南工大數(shù)字邏輯課件3

1、第三章第三章 邏輯門電路邏輯門電路3.3.1 1 邏輯門電路的一般特性邏輯門電路的一般特性3.3.3 3 集成門電路集成門電路3.3.4 4 邏輯門電路使用中的幾個實際問題邏輯門電路使用中的幾個實際問題3.3.2 2 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性3.5 3.5 抗干擾措施抗干擾措施 內(nèi)容要求內(nèi)容要求 了解邏輯電路的一般特性；了解邏輯電路的一般特性； 了解了解MOS管和管和BJT管的開關(guān)特性；管的開關(guān)特性； 掌握典型掌握典型CMOS和和TTL門的門的邏輯功能、外部特邏輯功能、外部特性、主要參數(shù)和使用方法性、主要參數(shù)和使用方法； 了解一些特殊門電路的邏輯功能；了解一些特殊門電路的邏輯功

2、能； 了解實際應(yīng)用中的若干問題和抗干擾措施；了解實際應(yīng)用中的若干問題和抗干擾措施；3.1 3.1 邏輯門電路的一般特性邏輯門電路的一般特性 邏輯器件的數(shù)據(jù)手冊一般提供門電路的邏輯器件的數(shù)據(jù)手冊一般提供門電路的電電壓傳輸特性壓傳輸特性、輸入和輸出高、低電壓輸入和輸出高、低電壓、噪聲噪聲容限容限、傳輸延遲時間傳輸延遲時間和和功耗功耗等技術(shù)參數(shù)。等技術(shù)參數(shù)。一、輸入和輸出的高、低電平一、輸入和輸出的高、低電平 不同系列的邏輯電路，輸入和輸出對應(yīng)的電壓不同系列的邏輯電路，輸入和輸出對應(yīng)的電壓 范圍也不同。范圍也不同。 74HC系列系列CMOS門（工作電壓為門（工作電壓為5V時）：時）： 輸入電壓輸入電

3、壓：VIH：3.55.0 V VIH(min) VIL：01.5 V VIL(max) 輸出電壓輸出電壓（所帶負載不同，對應(yīng)電壓值也不同）：（所帶負載不同，對應(yīng)電壓值也不同）： CMOS負載：負載：VOH：4.95.0 V VOL：00.1 V TTL負載：負載： VOH：3.845.0 V VOL：00.33 V VOH(min)、 VOL(max)二、噪聲容限二、噪聲容限 表示表示門電路的抗干擾能力門電路的抗干擾能力。允許疊加在工作信。允許疊加在工作信號上的最大噪聲幅度，稱為號上的最大噪聲幅度，稱為噪聲容限噪聲容限。噪聲幅度不。噪聲幅度不超過輸入電平的最小值和最大值時，不會引起電路超過輸入

4、電平的最小值和最大值時，不會引起電路輸出狀態(tài)的變化。輸出狀態(tài)的變化。 噪聲容限值越大，抗干擾能力越強。噪聲容限值越大，抗干擾能力越強。11vOvI驅(qū)動門驅(qū)動門負載門負載門VNHVNL 輸入高電平噪聲容限：輸入高電平噪聲容限： VNH=VOH(min)-VIH(min) 輸入低電平噪聲容限：輸入低電平噪聲容限： VNL=VIL(max)-VOL(max)三、扇入、扇出系數(shù)三、扇入、扇出系數(shù) 前后級之間前后級之間電流的聯(lián)系電流的聯(lián)系。？11扇入系數(shù)扇入系數(shù)Ni 輸入端的個數(shù)輸入端的個數(shù)扇出系數(shù)扇出系數(shù)No 驅(qū)動同類門的個數(shù)驅(qū)動同類門的個數(shù) 有兩種情況：有兩種情況：拉電流拉電流和和灌電流灌電流前級輸

5、出為前級輸出為 高電平時高電平時前級前級后級后級流出前級電流流出前級電流IOH（拉電流）拉電流）+VC CD2R21.6KR4130T4+VC CR14KT1拉電流負載拉電流負載 拉電流負載：拉電流負載：負載電流從負載電流從“與非門與非門”流向外電路。流向外電路。 拉電流情況：拉電流情況：當(dāng)驅(qū)動門的輸出為高電平時，將有當(dāng)驅(qū)動門的輸出為高電平時，將有電流電流IOH從驅(qū)動門拉出而流至負載門，當(dāng)負載門的從驅(qū)動門拉出而流至負載門，當(dāng)負載門的個數(shù)增多時，必將引起輸出高電壓的降低，但不個數(shù)增多時，必將引起輸出高電壓的降低，但不得低于標(biāo)準(zhǔn)高電壓得低于標(biāo)準(zhǔn)高電壓。（負載門）（驅(qū)動門）IHIOHIOHN前級輸出

6、為前級輸出為 低電平時低電平時前級前級后級后級流入前級的電流流入前級的電流IOL (灌電流灌電流)+VCCR14KT1R21.6KT5T2R31K+VCCR14KT1灌電流負載灌電流負載 灌電流負載：灌電流負載：負載電流從外電路流入負載電流從外電路流入“與非門與非門” 灌電流情況：灌電流情況：當(dāng)驅(qū)動門的輸出端為邏輯當(dāng)驅(qū)動門的輸出端為邏輯0，負載門，負載門產(chǎn)生灌電流。負載門的個數(shù)增加會引起產(chǎn)生灌電流。負載門的個數(shù)增加會引起VOL升高，升高，因此負載門的個數(shù)不得超過一定限度。因此負載門的個數(shù)不得超過一定限度。（負載門）（驅(qū)動門）ILIOLIOLN特別提示： 邏輯門電路的數(shù)據(jù)手冊中不給出扇出系數(shù)，必

7、須邏輯門電路的數(shù)據(jù)手冊中不給出扇出系數(shù)，必須通過通過計算或?qū)嶒灥贸鲇嬎慊驅(qū)嶒灥贸觥?設(shè)計時設(shè)計時留有余地留有余地，保證電路或系統(tǒng)正常運行。，保證電路或系統(tǒng)正常運行。 實際工程中，若實際工程中，若IOH和和IOL不相等不相等，則，則 NOLNOH 通常取二者中的通常取二者中的最小值最小值。 對于對于CMOS門電路，所帶負載類型不同時，扇出門電路，所帶負載類型不同時，扇出系數(shù)不同。系數(shù)不同。 當(dāng)負載為當(dāng)負載為CMOS門時，其輸入電容不門時，其輸入電容不容忽視。容忽視。 例：計算下列情況的例：計算下列情況的CMOS門電路的扇出系數(shù)。門電路的扇出系數(shù)。1、負載為、負載為CMOS門。門。1）保證其輸出高

8、電平為）保證其輸出高電平為4.9V。此時此時IOH=-20uA， IOL=20uA， IIH=1uA， IIL=-1uA；（負號表示從器件流出，正號表示流入器件負號表示從器件流出，正號表示流入器件）2）允許其輸出電平降至）允許其輸出電平降至TTL門的門的3.84V。此時，。此時， IOH=-4mA， IOL=4mA， IIH=1uA， IIL=-1uA；解：解：1）NOH=NOL=20/1=20 2）NOH=NOL=4000/1=4000 注：注：實際不可能實際不可能，負載門的輸入電容充放電，負載門的輸入電容充放電 會影響門電路的開關(guān)速度。會影響門電路的開關(guān)速度。2、負載為、負載為TTL門（門

9、（74HCT系列與其兼容）。若為系列與其兼容）。若為74LS系列系列TTL門：門： IOH=IOL=4mA，而，而 IIH=0.02mA， IIL=0.4mA。解：解：1）NOH=IOH/IIH=4/0.02=200 NOL=IOL/IIL=4/0.4=10 則，扇出系數(shù)為則，扇出系數(shù)為10。3.3.2 2 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性 對應(yīng)于有觸點開關(guān)的對應(yīng)于有觸點開關(guān)的“斷開斷開”和和“閉合閉合”。1、二極管、二極管 正向?qū)?，相?dāng)于開關(guān)閉合。正向?qū)?，相?dāng)于開關(guān)閉合。 反向截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開。反向截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開。2、三極管、三極管3、MOS管管(場效應(yīng)管）場效應(yīng)管）

10、場效應(yīng)管與晶體管的比較場效應(yīng)管與晶體管的比較 雙極型三極管雙極型三極管 單極型場效應(yīng)管單極型場效應(yīng)管 電流控制電流控制 電壓控制電壓控制 控制方式控制方式電子和空穴兩種載電子和空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電流子同時參與導(dǎo)電載流子載流子電子或空穴中一種電子或空穴中一種載流子參與導(dǎo)電載流子參與導(dǎo)電類類 型型 NPN和和PNP N溝道和溝道和P溝道溝道放大參數(shù)放大參數(shù)20020 mA/V51gm rce很大很大 rds很大很大 輸出電阻輸出電阻輸入電阻輸入電阻421010 較低較低1471010 較高較高熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 差差 好好制造工藝制造工藝 較復(fù)雜較復(fù)雜簡單，成本低簡單，成本低對應(yīng)電極對應(yīng)電極

11、BEC GSD集成門電路集成門電路半導(dǎo)體三極管又稱雙極型三極管（半導(dǎo)體三極管又稱雙極型三極管（BJT），由若干），由若干BJT、二極管和電阻構(gòu)成的集成門電路稱為、二極管和電阻構(gòu)成的集成門電路稱為TTL邏輯邏輯門電路。門電路。 集成邏輯門主要有集成邏輯門主要有CMOS系列系列和和TTL系列系列兩大類，兩大類，目前目前CMOS系列已成為占主導(dǎo)地位的邏輯器件。系列已成為占主導(dǎo)地位的邏輯器件。 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）系列集成邏輯門電路由互補金屬氧化物半導(dǎo)體）系列集成邏輯門電路由NMOS管和管和PMOS管構(gòu)成。管構(gòu)

12、成。 CMOS集成電路的性能特點集成電路的性能特點 微功耗微功耗單門靜態(tài)功耗在毫微瓦（單門靜態(tài)功耗在毫微瓦（nw）數(shù)量級。）數(shù)量級。 高噪聲容限高噪聲容限一般在一般在40%電源電壓以上。電源電壓以上。 寬工作電壓范圍寬工作電壓范圍電源電壓一般為電源電壓一般為1.518伏。伏。 高邏輯擺幅高邏輯擺幅CMOS電路輸出高、低電平的幅度達到電路輸出高、低電平的幅度達到 全電：邏輯全電：邏輯“1”為為VDD，邏輯，邏輯“0”為為VSS。 高輸入阻抗高輸入阻抗CMOS電路的輸入阻抗大于電路的輸入阻抗大于108,一般一般可達可達1010。 高扇出能力高扇出能力CMOS電路的扇出能力大于電路的扇出能力大于50

13、。 低輸入電容低輸入電容CMOS電路的輸入電容一般不大于電路的輸入電容一般不大于5PF。 寬工作溫度范圍寬工作溫度范圍陶瓷封裝為陶瓷封裝為- 55 125； 塑封為塑封為 40 85 。 TTL和和COMS電路比較：電路比較： 1）TTL電路是電流控制器件，而電路是電流控制器件，而CMOS電路是電壓電路是電壓控制器件?？刂破骷?。2）TTL電路的速度快，傳輸延遲時間短電路的速度快，傳輸延遲時間短(5-10ns)，但是功耗大。但是功耗大。 COMS電路的速度慢，傳輸延遲時間長電路的速度慢，傳輸延遲時間長(25-50ns),但功耗低。但功耗低。COMS電路本身的功耗與輸入信號的脈沖頻率電路本身的功耗

14、與輸入信號的脈沖頻率有關(guān)，頻率越有關(guān)，頻率越 高，芯片越熱，這是正?，F(xiàn)象。高，芯片越熱，這是正常現(xiàn)象。3）COMS電路的電路的鎖定效應(yīng)鎖定效應(yīng)： COMS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。除非切斷電源，電流一直在增大。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時，當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時，COMS的內(nèi)部電流能達到的內(nèi)部電流能達到40mA以上，以上，很容易燒毀芯片很容易燒毀芯片。 防御措施：防御措施：1）在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不）在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不超過規(guī)定電壓。超

15、過規(guī)定電壓。2）芯片的電源輸入端加去耦電路，防止）芯片的電源輸入端加去耦電路，防止VDD端出現(xiàn)端出現(xiàn)瞬間的高壓。瞬間的高壓。3）在）在VDD和外電源之間加限流電阻，即使有大的電和外電源之間加限流電阻，即使有大的電流也不讓它進去。流也不讓它進去。4）當(dāng)系統(tǒng)由幾個電源分別供電時，開關(guān)要按下列順）當(dāng)系統(tǒng)由幾個電源分別供電時，開關(guān)要按下列順序：開啟時，先開啟序：開啟時，先開啟COMS電路得電源，再開啟輸電路得電源，再開啟輸入信號和負載的電源；關(guān)閉時，先關(guān)閉輸入信號和入信號和負載的電源；關(guān)閉時，先關(guān)閉輸入信號和負載的電源，再關(guān)閉負載的電源，再關(guān)閉COMS。幾種常用的特殊門幾種常用的特殊門1、CMOS傳輸

16、門傳輸門TG 由于由于CMOS的漏極和源極可以互換，因此傳輸?shù)穆O和源極可以互換，因此傳輸門的門的輸入和輸出端可以互換使用輸入和輸出端可以互換使用，即為，即為雙向器件雙向器件。 電路符號電路符號 邏輯功能：既可用于模擬電路也可以用于數(shù)字電邏輯功能：既可用于模擬電路也可以用于數(shù)字電路。以數(shù)字電路為例：路。以數(shù)字電路為例：C=1（或或 =0）時傳輸門接通，時傳輸門接通，VO=VI。C=0（或或 =1）時傳輸門關(guān)閉，入、出阻斷。時傳輸門關(guān)閉，入、出阻斷。CC傳輸門的特點：傳輸門的特點：既可以傳輸數(shù)字信號，又可以傳輸模擬信號既可以傳輸數(shù)字信號，又可以傳輸模擬信號。當(dāng)。當(dāng)C的高低電平分別為的高低電平分別

17、為VDD和和0V時，傳輸門可傳輸時，傳輸門可傳輸0 VDD之間的信號。之間的信號。VO、VI端可以互換端可以互換，信號既可以從左向右傳送，信號既可以從左向右傳送，也可以從右向左傳送。也可以從右向左傳送。幾種常用的特殊門幾種常用的特殊門2、漏極開路門（、漏極開路門（OD）、集電極開路門（）、集電極開路門（OC） 邏輯功能：邏輯功能：與非與非 邏輯符號：邏輯符號： 應(yīng)用：工程中，輸出進行應(yīng)用：工程中，輸出進行“線與線與”，需要接上拉電需要接上拉電阻阻。普通的普通的CMOS和和TTL門電路不能進行線與。門電路不能進行線與。限流限流 其取值應(yīng)保證其取值應(yīng)保證IOL不超過不超過IOL(max)。因此，取

18、值不能過小。因此，取值不能過小。 幾個并聯(lián)幾個并聯(lián)OD門，對于輸出高電門，對于輸出高電平的驅(qū)動門，流過截止管的漏電流平的驅(qū)動門，流過截止管的漏電流IOZ可以忽略?？梢院雎浴?(max)(max)(min)totalILIOLIOLVDDVPRVDD直流電源電壓直流電源電壓 VOL(max)驅(qū)動器件驅(qū)動器件VOL最大值最大值IOL(max) 驅(qū)動器件驅(qū)動器件IOL最大值最大值IIL(total)灌電流總值，灌電流總值， IIL(total)=nIIL n為為與非負載門數(shù)目（或非負載門輸入端數(shù)目）與非負載門數(shù)目（或非負載門輸入端數(shù)目） RP取值應(yīng)保證取值應(yīng)保證VOH不小于不小于VOH(min)，因

19、此，取值不能過大。因此，取值不能過大。 VDD直流電源電壓直流電源電壓 VOH(min)驅(qū)動器件驅(qū)動器件VOH最小值最小值IOZ(total) 全部驅(qū)動門輸出高電平時的漏電流總合全部驅(qū)動門輸出高電平時的漏電流總合IIH(total)全部驅(qū)動門輸入高電平時的電流總和全部驅(qū)動門輸入高電平時的電流總和 IIH(total)=nIIH n為接入為接入OD門的門的輸入端的數(shù)目輸入端的數(shù)目例：設(shè)例：設(shè)3個個OD CMOS與非門作線與連接，驅(qū)動一個與非門作線與連接，驅(qū)動一個TTL系列反相器和一個系列反相器和一個3輸入與非門，試確定一個合輸入與非門，試確定一個合適的上拉電阻適的上拉電阻RP。已知。已知VDD=

20、5V，IOZ=5uA。查數(shù)據(jù)手冊知，查數(shù)據(jù)手冊知，CMOS門參數(shù)：門參數(shù)：mAIVVVVOLOHOL4,84. 3,33. 0(max)(min)(max)TTL門參數(shù)：門參數(shù)：AImVIIHIL20,4 . 0當(dāng)當(dāng)OD門輸出為低電平時：門輸出為低電平時：KIIVVRtotalILOLOLDDP46. 14 . 02433. 05)(max)(max)(min)當(dāng)當(dāng)OD門輸出為低電平時：門輸出為低電平時：KIIVVRtotalIHtotalOZOHDDP21.1202. 04005. 0384. 35)()(min)(max)幾種常用的特殊門幾種常用的特殊門3、三態(tài)門、三態(tài)門 邏輯狀態(tài)：高電平

21、、低電平、高阻態(tài)（禁止態(tài)）邏輯狀態(tài)：高電平、低電平、高阻態(tài)（禁止態(tài)） 邏輯符號：邏輯符號： 邏輯功能：當(dāng)邏輯功能：當(dāng) E= 0時，輸出時，輸出F端處于高阻狀態(tài)端處于高阻狀態(tài)。 &ABFEEN當(dāng)當(dāng) E= 1時，電路執(zhí)行正常與非功能時，電路執(zhí)行正常與非功能 。ABF 控制控制端端1E0EABF 功能表功能表三態(tài)門主要作為三態(tài)門主要作為TTL電路與電路與總線總線間間的的接口電路接口電路用途：用途：E1E2E3公用總線公用總線ENENEN幾種常用的特殊門幾種常用的特殊門4、BicMOS門門 采用雙極型采用雙極型BJT管作為管作為CMOS電路的輸出級電路的輸出級(P99),結(jié)合了結(jié)合了MOS管的

22、功耗低和雙極型管速度快、驅(qū)動力管的功耗低和雙極型管速度快、驅(qū)動力強的優(yōu)勢。強的優(yōu)勢。5、射極耦合邏輯門電路、射極耦合邏輯門電路 射極連接在一起的電路結(jié)構(gòu)，是一種非飽和型高射極連接在一起的電路結(jié)構(gòu)，是一種非飽和型高速數(shù)字集成電路，傳輸速度快，但制造工藝要求高、速數(shù)字集成電路，傳輸速度快，但制造工藝要求高、功耗大，邏輯擺幅小、噪聲容限小，因而抗干擾能力功耗大，邏輯擺幅小、噪聲容限小，因而抗干擾能力低。低。3.4 邏輯門電路使用中的幾個實際問題邏輯門電路使用中的幾個實際問題一、各種門電路之間的接口問題一、各種門電路之間的接口問題需考慮采用接口電路的幾個因素：需考慮采用接口電路的幾個因素： 邏輯門電路的邏輯門電路的扇出問題扇出問題： 必須能對負載器件提供灌電流最大值必須能對負載器件提供灌電流最大值 IOL(min) IIL(total) 必須對負載器件提供足夠大的拉電流必須對負載器件提供足夠大的拉電流 IOH(max) IIH(total) 邏輯邏輯電平