第五章 集成门电路和触发器

第五章集成门电路和触发器学习时应重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性，以及器件的使用方法。对其内部结构和工作原理只要求作一般了解。随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的集成电路块，通常又称为集成电路芯片。集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的物质基础。采用集成电路进行数字系统设计的优点：可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大大简化设计和调试过程。数字集成电路的分类数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据集成规模的大小进行分类。一.根据所采用的半导体器件进行分类根据所采用的半导体器件，数字集成电路可以分为两大类。1.双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。2.单极型集成电路(又称为MOS集成电路):采用金属-氧化物半导体场效应管(MetelOxideSemiconductorFieldEffectTra-nsister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。双极型集成电路又可进一步可分为：晶体管-晶体管逻辑电路TTL(TransistorTransistorLogic)；发射极耦合逻辑电路(EmitterCoupledLogic)；集成注入逻辑电路I2L(IntegratedInjectionLogic)。┊TTL电路的“性能价格比”最佳，应用最广泛。MOS集成电路又可进一步分为：PMOS(P-channelMetelOxideSemiconductor)；NMOS(N-channelMetelOxideSemiconductor)；CMOS(ComplementMetalOxideSemiconductor)。┊CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路的设计，而且综合性能最好。二．根据集成电路规模的大小进行分类通常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数，分为SSI、MSI、LSI、VLSI。1.SSI(SmallScaleIntegration)小规模集成电路:逻辑门数小于10门(或元件数小于100个)；2.MSI(MediumScaleIntegration)中规模集成电路:逻辑门数为10门～99门(或元件数100个～999个)；3.LSI(LargeScaleIntegration)大规模集成电路:逻辑门数为100门～9999门(或元件数1000个～99999个)；4.VLSI(VeryLargeScaleIntegration)超大规模集成电路:逻辑门数大于10000门(或元件数大于100000个)。第一节CMOS门电路CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个μW，中规模集成电路的功耗也不会超过100μW。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。CMOS数字电路的特点使用集成电路时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。1、CMOS非门uA+VDD+10VTPTN+VDD+10V+VDD+10VSSRONPRONN10V0V(a)电路(b)TN截止、TP导通(c)TN导通、TP截止uYuYuY（1）uA＝0V时，TN截止，TP导通。输出电压uY＝VDD＝10V。（2）uA＝10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY＝0V。AY2、CMOS与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门CMOS与非门BY+VDDATP1TN1TN2TP2BAY①A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。②只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。BY+VDDATN1TP2TN2TP1CMOS或非门BAY①只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。②只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B≥11或门AB≥1YY=A+B=A+B&&&1&&≥1&≥1ABCDABCDABCDYYY(a)由与非门和反相器构成(b)由与门和或非门构成(c)逻辑符号CMOS与或非门DCBADCBAYDCBAY&&&ABY&CMOS异或门BABABABABABAY3、CMOSOD门、TSL门及传输门&1YAB+V'DDRD外接AB&Y(a)电路(b)符号ABYCMOSOD门CMOSTSL门11ENAETP2TP1YTN1TN2AEY+VDD(a)电路(b)符号①E=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。②E=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。C+VDDTGuiuiuouoTPTNCCC(a)电路(b)符号CMOS传输门①C＝0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（＋VDD）时，TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。②C＝1、，即C端为高电平（＋VDD）、端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uo＝ui。1C0CCC第二节TTL门电路T4+VCC(+5V)b1ABR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCC(+5V)T5ABTTL与非门电路T1的等效电路D3c1R13kΩR2750ΩR3360ΩR53kΩD1D21、TTL与非门①输入信号不全为1：如uA=0.3V，uB=3.6VR4100ΩT4ABR13kΩT3T2T1Y+VCC(+5V)T5R2750ΩR3360ΩR53kΩ0.7V0.7V++--3.6V0.3V1V则uB1=0.3+0.7=1V，T2、T5截止，T3、T4导通忽略iB3，输出端的电位为：输出Y为高电平。uY≈5―0.7―0.7＝3.6VT4ABR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCC(+5V)T5R2750ΩR3360ΩR53kΩ0.7V0.7V++--+-0.3V+-0.3V3.6V3.6V②输入信号全为1：如uA=uB=3.6V2.1V则uB1=2.1V，T2、T5导通，T3、T4截止输出端的电位为：uY=UCES＝0.3V输出Y为低电平。BAYuAuBuY0.3V0.3V0.3V3.6V3.6V0.3V3.6V3.6V3.6V3.6V3.6V0.3VABY000110111110功能表真值表逻辑表达式输入有低，输出为高；输入全高，输出为低。74LS00的引脚排列图VCC3A3B3Y4A4B4Y1A1B1Y2A2B2YGND14131211109874LS201234567VCC2A2BNC2C2D2Y1A1BNC1C1D1YGND74LS20的引脚排列图14131211109874LS00123456774LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。2、TTL非门、或非门、与或非门、与门、或门及异或门14131211109874LS041234567VCC4A4Y5A5Y6A6Y1A1Y2A2Y3A3YGND6反相器74LS04的引脚排列图T4AR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCCT5R2750ΩR3360ΩR53kΩTTL反相器电路①A=0时，T2、T5截止，T3、T4导通，Y=1。②A=1时，T2、T5导通，T3、T4截止，Y=0。AYTTL非门14131211109874LS021234567VCC3Y3B3A4Y4B4A1Y1B1A2Y2B3AGND74LS02的引脚排列图T4ABR1T3T2T1YR4+VCCT5R2R3R5T'2T'1R'1TTL或非门电路①A、B中只要有一个为1，即高电平，如A＝1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y＝0。②A＝B＝0时，iB1、i'B1均分别流入T1、T'1发射极，使T2、T'2、T5均截止，T3、T4导通，输出为高电平，即Y＝1。BAYTTL或非门14131211109874LS511234567VCC2B2C2D2E2F2Y2A1A1B1C1D1YGND74LS51的引脚排列图T4ABCDR1T3T2T1YR4+VCCT5R2R3R5T'2T'1R'1TTL与或非门电路①A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T‘2导通）时，T5饱和导通、T4截止，输出Y=0。②A和B不全为高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T‘2同时截止）时，T5截止、T4饱和导通，输出Y=1。DCBAYTTL与或非门与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B≥11或门AB≥1YY=A+B=A+B异或门AB&≥1≥1YBABABABABABABABABAY))(()(AB=1Y3、OC门及TSL门OC与非门的电路结构AB+VCCYRYABCD&&OC门线与图+VCCRY1Y2T1T2T3uB1问题的提出：为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。①A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接电阻R后：②A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。BAY外接电阻R的取值范围为：ILOLOLCCmIIUVmaxIHOHOHCCmInIUVmin≤R≤OC门TSL门国标符号T4AR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCC(+5V)T5R2750ΩR3360ΩR53kΩAE&ENYED电路结构①E＝0时，二极管D导通，T1基极和T2基极均被钳制在低电平，因而T2～T5均截止，输出端开路，电路处于高阻状态。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。②E＝1时，二极管D截止，TSL门的输出状态完全取决于输入信号A的状态，电路输出与输入的逻辑关系和一般反相器相同，即：Y=A，A＝0时Y＝1，为高电平；A＝1时Y＝0，为低电平。TSL门的应用：G1总线ABE1ENY1EN1AE1ENB1EN11ENE1A11ENE2A21ENEnAn…(a)多路开关(b)双向传输(c)单向总线G1G2G1G2G2Gn①作多路开关：E=0时，门G1使能，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2使能，G1禁止，Y=B。②信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。③构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余TSL门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TSL门的输出。4、TTL系列集成电路及主要参数TTL系列集成电路①74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其