數(shù)字電路教案 第四講2-1

組合邏輯電路的分析與設(shè)計集成邏輯門常用MSI組合邏輯模塊組合型PLD組合邏輯電路分析組合邏輯電路設(shè)計組合邏輯電路的VHDL描述組合邏輯電路中的險象本章內(nèi)容重點電子二極管的工作原理電子三極管的工作原理為了提高真空二極管檢波靈敏度，福雷斯特在玻璃管內(nèi)添加了一種柵欄式的金屬網(wǎng)，形成電子管的第三個極。他驚訝地看到，這個“柵極”仿佛就像百葉窗，能控制陰極與屏極之間的電子流；只要柵極有微弱電流通過，就可在屏極上獲得較大的電流，而且波形與柵極電流完全一致。也就是說，在弗萊明的真空二極管中增加了一個電極，就成了能夠起放大作用的新器件，他把這個新器件命名為三極管（Triode）。2.1集成邏輯門TTL：Transistor-TransistorLogicECL：EmitterCoupledLogic單極型邏輯門雙極型邏輯門兩種載流子導(dǎo)電一種載流子導(dǎo)電集成邏輯門NMOSPMOSCMOS：ComplementaryMOS

TTL和CMOS邏輯門最常用2.1.1理想開關(guān)的開關(guān)特性一、靜態(tài)特性1.斷開2.閉合2.1半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管的開關(guān)特性SAK二、動態(tài)特性1.開通時間：2.關(guān)斷時間：閉合）（斷開斷開）（閉合普通開關(guān)：靜態(tài)特性好，動態(tài)特性差半導(dǎo)體開關(guān)：靜態(tài)特性較差，動態(tài)特性好幾百萬/秒幾千萬/秒SAK2.1.2半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性一、靜態(tài)特性1.外加正向電壓(正偏)二極管導(dǎo)通(相當(dāng)于開關(guān)閉合)2.外加反向電壓(反偏)二極管截止(相當(dāng)于開關(guān)斷開)硅二極管伏安特性陰極A陽極KPN結(jié)-AK+P區(qū)N區(qū)++++++++--------正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)0.50.7/mA/V0D+-+-二極管的開關(guān)作用：[例]uO=0VuO=2.3V電路如圖所示，試判別二極管的工作狀態(tài)及輸出電壓。二極管截止二極管導(dǎo)通[解]D0.7V+-二、動態(tài)特性1.二極管的電容效應(yīng)結(jié)電容C

j擴散電容CD2.二極管的開關(guān)時間電容效應(yīng)使二極管的通斷需要一段延遲時間才能完成tt00(反向恢復(fù)時間)≤ton—開通時間toff—關(guān)斷時間一、靜態(tài)特性NPN2.1.3半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射極emitter基極base集電極collectorbiBiCec(電流控制型)1.結(jié)構(gòu)、符號和輸入、輸出特性(2)符號NNP(Transistor)(1)結(jié)構(gòu)(3)輸入特性(4)輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAiB=0024684321放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)0uBE

/ViB

/μA發(fā)射結(jié)正偏放大i

C=

iB集電結(jié)反偏飽和

iC

＜

iB兩個結(jié)正偏I

CS=

IBS臨界截止iB≈0,iC≈0兩個結(jié)反偏電流關(guān)系狀態(tài)

條件2.開關(guān)應(yīng)用舉例發(fā)射結(jié)反偏T截止發(fā)射結(jié)正偏T導(dǎo)通+RcRb+VCC

(12V)+uoiBiCTuI3V-2V2k2.3k放大還是飽和？飽和導(dǎo)通條件：+RcRb+VCC

+12V+uoiBiCTuI3V-2V2k2.3k≤因為所以二、動態(tài)特性3-2t00.9ICS0.1ICSt030.3t0圖示NMOS，在p型半導(dǎo)體制作兩個高摻雜濃度的N區(qū)域，形成晶體管的源極（source）和漏極（drain），在襯底之上，源極和漏極之間制造一層極薄的SiO2絕緣層，在絕緣層上用金屬或多晶硅制作一層導(dǎo)電層-柵極。加在源極、柵極和漏極的電壓分別為VS、VG和VD，襯底、源極和柵極都和地相連（Vs=VG=0）,相當(dāng)于兩個背對背的二極管，此時NMOS截止。VGS=5V,源極、漏極和襯底的自由電子趨于柵極。電子集中在溝道中，溝道區(qū)變成n型，源極和漏極導(dǎo)通。MOS（Mental–Oxide–Semiconductor）

金屬–

氧化物–

半導(dǎo)體場效應(yīng)管PMOS晶體管2.1.4MOS管的開關(guān)特性(電壓控制型)MOS（Mental–Oxide–Semiconductor）

金屬–

氧化物–

半導(dǎo)體場效應(yīng)管一、靜態(tài)特性1.結(jié)構(gòu)和特性：(1)N溝道柵極

G漏極

DB源極

S3V4V5VuGS=6ViD/mA42643210uGS/ViD/mA43210246810uDS/V可變電阻區(qū)恒流區(qū)UTNiD開啟電壓UTN=2V+-uGS+-uDS襯底漏極特性轉(zhuǎn)移特性uDS=6V截止區(qū)P溝道增強型MOS管與N溝道有對偶關(guān)系。(2)P溝道柵極

G漏極

DB源極

SiD+-uGS+-uDS襯底iD/mAiD/mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2-3V-4V-5VuGS=-6V-1-2-3-4-6uGS/VuDS/V可變電阻區(qū)恒流區(qū)漏極特性轉(zhuǎn)移特性截止區(qū)UTPuDS=-6V開啟電壓UTP=-2V參考方向2.MOS管的開關(guān)作用：(1)N溝道增強型MOS管+VDD+10VRD20kBGDSuIuO+VDD+10VRD20kGDSuIuO開啟電壓UTN=2ViD+VDD+10VRD20kGDSuIuORONRD(2)P溝道增強型MOS管-VDD-10VRD20kBGDSuIuO-VDD-10VRD20kGDSuIuO開啟電壓UTP=-2V-VDD-10VRD20kGDSuIuOiD二、MOS三極管非門MOS管截止2.MOS管導(dǎo)通（在可變電阻區(qū)）真值表0110AY+VDD+10VRD20kBGDSuIuO1.+-uGS+-uDS故+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP2.3CMOS集成門電路2.3.1CMOS反相器一、電路組成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0V<UTN<UTP截止導(dǎo)通10V10V>UTN>UTP導(dǎo)通截止0VUTN=2VUTP=-2V+10VRONPuY+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP輸入端保護電路:C1、C2—柵極等效輸入電容(1)0<uA<VDD+uDF(2)uA

>VDD+uDF

D導(dǎo)通電壓：uDF

=0.5~0.7V(3)uA

<

-

uDF

二極管導(dǎo)通時，限制了電容兩端電壓的增加。保護網(wǎng)絡(luò)+VDDuYuATPD1C1C2RSTND2D3VSSD1、D2、D3截止D2、D3導(dǎo)通uG

=VDD+uDFD1導(dǎo)通uG=

-

uDF二、靜態(tài)特性1.電壓傳輸特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB段：uI<UTN，uO=VDD、iD

0，功耗極小。0uO/VuI/VTN截止、TP導(dǎo)通，BC段：TN導(dǎo)通，uO略下降。CD段：TN、TP均導(dǎo)通。DE、EF段：與

BC、AB段對應(yīng)，TN、TP的狀態(tài)與之相反。轉(zhuǎn)折電壓指為規(guī)定值時，允許波動的最大范圍。UNL：輸入為低電平時的噪聲容限。UNH：輸入為高電平時的噪聲容限。=0.3VDD噪聲容限：2.電流傳輸特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO/VuI/VABCDEF0iD/mAuI/VUTH電壓傳輸特性電流傳輸特性AB、EF段：TN、TP總有一個為截止?fàn)顟B(tài)，故iD0。CD段：TN、Tp均導(dǎo)通，流過兩管的漏極電流達(dá)到最大值iD=iD（max)

。閾值電壓：UTH=0.5VDD（VDD=3~18V）2.3.2CMOS與非門、或非門、與門和或門A

BTN1TP1

TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1110與非門一、CMOS與非門uA+VDD+10VVSSTP1TN1TP2TN2ABYuBuYAB&00100111Y=或非門二、CMOS或非門uA+VDD+10VVSSTP1TN1TN2TP2ABYuBuYA

BTN1TP1

TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1000AB≥100100111三、CMOS與門和或門1.CMOS與門AB&Y1+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABYABY&+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSS2.CMOS或門Y1+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSSAB≥1ABY≥1+VDDVSSTP1TN1TN2TP2ABY四、帶緩沖的CMOS與非門和或非門1.基本電路的主要缺點(1)

電路的輸出特性不對稱：當(dāng)輸入狀態(tài)不同時，輸出等效電阻不同。(2)電壓傳輸特性發(fā)生偏移，導(dǎo)致噪聲容限下降。2.帶緩沖的門電路在原電路的輸入端和輸出端加反相器。1ABY與非門或非門同理緩沖或非門與非門緩沖&112.3.3CMOS與或非門和異或門一、CMOS與或非門1.電路組成：&&&ABCD&≥1YABCDY12.工作原理：由CMOS基本電路(與非門和反相器)組成。二、CMOS異或門1.電路組成：&&&ABY2.工作原理：&YAB=1由CMOS基本電路(與非門)組成。2.3.4CMOS傳輸門、三態(tài)門和漏極開路門一、CMOS傳輸門(雙向模擬開關(guān))1.電路組成：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuTNCIO/uuOI/uuTG2.工作原理：TN、TP均導(dǎo)通，TN、TP均截止，導(dǎo)通電阻小(幾百歐姆)關(guān)斷電阻大(≥109)(TG門—TransmissionGate)二、CMOS三態(tài)門1.電路組成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN212.工作原理Y與上、下都斷開TP2、TN2均截止Y=Z(高阻態(tài)—非1非0)TP2、TN2均導(dǎo)通011010控制端低電平有效(1或0)3.邏輯符號YA1EN使能端EN

三、CMOS漏極開路門(OD門—OpenDrain)1.電路組成BA&1+VDDYBGDSTNVSSRD外接YAB&符號(1)漏極開路，工作時必須外接電源和電阻。2.主要特點(2)可以實現(xiàn)線與功能：輸出端用導(dǎo)線連接起來實現(xiàn)與運算。YCD&P1P2+VDDYRD(3)

可實現(xiàn)邏輯電平變換：(4)帶負(fù)載能力強。2.3.5CMOS電路使用中應(yīng)注意的幾個問題一、CC4000和C000系列集成電路1.CC4000系列：符合國家標(biāo)準(zhǔn)，電源電壓為318V，功能和外部引線排列與對應(yīng)序號的國外產(chǎn)品相同。2.C000系列：早期集成電路，電源電壓為715V，外部引線排列順序與CC4000不同，用時需查閱有關(guān)手冊。傳輸延遲時間tpd標(biāo)準(zhǔn)門=100nsHCMOS=9nsHCMOS:54/74系列54/74HC(帶緩沖輸出)54/74HCU(不帶緩沖輸出)54/74HCT(與LSTTL兼容)二、高速CMOS(HCMOS)集成電路三、CMOS集成電路的主要特點(1)功耗極低。LSI：幾個μW，MSI：100μW(2)電源電壓范圍寬。CC4000系列：VDD=3~18V(3)抗干擾能力強。輸入端噪聲容限=0.3VDD~0.45VDD(4)邏輯擺幅大。(5)輸入阻抗極高。(6)扇出能力強。扇出系數(shù)：帶同類門電路的個數(shù)，其大小反映了門電路的帶負(fù)載能力。(7)集成度很高，溫度穩(wěn)定性好。(8)抗輻射能力強。(9)成本低。CC4000系列：≥50個≥四、CMOS

電路使用中應(yīng)注意的幾個問題1.注意輸入端的靜電防護。2.注意輸入電路的過流保護。3.注意電源電壓極性。5.多余的輸入端不應(yīng)懸空。6.輸入端外接電阻的大小不會引起輸入電平的變化。與門

、

與非門

：接電源或

與其他輸入端并聯(lián)或門

、

或非門

：接地或

與其他輸入端并聯(lián)多余輸入端的處理思考原因？4.輸出端不能和電源、地短接。因為輸入阻抗極高（≥108）故輸入電流0，電阻上的壓降0。2.4TTL集成門電路（Transistor—TransistorLogic）一、電路組成及工作原理+VCC(5V)R1uIuo4kAD1T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y輸入級中間級輸出級D1—保護二極管防止輸入電壓過低。當(dāng)uI<-0.5~-0.7V時，D1導(dǎo)通，uI被鉗制在-0.5~-0.7V，不可能繼續(xù)下降。1.電路組成因為D1只起保護作用，不參加邏輯判斷，為了便于分析，今后在有些電路中將省去。2.4.1TTL反相器2.工作原理+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y0VT1的基極電壓無法使T2和T4的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通T1深度飽和T2、T4截止，iC1=0RL拉電流T3、D

導(dǎo)通0V3.6V0V0.7V0V負(fù)載的等效電阻iC15V因為所以則+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y假設(shè)T1導(dǎo)通則T1的集電結(jié)和T2、T4的發(fā)射結(jié)(3個PN結(jié))導(dǎo)通ebcT1正常放大時:發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，即uC>uB>uE現(xiàn)在:uE>uB>uC，即發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)正偏倒置放大iii=βiib=(1+βi)ib4.3Vce3.6V1.4V0.7V2.1V1.4V+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130YT1倒置放大狀態(tài)假設(shè)T2飽和導(dǎo)通T3、D均截止(設(shè)β1~β4=20)T2飽和的假設(shè)成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思考：D的作用？若無D，此時T3可以導(dǎo)通，電路將不能實現(xiàn)正常的邏輯運算因為3.6ViE1+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T3T4DR21.6kR31kR4130YT1倒置放大狀態(tài)T2飽和，T3、D均截止3.62.11.40.71T4的工作狀態(tài)：導(dǎo)通放大還是飽和？iB2ICS2iB1iE1iE2iB4iR3又因為T3、D均截止，即T4深度飽和：uO=UCES4≤0.3V（無外接負(fù)載）若外接負(fù)載RL：RL+VCC0.3所以輸入短路電流IIS二、靜態(tài)特性1.輸入特性(1)

輸入伏安特性：1iI+VCC+5VuI+-uoT1iIuI+-be2be4+VCC+5VR14kIV/uImA/i012-1ISIILIUILUIHIHI低電平輸入電流IIL

高電平輸入電流或輸入端漏電流IIH即：當(dāng)Ri為2.5k以上電阻時，輸入由低電平變?yōu)楦唠娖?2)

輸入端負(fù)載特性：1+VCC+5VuI+-uoRiT1iB1uI+-be2be4+VCC+5VR14kRiRi/026412uI/VT2、T4飽和導(dǎo)通Ri=Ron

—開門電阻（2.5k?）RonT2、T4截止Ri=

Roff—關(guān)門電阻（<0.7k）即：當(dāng)Ri為0.7k

以下電阻時,輸入端相當(dāng)于低電平。Roff0.7V1.4V2.輸出特性uO1+VCC+5VuI+-+-iOuO/ViO/mA0102030-10-20-30123在輸出為低電平條件下，帶灌電流負(fù)載能力IOL可達(dá)16mA0.3V受功耗限制，帶拉電流負(fù)載能力IOH可一般為

-400A3.6V

注意：輸出短路電流IOS可達(dá)-33mA，將造成器件過熱燒毀，故門電路輸出端不能接地?。?！3.電壓傳輸特性：1+VCC+5VuI+-uO+-AB0uO/VuI/V12341234AB段：uI<0.5V

，uB1<1.3V

，T2、T4截止，T3、D導(dǎo)通。截止區(qū)3.6VBC段：T2開始導(dǎo)通(放大區(qū))，T4仍截止。C線性區(qū)D轉(zhuǎn)折區(qū)E飽和區(qū)0.3VCD段：反相器的閾值電壓(或門檻電壓)DE段：uI>1.4V

，T2、T4飽和導(dǎo)通，T3、D截止。uO=UOL≤0.3V閾值電壓4.輸入端噪聲容限uIuO1G1G21輸出高電平典型值=3.6V輸出低電平典型值=0.3V輸入高電平典型值=3.6V輸入低電平典型值=0.3VUNH

—允許疊加的負(fù)向噪聲電壓的最大值G2輸入高電平時的噪聲容限：UNL

—允許疊加的正向噪聲電壓的最大值G2輸入低電平時的噪聲容限：三、動態(tài)特性傳輸延遲時間1uIuO50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL

—輸出電壓由高到低時的傳輸延遲時間。tpd—平均傳輸延遲時間tPLH

—輸出電壓由低到高時的傳輸延遲時間。tPHLtPLH典型值：tPHL=8ns,tPLH=12ns最大值：tPHL=15ns,tPLH=22ns+VCC+5VR14kAD2T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y輸入級中間級輸出級D1BT1—多發(fā)射極三極管e1e2bc等效電路：1.A、B只要有一個為00.3V1VT2、T4截止5VT3、D

導(dǎo)通2.4.2TTL與非門和其他邏輯門電路一、TTL與非門0.7VRL3.6V+VCC+5V4kAD2T1T2T3T4D1.6k1k130Y輸入級中間級輸出級D1BR1R2R3R43.6V3.6V0.7V1V0.3V4.3V2.1V2.A、B均為1理論：實際：T2、T4導(dǎo)通T3、D

截止uO=UCES4≤0.3VTTL與非門RL+VCC+VCC+5V4kAD2T1T2T3T4D1.6k1k130Y輸入級中間級輸出級D1BR1R2R3R4TTL與非門整理結(jié)果：1110ABY00011011AB&二、TTL或非門+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T2輸入級中間級輸出級1.A、B只要有一個為1T2、T4飽和T2、T3、D

截止uO=0.3V2.1V1V0.3V3.6V0.3VRL+VCC2.A、B均為0iB1、iB1分別流入T1、T1

的發(fā)射極T2、T2均截止則T4截止T3、D

導(dǎo)通+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T20.3V0.3ViB1iB1RL輸入級中間級輸出級TTL或非門5V1V1V3.6V整理結(jié)果：1000ABY00011011AB≥1+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR1BD1T1T2輸入級中間級輸出級TTL或非門2.4.3TTL集電極開路門和三態(tài)門一、集電極開路門—OC門(OpenCollectorGate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B1.電路組成及符號+VCCRC外接YAB&+VCCRCOC門必須外接負(fù)載電阻和電源才能正常工作?？梢跃€與連接VCC根據(jù)電路需要進行選擇2.OC門的主要特點線與連接舉例：+VCCAT1T