第3章 逻辑门电路.

第三章逻辑门电路§3.1逻辑门电路的一般特性§3.3集成门电路§3.4逻辑门电路使用中的几个实际问题§3.2半导体器件的开关特性§3.5抗干扰措施•内容要求–了解逻辑电路的一般特性；–了解MOS管和BJT管的开关特性；–掌握典型CMOS和TTL门的逻辑功能、外部特性、主要参数和使用方法；–了解一些特殊门电路的逻辑功能；–了解实际应用中的若干问题和抗干扰措施；§3.1逻辑门电路的一般特性逻辑器件的数据手册一般提供门电路的电压传输特性、输入和输出高、低电压、噪声容限、传输延迟时间和功耗等技术参数。一、输入和输出的高、低电平不同系列的逻辑电路，输入和输出对应的电压范围也不同。74HC系列CMOS门（工作电压为5V时）：•输入电压：VIH：3.5~5.0VVIH(min)VIL：0~1.5VVIL(max)•输出电压（所带负载不同，对应电压值也不同）：–CMOS负载：VOH：4.9~5.0VVOL：0~0.1V–TTL负载：VOH：3.84~5.0VVOL：0~0.33VVOH(min)、VOL(max)二、噪声容限表示门电路的抗干扰能力。允许叠加在工作信号上的最大噪声幅度，称为噪声容限。噪声幅度不超过输入电平的最小值和最大值时，不会引起电路输出状态的变化。噪声容限值越大，抗干扰能力越强。11vOvI驱动门负载门VDDVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)VNHVNL•输入高电平噪声容限：VNH=VOH(min)-VIH(min)•输入低电平噪声容限：VNL=VIL(max)-VOL(max)三、扇入、扇出系数前后级之间电流的联系。？11扇入系数Ni—输入端的个数扇出系数No—驱动同类门的个数有两种情况：拉电流和灌电流前级输出为高电平时前级后级流出前级电流IOH（拉电流）+VCCD2R21.6KR4130T4+VCCR14KT1拉电流负载•拉电流负载：负载电流从“与非门”流向外电路。•拉电流情况：当驱动门的输出为高电平时，将有电流IOH从驱动门拉出而流至负载门，当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低，但不得低于标准高电压。（负载门）（驱动门）IHIOHIOHN前级输出为低电平时前级后级流入前级的电流IOL(灌电流)+VCCR14KT1R21.6KT5T2R31K+VCCR14KT1灌电流负载•灌电流负载：负载电流从外电路流入“与非门”•灌电流情况：当驱动门的输出端为逻辑0，负载门产生灌电流。负载门的个数增加会引起VOL升高，因此负载门的个数不得超过一定限度。（负载门）（驱动门）ILIOLIOLN特别提示：•逻辑门电路的数据手册中不给出扇出系数，必须通过计算或实验得出。•设计时留有余地，保证电路或系统正常运行。•实际工程中，若IOH和IOL不相等，则NOL≠NOH通常取二者中的最小值。•对于CMOS门电路，所带负载类型不同时，扇出系数不同。当负载为CMOS门时，其输入电容不容忽视。例：计算下列情况的CMOS门电路的扇出系数。1、负载为CMOS门。1）保证其输出高电平为4.9V。此时IOH=-20uA，IOL=20uA，IIH=1uA，IIL=-1uA；（负号表示从器件流出，正号表示流入器件）2）允许其输出电平降至TTL门的3.84V。此时，IOH=-4mA，IOL=4mA，IIH=1uA，IIL=-1uA；解：1）NOH=NOL=20/1=202）NOH=NOL=4000/1=4000注：实际不可能，负载门的输入电容充放电会影响门电路的开关速度。2、负载为TTL门（74HCT系列与其兼容）。若为74LS系列TTL门：IOH=IOL=4mA，而IIH=0.02mA，IIL=0.4mA。解：1）NOH=IOH/IIH=4/0.02=200NOL=IOL/IIL=4/0.4=10则，扇出系数为10。§3.2半导体器件的开关特性对应于有触点开关的“断开”和“闭合”。1、二极管•正向导通，相当于开关闭合。•反向截止，相当于开关断开。2、三极管3、MOS管(场效应管）bcebceNPNPNPP增强型P耗尽型N耗尽型N增强型GDSGDSGDSGDS场效应管与晶体管的比较双极型三极管单极型场效应管电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数20020~mA/V51~gmrce很大rds很大输出电阻输入电阻421010~较低1471010~较高热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极B—E—CG—S—D§3.3集成门电路◆半导体三极管又称双极型三极管（BJT），由若干BJT、二极管和电阻构成的集成门电路称为TTL逻辑门电路。◆集成逻辑门主要有CMOS系列和TTL系列两大类，目前CMOS系列已成为占主导地位的逻辑器件。◆CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）系列集成逻辑门电路由NMOS管和PMOS管构成。◆半导体三极管又称双极型三极管（BJT），由若干BJT、二极管和电阻构成的集成门电路称为TTL逻辑门电路。◆目前有中速54/74系列、高速54H/74H系列、低功耗54LS/74LS肖特基系列、改进型肖特基54AS/74AS系列和改进型低功耗肖特基54ALS/74ALS系列，其中以54ALS/74ALS系列的功耗最低，速度最快。◆由于CMOS集成电路比TTL集成电路功耗低，抗干扰能力强，温度稳定性好，集成度高，价格低廉，工作电源范围大等显著优点，再加上由于制造工艺的不断改进，在速度方面也逐渐接近TTL逻辑门电路。因此，TTL逻辑门电路优势在逐渐消失。相对使用较多的是LSTTL、ALSTTL和ECL。因此，本节重点介绍LSTTL门电路。TTLCircuitsTTL非门的内部结构AY一、TTL非门(Transistor-Transistor-Logic)+VCC(Uo)(Ui)D2D1AYR14KT1R21.6KR4130T5T4T2R31K31、输入为低电平（0.2V）时“0”不足以让T2、T3导通三个PN结导通需2.1V0.9V+VCC(Uo)(Ui)D2D1AYR14KT1R21.6KR4130T5T4T2R31K31、输入为低电平（0.2V）时“0”1Vuo+VCC(Uo)(Ui)D2D1AYR14KT1R21.6KR4130T40.9Vuo=5-uR2-ube4-uD23.6V高电平！2、输入为高电平（3.6V）时全导通电位被钳在2.1V倒置放大1V截止+VCC(Uo)(Ui)D2D1AYR14KT1R21.6KR4130T5T4T2R31K32、输入为高电平（3.6V）时饱和UO=0.2VAY此电路TTL非门（反相器）+VCC(Uo)(Ui)D1AYR14KT1R21.6KT5T2R31K3多发射结结构二、TTL与非门ABCF+VCC(Uo)D2CYR14KT1R21.6KR4130T5T4T2R31KAB3MOS门电路一、MOS反相器+VDDUoUiNMOSRuItuOt+VDD0V二、CMOS反相器工作原理Complementary-SymmeteryMetal-Oxide-SemiconductorNMOS管PMOS管CMOS电路FANMOS+VDDPMOSPMOSNMOS实现逻辑“非”功能AFCMOS非门（反相器）VI低电平TN截止TP导通V0高电平VI高电平（UDD）TP截止TN导通V0低电平三、其它类型的CMOS门TP2TP1TN2TN1uoui1ui2UDD1、CMOS与非门TP2TP1TN2TN1uoui1ui2UDD任一输入端为低，设ui1=0ui1=0uO=1断开导通TP2TP1TN2TN1uoui1ui2UDD输入全为高电平uO=0ui1=1ui2=1导通断开TN2TN1TP1TP2ui1ui2UDD2、CMOS或非门TN2TN1TP1TP2ui1ui2UDD任一输入端为高，设ui1=1ui1=1uO=0导通断开TN2TN1TP1TP2ui1ui2UDD输入端全为低uO=1ui1=0ui2=0导通断开CMOS集成电路的性能特点•微功耗—单门静态功耗在毫微瓦（nw）数量级。•高噪声容限—一般在40%电源电压以上。•宽工作电压范围—电源电压一般为1.5~18伏。•高逻辑摆幅—CMOS电路输出高、低电平的幅度达到全电：逻辑“1”为VDD，逻辑“0”为VSS。•高输入阻抗—CMOS电路的输入阻抗大于108Ω,一般可达1010Ω。•高扇出能力—CMOS电路的扇出能力大于50。•低输入电容—CMOS电路的输入电容一般不大于5PF。•宽工作温度范围—陶瓷封装为-55℃~125℃；塑封为–40℃~85℃。TTL和COMS电路比较：•1）TTL电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压控制器件。2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片越热，这是正常现象。3）COMS电路的锁定效应：COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。•防御措施：1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过规定电压。2）芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。3）在VDD和外电源之间加限流电阻，即使有大的电流也不让它进去。4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启COMS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭COMS。几种常用的特殊门1、CMOS传输门TG由于CMOS的漏极和源极可以互换，因此传输门的输入和输出端可以互换使用，即为双向器件。•电路符号•逻辑功能：既可用于模拟电路也可以用于数字电路。以数字电路为例：C=1（或=0）时传输门接通，VO=VI。C=0（或=1）时传输门关闭，入、出阻断。CC传输门的特点：①既可以传输数字信号，又可以传输模拟信号。当C的高低电平分别为VDD和0V时，传输门可传输0~VDD之间的信号。②VO、VI端可以互换，信号既可以从左向右传送，也可以从右向左传送。几种常用的特殊门2、漏极开路门（OD）、集电极开路门（OC）•逻辑功能：与非•逻辑符号：•应用：工程中，输出进行“线与”，需要接上拉电阻。&普通的CMOS和TTL门电路不能进行线与。&&&VDD1&RPVILVILVILVILVIHVIHIILIILIILIOL限流其取值应保证IOL不超过IOL(max)。因此，取值不能过小。几个并联OD门，对于输出高电平的驱动门，流过截止管的漏电流IOZ可以忽略。)((max)(max)(min)totalILIOLIOLVDDVPRVDD—直流电源电压VOL(max)—驱动器件VOL最大值IOL(max)—驱动器件IOL最大值IIL(total)—灌电流总值，IIL(total)=nIILn为与非负载门数目（或非负载门输入端数目）OD输出为低电平时：&&&VDD1&RPVILVILVILVILVILVILIIHIIHIIHIOZRP取值应保证VOH不小于VOH(min)，因此，取值不能过大。)()((min)(max)totalIHItotalOZIOHVDDVPRVDD—直流电源电压VOH(min)—驱动器件VOH最小值IOZ(total)—全部驱动门输出高电平时的漏电流总合IIH(total)—全部驱动门输入高电平时的电流总和IIH(total)=nIIHn为接入OD门的输入端的数目OD输出为高电平时：例：设3个ODCMOS与非门作线与连接，驱动一个TTL系列反相器和一个3输入与非门，试确定一个合适的上拉电阻RP。已知VDD=5V，IOZ=5uA。&&&VDD1&RP74HC0374LS0474LS10查数据手册知，CMOS门参数：