邏輯運(yùn)算與集成邏輯門電路

1、Page 1邏輯運(yùn)算與集成邏輯門電路 研發(fā)中心硬件研發(fā)部 嚴(yán)俊Page 2邏輯門電路的主要電氣參數(shù)邏輯門電路的主要電氣參數(shù) 4集成集成常用常用邏輯門系列邏輯門系列 3邏輯門電路使用中的幾個(gè)實(shí)際問題邏輯門電路使用中的幾個(gè)實(shí)際問題 5Page 3與運(yùn)算決定某一事件發(fā)生的全部條件同時(shí)具備時(shí)，該事件才能發(fā)生，只要有一個(gè)條件不具備，該事件就不發(fā)生。 Y=AB=AB=A AND B = A&B邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算國標(biāo)符號(hào)國標(biāo)符號(hào)國際標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)國際標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)與邏輯真值表與邏輯真值表Page 4與邏輯關(guān)系表達(dá)方式及邏輯運(yùn)算規(guī)律與邏輯電路圖Y=AB與邏輯表達(dá)式與邏輯符號(hào)與邏輯運(yùn)算規(guī)律0 000 101 001

2、11 0A=0 1A= A AA=APage 5或運(yùn)算決定某一事件發(fā)生的所有條件中，只要有一個(gè)或一個(gè)以上條件具備，該事件就會(huì)發(fā)生，只有當(dāng)所有條件都不具備時(shí)，該事件才不發(fā)生。 Y = A+B = A OR BPage 6非運(yùn)算條件不具備，結(jié)果發(fā)生；條件具備，結(jié)果不發(fā)生。 AYNOTA Page 7復(fù)合邏輯運(yùn)算 與非 BAYPage 8復(fù)合邏輯運(yùn)算 與非 R1bUCCe1e2e3cA B CR1VD1VD2VD3e1e2e3cABCVD4P1bUCC(b)UCC 5 Vb1V23 kc1e1e2e3ABCV1750R2R43 k360100R5V3V4V5FUO(a)c2R1R3典型的TTL與非門

3、電路 (a) 電路原理圖； (b) 多射極晶體管的等效電路Page 9復(fù)合邏輯運(yùn)算 與非 （3）晶體管V3、V4、V5和電阻R4、R5構(gòu)成輸出級(jí)，它們的功能是非運(yùn)算。 在正常工作時(shí)，V4和V5總是一個(gè)截止，另一個(gè)飽和。 電路結(jié)構(gòu)（1）輸入級(jí)的功能是對(duì)輸入變量A、B、C實(shí)現(xiàn)“與運(yùn)算” 。（2）晶體管V2和電阻R2、R3構(gòu)成中間級(jí)，其集電極和發(fā)射極各輸出一個(gè)極性相反的電平，分別用來控制晶體管V4和V5的工作狀態(tài)。 Page 10 或非 BAYPage 11 與或非 CDABYPage 12異或BAYBABAPage 13同或ABBABAPage 14邏輯門電路：用來實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的

4、電子電路統(tǒng)稱為邏輯門電路。基本和常用門電路有與門、或門、非門（反相器）、與非門、或非門、與或非門和異或門等。邏輯門是構(gòu)成所有數(shù)字電路的基本單元電路。目前在數(shù)字電路中用的最多的是CMOS電路和TTL電路兩種類型。集成邏輯門電路集成邏輯門電路集成邏輯門分類：雙極性晶體管邏輯門單極性絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管邏輯門，簡(jiǎn)稱MOS門。 雙極性晶體管邏輯門主要有TTL門(晶體管-晶體管邏輯門)、ECL門(射極耦合邏輯門)和I2L門(集成注入邏輯門)等單極性MOS門主要有PMOS門(P溝道增強(qiáng)型MOS管構(gòu)成的邏輯門)、NMOS門(N溝道增強(qiáng)型MOS管構(gòu)成的邏輯門)和CMOS門(利用PMOS管和NMOS管構(gòu)成的互補(bǔ)電路構(gòu)

5、成的門電路，故又叫做互補(bǔ)MOS門Page 15 圖2.2.2 四2輸入與非門74LS00 常用邏輯門常用邏輯門基本和常用門電路有與門、或門、非門（反相器）、與非門、或非門、與或非門和異或門等。Page 16其它形式的邏輯門其它形式的邏輯門 集電極開路門（OC門）/漏極開路門（OD門）TTL工藝：OC門（Open Collector Gate） CMOS工藝：OD門（Open Drain Gate） BAYOC/OD門Page 17CDABYYY21ILOLOLCCLImIVVR(max)min）（IHOHOHCCLmInIVVR）（maxm個(gè)個(gè)輸輸入入端端n個(gè)個(gè)OC門門線與線與m個(gè)個(gè)與與非非門

6、門OC/OD門(1) 輸出并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)線與運(yùn)算(2) 需要在輸出端與電源之間外接上拉電阻RLPage 18AYEN 時(shí)，0三態(tài)門呈高阻態(tài)。時(shí)，YEN1三態(tài)門的用途：總線連接三態(tài)門的用途：總線連接三態(tài)門實(shí)現(xiàn)雙向傳送 利用三態(tài)門可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可控雙向傳送，如圖. 當(dāng)G=0時(shí)，門1選通，門2禁止，信號(hào)由A傳送到B；當(dāng)G=1時(shí)，門1禁止，門2選通，信號(hào)由B傳送到A。 Page 19TTL集成邏輯門系列常用集成邏輯門系列常用集成邏輯門系列74系列的工作環(huán)境溫度規(guī)定為070度，電源電壓工作范圍為5V5%。54系列的工作環(huán)境溫度為-55+125度，電源電壓工作范圍為5V10%。 1）74系列標(biāo)準(zhǔn)通用系列。

7、為TTL集成電路的早期產(chǎn)品，屬中速TTL器件。國產(chǎn)型號(hào)為CT54/74系列（與國際上SN54/74系列相當(dāng)，國內(nèi)沿用的部標(biāo)型號(hào)是T1000系列）。 2）74H系列高速TTL系列。是在74系列基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的。速度提高了，但功耗也增加了。國產(chǎn)型號(hào)為CT54H/74H系列（與國際上SN54H/74H系列相當(dāng)，國內(nèi)沿用的部標(biāo)型號(hào)是T2000系列）。 3）74L系列低功耗TTL系列，也是在74系列基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的。功耗降低了，但工作速度也降低了。 Page 204）74S系列肖特基TTL系列，是在74H系列基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，使電路的工作速度和功耗均得到了改善。國產(chǎn)型號(hào)為CT54S/74S系列（與國際上

8、SN54S/74S系列相當(dāng)，國內(nèi)沿用的部標(biāo)型號(hào)是T3000系列）。 5）74LS系列為低功耗肖特基系列，是在74S系列基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的。74LS系列產(chǎn)品具有最佳的綜合性能，是TTL集成電路的主流產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最廣的系列。國產(chǎn)型號(hào)為CT54LS/74LS系列（與國際上SN54LS/74LS系列相當(dāng)，國內(nèi)沿用的部標(biāo)型號(hào)是T4000系列）。 6）74AS系列為先進(jìn)肖特基系列。74AS(Advanced SchottkyTTL)系列是為了進(jìn)一步縮短傳輸延遲時(shí)間而設(shè)計(jì)的改進(jìn)系列。它的電路結(jié)構(gòu)與74LS系列相似，但是電路中采用了很低的電阻阻值，從而大大提高了工作速度。 TTL集成邏輯門系列Page 21

9、8）74F系列速度和功耗介于74AS和74ALS之間，廣泛應(yīng)用于速度要求較高的TTL邏輯電路。在過去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，74LS系列曾經(jīng)是TTL的主流系列。有人預(yù)測(cè)在不遠(yuǎn)的將來74ALS系列將取代74LS系列而成為TTL電路的主流產(chǎn)品。 7）74ALS系列為先進(jìn)低功耗肖特基系列。74ALS(Advanced Lowpower Schottky TTL)系列是為了獲得更小的延遲-功耗積而設(shè)計(jì)的改進(jìn)系列，它的延遲-功耗積是TTL電路所有系列中最小的一種。為了降低功耗，電路中采用了較高的電阻阻值。同時(shí)，通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝縮小了內(nèi)部各個(gè)器件的尺寸，獲得了減小功耗、縮短延遲時(shí)間的雙重效果。 TTL集成邏輯

10、門系列Page 221）4000系列基本的CMOS系列。4000系列是最早投放市場(chǎng)的CMOS集成電路產(chǎn)品，隨后發(fā)展為4000B系列，它具有功耗低、工作電壓范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。由于受當(dāng)時(shí)制造工藝水平的限制，其工作速度較慢（延遲時(shí)間達(dá)100 ns左右），帶負(fù)載能力弱，與TTL不兼容。因此，目前它已基本上被后來出現(xiàn)的HCHCT系列產(chǎn)品所取代。 2）74HC/HCT系列高速CMOS系列。與4000系列相比，其工作速度快（傳輸延遲時(shí)間縮短到了10ns左右，僅為4000系列的十分之一）、帶負(fù)載能力強(qiáng)。 3）74 AHCAHCT系列改進(jìn)的高速CMOS系列。改進(jìn)后的這兩種系列其工作速度能達(dá)到74HC和

11、74HCT系列的兩倍，而且?guī)ж?fù)載能力也提高了近一倍。同時(shí)AHCAHCT系列產(chǎn)品又能與HCHCT系列產(chǎn)品兼容，這就為系統(tǒng)的器件更新帶來了很大方便。因此，AHCAHCT系列是目前比較受歡迎的、應(yīng)用最廣的CMOS器件。就像HC與HCT系列的區(qū)別一樣，AHC與AHCT系列的區(qū)別也主要表現(xiàn)在工作電壓范圍和對(duì)輸入電平的要求不同上。 CMOS集成邏輯門系列Page 234）74LVC/ALVC系列低壓CMOS系列。LVC系列不僅能工作在1.653.6 V的低電壓下，而且傳輸延遲時(shí)間也縮短至3.8ns。同時(shí)，它又能提供更大的負(fù)載電流。此外，LVC的輸入可以接受高達(dá)5V的高電平信號(hào)，能很容易地將5V電平的信號(hào)轉(zhuǎn)

12、換為3.3V以下的電平信號(hào)，而LVC系列提供的總線驅(qū)動(dòng)電路又能將3.3V以下的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為5V的輸出信號(hào)，這就為3.3V系統(tǒng)與5V系統(tǒng)之間的連接提供了便捷的解決方案。 ALVC系列是TI公司于1994年推出的改進(jìn)的低壓CMOS(Advanced Low-Voltage CMOS)邏輯系列。ALVC在LVC基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了工作速度，并提供了性能更加優(yōu)越的總線驅(qū)動(dòng)器件。LVC和ALVC是目前CMOS電路中性能最好的兩個(gè)系列，可以滿足高性能數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。尤其在移動(dòng)式的便攜電子設(shè)備(如筆記本電腦、移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)等)中，LVC和ALVC系列的優(yōu)勢(shì)更加明顯。Page 24邏輯門電路的主要電氣

13、參數(shù)邏輯門電路的主要電氣參數(shù) 電壓傳輸特性 TTL門電路的電壓傳輸特性Page 25CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性 圖2.4.2 CMOS反相器的傳輸特性 （a） 電壓傳輸特性 （b）電流傳輸特性 圖2.4.2 CMOS反相器的傳輸特性 （a） 電壓傳輸特性 （b）電流傳輸特性 CMOS反相器2DDVDDVPage 26 輸入、輸出特性）（ axmOLI）（maxOHI）（maxILI）（maxIHIPage 27當(dāng)TTL反相器的輸入端對(duì)地接一個(gè)56千歐以上的大電阻或懸空時(shí)（Rp為無窮大），輸入端和接邏輯高電平是等效的。但對(duì)CMOS門電路，由于輸入端電流很小（近似等于0），當(dāng)輸入端

14、經(jīng)過一個(gè)電阻Rp接地時(shí)，不管電阻的阻值有多大，其端電壓都近似為0，因此輸入端都相當(dāng)于接低電平。 輸入、輸出特性Page 28輸入和輸出的高、低電平 各種系列TTL門電路（7400）的輸入、輸出電平值）（maxILV）（maxOLV）（minIHV）（minOHVPage 29各種系列CMOS門電路的輸入、輸出電平值（以7404為例） DDV）（maxILV）（maxOLV）（minIHV）（minOHV輸入和輸出的高、低電平 Page 30噪聲容限 VVVV9.05.34.4(min)IHminOHNH）（(max)OLmaxILNLVVV）（=2.4-2.0=0.4V =0.8-0.4=0.

15、4V 74系列TTL門電路的噪聲容限： (min)minIHOHNHVVV）（(max)maxOLILNLVVV）（74HC系列CMOS門電路的噪聲容限： (min)minIHOHNHVVV）（(max)maxOLILNLVVV）（=4.4-3.15=1.25V =1.35-0.33=1.02V Page 31扇入數(shù)與扇出數(shù)（帶負(fù)載能力）門電路的扇入數(shù)取決于它的輸入端的個(gè)數(shù)，例如一個(gè)3輸入端的與非門，其扇入數(shù)NI=3。 門電路的扇出數(shù)是指其在正常工作情況下，所能帶同類門電路的最大數(shù)目(反映了門電路的帶負(fù)載能力)。 1) 1) 帶拉電流負(fù)載帶拉電流負(fù)載 （負(fù)載門）（驅(qū)動(dòng)門）IHOHOHIIN2)

16、 2) 帶灌電流負(fù)載帶灌電流負(fù)載 （負(fù)載門）（驅(qū)動(dòng)門）LOLOLIIINPage 3274HCT系列與TTL兼容，如果CMOS所帶負(fù)載為74LS系列的TTL門電路，此時(shí)IOH=IOL=4 mA，而IIH=0.02 mA，IIL=0.4 mA，根據(jù)上式可計(jì)算出高電平輸出時(shí)的扇出數(shù)： 20002. 04IHOHOHIIN低電平輸出時(shí)的扇出數(shù)： 104 . 04ILOLOLIIN根據(jù)上述兩種情況的計(jì)算，取數(shù)值小的為扇出數(shù)，即CMOS最多可接74LS系列TTL門電路的輸入端10個(gè)。 Page 33傳輸延遲時(shí)間 傳輸延遲時(shí)間是表征門電路開關(guān)速度的參數(shù)，它說明門電路在輸入脈沖（波形）的作用下，其輸出波形相

17、對(duì)于輸入波形延遲了多長(zhǎng)時(shí)間。 導(dǎo)通延遲時(shí)間tPHL從輸入波形上升沿的中點(diǎn)到輸出波形下降沿的中點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間。一般一般TTLTTL與非門傳輸延遲時(shí)間與非門傳輸延遲時(shí)間t tpdpd的值為的值為幾納秒十幾個(gè)納秒。幾納秒十幾個(gè)納秒。截止延遲時(shí)間tPLH從輸入波形下降沿的中點(diǎn)到輸出波形上升沿的中點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間。2PHLPLHpdttt與非門的平均傳輸延遲時(shí)間與非門的平均傳輸延遲時(shí)間tpd： Page 34各種系列TTL門電路（以7400）的傳輸延遲時(shí)間 各種系列CMOS門電路（以7404）的傳輸延遲時(shí)間 傳輸延遲時(shí)間 Page 35功耗 CMOS電路的動(dòng)態(tài)功耗與轉(zhuǎn)換頻率和電源電壓的平方成正比。當(dāng)工作頻

18、率比較高時(shí)，CMOS門的功耗可能會(huì)超過TTL電路。在設(shè)計(jì)CMOS 電路時(shí)，盡量選用低電源電壓器件，例如3.3V供電電源74LVC系列或1.8V供電電源74AUC系列，以降低功率損耗。功耗-延時(shí)積 DpdPtDP 空載功耗 輸出端不接負(fù)載時(shí)，門電路消耗的功率叫空載功耗。動(dòng)態(tài)功耗 門電路的輸出狀態(tài)由UOH變?yōu)閁OL(或相反)時(shí)， 門電路消耗的功率。 靜態(tài)功耗 門電路的輸出狀態(tài)不變時(shí)，門電路消耗的功率。靜態(tài)功耗又分為截止功耗和導(dǎo)通功耗。 截止功耗POFF 門輸出高電平時(shí)消耗的功率；導(dǎo)通功耗PON 門輸出低電平時(shí)消耗的功率。導(dǎo)通功耗大于截止功耗。 作為門電路的功耗指標(biāo)通常是指空載導(dǎo)通功耗。TTL門的功

19、耗范圍為122 mW。 Page 36各種系列TTL門電路的主要性能參數(shù) 各種系列CMOS門電路（7400）的主要性能參數(shù) Page 37邏輯門電路使用中的幾個(gè)實(shí)際問題邏輯門電路使用中的幾個(gè)實(shí)際問題 CMOS集成電路的主要特點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)1. CMOS集成電路的主要特點(diǎn)1）功耗極低。CMOS集成電路靜態(tài)功耗非常小，例如在VDD=5V時(shí)，門電路的功耗只有幾個(gè)W，即使是中規(guī)模集成電路，其功耗也不會(huì)超過100W。2）電源電壓范圍寬。例如CC4000系列，VDD=318V。3）抗干擾能力強(qiáng)。輸入端噪聲容限典型值可達(dá)到0.45VDD。4）邏輯擺幅大(輸出高低電平的差值)。VOL=0V，VOHVDD。5

20、）輸入阻抗極高。輸入電阻可達(dá)100M。6）扇出能力強(qiáng)。在低頻時(shí)，CMOS電路幾乎不考慮扇出能力問題；高頻工作時(shí)，扇出數(shù)與工作頻率有關(guān)。Page 387）集成度很高，溫度穩(wěn)定性好。由于CMOS電路功耗極低，內(nèi)部發(fā)熱量很少，所以集成度可以做得非常高。CMOS電路的結(jié)構(gòu)是互補(bǔ)對(duì)稱的，當(dāng)外界溫度變化時(shí)，有些參數(shù)可以互相補(bǔ)償，因此，其特性的溫度穩(wěn)定性好，在很寬的溫度范圍內(nèi)都能正常工作。例如陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度范圍為-55度C+125度；塑料封裝的電路，工作溫度范圍是-40度+85度。8）抗輻射能力強(qiáng)。因?yàn)镸OS管是靠多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電的器件，射線對(duì)多數(shù)載流子濃度影響很小，所以CMOS電路抗輻射能

21、力強(qiáng)。 9）成本低。CMOS電路集成度很高，功耗很低，因此，用CMOS集成電路制作的設(shè)備，成本比較低。 CMOS集成電路的主要特點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)Page 392. CMOS電路使用注意事項(xiàng)1）注意輸入端的靜電保護(hù)(1)不用的輸入端不要懸空，以免拾取脈沖干擾。(2)在儲(chǔ)存和運(yùn)輸CMOS器件時(shí)不要使用易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料和化纖織物包裝，最好采用金屬屏蔽層作包裝材料。(3)在組裝和調(diào)試時(shí)，所有儀器、工作臺(tái)、和電烙鐵必須可靠接地。焊接CMOS管時(shí)，最好先拔掉電源，利用余熱進(jìn)行快速焊接。2）注意輸入保護(hù)電路的過流保護(hù) 因?yàn)镃MOS電路的輸入阻抗很高，柵極與襯底之間存在著以SiO2為介質(zhì)的輸入電容，所

22、以，在它上面極易產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，致使絕緣層永久性擊穿而損壞器件。在目前生產(chǎn)的CMOS門中都已采用了各種形式的輸入保護(hù)電路。3 3） 注意電源電壓極性，防止輸出端短路。注意電源電壓極性，防止輸出端短路。CMOS集成電路的主要特點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)Page 40TTL電路與CMOS電路的接口驅(qū)動(dòng)門驅(qū)動(dòng)門 負(fù)載門負(fù)載門(min)minIHOHVV）（(max)maxILOLVV）（(max)maxIHOHnII）（(max)maxILOLmII）（ 圖2.5.2 各種CMOS與TTL系列門電路的輸出、輸入電平 Page 411.用TTL電路驅(qū)動(dòng)CMOS電路 1）用TTL電路驅(qū)動(dòng)4000系列和74HC

23、系列CMOS電路 圖2.5.2 各種CMOS與TTL系列門電路的輸出、輸入電平 (min)minIHOHVV）（(max)maxILOLVV）（(max)maxIHOHnII）（(max)maxILOLmII）（）（IHOUDDOHnIIRVVTTL電路與CMOS電路的接口Page 42）（ axmOLI）（maxOHI）（maxILI）（maxIHITTL電路與CMOS電路的接口Page 432）用TTL電路驅(qū)動(dòng)74HCT和74AHCT系列CMOS門電路 圖2.5.2 各種CMOS與TTL系列門電路的輸出、輸入電平 (min)minIHOHVV）（(max)maxILOLVV）（(max)m

24、axIHOHnII）（(max)maxILOLmII）（TTL電路與CMOS電路的接口Page 44 2.用CMOS電路驅(qū)動(dòng)TTL電路 圖2.5.2 各種CMOS與TTL系列門電路的輸出、輸入電平 (min)minIHOHVV）（(max)maxILOLVV）（(max)maxIHOHnII）（(max)maxILOLmII）（TTL電路與CMOS電路的接口Page 45）（ axmOLI）（maxOHI）（maxILI）（maxIHITTL電路與CMOS電路的接口Page 46門電路帶負(fù)載時(shí)的接口電路1. 用門電路直接驅(qū)動(dòng)顯示器件 DFOHIVVRDOLFCCIVVVRPage 472. 機(jī)電性負(fù)載接口 （a）可將同一芯片上的多個(gè)門并聯(lián)作為驅(qū)動(dòng)器。（b）也可