CMOS集成邏輯門電路學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1CMOS集成邏輯門電路集成邏輯門電路第一頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-302為什么要用OC門？OC門的工作條件？OC門有何應(yīng)用？三態(tài)門有哪三態(tài)？三態(tài)門有何應(yīng)用？第1頁/共36頁第二頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-303 MOS門電路：以MOS管作為開關(guān)元件構(gòu)成的門電路。 MOS門電路，尤其是CMOS門電路具有制造工藝簡單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，得到了十分迅速的發(fā)展。第2頁/共36頁第三頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-304 MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。 MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。 當(dāng)NMOS管和PMOS

2、管成對出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為CMOS管(意為互補(bǔ))。 在數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。第3頁/共36頁第四頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-305圖3-19 NMOS管的電路符號及轉(zhuǎn)移特性 (a) 電路符號 （b）轉(zhuǎn)移特性D接正電源截止導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小 （1）NMOS管的開關(guān)特性 1MOS管的開關(guān)特性第4頁/共36頁第五頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-306圖3-20 PMOS管的電路符號及轉(zhuǎn)移特性 (a) 電路符號 （b）轉(zhuǎn)移特性D接負(fù)電源 （2）PMOS管的開關(guān)特性 導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小截止第5頁/共36頁第六頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-

3、6-307圖3-21 CMOS反相器 PMOS管負(fù)載管NMOS管驅(qū)動管 開啟電壓|UTP|=UTN，且小于VDD。 2CMOS反相器的工作原理 （1）基本電路結(jié)構(gòu)第6頁/共36頁第七頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-308 （2）工作原理UIL=0V截止導(dǎo)通UOHVDD1、當(dāng)uI= UIL=0V時，VTN截止，VTP導(dǎo)通， uO = UOHVDD 第7頁/共36頁第八頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-309UIH= VDD截止UOL 0V2、當(dāng)uI =UIH = VDD ，VTN導(dǎo)通，VTP截止， uO =UOL0V導(dǎo)通第8頁/共36頁第九頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分

4、。2022-6-3010 （3）邏輯功能實現(xiàn)反相器功能（非邏輯）。 （4）工作特點(diǎn)VTP和VTN總是一管導(dǎo)通而另一管截止，流過VTP和VTN的靜態(tài)電流極小（納安數(shù)量級），因而CMOS反相器的靜態(tài)功耗極小。這是CMOS電路最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。第9頁/共36頁第十頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3011圖3-22 CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性 3 電壓傳輸特性和電流傳輸特性AB段：截止區(qū)i iD D為0BC段：轉(zhuǎn)折區(qū)閾值電壓UTHVDD/2轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)：電流最大CMOS反相器在使用時應(yīng)盡量避免長期工作在BC段。CD段：導(dǎo)通區(qū)第10頁/共36頁第十一頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十

5、五分。2022-6-30124. CMOS電路的優(yōu)點(diǎn) （1）微功耗。 CMOS電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)量級。 （2）抗干擾能力很強(qiáng)。 輸入噪聲容限可達(dá)到VDD/2。 （3）電源電壓范圍寬。 多數(shù)CMOS電路可在318V的電源電壓范圍 內(nèi)正常工作。 （4）輸入阻抗高。 （5）負(fù)載能力強(qiáng)。 CMOS電路可以帶50個同類門以上。 （6）邏輯擺幅大。（低電平0V，高電平VDD ）第11頁/共36頁第十二頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3013圖3-23 CMOS與非門 1、 CMOS與非門 負(fù)載管并聯(lián)（并聯(lián)開關(guān)） 驅(qū)動管串聯(lián)（串聯(lián)開關(guān)）（1）A、B全為高電平，則驅(qū)動管導(dǎo)通、負(fù)載管截止

6、，輸出為低電平。 10導(dǎo)通截止第12頁/共36頁第十三頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3014該電路具有與非邏輯功能，即Y= AB（2）A、B中有低電平，則驅(qū)動管導(dǎo)通、負(fù)載管截止，輸出為低電平。 01截止導(dǎo)通第13頁/共36頁第十四頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3015 負(fù)載管串聯(lián)（串聯(lián)開關(guān)）2、 CMOS或非門 驅(qū)動管并聯(lián)（并聯(lián)開關(guān)）圖3-24 CMOS或非門 （1）A、B有高電平，則驅(qū)動管導(dǎo)通、負(fù)載管截止，輸出為低電平。 10截止導(dǎo)通第14頁/共36頁第十五頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3016 該電路具有或非邏輯功能,即Y=A+B（2）當(dāng)輸入

7、全為低電平，兩個驅(qū)動管均截止，兩個負(fù)載管均導(dǎo)通，輸出為高電平。00截止導(dǎo)通1第15頁/共36頁第十六頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3017 （1）電路結(jié)構(gòu)C和C是一對互補(bǔ)的控制信號。由于VTP和VTN在結(jié)構(gòu)上對稱，所以圖中的輸入和輸出端可以互換，又稱雙向開關(guān)。3 CMOS傳輸門 圖2-25 CMOS傳輸門（a）電路 （b）邏輯符號第16頁/共36頁第十七頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3018若 C =1（接VDD )、C =0（接地），當(dāng)0uI(VDD|UT|)時，VTN導(dǎo)通；當(dāng)|UT|uIVDD 時，VTP導(dǎo)通； uI在0VDD之間變化時，VTP和VTN至少有

8、一管導(dǎo)通，使傳輸門TG導(dǎo)通。 （2） 工作原理（了解）若 C = 0（接地)、C = 1（接VDD ），uI在0VDD 之間變化時，VTP和VTN均截止，即傳輸門TG截止。第17頁/共36頁第十八頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3019 （3） 應(yīng)用舉例 圖3-26 CMOS模擬開關(guān) CMOS模擬開關(guān)：實現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能。 C = 0時，TG1導(dǎo)通、TG2截止，uO = uI1； C = 1時，TG1截止、TG2導(dǎo)通，uO = uI2。第18頁/共36頁第十九頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3020圖3-27 CMOS三態(tài)門(a)電路 (b) 邏輯符號 當(dāng)EN=

9、 0時，TG導(dǎo)通，F(xiàn)=A； 當(dāng)EN=1時，TG截止，F(xiàn)為高阻輸出。 CMOS三態(tài)門第19頁/共36頁第二十頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3021 1輸入電路的靜電保護(hù) CMOS電路的輸入端設(shè)置了保護(hù)電路，給使用者帶來很大方便。但是，這種保護(hù)還是有限的。由于CMOS電路的輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，從而擊穿MOS管柵極極薄的絕緣層，造成器件的永久損壞。為避免靜電損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 第20頁/共36頁第二十一頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3022 （1）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。 （2）存儲和運(yùn)輸CMOS電路，最好采用金屬

10、屏蔽層做包裝材料。2多余的輸入端不能懸空。輸入端懸空極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，造成器件的永久損壞。對多余的輸入端，可以按功能要求接電源或接地，或者與其它輸入端并聯(lián)使用。第21頁/共36頁第二十二頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3023 TTL和CMOS電路的電壓和電流參數(shù)各不相同，需要采用接口電路。一般要考慮兩個問題：一是要求電平匹配，即驅(qū)動門要為負(fù)載門提供符合標(biāo)準(zhǔn)的輸出高電平和低電平；二是要求電流匹配，即驅(qū)動門要為負(fù)載門提供足夠大的驅(qū)動電流。第22頁/共36頁第二十三頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-30241. TTL門驅(qū)動CMOS門門 （1）電平不匹配TTL門

11、作為驅(qū)動門，它的U UOHOH2.4V,U2.4V,UOLOL； CMOS門作為負(fù)載門，它的U UIHIH，U UILIL1V1V?？梢姡琓TLTTL門的U UOHOH不符合要求。 （2）電流匹配CMOS電路輸入電流幾乎為零，所以不存在問題。第23頁/共36頁第二十四頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3025 （3）解決電平匹配問題 圖3-28 TTL門驅(qū)動CMOS門 外接上拉電阻RP在TTL門電路的輸出端外接一個上拉電阻RP，使TTL門電路的UOH5V。（當(dāng)電源電壓相同時） 第24頁/共36頁第二十五頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3026選用電平轉(zhuǎn)換電路(如CC4

12、0109)若電源電壓不一致時可選用電平轉(zhuǎn)換電路。 CMOS電路的電源電壓可選318V； 而TTL電路的電源電壓只能為5V。 采用TTL的OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。若電源電壓不一致時也可選用OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。第25頁/共36頁第二十六頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-30272. CMOS門驅(qū)動TTL門（1）電平匹配 CMOS門電路作為驅(qū)動門，UOH5V，UOL0V； TTL門電路作為負(fù)載門，UIH，UIL。 電平匹配是符合要求的。（2）電流不匹配 CMOS門電路4000系列系列最大允許灌電流為， TTL門電路的IIS1.4 mA， CMOS4000系列驅(qū)動電流不足。第26頁/共36頁第

13、二十七頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3028 （3）解決電流匹配問題 CMOS電路常用的是4000系列和54HC/74HC系列產(chǎn)品，后幾位的序號不同，邏輯功能也不同。 選用CMOS緩沖器 比如，CC4009的驅(qū)動電流可達(dá)4 mA。 選用高速CMOS系列產(chǎn)品選用CMOS的54HC/74HC系列產(chǎn)品可以直接驅(qū)動TTL電路。 第27頁/共36頁第二十八頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3029表3-7 各種系列門電路的主要參數(shù)第28頁/共36頁第二十九頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3030表3-8 常用集成門電路(TTL系列） 型 號名 稱主 要 功 能7

14、4LS00四2輸入與非門 74LS02四2輸入或非門 74LS04六反相器 74LS05六反相器OC門74LS08四2輸入與門 74LS13雙4輸入與非門施密特觸發(fā)74LS20雙雙4輸入與非門 74LS32四2輸入或門 74LS644-2-3-2輸入與或非門 74LS13313輸入與非門 74LS136四異或門OC輸出74LS365六總線驅(qū)動器同相、三態(tài)、公共控制74LS368六總線驅(qū)動器反相、三態(tài)、兩組控制第29頁/共36頁第三十頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3031表3-8 常用集成門電路(CMOS系列） 型 號名 稱主 要 功 能CC4001四2輸入或非門 CC4011四

15、2輸入與非門 CC4030四異或門 CC4049六反相器 CC4066四雙向開關(guān) CC4071四2輸入或門 CC4073三3輸入與門 CC4077四異或非門 CC40788輸入或 / 或非門 CC40862-2-2-2輸入與或非門可擴(kuò)展CC4097雙8選1模擬開關(guān) CC4502六反相器 / 緩沖器三態(tài)、有選通端第30頁/共36頁第三十一頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-30321多余或暫時不用的輸入端不能懸空，可按以下方法處理：（1）與其它輸入端并聯(lián)使用。 （2）將不用的輸入端按照電路功能要求接電源或接地。比如將與門、與非門的多余輸入端接電源，將或門、或非門的多余輸入端接地。第31頁/共36頁第三十二頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3033 (1) 在每一塊插板的電源線上，并接幾十F的低頻去耦電容和的高頻去耦電容，以防止TTL電路的動態(tài)尖峰電流產(chǎn)生的干擾。 (2) 整機(jī)裝置應(yīng)有良好的接地系統(tǒng)。2 電路的安裝應(yīng)盡量避免干擾信號的侵入，保證電路穩(wěn)定工作。第32頁/共36頁第三十三頁，編輯于星期六：二點(diǎn) 十五分。2022-6-3034本章小結(jié)本章小結(jié) 門電路是構(gòu)成各種復(fù)雜數(shù)字電路的基本邏輯單元，掌握各種門電路的邏輯功能和電氣特性，對于正確使用數(shù)字集成電路是十分必要的。本章介紹了目前應(yīng)用最廣泛的TTL和CMOS兩類集成邏輯門電路。在學(xué)習(xí)這些集成電路時，應(yīng)把重點(diǎn)