数字电路与逻辑设计--第二章

电路中心张咏梅电子工程学院第二章逻辑门电路2.1数字集成电路的特点和分类2.3二极管逻辑门2.4三极管反相器2.5TTL集成逻辑门2.6ECL逻辑门路2.7CMOS反相器2.8不同工艺逻辑门之间的互联2.2晶体管的开关特性电路中心张咏梅电子工程学院逻辑门电路门电路：用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称门电路。门电路是构成数字电路的基本器件，可以由分立元件构成，但实际中常用的是集成逻辑门。理解逻辑门的基本结构、工作原理；掌握基本逻辑门的外部特性。本章重点重点电路中心张咏梅电子工程学院半导体集成电路半导体集成电路是采用外延生长、光刻、氧化物生长、离子注入等技术，将晶体管、电阻、电容等元件和内部电路连线一起做在一块半导体基片上所构成的电路单元。它又称为集成电路组件。电路中心张咏梅电子工程学院2.1数字集成电路特点和分类双极型集成电路MOS集成电路按有源器件类型分PMOSNMOSCMOSTTL、ECLI2L、HTL两类集成电路相比较：双极型集成电路工作速度高，驱动能力强，但功耗大，集成度低。MOS集成电路集成度高，功耗相对较低。缺点是工作速度略低。目前CMOS器件是主要的数字集成电路工艺。单位面积上晶体管数。电路中心张咏梅电子工程学院2.1数字集成电路特点和分类按集成度分SSI（10-100个晶体管，10-20个等效门）MSI（100-1000个晶体管，20-100个等效门）LSI（103-105个晶体管，100-1000个等效门）VLSI（105个晶体管，104个以上等效门）常用SSI、MSI：门、触发器、译码器、多路选择器、加法器、算术逻辑单元、寄存器、计数器、移位寄存器。常见LSI、VLSI：只读存储器、随机存取寄存器、可编程逻辑器件、大规模移位寄存器、微处理器、单片微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用和专用数字信号处理器。电路中心张咏梅电子工程学院2.1数字集成电路特点和分类按设计方法分通用芯片可编程逻辑器件半定制集成电路全定制集成电路逻辑门电路是构成数字器件的基本单元。功能固定，所实现的系统体积和功耗都较大。通过对器件内部的连线编程来实现预期的逻辑功能。使用灵活，减少了系统的芯片数和功耗。门阵列、标准单元等构成的集成电路，内部连线向厂家定做，适用于器件需求较多时。针对用户的技术要求由器件生产厂家专门进行设计和制作，只适用于很大批量的生产。电路中心张咏梅电子工程学院2.2晶体管的开关特性2.2.1晶体二极管的开关特性半导体二极管具有单向导电性，外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，相当于一个受外加电压极性控制的开关。电路中心张咏梅电子工程学院二极管的等效电路当二极管的正向导通压降和外加电压相比不能忽略，而导通电阻与外接电阻相比可以忽略时，近似特性曲线和等效电路如右下图所示。在数字电路中，多数情况都符合外加电压较低而外接电阻较大的条件，因此常用这种近似方法。VDVD电路中心张咏梅电子工程学院2.2.1晶体二极管的开关特性二极管由正向导通状态变为反向截止状态所需要的时间，称为反向恢复时间tR，它是扩散区所存储的电荷消散所需要的时间。影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间。二极管由反向截止状态变为正向导通状态所需要的时间来，称为开通时间，它是在扩散区存储电荷所需要的时间，这个时间很短，可以忽略不计。二极管在导通与截止两种状态之间转换需要一定的时间，转换时间的长短决定了器件可以工作的最大速度。电路中心张咏梅电子工程学院2.2.2双极型晶体管的开关特性饱和区放大区截止区输出特性曲线在数字电路中，晶体管工作在饱和与截止状态。通过改变基极信号vI来控制C、E间的接通与断开。电路中心张咏梅电子工程学院三极管的三种工作状态截止状态：发射结和集电结均反向偏置。iB≤0，iC=0，VBE≤0V(硅管0.5V就基本截止)。放大状态：发射结正向偏置，集电结反向偏置。iB0，iC=ßiB，有电流放大作用。饱和状态：发射结和集电结均正向偏置。iBIBS（iCßiB），VCE很小(VCE(sat)≈0.3V)，饱和得越深，VCE就越小，深度饱和时VCE(sat)≈0.1V。饱和压降基极临界饱和电流电路中心张咏梅电子工程学院双极型三极管的基本开关电路当νI=VILVth（开启电压）时，三极管截止，νO=VCC=VOH。当νI=VIHVth时，三极管导通。随着νI的增加，iB增加，RC上的压降增大，νO减小。VIL截止vIVth导通iBiCVCC电路中心张咏梅电子工程学院双极型三极管的基本开关电路当vI增大到一定值时，三极管进入饱和状态，三极管相当于闭合的开关，νO=VCE（sat)=VOL≈0.3V。BBEICCCCBCCCCCCCEoRVvRVRiVRiVvv晶体管进入临界饱和状态时的集电极和基极电流分别记为ICS、IBS：CsatCECCBSRVVI)(CsatCECCCSRVVI)(电路中心张咏梅电子工程学院双极型三极管的基本开关电路当RC上的压降增大到接近电源电压VCC时，三极管上的压降近似为0，三极管处于深度饱和状态，νO=VCE（sat)=VOL≈0.1V。饱和状态时iBIBS（iCßiB）。如果外部负载电流流入晶体管的集电极（称为灌电流负载电流），会使晶体管脱离饱和状态而进入放大状态，输出电压开始升高。为使三极管处于饱和状态，输出保持为低电平，必须保证iBIBS=ICS/β。电路中心张咏梅电子工程学院双极型三极管的开关等效电路截止状态等效电路ICEO≈0饱和导通状态等效电路VCE（sat)≈0当νI=VIL时，三极管截止，νO=VOH；当νI=VIH时，三极管饱和，νO=VOL。电路中心张咏梅电子工程学院双极型三极管的动态开关特性延迟时间td：三极管发射结电压由反偏上升到0.5V，晶体管开始导通，所需要的时间。上升时间tr：集电极电流iC从0.1ICS上升到0.9ICS所需时间。截止状态→饱和状态开通时间ton：三极管从截止状态转换为饱和状态所需要的时间，ton=td+tr。tdtrton电路中心张咏梅电子工程学院三极管的关闭时间存储时间ts：三极管从饱和状态进入放大状态过程中，基区所存储的多余电荷消散所需要的时间。饱和状态→截止状态下降时间tf：集电极电流从0.9ICS到减小为0.1ICS所需要的时间。关闭时间toff：三极管从饱和状态转换为截止状态所需要的时间，toff=ts+tf。tstftoff电路中心张咏梅电子工程学院三极管的开关时间一般延迟时间td较小，存储时间ts随饱和深度而变化。当饱和深度较深时，ts时间最长，成为影响三极管工作速度的主要因素。由于晶体管存在开关时间，当作开关使用时，不能随控制信号的状态变化而立即改变状态，因此，晶体管的开关时间将是影响电路工作速度的主要因素。电路中心张咏梅电子工程学院0V5V0.7VvAvBvFHHHHLLLHLLLL5V5V5V2.3二极管逻辑门2.3.1、二极管与门电路ABF111100010000A、B中有一个或一个以上为低电平0V，则输出F就为低电平0.7V。只有A、B全为高电平5V，则输出F才为高电平5V。F=AB低电平上升了0.7V电路中心张咏梅电子工程学院2.3.2二极管或门电路VDAVDBABFR5V0V4.3VvAvBvFHHHHLLLHLLHHABF111100010011F=A+B0V0VA、B中有一个或一个以上为高电平5V，则输出F就为高电平4.3V。高电平下降了0.7V只有A、B全为低电平0V，则输出F才为低电平0V。0V电路中心张咏梅电子工程学院二极管门电路的缺点当信号通过二极管门电路时，会因为二极管的正向导通压降而导致电平偏离。二极管门电路带负载能力差。克服缺点的方法：在二极管门电路的输出端连接一个三极管反相器，构成与非门、或非门。VDAVDBABVFRECCLLFERRRVRL越小，VF越低，越偏离高电平EC输出高电平二极管门电路不能实现非逻辑。RL电路中心张咏梅电子工程学院2.4晶体管反相器bbERRRV211V92.0)12(185.15.1BE结反偏，三极管可靠截止。VO=VCC=12V=VOH0V12VEb的接入使得即使输入低电平稍大于0，三极管也能可靠截止，使输出为高电平。-0.92VVI=VIL=0V时：VVbe7.030电路中心张咏梅电子工程学院2.4.1晶体管反相器的工作原理VI=VIH=3V时：Ib=I1-I221REVRVVbbebeIHmA82.018127.05.17.03IbIBS三极管饱和VO=Vce(sat)≈0.3V=VOL3VIOVV0.3VCsatCECCSBSRVEII)(mA4.01000301.012VVbe7.030IbI1I2电路中心张咏梅电子工程学院2.4.2反相器的负载能力灌电流负载IL反相器后面所接的其它电路负载电流IL流入反相器三极管VT饱和时，VO=VOL=0.3V，D截止。IC=IRC+IL≈EC/RC+IL=12mA+IL随着IL的增大，Ic也增大，到Ic=ICS时VT临界饱和，Ic再增大，VT就会退出饱和，VO就会上升而不能维持为低电平。负载能力：在保证正常的输出高、低电平值的情况下，反相器输出端所能承受的最大电流。3VICIRC3V电路中心张咏梅电子工程学院反相器的灌电流负载能力ILmax=ICS-IRC=12.6mA提高灌电流负载能力的方法：1、提高三极管的饱和深度。2、加大Rc使IRC减小。临界饱和时：ICS=ßIBS=ßIb=30×0.82=24.6mAIC=IRC+IL≈EC/RC+IL=12mA+IL≤ICSIL3V3V电路中心张咏梅电子工程学院反相器的拉电流负载能力IRCIDIL负载电流IL从反相器流出晶体管VT截止，IC=0，二极管Ｄ导通，VO=VOH=Ｅq＋VＤ＝3.7V。随着IL的增大，ID减小，极限时ID=0，D截止。减小Rc使IRC增加。提高拉电流负载能力的方法：mARVEEIICDqCRLC8.8)(max3VmARVEERVEICDqCORC8.8)(LDRIIIC0V电路中心张咏梅电子工程学院系列型号电源电压（V）门传输时延（ns）门静态功耗（mW）TTL54/74TTL54/74LSTTL54/74ALSTTL5±5%(74)5±10%(54)107.5510212.5TTL集成逻辑门同型号不同系列的器件,逻辑功能相同，管脚兼容，但性能不同。TTL电路分类TTLSTTLLSTTLALSTTL中速标准TTL肖特基TTL，速度快，功耗大。低功耗肖特基TTLASTTLFTTL先进低功耗肖特基TTL快速TTL先进肖特基TTL电路中心张咏梅电子工程学院2.5.1TTL与非门的电路结构和工作原理输入级中间级输出级中间级是放大级，由T2、R2和R3组成，T2的集电极和发射极可以分别提供两个相位相反的电压信号。输入级由多发射极晶体管T1和基极电阻R1组成，它实现了输入变量A、B、C的与运算。二极管D1、D2和D3可以限制输入端可能出现的负极性干扰。输出级由T3、T4、T5和R4、R5组成，其中T3、T4构成复合跟随器，与T5组成推挽输出结构，具有较强的负载能力。电路中心张咏梅电子工程学院多发射极晶体管F=ABC多发射极晶体管实现了输入变量A、B、C的与运算。T1KR31ebcVCCABCFKR31VCCFABCDbeADbeBABR1VCCCDbeCDbcFbc电路中心张咏梅电子工程学院TTL与非门工作原理VCC=5V、VIL=0.3VVIH=3.6V、β=30Vce(sat深)=0.1VVce(sat)=0.3V有一个输入为低电平：VA=0.3V，VB=VC=3.6VT1管的beA结抢先导通，使T1基极Vb1=0.3+0.7=1V，另两个发射结因反偏而截止。T2管截止（Vb1Vbc1+Vbe2=0.7+0.7=1.4V）ib1=(Vcc-Vb1)/R1=(5-1)/3=1.3mAic1≈