數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)

1、第6講22.7.11學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解半導(dǎo)體二極管、三極管和CMOS管的開關(guān)特性及等效電路。2.了解TTL與非門的工作原理和主要性能指標(biāo)。3.掌握集電極開路門（OC門）、三態(tài)輸出門的邏輯功能、特點(diǎn)和用途。4.熟悉TTL與非門、CMOS邏輯門使用注意事項(xiàng)。第6講22.7.12集成邏輯門電路主要有TTL門電路和COMS門電路。TTL門由雙極型晶體管組成，CMOS門電路由單極型MOS管組成。TTL門電路的工作速度高，但功耗也較大，集成度不高；CMOS門電路功耗小，集成度高，但工作速度較低。第6講22.7.13各種門電路的輸入和輸出，只有高電平和低電平兩種不同的狀態(tài)。高電平和低電平都有一定的范圍。V6

2、 . 3V4 . 2SHUSLUV8 . 0V0高低電平示意圖標(biāo)準(zhǔn)高電平USH常取3.6V；低電平USL常取0.3V。第6講22.7.14正邏輯體系：用1表示高電平，用0表示低電平。負(fù)邏輯體系：用1表示低電平，用0表示高電平。 正負(fù)邏輯的規(guī)定 正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換對(duì)于同一個(gè)門電路，可以采用正邏輯，也可以采用負(fù)邏輯。 本書若無特殊說明，一律采用正邏輯體制。 同一個(gè)門電路，對(duì)正、負(fù)邏輯而言，其邏輯功能是不同的。第6講22.7.15 數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)：相當(dāng)于開關(guān)閉合截止?fàn)顟B(tài)：相當(dāng)于開關(guān)斷開。邏輯變量?jī)蔂顟B(tài)開關(guān)： 在邏輯代數(shù)中邏輯變量有兩種取值：0和1；電子開

3、關(guān)有兩種狀態(tài)：閉合、斷開。第6講22.7.16半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管，則是構(gòu)成這種電子開關(guān)的基本開關(guān)元件。 (1) 靜態(tài)特性： 斷開時(shí)，開關(guān)兩端的電壓不管多大，等效電阻ROFF = 無窮，電流IOFF = 0。 閉合時(shí)，流過其中的電流不管多大，等效電阻RON = 0，電壓UAK = 0。 理想開關(guān)的開關(guān)特性： 第6講22.7.17客觀世界中，沒有理想開關(guān)。乒乓開關(guān)、繼電器、接觸器等的靜態(tài)特性十分接近理想開關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很差，無法滿足數(shù)字電路一秒鐘開關(guān)幾百萬次乃至數(shù)千萬次的需要。半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管做為開關(guān)使用時(shí)，其靜態(tài)特性不如機(jī)械開關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很好。第6講22.7.18靜態(tài)

4、特性及開關(guān)等效電路正向?qū)〞r(shí)UD(ON)0.7V（硅） 0.3V（鍺）RD幾 幾十相當(dāng)于開關(guān)閉合 二極管的伏安特性曲線第6講22.7.19反向截止時(shí)反向飽和電流極小反向電阻很大（約幾百k）相當(dāng)于開關(guān)斷開二極管的伏安特性曲線第6講22.7.1102. 動(dòng)態(tài)特性：二極管從截止變?yōu)閷?dǎo)通和從導(dǎo)通變?yōu)榻刂苟夹枰欢ǖ臅r(shí)間。通常后者所需的時(shí)間長(zhǎng)得多。一般為納秒數(shù)量級(jí)。第6講22.7.1113.2.2 3.2.2 三極管的開關(guān)特性三極管的開關(guān)特性 1. 靜態(tài)特性及開關(guān)等效電路在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在飽和和截止兩種開關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。三極管的三種工作狀態(tài)（a）電路 （b）

5、輸出特性曲線第6講22.7.112開關(guān)等效電路(1) 截止條件 條件：發(fā)射結(jié)反偏特點(diǎn)：電流約為0 第6講22.7.113(2)飽和條件條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏特點(diǎn)：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅第6講22.7.114三極管開關(guān)等效電路飽和時(shí)CCCCCESCCCSRVRUVICSBSIICCCBSRVICCCBSBRVIi三極管的飽和條件：第6講22.7.1152. 三極管的開關(guān)時(shí)間（動(dòng)態(tài)特性）三極管的開關(guān)時(shí)間 開啟時(shí)間t tonon 上升時(shí)間t tr r延遲時(shí)間t td d關(guān)閉時(shí)間t toffoff下降時(shí)間t tf f存儲(chǔ)時(shí)間t ts s第6講22.7.116(1) 開啟時(shí)間t

6、on 三極管從截止到飽和所需的時(shí)間。ton = td +tr td ：延遲時(shí)間 tr ：上升時(shí)間(2) 關(guān)閉時(shí)間toff 三極管從飽和到截止所需的時(shí)間。toff = ts +tf ts ：存儲(chǔ)時(shí)間（幾個(gè)參數(shù)中最長(zhǎng)的；飽和越深越長(zhǎng)）tf ：下降時(shí)間toff ton 。開關(guān)時(shí)間一般在納秒數(shù)量級(jí)。高頻應(yīng)用時(shí)需考慮。第6講22.7.117一般采用增強(qiáng)型MOS組成開關(guān)電路，并由柵源電壓uGS控制MOS管的截止或?qū)?。截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通狀態(tài)NMOS管電路圖第6講22.7.1183.2.4抗飽和三極管抗飽和三極管它是在三極管基極和集電極之間并接一個(gè)肖特基二極管（簡(jiǎn)稱SBD）構(gòu)成的。肖特基二極管的正向壓降小，約為0

7、.4V，容易導(dǎo)通，可分流三極管的一部分基極電流，使三極管工作在淺飽和狀態(tài)，從而大大縮短三極管的開關(guān)時(shí)間，提高工作速度。在集成電路中肖特基二極管和三極管制作在一起。 第6講22.7.119門電路的概念： 實(shí)現(xiàn)基本和常用邏輯運(yùn)算的電子電路，叫邏輯門電路。實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算的叫與門，實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算的叫或門，實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算的叫非門，也叫做反相器，等等。分立元件門電路和集成門電路: 分立元件門電路：用分立的元件和導(dǎo)線連接起來構(gòu)成的門電路。簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、功耗低，負(fù)載差。 集成門電路：把構(gòu)成門電路的元器件和連線都制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，再封裝起來，便構(gòu)成了集成門電路?，F(xiàn)在使用最多的是CMOS和TTL集成門電路。第6講22.7

8、.1203.3.13.3.1二極管與門電路二極管與門電路 電路工作原理A、B為輸入信號(hào) （+5V+5V或0V0V）Y 為輸出信號(hào) VCC+5V+5V電路輸入與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)BY0V0V0V0V0V0V0V0V5V5V0V0V5V5V0V0V0V0V5V5V5V5V5V5V第6講22.7.121用邏輯1 1表示高電平（此例為+3.6V+3.6V）用邏輯0 0表示低電平（此例為0.3V）3. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平4. 真值表ABY0 00 00 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1二極管與門的真值表A、B全1，Y才為1?？梢妼?shí)現(xiàn)了與邏輯ABY0V0V0V0V0V0V0V0V

9、5V5V0V0V5V5V0V0V0V0V5V5V5V5V5V5V第6講22.7.122邏輯符號(hào)邏輯表達(dá)式Y(jié)A B&ABY第6講22.7.123電路工作原理電路輸入與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)、B為輸入信號(hào)（+5V或0V）Y為輸出信號(hào) ABY0V0V0V0V5V4.3V5V0V4.3V5V5V4.3V第6講22.7.1244. 真值表可見實(shí)現(xiàn)了或邏輯3. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平用邏輯1 1表示高電平（此例為+3.6V+3.6V）用邏輯0 0表示低電平（此例為0.3V）A、B有1，Y就1。二極管或門的真值表ABY000011101111ABY0V0V0V0V5V4.3V5V0V4.3V5V5V4.3

10、V第6講22.7.125邏輯符號(hào)邏輯表達(dá)式FA+ B1YAB第6講22.7.126電路工作原理A、為輸入信號(hào) （+3.6V或0.3V）Y為輸出信號(hào) 1YAAY0.3V+VCC3.6V0.3V第6講22.7.1273. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平用邏輯1 1表示高電平（此例為+3.6V+3.6V）用邏輯0 0表示低電平（此例為0.3V）4. 真值表三極管非門的真值表可見實(shí)現(xiàn)了非邏輯AY AY0.3V+VCC3.6V0.3VAY0110A與Y相反第6講22.7.128 1.與非門電路與非門電路AB1DV2DV3RCRCCVV1R&YYABBAY第6講22.7.129二、或非門電路二、或非門電路

11、YABBAY1第6講22.7.130 第6講22.7.131TTL集成邏輯門電路的輸入和輸出結(jié)構(gòu)均采用半導(dǎo)體三極管，所以稱晶體管晶體管邏輯門電路，簡(jiǎn)稱TTL電路。TTL電路的基本環(huán)節(jié)是反相器。簡(jiǎn)單了解TTL反相器的電路及工作原理，重點(diǎn)掌握其特性曲線和主要參數(shù)（應(yīng)用所需知識(shí)）。第6講22.7.1321R2R4RVVCC5k8 . 2760585Rk43R4701DV2DVABY1B1C1V2V3V4V5V2C輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)一、一、TTLTTL與非門的工作原理與非門的工作原理1. 電路組成第6講22.7.133(1) 輸入級(jí)當(dāng)輸入低電平時(shí)， uI=0.3V，發(fā)射結(jié)正向?qū)ǎ?uB1=1.0V當(dāng)

12、輸入高電平時(shí)， uI=3.6V，發(fā)射結(jié)受后級(jí)電路的影響將反向截止。 uB1由后級(jí)電路決定。第6講22.7.134(2) 中間級(jí)反相器V2實(shí)現(xiàn)非邏輯反相輸出同相輸出向后級(jí)提供反相與同相輸出。輸入高電 壓時(shí)飽和輸入低電壓時(shí)截止第6講22.7.135(3) 輸出級(jí)（推拉式輸出） V3、V4為復(fù)合管低輸入高輸入飽和截止低輸入高輸入截止導(dǎo)通第6講22.7.1362. 邏輯功能邏輯功能1.當(dāng)輸入A、B中有低電平UIL=0.3V時(shí)1R2R4RVVCC5k8 . 2760585Rk43R4701DV2DVABY1B1C1V2V3V4V5V2C輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)1V第6講22.7.1371R2R4RVVCC5k8 . 2760585Rk43R4701DV2DVABY1B1C1V2V3V4V5V2C輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)1V5VVuuVUuBEBECCH6 . 3)7 . 07 . 0(5)(4300輸出高電平輸出高電平與非門處于關(guān)閉狀態(tài)第6講22.7.1381R2R4RVVCC5k8 . 2760585Rk43R4701DV2DVABY1B1C1V2V3V4V5V2C輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)2.1V1.當(dāng)輸入A、B都為高電平UIH=3.6V時(shí)1V第6講22.7.1391R2R4RVVCC5k8 . 27605