)和使用的數(shù)字集成電路種類很多，從制造工藝、輸出結(jié)構(gòu)和邏輯功能三個(gè)方面把它們分別歸類如下： 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 。雖然也介紹了關(guān)于集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的內(nèi)容，但其目的在于加深對(duì)器件外特性的理解，以便更好地運(yùn)用這些外特性。而當(dāng) 時(shí)，傳輸門導(dǎo)通， AY ?0?EN1?EN數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 本章小結(jié) 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 本章重點(diǎn)介紹了目前應(yīng)用最廣的 TTL和 CMOS兩類集成門電路。而當(dāng) 時(shí)，附加管同時(shí)導(dǎo)通，反相器正常工作， AY ?1?EN0?EN數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 控制信號(hào) 時(shí)，附加管截止，輸出呈高阻態(tài)。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 CMOS門電路 CMOS三態(tài)門在邏輯功能和使用上，跟之前的 TTL三態(tài)門沒有區(qū)別，其電路結(jié)構(gòu)卻簡單，常用的有三種。 CC4066四雙向模擬開關(guān)在 VDD=15V時(shí)其 RTG不大于 240Ω。其電路如圖示： 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 模擬開關(guān) 在輸出端接上負(fù)載電阻 RL，若模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻 RTG。 0?C MOS的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，其漏極和源極可以互換使用，所以 CMOS傳輸門屬于雙向器件，它的輸入端和輸出端可以互換使用。 1?C數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 當(dāng) C=1時(shí)， 。則當(dāng) C=0時(shí)， 。傳輸門是構(gòu)成各種邏輯電路的一種基本單元電路。另外， OD的輸出端并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)線與功能。實(shí)現(xiàn)了電平的轉(zhuǎn)換。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 若輸入信號(hào)為高電平 VIH=VDD1，而輸出高電平為 VDD2。 ABABP ?? ABPY ?? OD門經(jīng)常用在輸出級(jí)緩沖 /驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中，以滿足大負(fù)載電流的需要。 圖示電路為 CC40107雙 2輸入與非緩沖 /驅(qū)動(dòng)器。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 但帶有緩沖級(jí)的門電路，電路的邏輯功能發(fā)生了變化，圖示電路由原來的與非運(yùn)算，變成了或非運(yùn)算。而且，電壓傳輸特性在轉(zhuǎn)折區(qū)變得更徒了。該反相器具有標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，稱其為緩沖器。而當(dāng)輸入全部為低電平時(shí)，并聯(lián)的負(fù)載管數(shù)目越多，輸出高電平 VOH也更高一些。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 。若設(shè)每個(gè) MOS管導(dǎo)通內(nèi)阻均為 RON，截止內(nèi)阻 ROFF≈∞。 BAY ?? 利用與非門、或非門和反相器又可以組成與門、或門、與或非門、異或門等。 A、 B同時(shí)為 0時(shí)， Y為 1。同樣方法可以構(gòu)成三輸入與非門電路。只有 A、 B同為高電平， T T3均截止， TT4均導(dǎo)通， Y為 0。 A= B=0時(shí)， T3導(dǎo)通， T4截止， Y為 1。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 其它邏輯功能的 CMOS門電路 CMOS門電路的系列產(chǎn)品，除反相器外常用的還有或非門、與非門、或門、與門、與或非門、異或門等幾種。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 CMOS電路的傳輸延遲時(shí)間 tPHL和 tPLH是以輸入、輸出波形對(duì)應(yīng)邊上等于最大幅度 50%的兩點(diǎn)間時(shí)間間隔來定義的。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 CMOS電路的動(dòng)態(tài)特性 傳輸延遲時(shí)間 MOS管開關(guān)過程中不發(fā)生載流子的聚集和消散，但由于集成電路內(nèi)部電阻、電容的存在以及負(fù)載電容的影響，輸出電壓的變化仍在滯后于輸入電壓的變化，產(chǎn)生傳輸延遲。 VDD越高，則 T1導(dǎo)通電阻越小，其上的壓降也越小，在同樣 IOH值下VOH下降得越少 GS? CC4000系列門電路的性能參數(shù)規(guī)定，當(dāng) VDD5V ，而且輸出電流不超出允許范圍時(shí)， VOH≥、VOL≤。隨著負(fù)載電流的增加， T1的導(dǎo)通壓降加大， VOH減小。負(fù)載電流 IOH輸出，與規(guī)定的負(fù)載電流正方向相反，輸出特性曲線上 IOH為負(fù)值。這時(shí)負(fù)載 IOL注入T2，輸出電平隨 IOL增加而提高 ， 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 由于 T2的導(dǎo)通內(nèi)阻與 的大小有關(guān)， 越大，導(dǎo)通內(nèi)阻越小，所以相同的 IOL值 VDD越高， T2導(dǎo)通電阻小，VOL也越低。 低電平輸出特性 當(dāng)輸出為低電平，反相器的 P溝道管截止、 N溝道導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻 RON很小。 DDI Vv ??0VVv DDI 70 .?? Vv I 70 .??數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 若通過 D1和 D2的正向?qū)娏鬟^大或反向擊穿電流過大，會(huì)損壞保護(hù)電路，進(jìn)而使 MOS管柵極被擊穿。當(dāng) 或 保護(hù)電路工作，柵極電流不為 O，柵極電壓被嵌位在VDD+ 。在 CC4000系列 CMOS器件中，多采用圖（ a）的輸入保護(hù)電路。NHVNLVNHV D D = 1 5 V/ V/ V數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 CMOS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性 MOS管的柵極和襯底之間存著以 SiO2為介質(zhì)的輸入電容，而絕緣介質(zhì)又非常薄，極易被擊穿（耐壓約 100V），所以必須采用保護(hù)措施。 vO0vI1 051 551 01 5VD D= 1 0 V39。國產(chǎn) CC4000系列 CMOS電路的性能指標(biāo)中規(guī)定，在輸出高、低電平的變化不大于 10%VDD的條件下，輸入信號(hào)低、高電平允許的最大變化量為 VNL和 VNH。這是 CMOS電路最突出的一大優(yōu)點(diǎn)。為了降低功耗，使用 CMOS器件時(shí)不應(yīng)使之長時(shí)間工作在 BC段，以防止器件因功耗過大而損壞。 PthSGDDI VVv )(??PthSGSG VV )(?1 NthGSGS VV )(?20?? oLO vv 0?Di數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 則 T T2管同時(shí)導(dǎo)通，如果 T1和 T2的參數(shù)理想對(duì)稱，則當(dāng) 時(shí)兩管的導(dǎo)通內(nèi)阻相等， ，此時(shí)漏極電流 最大。 Iv電壓傳輸出特性和電流傳輸特性 Ov IvDi Iv數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 A BC DVD DvOVD DVD D0VD DvI2121VG S ( t h ) NVG S ( t h ) PABCDiDVD D0 VD DvI21VG S ( t h ) NVG S ( t h ) P則 T1導(dǎo)通，導(dǎo)通內(nèi)阻很小， T2管截止，截止電阻很大，經(jīng)過分壓后輸出電壓為高電平。漏極電流 隨輸入電壓 的變化關(guān)系稱為電流傳輸特性。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 設(shè) CMOS反相器中 T1和 T2截止電阻 R OFF和導(dǎo)通電阻 RON均相同。 VDD數(shù)值需大于T1管的開啟電壓 VSG（ th)和 T2管的開啟電壓 VGS(th)之和。兩管參數(shù)相同。 pdtPM ??數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 CMOS門電路 集成電路中廣泛應(yīng)用的另一類晶體管是金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，簡稱 MOS（ Metal Oxide Semiconductor ）晶體管。 P為門電路的功耗（ mW）， tpd為平均傳輸時(shí)間（ ns）， M單位是皮焦（ PJ）。常用的各系列 TTL門，其性能上的特點(diǎn)列圖所示。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 T 1 0 0 0 典 型 T T L1 0 n s / 1 0 m WT 2 0 0 0 H 系 列 T T L6 n s / 2 2 m WT 3 0 0 0S 系 列 T T L3 n s / 2 0 m WA S 系 列 T T L1 . 5 n s / 2 2 m WL 系 列 T T L3 3 n s / 1 m WL S 系 列 T T L5 n s / 2 m WA L S 系 列 T T L4 n s / 1 m W提高速度降低功耗 為了滿足用戶在使用方面的要求， TTL門電路出現(xiàn)更多結(jié)構(gòu)的電路來改進(jìn)參數(shù)。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 E N1＆E N＆E NG2Gn…總線A2B2E N2AnBnE Nn＆E NA1B1G1＆E NDOG1＆E NG2DO/ DIE NDI總線 利用三態(tài)門還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，圖示，當(dāng)EN=1時(shí)， G1工作， G2門呈高阻狀態(tài)，則 DO經(jīng)過非運(yùn)算后輸出到總線。 工作時(shí)控制各個(gè)門的 EN端輪流等于 1，而且任何時(shí)候僅有一個(gè)等于 1，就可以把各個(gè)門的輸出信號(hào)輪流送到公共的傳輸線 ——總線上而互不干擾?？刹捎脠D示的總線結(jié)構(gòu)連接方式。 ABY ?＆E NABE NY控制端高電平有效 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 VC CR1T5R3R4R2T2T1T4DAYBE N1P＆E NABE NY 當(dāng) 高電平時(shí)，電路正常工作實(shí)現(xiàn)與非運(yùn)算。由于 T T5截止，則輸出端懸空呈高阻狀態(tài)。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 當(dāng) EN為高電平時(shí)，經(jīng)兩個(gè)反相器運(yùn)算后 P點(diǎn)為高電平，二極管 D截止，電路的工作狀態(tài)和普通的與非門沒有區(qū)別，輸出 。 三態(tài)輸出 TTL與非門 VC CR1T5R3R4R2T2T1T4DAYBE N1 1P 三態(tài)門是在普通門電路結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)控制端 EN及其控制電路。1nmYLMLOLCCIL IRVVmI ???ILLMOLCCL mIIVVR???ILI綜合兩種情況， RL應(yīng)選取最大值與最小值之間。CD… … ……amp。ABamp。 m為負(fù)載門的個(gè)數(shù)， 為 TTL為規(guī)定的輸出低電平值。則求出 RL的最小值。這時(shí)負(fù)載門輸入低電平電流全部流入導(dǎo)通的 OC門。 為負(fù)載門輸入端的個(gè)數(shù)。1nmY39。CD… … ……amp。ABamp。 當(dāng)每個(gè) OC門輸出高電平，則 Y為高電平，為保證高電平值不低于規(guī)定的高電平值 ，可列出的 RL最大值的計(jì)算式。m a x39。 數(shù)字邏輯電路電子教案 西北大學(xué)信息學(xué)院 OHIHOHLCC VImnIRV ??? )( 39。ABamp。 Y1和 Y2并接使用時(shí)，只要 Y1和 Y2中有一個(gè)為低電平，則 Y為低電平，只有當(dāng) Y1和 Y2同為高電平時(shí)， Y 才為高電平， Y與 Y1和Y2的關(guān)系稱為 “ 線與 ” 。只要電阻阻值和電源電壓值選擇