第2章邏輯門電路 邏輯門 完成一些基本邏輯功能的電子電路 現使用的主要為集成邏輯門 首先介紹晶體管的開關特性 著重討論的TTL和CMOS門電路的邏輯功能和電氣特性 簡要介紹其他類型的雙極型和MOS門電路 2 1晶體管的開關特性 在數字電路中 常將半導體二極管 三極管和場效應管作為開關元件使用 理想開關 接通時阻抗為零 斷開時阻抗為無窮大 兩狀態之間的轉換時間為零 實際半導體開關 導通時具有一定的內阻 截止時有一定的反向電流 兩狀態之間的轉換需要時間 2 1 1半導體二極管的開關特性 下面以硅二極管為例 1 導通條件及導通時的特點 2 截止條件及截止時的特點 3 開關時間 開啟時間 由反向截止轉換為正向導通所需要的時間 二極管的開啟時間很小 可忽略不計 關斷時間 由正向導通轉換為反向截止所需要的時間 二極管的關斷時間大約幾納秒 1 飽和導通條件及飽和時的特點 飽和導通條件 飽和導通時的特點 VBE 0 7VVCE VCES 0 1 0 3V 發射極和集電極之間如同閉合的開關 2 1 2半導體三極管的開關特性 2 截止條件及截止時的特點 截止條件 VBE 0 5V 硅三極管發射結導通電壓 截止時的特點 發射結和集電結均為反向偏置 IB IC 0 發射極和集電極之間如同斷開的開關 三極管開關的近似直流等效電路 3 開關時間 開啟時間ton 三極管由截止到飽和所需要的時間 納秒 ns 級 關斷時間toff 三極管飽和由到截止所需要的時間 納秒 ns 級 toff ton toff的大小與工作時三極管飽和導通的深度有關 飽和程度越深 toff越長 反之則越短 2 1 3MOS管的開關特性 MOS管的三個工作區 截止區 非飽和區 飽和區 MOS管作開關使用時 通常工作在截止區和非飽和區 數字集成電路中常用的MOS管為P溝道增強型和N溝道增強型 NMOS管開關電路 1 導通條件及導通時的特點 以NMOS管為例 導通條件 VGS VTN VTN為NMOS管的開啟電壓 導通時的特點 在開關電路中 MOS管導通時一般工作在非飽和區 這時要求VGS VTN VDS 導通電阻RDS為幾百歐姆 2 截止條件及截止時的特點 截止條件 VGS VTN 截止時的特點 漏 源之間沒有形成導電溝道 呈高阻狀態 阻值一般為109 1010 MOS管截止 NMOS管開關近似直流等效電路 3 開關時間 MOS管本身的開關時間很小 組成開關電路時 由于管子間的寄生電容和布線電容的存在 加上MOS管的輸入 輸出阻抗較大 使輸入 輸出電路的充放電時間常數增加 影響了開關時間 2 2分立元件門電路 2 2 1二極管門電路 1 二極管與門 假設 二極管為理想開關 輸入信號VIL 0V VIH 3V 綜上所述 電路為二極管與門 分兩種情況分析 1 A B C三端輸入均為3V 二極管DA DB DC均導通F 3V 2 A B C三端輸入有0V信號輸入時 如A B為0V C端輸入3V 二極管DA DB導通 DC截止F 0V 2 二極管或門 假設 二極管為理想開關 輸入信號VIL 0V VIH 3V 分兩種情況分析 A B C三端輸入均為0V 二極管DA DB DC均導通F 0V 2 A B C三端輸入有3V信號輸入時 如A B為3V C端輸入0V 二極管DA DB導通 DC截止F 3V 2 2 2三極管門電路 1 非門 工作原理 設三極管電流放大倍數 30 Vi 0V 則三極管基極電位VB 0V 滿足截止條件VBE 0 5V 三極管截止 IC 0 VO Vcc 3V 為高電平 而三極管飽和時所需要的最小基極電流IBS ICS Vcc VCE RC 3 0 3 1 30 0 09mA Vi 3V 三極管飽和 因為飽和時VB 0 7V 基極電流IB Vi VB R1 VB VBB R2 3 0 7 1 5 0 7 5 10 0 96mA 結論 由于IB IBS所以 三極管飽和 輸出為低電平 VO 0 1 0 3V TTL電路分類 中速TTL 高速TTL HTTL 肖特基TTL STTL 低功耗TTL LTTL 低功耗肖特基TTL LSTTL 先進低功耗肖特基TTL ALSTTL 等 2 3TTL門電路 三極管 三極管邏輯門電路 TTL 是指輸入端和輸出端都用三極管的電路 簡稱TTL電路 是雙極型數字集成電路 2 3 1TTL與非門典型電路及其工作原理 1 電路組成 電路分三個部分 輸入級 中間級 輸出級 輸入級 R1 T1 D1 D2 T1為多發射極晶體管 D1 D2為鉗位二極管 起保護T1管的作用 中間級 R2 T2 R3 分相 放大作用 輸出級 R4 T4 T5 D3 輸出級特點 靜態功耗低 開關速度快 這種電路結構稱為推拉式電路 2 工作原理 設輸入信號高低電平分別為ViH 3 4V ViL 0 2V PN結正向導通電壓為0 7V 三極管電流放大倍數 20 一 輸入中有低電平 T1管發射結導通 T1管飽和 由于T2基極電壓僅為0 3V 故T2 T5均截止 T4 D3導通 輸出約為3 6V 5 0 7 0 7 3 6 輸出高電平1 二 輸入均為高電平 T1管處于倒置工作狀態 be結反偏 bc結正偏 T2管處于飽和工作狀態 T4管處于截止工作狀態 T5管處于飽和工作狀態 F輸出為 0 2 3 2TTL與非門的電壓傳輸特性 電壓傳輸特性是指輸出電壓VO隨輸入電壓VI的變化規律 VO f VI 1 特性曲線分析 截止區 T5管截止 線性區 T5管截止 T4管處于放大區 射極跟隨輸出 轉折區 T2 T5由放大進入飽和 T4進入截止 飽和區 T5管飽和 VOH VOL VTH 2 主要參數 1 輸出高電平VOH 低電平VOL 2 閾值電壓VTH 轉折區中間點對應的輸入電壓 約為1 4V 3 輸入端噪聲容限VNH VNL 2 3 3TTL與非門的靜態輸入與輸出特性 1 輸入特性 1 輸入伏安特性 II f Vi 定義 電流流入T1的發射極方向為正方向 2 反映出的主要參數 1 IIL 輸入低電平電流 2 IIH 輸入高電平電流 IIH約在40 A以下 作為前級門的拉電流負載 作為前級門的拉電流負載 2 輸入端負載特性 在門輸入端和地之間接電阻Ri 當電阻從0 逐步增加時 由于電阻內部有電流流過 會使電阻兩端電壓Vi逐步增加 當T1管飽和導通時 Roff 0 9k Ron 3k 當Ri小于R0ff時 輸入為低電平 當Ri高于Ron時 輸入為高電平 3 輸出特性 1 灌電流工作情況 驅動門輸出為低電平 T5管飽和 T4管截止 負載門電流流入驅動門 流入驅動門的電流值IL取決于和驅動門相連接的負載門個數 即IL NIIL IIL為負載門低電平輸入電流 約為1mA左右 由曲線可見 對所分析的電路 當灌電流不超過16mA時 VO不超過VOLmax 0 4V 稱帶灌電流負載能力IOLmax 16mA 一個門在低電平時能驅動同類門的最大個數為 NOL IOLmax IIS 16 1 1 14 這里的IIS為輸入短路電流 2 拉電流工作情況 驅動門輸出為高電平 T5管截止 負載門輸入電流由驅動門提供 流出驅動門的電流值IH取決于和驅動門相連接的負載門的管腳的個數 即 從曲線上看 當IO大于5mA時 VO才開始出現下降趨勢 但決定IOHmax值的并不是VOHmax 而是器件的功耗 在上面討論的電路中 IOHmax約為400mA NOH IOHmax IIH 400 40 10 IH NIIH IIH為負載門高電平輸入電流 約為40 A左右 取min NOL NOH N定義為扇出系數 則min 14 10 10 2 3 4TTL與非門的動態特性 1 傳輸延遲時間tpd 傳輸延遲時間指門電路的輸出信號相對于輸入信號的延遲時間 一般tPLH tPHL 2 電源的動態尖峰電流 TTL門電路的功耗等于電源電壓VCC和電源電流ICC的乘積 由于VCC 5V為定值 所以ICC的大小就能反映功耗的大小 對于上述電路 穩態時 輸出為高電平時的電流ICCH 1 1mA 輸出為低電平時的電流ICCL 3 4mA 在動態情況下 特別是當輸出電平由低突然變為高的過渡過程中 在某個瞬間 會使門電路中的所有管子均導通 使電源電流出現尖峰脈沖 尖峰電流有時可達40mA 電源的動態尖峰電流引起的后果 使電源的平均電流加大 而且 工作頻率越高 平均電流增加越多 2 電源的動態尖峰電流通過電源和地線的內阻 形成系統內部的噪聲源 2 3 5其他類型的TTL門電路 具有不同輸入 輸出結構的門電路 除與非門外 TTL電路產品中還有各種功能的門 如或非門 異或門等 1 集電極開路門 OC門 以與非門為例說明 OC門的特點 1 實現線與功能 說明 普通的TTL電路不能將輸出端連在一起 輸出端連在一起 可能使電路形成低阻通道 使電路因電流過大而燒毀 由于OC門的集電極是開路的 要實現正常的邏輯功能 需外加上拉電阻 上拉電阻R的選取 n OC門輸出端并接的個數 m 負載門的輸入端總數 P 負載門的總數 2 作電平轉換器 改變和上拉電阻相連的電源值 可改變輸出高電平的值 3 作驅動器 OC門能輸出較大的電壓和電流 可直接作為驅動器驅動發光二極管 脈沖變壓器等 OC門的缺點 工作速度慢 原因 推拉式輸出結構被破壞 使輸出端負載電容的充電要經過RL 2 三態輸出門 TSL門 三態門 TSL門 的輸出有三個狀態 即 0 1和高阻 在使用中 由控制端 稱使能控制端 來控制電路的輸出狀態 當EN 1時 P 1 二極管截止 電路等效為普通與非門 2 當EN 0時 P 0 T4和T5均截止 輸出高阻態 三態門的基本用途為實現用一根導線輪流傳輸幾個不同的數據或控制信號 通常將接受多個門的輸出信號的線稱為總線 注意 在總線結構中 任一時刻僅允許一個門工作 2 3 6TTL數字集成電路的各種系列 主要改進1 傳輸延遲時間 2 功耗 3 轉換特性 TTL集成電路系列型號及性能表 系列標準系列低功耗肖特基系列肖特基系列先進低功耗肖特基系列高速系列先進肖特基系列快速系列低功耗系列 型號舉例740074LS0074S0074ALS0074F0074AS0074H0074l00 功耗 門P mW 102191410222 傳輸時延tpd ns 10103431 5635 時延功耗積Ptpd PJ 10020574121513235 電源電壓VCC 5V邏輯擺幅3 5V 2 4其它類型的雙極型數字集成電路 2 4 1ECL門電路 EmitterCoupledLogic ECL門電路是一種新型高速邏輯電路 內部采用高速電流開關型電路 內部放大器工作在放大區或截止區 從根本上克服了因飽和而產生的存儲電荷對速度的影響 ECL門電路是目前各類集成電路中速度最快的電路 1ECL門電路的工作原理 ECL門的核心電路是電流開關電路 電流開關電路實際上是一個差分放大器 設 VR 1 2V ViL 1 6V ViH 0 8V 0 95 當Vi ViL時 由于 VR 1 2V所以T2導通 T1截止 Ve VR 0 7 1 9V流過Re的電流為Ie 1 9 5 0 5 6 2mA 該電流全部流過T2管的集電極 VO2為VO2 IeRC2 0 8V顯然 T2工作在放大區 由于T1截止 所以VO1 0V 2 當Vi ViH時 由于VR 1 2V 所以T1導通 T2截止 Ve 0 8 0 7 1 5V 流過Re的電流為Ie 1 9 5 0 5 7mA該電流全部流過T1管的集電極 VO1為VO1 IeRC1 0 8V顯然 T1工作在放大區 由于T2截止 所以VO2 0V 2 實用的ECL門電路 電路由電流開關 基準電壓 射極跟隨器組成 T4 T5兩管 構成射極跟隨器 使輸入電壓和輸出電壓一致 同時使輸出負載能力提高 3 互補輸出 同時實現或和或非功能 3 ECL門電路的主要特點 1 速度快 開關管導通時工作在非飽和狀態 消除了存儲電荷效應 2 邏輯擺幅小 縮短了寄生電容的充放電時間 2 帶負載能力強 輸入阻抗高輸出阻抗低 3 邏輯功能強 互補輸出 4 功耗大 功耗包括電流開關 射極跟隨器 參考電源 5 抗干擾能力差 邏輯擺幅小 噪聲容限低所以抗干擾能力較低 特點 電路結構簡單 功耗低 適于制成大規模集成電路 1 工作原理 1單元電路的任何一個輸出端與輸入的關系都是非邏輯關系 2單元電路是一個多輸出反相器 3集電極開路 4不同單元電路的輸出端并接 實現線與邏輯 結構特點 2 主要特點 1 集成度高 2 速度功耗積小 3 抗干擾能力較差 4 工作速度低 主要用于制作大規模集成電路的內部邏輯電路 2 5CMOS門電路 MOS門電路具有制造工藝簡單 集成度高 功耗低 體積小 成品率高等優點 特別適用于中 大規模集成電路的制造 在目前數字集成電路產品中占據了相當大的比例 2 5 1CMOS反相器的電路結構 CMOS反相器電路圖 總是工作在一個導通而另一個截止的狀態 靜態功耗極小 圖中驅動管T2為NMOS管 負載管T1為PMOS管 為保證電路正常工作 電源電壓VDD大于兩管的開啟電壓的絕對值之和 當VI 0時 T2管截止 T1管導通 F 1 當VI 1 VDD 時 T2管導通 T1管截止 F 0 工作原理 2 5 2CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性 CMOS反相器的電壓傳輸特性 CMOS反相器的電流傳輸特性 2 5 3CMOS反相器的靜態輸入特性和輸出特性 1 輸入特性 CMOS反相器的輸入特性 2 輸出特性 vO VOL時的工作狀態 CMOS反相器的低電平輸出特性 vO VOH時的工作狀態 CMOS反相器的高電平輸出特性 2 5 4CMOS反相器的動態特性 1 傳輸延遲時間 CMOS反相器傳輸延遲時間的定義 2 動態功耗 當CMOS反相器從一種穩定工作狀態突然轉變到另一種穩定狀態的過程中 將產生附加的功耗 稱之為動態功耗 動態功耗由兩部分組成 一部分是因為T1和T2在短時間內同時導通所產生的瞬時導通功耗PT 另一部分是對負載電容充 放電所消耗的功率Pc 2 5 5其它類型的CMOS門電路 1 其他邏輯功能的CMOS門電路 CMOS與非門 CMOS或非門 2 漏極開路的CMOS門電路 OD門 用做輸出緩沖 驅動器 或者用于輸出電平的變換 可實現線與邏輯 漏極開路輸出的與非門 3 CMOS傳輸門 TG門 功能是 在控制信號的作用下 實現輸入和輸出間的雙向傳輸 CMOS傳輸門的電路結構和邏輯符號 工作原理 設兩管開啟電壓的絕對值為2V VDD 5V 輸入信號在0 5V內連續變化 關于CMOS傳輸門 1 由于MOS為對稱的 源極和漏極可以互換 輸入和輸出端也可互換 即CMOS傳輸門為雙向的 2 傳輸門和非門結合 可組成模擬開關 CMOS雙向模擬開關的電路結構和符號 CMOS三態非門 CMOS三態門可方便地用于構成總線結構 4 三態輸出的CMOS門電路 特點 1 功耗低