數(shù)字邏輯電路集成門電路

1、數(shù)字邏輯電路集成門電路數(shù)字邏輯電路集成門電路2第第2章章 集成門電路集成門電路2.1 概述2.2 CMOS2.3 雙極型門電路2.4 BICMOS2.5 集成門電路的應(yīng)用舉例數(shù)字邏輯電路集成門電路32.1 概述一、集成門電路按其內(nèi)部有源器件的分類 雙極型晶體管TTL(晶體管晶體管邏輯)集成門電路，包括LSTTL(低功耗肖特基TTL)，ECL(射極耦合邏輯)電路和I2L(集成注入邏輯)電路等幾種類型。 特點：工作速度高，驅(qū)動能力強(qiáng)，但功耗大，集成度低。 單極型MOS集成門電路，包括NMOS、PMOS、CMOS、LDMOS(橫向擴(kuò)散MOS) 、VDMOS(垂直擴(kuò)散 MOS) 等幾種類型。 特點：功

2、耗極低，成本低，電源電壓范圍寬，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，輸入阻抗高，扇出能力強(qiáng)。 BiCMOS門電路（Bipolar CMOS），（又稱絕緣柵晶體管門電路，）是由MOS集成門電路與雙極型推拉式輸出電路組合。 特點：綜合了CMOS功耗低、集成度的優(yōu)勢及雙極型驅(qū)動能力強(qiáng)的長處。 二、集成門電路按其集成度的分類 小規(guī)模集成電路SSI，每片組件包含1020個等效門。 中規(guī)模集成電路MSI，每個組件包含20100個等效門。 大規(guī)模集成電路LSI，每組件內(nèi)含1001000個等效門。 超大規(guī)模集成電路VLSI，每片組件內(nèi)含1000個以上等效門。 常用的邏輯門和觸發(fā)器采用SSI。編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)

3、據(jù)分配器、加法器、計數(shù)器、移位寄存器、鎖存器等組件都采用MSI。 集成電路正朝著高速低耗、高集成度的方向發(fā)展。數(shù)字邏輯電路集成門電路42.2 CMOS門電路一、CMOS集成門電路的外部特性和主要參數(shù) 1.CMOS集成門電路的外部特性 CMOS門電路對外部呈現(xiàn)的電氣特性主要包括：括號內(nèi)( )表示期望指標(biāo)。 靜態(tài)特性輸入特性（輸入阻抗高）、輸出特性（驅(qū)動能力大且對稱性好）、電壓傳輸特性（輸出電平轉(zhuǎn)換徒峭）； 動態(tài)特性傳輸延遲時間（延遲時間短）、交流噪聲容限（容限大）、動態(tài)功耗（功耗?。┑取?集成門電路主要參數(shù)的特點 （1）VOH（min）DD； VOL（max）DD。所以CMOS門電路的邏輯擺幅（

4、即高低電平之差）較大。 （2）閾值電壓Vth約為VDD/2。 （3）CMOS非門的關(guān)門電平VOFF為DD，開門電平VON為DD。因此，其高、低電平噪聲容限均達(dá)DD。 （4）CMOS電路的功耗很小，一般小于1 mW/門； （5）因為CMOS電路有極高的輸入阻抗(G數(shù)量級)，故其扇出系數(shù)很大，可達(dá)50。數(shù)字邏輯電路集成門電路52.2 CMOS門電路二、CMOS集成門電路邏輯函數(shù)及邏輯符號 （1）CMOS非門（反相器） Y= （2）CMOS與門Y=AB CMOS或門Y=AB （3）CMOS與非門 CMOS或非門電路 AY=ABY=AB1BAY&ABY1ABYB&AY1AY數(shù)字邏輯電路集成門電路62.

5、2 CMOS門電路二、 CMOS集成門電路邏輯函數(shù)及邏輯符號 （4）CMOS與或非門 （5）CMOS異或門 F= CMOS同或門 F= =A B Y=ABCDABABABCD& 1Y=1ABY=1ABY數(shù)字邏輯電路集成門電路72.2 CMOS門電路二、 CMOS集成門電路邏輯函數(shù)及邏輯符號 （6）CMOS三態(tài)門，又稱3S門(當(dāng) =0時，即電路內(nèi)部的EN=1，輸出與輸入之間為正常的邏輯關(guān)系；當(dāng) =1時，即電路內(nèi)部的EN=0，輸出端呈現(xiàn)高阻抗。) CMOS三態(tài)非門 CMOS三態(tài)與非門 CMOS三態(tài)或非門 （7）CMOS漏極開路門（OD門） 兩個OD門的“線與”連接電路圖，其邏輯關(guān)系如下：YAB&Y

6、&A2B2 &A1B1 UDDENENY=A1B1A2B2=A1B1A2B21AYEN1YENABEN&ABYEN數(shù)字邏輯電路集成門電路82.2 CMOS門電路二、 CMOS集成門電路邏輯函數(shù)及邏輯符號 （8）CMOS傳輸門 當(dāng)C=1時，輸入信號被傳送到輸出端； 當(dāng)C=0時，輸入端與輸出端被隔斷。 CMOS雙向模擬開關(guān) 當(dāng)C=1時，傳輸門導(dǎo)通； 當(dāng)C=0時，傳輸門斷開。TGCuICuoTGuI/u0uo/uIC數(shù)字邏輯電路集成門電路92.3 雙極型門電路一、各種雙極型集成門電路及其主要參數(shù) 半導(dǎo)體三極管又稱雙極型三極管（Bipolar Junction Transistor,簡稱BJT），由它

7、構(gòu)成的雙極型集成門電路分有下列三種： LSTTL 低功耗肖特基晶體管晶體管邏輯集成電路。它是雙極型集成門電路中最常用的集成電路。 ECL（Emitter-Coupled Logic） 射極耦合邏輯集成電路。其單門延遲時間是所有門電路中最?。s幾十ps的數(shù)量級），但抗干擾能力差、功耗較大，尤其是使用 5V 電壓，以致與其它門電路的接口十分不便。 I2L（Integrated Injection Logic簡稱IIL） 集成注入邏輯集成電路。它全部由晶體管組成，沒有電阻，所以電路結(jié)構(gòu)十分簡單，在雙極型中其功耗最低、集成度最高，但抗干擾能力差、開關(guān)速度低、輸出的電壓幅度小(約0.6V)，在國內(nèi)市場上

8、已很少見。 這三種雙極型集成門電路與CMOS門電路的主要電特性的參數(shù)比較見表。數(shù)字邏輯電路集成門電路102.3 雙極型門電路一、各種雙極型集成門電路及其主要參數(shù) 表2.8 三種雙極型集成門電路與CMOS門電路的主要電特性的參數(shù)比較數(shù)字邏輯電路集成門電路112.3 雙極型門電路二、LSTTL與非門、或非門電路 1. LSTTL與非門 LSTTL與非門電路如圖2.28(c)所示。該電路可以看作由二極管D1、D2構(gòu)成的與門、三極管T2構(gòu)成的非門及用三極管T3、T4取代R3，T2的BE結(jié)取代RB的改進(jìn)型與非門的組合。 四2輸入與非門74LS00中的一個2輸入與非門邏輯符號如圖。圖（圖） LSTTL 與

9、非門電路的構(gòu)成&ABY圖2.30 四2輸入與非門74LS00中的 一個2輸入與非門邏輯符號圖數(shù)字邏輯電路集成門電路122.3 雙極型門電路二、LSTTL與非門、或非門電路 2. LSTTL或非門 四2輸入或非門74LS02內(nèi)部電路及其中一個2輸入或非門邏輯符號如圖所示。 圖2.31 四2輸入或非門74LS02集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖數(shù)字邏輯電路集成門電路132.3 雙極型門電路三、LSTTL門電路的外部特性 1. LSTTL門電路的靜態(tài)特性 LSTTL門電路的輸入特性iiui 如圖所示圖2.32 74LS00集成電路的輸入特性數(shù)字邏輯電路集成門電路142.3 雙極型門電路三、LSTTL門電路的外部特

10、性 1. LSTTL門電路的靜態(tài)特性 LSTTL門電路的輸出特性uoio 如圖所示圖2.33 74LS00集成電路的輸出特性-30 -20 -10 0 10 20 30321uo/Vio/mA數(shù)字邏輯電路集成門電路152.3 雙極型門電路三、LSTTL門電路的外部特性 1. LSTTL門電路的靜態(tài)特性 LSTTL門電路的電壓傳輸特性 uoui 如圖所示圖2.36 四2輸入與非門電路74LS00的電壓傳輸特性數(shù)字邏輯電路集成門電路162.3 雙極型門電路三、LSTTL門電路的外部特性 1. LSTTL門電路的靜態(tài)特性 LSTTL門電路的抗干擾特性噪聲容限VN LSTTL門電路的：輸入低電平噪聲容

11、限，輸入高電平噪聲容限。如圖所示噪聲容限示意圖。圖2.37 LSTTL門電路噪聲容限示意圖數(shù)字邏輯電路集成門電路172.3 雙極型門電路三、LSTTL門電路的外部特性 2. LSTTL門電路的動態(tài)特性 LSTTL門電路的平均傳輸延遲時間TP 。由于二極管和三極管由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通都需要時間，且受到電路中的寄生電容和負(fù)載電容等的影響，電路的輸出波形總是滯后于輸入波形 。(參見之圖2.22 CMOS反相器傳輸延遲時間波形圖) LSTTL門電路的動態(tài)尖峰電流。當(dāng)輸入電壓突然由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，(主要是)在電源電流脈沖的下邊沿產(chǎn)生了高尖峰，這就是動態(tài)尖峰電流。正如的圖所示。數(shù)字邏輯電路集成

12、門電路182.3 雙極型門電路四、LSTTL門電路的溫度特性 溫度變化對LSTTL門電路電氣性能的影響比對CMOS門電路影響大得多，主要是：1. 漏電流隨溫度升高而增大，從而使電路的輸出驅(qū)動能力將下降。2. 輸出高電平隨溫度降低而降低，根據(jù)噪聲容限的概念，輸出高電平的降低則使系統(tǒng)的抗干擾能力降低。3. LSTTL門電路的閾值電壓VT隨著溫度的升高而下降；當(dāng)溫度從55上升到 +125時，VT將下降300mV以上。數(shù)字邏輯電路集成門電路192.4 BiCMOS門電路一、 BiCMOS門電路 反相器 BICMOS反相器，如圖所示。見圖，(a)中的N1和P1，N2和P2組成前、后級非門；(b)和(c)

13、是由(a)演變而來的，功能完全一樣。 圖2.45 BiCMOS反相器電路圖BiPolarBiPolarBiPolar數(shù)字邏輯電路集成門電路202.4 BiCMOS門電路一、 BiCMOS門電路 或非門及與非門 BiCMOS或非門如圖2.46 (a)所示，N1、N2和P1、P2組成基本的CMOS或非門電路，其輸出為 ，經(jīng)Q1射極輸出跟隨器輸出，因此 。 BiCMOS與非門如圖2.46 (b)所示，N1、N2和P1、P2組成基本的CMOS與非門電路，其輸出為 ，經(jīng)Q1射極輸出跟隨器輸出，因此 。ABY=ABY=ABAB圖2.46 BiCMOS或非門及與非門 (a) BiCMOS或非門(b) BiC

14、MOS與非門BiPolarBiPolar數(shù)字邏輯電路集成門電路212.4 BiCMOS門電路二、BICMOS反相器的外部特性 門電路反相器的輸入、輸出特性 BiCMOS門電路的輸入特性與CMOS門電路完全相同，如下圖所示；因為輸入電路結(jié)構(gòu)同CMOS電路。BiCMOS電路用雙極型晶體管作為輸出極，所以同樣具有很強(qiáng)的帶有負(fù)載能力。ABT系列的BiCMOS緩沖/驅(qū)動器的 IOH可達(dá)32A ，IOL可達(dá)64mA。 數(shù)字邏輯電路集成門電路222.4 BiCMOS門電路二、BICMOS反相器的外部特性 門電路反相器的電壓傳輸特性 圖2.45(a) 所示的BiCMOS反相器在UDD=5V時的電壓傳輸特性如圖

15、所示。從圖中看見，BiCMOS的噪聲容限比CMOS稍差，閾值電壓UT比UDD稍低。圖2.47 BICMOS反相器的電壓傳輸特性數(shù)字邏輯電路集成門電路232.4 BiCMOS門電路二、BICMOS反相器的外部特性 門電路的傳輸延遲時間 空載時BiCMOS電路的傳輸延遲時間主要由電路內(nèi)部的電容C的容量決定，在小電容負(fù)載時，BiCMOS電路的開關(guān)特性比CMOS差，因為晶體管輸出級的加入給電路增加了結(jié)電容并多了一級延遲。但當(dāng)負(fù)載電容CL后，傳輸延遲時間明顯改善。BiCMOS電路的開關(guān)速度提高幅度較大，明顯優(yōu)于CMOS電路，目前，m的BiCMOS最高工作頻率達(dá)到225MHZ，而該電路的低電壓性能仍不夠理

16、想。數(shù)字邏輯電路集成門電路242.5 集成門電路的應(yīng)用舉例一、集成門電路的使用常識 1.存放CMOS集成電路時要屏蔽，一般放在金屬容器中，或用導(dǎo)電材料將引腳短路，不要放在易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料或化纖織物中。 2.焊接CMOS電路時，一般用20W內(nèi)熱式電烙鐵，而且烙鐵要有良好的接地線；也可以用電烙鐵斷電后的余熱快速焊接；禁止在電路通電情況下焊接。 3.為了防止輸入端保護(hù)二極管反向擊穿，輸入電壓必須處在VDD和VSS之間，即VDDViVSS。 4.測試CMOS電路時，如果信號電源和電路供電采用兩組電源，則在開機(jī)時應(yīng)先接通電路供電電源，后開信號電源。關(guān)機(jī)時，應(yīng)先關(guān)信號電源，后關(guān)電路供電電源，即在C

17、MOS電路本身沒有接通供電電源的情況下，不允許輸入端的信號輸入。 數(shù)字邏輯電路集成門電路252.5 集成門電路的應(yīng)用舉例一、集成門電路的使用常識 5. 多余輸入端絕對不能懸空，否則容易接受外界干擾，破壞了正常的邏輯關(guān)系，甚至損壞。對于與門、與非門的多余輸入端應(yīng)接VDD或高電平或與使用的輸入端并聯(lián)，見 圖2.48所示。&uiuo+Uccui&uo+Ucc（a） (b) (c)圖2.48 與非門多余輸入端的處理&uiuo+UccR數(shù)字邏輯電路集成門電路262.5 集成門電路的應(yīng)用舉例一、集成門電路的使用常識 對于或門、或非門的多余輸入端應(yīng)接地或低電平或與使用的輸入端并聯(lián)，見 圖所示。 6.必須在其

18、他元器件在印制電路板上安裝就緒后，再裝CMOS電路，避免CMOS電路輸入端懸空。CMOS電路從印制電路板上拔出時，務(wù)必先切斷印制板上的電源。 （a） (b) (c)圖2.49 或非門多余輸入端的處理uiuo1+Uccui1uo+Uccuo+Ucc1ui數(shù)字邏輯電路集成門電路272.5 集成門電路的應(yīng)用舉例一、集成門電路的使用常識 7 輸入端連線較長時，由于分布電容和分布電感的影響，容易構(gòu)成LC振蕩或損壞保護(hù)二極管，必須在CMOS電路的輸入端串聯(lián)1個1020的電阻R。 8 防止CMOS電路輸入端噪聲干擾的方法是：在前一級和CMOS電路之間接入施密特觸發(fā)器整形電路(在第7章講述)，或加入濾波電容濾

19、掉噪聲以免干擾。 數(shù)字邏輯電路集成門電路282.5 集成門電路的應(yīng)用舉例二、LSTTL、CMOS接口電路 1.由于各種類型邏輯門電路的技術(shù)參數(shù)的差別，見表。所以需要所謂的“接口電路”，它就是用于不同類型邏輯門電路之間、或邏輯門電路與外部電路之間，使二者有效連接，正常工作的中間電路。數(shù)字邏輯電路集成門電路292.5 集成門電路的應(yīng)用舉例二、LSTTL、CMOS接口電路 2. CMOS電路驅(qū)動TTL電路 用CMOS電路去驅(qū)動TTL電路時，需要解決的問題是CMOS電路不能提供足夠大的驅(qū)動電流。CMOS電路允許的最大灌電流一般只有左右，而TTL電路的輸入短路電流IIS約為?？刹捎脠D所示的接口電路。 該接口電路由NPN型晶體三極管與附屬元件R1、R