第3章集成门电路和触发器new.ppt
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1、1,第 三 章,第三章 集成门电路与触发器,集 成 门 电 路 与 触 发 器,2,集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的物质基础。 随着微电子技术的发展,人们把实现各种逻辑功能的元器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上,并封装在一个壳体中,通过引线与外界联系,即构成所谓的集成电路块,通常又称为集成电路芯片。,第三章 集成门电路与触发器,采用集成电路进行数字系统设计的优点: 可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点,可以大大简化设计和调试过程。,3,第三章 集成门电路与触发器,本章知识要点: 半导体器件的开关特性; 逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法; 常用触发器的功能、触
2、发方式与外部工作特性。,4,第三章 集成门电路与触发器,3.1 数字集成电路的分类,数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据集成规模的大小进行分类。,一. 根据所采用的半导体器件进行分类,根据所采用的半导体器件,数字集成电路可以分为两大类。 1.双极型集成电路:采用双极型半导体器件作为元件。主要特点是速度快、负载能力强,但功耗较大、 集成度较低。 2.单极型集成电路(又称为MOS集成电路): 采用金属-氧化 物半导体场效应管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Transister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集 成度高、功耗低,但
3、速度较慢。,5,第三章 集成门电路与触发器,双极型集成电路又可进一步可分为: TTL(Transistor Transistor Logic)电路; ECL(Emitter Coupled Logic)电路; I2L(Integrated Injection Logic)电路。 TTL电路的“性能价格比”最佳,应用最广泛。,MOS集成电路又可进一步分为: PMOS( P-channel Metel Oxide Semiconductor); NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor); CMOS(Complement Metal OxideSemicon
4、ductor)。 CMOS电路应用较普遍,因为它不但适用于通用逻电路的设计,而且综合性能最好 。,6,第三章 集成门电路与触发器,二根据集成电路规模的大小进行分类,通常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数,分为 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。,1. SSI (Small Scale Integration ) 小规模集成电路: 逻辑门数小于10 门(或元件数小于100个); 2. MSI (Medium Scale Integration ) 中规模集成电路: 逻辑门数为10 门99 门(或元件数100个999个); 3. LSI (Large Scale Integra
5、tion ) 大规模集成电路: 逻辑门数为100 门9999 门(或元件数1000个99999个); 4. VLSI (Very Large Scale Integration) 超大规模集 成电路: 逻辑门数大于10000 门(或元件数大于100000个)。,7,第三章 集成门电路与触发器,3. 2 半导体器件的开关特性,数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是以开关方式运用的,其工作状态相当于相当于开关的“接通”与“断开”。 由于数子系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中(通常开关状态变化的速度可高达每秒百万次数量级甚至千万次数量级),因此,研究这些器件的开关特性时,不
6、仅要研究它们在导通与截止两种状态下的静止特性,而且还要分析它们在导通和截止状态之间的转变过程,即动态特性。,8,静态特性是指二极管在导通和截止 两种稳定状态下的特性。典型二极管的 静态特性曲线(又称伏安特性曲线) 如下图所示。,第三章 集成门电路与触发器,3.2.1 晶体二极管的开关特性,一静态特性,1. 正向特性 : 门槛电压 ( UTH ):使二极管开始导通的正向电压,有时又称为导通电压 (一般锗管约0.1V,硅管约0.5V)。,正向电压 UF UTH :管子截止,电阻很大、正向电流 IF 接近于 0, 二极管类似于开关的断开状态 ; 正向电压 UF = UTH :管子开始导通,正向电流
7、IF 开始上升; 正向电压 UF UTH (一般锗管为0.3V,硅管为0.7V) :管子充分导通, 电阻很小,正向电流IF 急剧增加,二极管类似于开关的接通状态。,9,第三章 集成门电路与触发器,2 反向特性 二极管在反向电压 UR 作用下,处于截止状态,反向电阻 很大,反向电流 IR 很小(将其称为反向饱和电流,用 IS 表 示,通常可忽略不计 ),二极管的状态类似于开关断开。而 且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。,注意事项: 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成 实际电路时通常要串接一只电阻 R,以限制二极管的正向电 流; 反向电压超过某个极限值时,将使反向电流
8、IR突然猛 增,致使二极管被击穿(通常将该反向电压极限值称为反向击 穿电压UBR),一般不允许反向电压超过此值。,10,第三章 集成门电路与触发器,二极管组成的开关电路图如图(a)所示。二极管导通 状态下的等效电路如图(b)所示,截止状态下的等效电路如图 (c)所示,图中忽略了二极管的正向压降。,由于二极管的单向导电性,所以在数字电路中经常把它 当作开关使用。,11,第三章 集成门电路与触发器,二. 动态特性,二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转 换过程中的特性,它表现在完成两种状态之间的转换需要一 定的时间。为此,引入了反向恢复时间和开通时间的概念。,反向恢复时间tre=存储时间
9、ts+渡越时间tt,12,第三章 集成门电路与触发器,2. 开通时间,开通时间:二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间。 二极管的开通时间很短,对开关速度影响很小,相 对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。,13,第三章 集成门电路与触发器,3.2.2 晶体三极管的开关特性,晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成。根据两 个PN结的偏置极性,三极管有截止、放大、饱和3种工作 状态。 在数字逻辑电路中,三极管相当于一个由基极信号控制的无触点开关,其作用对应于触点开关的“闭合”与“断开”。,一静态特性,14,第三章 集成门电路与触发器,晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极管的静态
10、开关特性。,三极管在截止与饱和状态下的等效电路如下图所示。,15,第三章 集成门电路与触发器,晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称为三极管的动态特性。 三极管的开关过程和二极管一样,管子内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此,两种状态的转换也需要一定的时间才能完成。,二动态特性,16,第三章 集成门电路与触发器,1开通时间( ton ) 开通时间:三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间。, 开通时间ton =延迟时间td +上升时间tr,2. 关闭时间 ( toff ) ,关闭时间toff =存储时间ts +下降时间tf 开通时间ton和关闭时间toff是影响电路工作速度的主要
11、因素。,17,第三章 集成门电路与触发器,3.2.3 MOS管的开关特性,一、静态特性 MOS管作为开关元件,同样是工作在截止或导通两种状态。MOS管是电压控制元件,主要由栅源电压vGS决定其工作状态。,工作特性如下: 当VGS开启电压VTN时:MOS管工作在截止区,输出电压vDS VDD,MOS管处于“断开”状态; 当VDSVGSVTN时:MOS管工作在导通区,输出电压vDS 0V,MOS管处于“接通”状态。,18,第三章 集成门电路与触发器,二. 动态特性,MOS管本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。 动态特性主要取决于电路中杂散电容充、放电所需的时间。,19,第三章 集成门电路
12、与触发器,为了提高MOS器件的工作速度,引入了CMOS电路。 在CMOS电路中,由于充电电路和放电电路都是低阻电路,因此,其充、放电过程都比较快,从而使CMOS电路有较高的开关速度。,20,第三章 集成门电路与触发器,3.3 逻 辑 门 电 路,实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的逻辑器件统称为逻辑门电路,它们是组成数字系统的基本单元电路。 学习时应重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性,以及器件的使用方法。 对其内部结构和工作原理只要求作一般了解。,21,第三章 集成门电路与触发器,3.3.1 TTL 集成逻辑门电路,TTL(Transistor Transistor Logic)电路是晶体
13、管-晶体管 逻辑电路的简称。 TTL电路的功耗大、线路较复杂,使其集成度受到 一定的限制,故广泛应用于中小规模逻辑电路中。,下面,对几种常见TTL门电路进行介绍,重点讨论TTL门电路的功能和外部特性,以及器件的使用方法。,22,第三章 集成门电路与触发器,23,第三章 集成门电路与触发器,24,第三章 集成门电路与触发器,25,第三章 集成门电路与触发器,一、典型TTL与非门,该电路可按 图中虚线划分为三部分: 输入级 由多发射极晶体管T1和电阻R1组成; 中间级 由晶体管T2和电阻R2、R3组成; 输出级 由晶体管T3、T4、D4和电阻R4、R5组成。,1. 电路结构及工作原理 (1) 电路
14、结构 典型TTL与非门电路图及相应逻辑符号如右图所示。,第三章 集成门电路与触发器,(2) 工作原理,逻辑功能分析如下: 输入端全部接高电平(3.6V):电源Vcc通过R1和T1的集电结向T2提供足够的基极电流,使T2饱和导通。T2的发射极电流在R3上产生的压降又使 T4 饱和导通,输出为低电平(0.3V)。,实现了“输入全高 ,输出为低”的逻辑关系。,当有输入端接低电平(0.3V)时:输入端接低电平的发射结导通,使T1的基极电位Vb1=0.3V+0.7V=1V。该电压作用于T1的集电结和T2、T4的发射结上,不可能使T2和T4导通。由于T2截止,电源VCC通过R2驱动T3和D4管,使之工作在
15、导通状态,电路输出为高电平(3.6V)。 实现了“输入有低,输出为高”的逻辑功能。,第三章 集成门电路与触发器,归纳:当输入A、B、C均为高电平时,输出为低电平(0V);当A、B、C中至少有一个为低电平时,输出为高电平(3.6V)。输出与输入之间为“与非”逻辑,即,第三章 集成门电路与触发器,2. 主要外部特性参数,TTL与非门的主要外部特性参数有输出逻辑电平、开门电平、关门电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。,(2) 输出低电平VOL:输出低电平VoL是指输入全为高电平时的输 出电平。VOL的典型值是0.3V。,输出高电平VOH :指至少有一个输入端接低电平时的输出电 平。V
16、OH的典型值是3.6V。,(3) 开门电平VO N :指在额定负载下,使输出电平达到标准低电平 VSL的输入电平,它表示使与非门开通的最小输 入电平。VON的产品规范值为VON1.8V。,第三章 集成门电路与触发器,(4) 关门电平VOFF :指输出空载时,使输出电平达到标准高电平VSH的 输入电平,它表示使与非门关断所允许的最大输 入电平。VOFF 的产品规范值VOFF0.8V。,(5) 扇入系数Ni :指与非门允许的输入端数目。,(6) 扇出系数No:指与非门输出端连接同类门的最多个数。,(7) 输入短路电流IiS :指当与非门的某一个输入端接地而其余输入 端 悬空时,流过接地输入端的电流
17、。,(8) 高电平输入电流IiH:指某一输入端接高电平,而其他输入端接地 时,流入高电平输入端的电流,又称为输入 漏电流。,第三章 集成门电路与触发器,(9) 平均传输延迟时间tpd: 指一个矩形波信号从与非门输入端传到与 非门输出端(反相输出)所延迟的时间。通常 将从输入波上沿中点到输出波下沿中点的 时间延迟称为导通延迟时间tpdL;从输入 波下沿中点到输出波上沿中点的时间延迟 称为截止延迟时间tpdH。 平均延迟时间为 :tpd = ( tpdL+ tpdH )/2,(10) 空载功耗P:指与非门空载时电源总电流ICC和电源电压VCC的乘积。 输出为低电平时的功耗称为空载导通功耗PON,输
18、出为 高电平时的功耗称为空载截止功耗POFF 。 平均功耗为: P =(PON + POFF)/2,第三章 集成门电路与触发器,3. TTL与非门集成电路芯片,TTL与非门集成电路芯片种类很多,常用的TTL与非门集成电路芯片有7400和7420等。 7400的引脚分配图如图(a)所示;7420的引脚分配图 如图(b)所示。,1) 几种常用的TTL电路及封装,第三章 集成门电路与触发器,33,第三章 集成门电路与触发器,34,第三章 集成门电路与触发器,35,第三章 集成门电路与触发器,36,第三章 集成门电路与触发器,37,第三章 集成门电路与触发器,38,第三章 集成门电路与触发器,39,第
19、三章 集成门电路与触发器,40,第三章 集成门电路与触发器,41,第三章 集成门电路与触发器,42,第三章 集成门电路与触发器,43,第三章 集成门电路与触发器,44,第三章 集成门电路与触发器,45,第三章 集成门电路与触发器,46,第三章 集成门电路与触发器,47,第三章 集成门电路与触发器,48,第三章 集成门电路与触发器,2) 两种特殊的门电路,(1) 集电极开路门(OC门) 集电极开路门(Open Collector Gate)是一种输出端可以直接相互连接的特殊逻辑门,简称OC门。 OC门电路将一般TTL与非门电路的推拉式输出级改为三极管集电极开路输出。下图给出了一个集电极开路与非门
20、的电路结构图和逻辑符号。,49,第三章 集成门电路与触发器,注意!集电极开路与非门只有在外接负载电阻RL和 电源UCC后才能正常工作。 集电极开路与非门在计算机中应用很广泛,可以用它实现“线与“逻辑、电平转换以及直接驱动发光二极管、干簧继电器等。,50,第三章 集成门电路与触发器,该电路实现了两个与非门输出相“与”的逻辑功能。由于该“与”逻辑功能是由输出端引线连接实现的,故称为“线与”逻辑。,51,第三章 集成门电路与触发器,(2) 三态输出门(TS门) 三态输出门有三种输出状态:输出高电平、输出低电平和高阻状态,前两种状态为工作状态,后一种状态为禁止状态。简称三态门(Three state
21、Gate)、TS门等。 注意 ! 三态门不是指具有三种逻辑值。,如何使电路处在工作状态和禁止状态? 通过外加控制信号!,52,第三章 集成门电路与触发器,例如,右图所示为一个三态输出与非门的电路结构图和逻辑符号。 该电路是在一般与非门的基础上,附加使能控制端和控制电路构成的。,该电路逻辑功能如下: EN=0:二极管D反偏,此时电路功能与一般与非门无区 别,输出 ; EN=1:一方面因为T1有一个输入端为低,使T2、T5截 止。另一方面由于二极管导通,迫使T3的基极电位变低,致 使T3、T4也截止。输出F便被悬空,即处于高阻状态。,53,第三章 集成门电路与触发器,因为该电路是在EN=0时为正常
22、工作状态,所以称为使 能控制端低电平有效的三态与非门。该电路的逻辑符号如 图中(b)所示。控制端加一个小圆圈表示低电平有效,并将 控制信号写成 。 若某三态与非门的逻辑符号在控制端未加小圆圈,且 控制信号写成EN时,则表明电路在EN=1时为正常工作状 态,称该三态与非门为使能控制端高电平有效的三态与非 门。,54,右图所示为用三态门构成的单向数据总线。 当某个三态门的控制端为1时,该逻辑门的输入数据经反相后送至总线。 为了保证数据传送的正确性,任意时刻,n个三态门的控制端只能有一个为1,其余均为0,即只允许一个数据端与总线接通,其余均断开,以便实现n个数据的分时传送。,三态与非门主要应用于总线
23、传送,它既可用于单向数据传送,也可用于双向数据传送。,第三章 集成门电路与触发器,55,第三章 集成门电路与触发器,如下图所示,用两种不同控制输入的三态门可构成的双向总线。,图中: EN=1时: G1工作,G2处于高阻状态,数据D1被取反后送至总线; EN=0时: G2工作,G1处于高阻状态,总线上的数据被取反后送到数据端D2。 实现了数据的分时双向传送。,56,第三章 集成门电路与触发器,3.3.2 CMOS集成逻辑门电路,MOS型集成门电路的主要优点:制造工艺简单、集成度高、功耗小、抗干扰能力强等;主要缺点:速度相对TTL电路较低。,MOS门电路有三种类型: 使用P沟道管的PMOS电路;
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