1、1 1第第3 3章章 數字電路數字電路介紹數字電路中的電氣知識介紹數字電路中的電氣知識數字邏輯設計及應用數字邏輯設計及應用2 23.1 3.1 邏輯信號和門電路邏輯信號和門電路如何獲得高、低電平？如何獲得高、低電平？高電平對應高電平對應 0 還是還是 1？VOUTVINVccR獲得高、低電平的基本原理獲得高、低電平的基本原理正邏輯正邏輯positivepositive10負邏輯負邏輯negativenegative103 33.1 3.1 邏輯信號和門電路邏輯信號和門電路從物理的角度從物理的角度考慮電路如何工作，工作中的電氣特性考慮電路如何工作，工作中的電氣特性實際物理器件不可避免的時間延遲問

2、題實際物理器件不可避免的時間延遲問題從邏輯角度從邏輯角度輸入、輸出的邏輯關系輸入、輸出的邏輯關系三種基本邏輯：與、或、非三種基本邏輯：與、或、非4 4基本邏輯運算：與（基本邏輯運算：與（ANDAND）0 0 00 1 01 0 01 1 1ABZ邏輯表達式邏輯表達式Z = A B開關：開關：1通、通、0斷斷燈：燈：1亮、亮、0不亮不亮當且僅當所有輸入當且僅當所有輸入全為全為1 1時，輸出為時，輸出為1 1真值表真值表&ABZABZ邏輯符號邏輯符號A B Z5 5基本邏輯運算：或（基本邏輯運算：或（OROR）邏輯表達式邏輯表達式：Z = A + BA B Z真值表真值表ABZ只要有任何一

3、個輸只要有任何一個輸入為入為1 1，輸出就為，輸出就為1 11ABZABZ邏輯符號邏輯符號0 0 00 1 11 0 11 1 16 6基本邏輯運算：非（基本邏輯運算：非（NOTNOT）A Z0 11 0真值表真值表邏輯表達式：邏輯表達式：Y = A = A AZR產生一個與輸產生一個與輸入相反的輸出入相反的輸出通常稱為反相器（通常稱為反相器（inverter）1ZAAZ邏輯符號邏輯符號7 7與非與非 和和 或非或非與非與非 邏輯表達式：邏輯表達式： Z = ( A B ) 邏輯符號：邏輯符號：或非或非 邏輯表達式：邏輯表達式： Z = ( A + B ) 邏輯符號：邏輯符號：&18

4、8邏輯運算邏輯運算 與非與非 或非或非 邏輯符號邏輯符號 邏輯表達式邏輯表達式 Y=(AB) Y=(A+B) A B 0 0 0 1 1 0 1 1 Y 1 1 1 0 Y 1 0 0 0 真真值值表表&19 93.2 3.2 邏輯系列邏輯系列（Logic FamilyLogic Family）同一系列的芯片具有類似的輸入、輸出同一系列的芯片具有類似的輸入、輸出及內部電路特征，但邏輯功能不同。及內部電路特征，但邏輯功能不同。不同系列的芯片可能不匹配不同系列的芯片可能不匹配 TTL邏輯系列邏輯系列 CMOS系列系列 10103.2 3.2 CMOSCMOS邏輯邏輯 CMOS邏輯電平邏輯電

5、平邏輯邏輯1（高態）（高態）邏輯邏輯0（低態）（低態）5.0V3.5V1.5V0.0V未定義未定義典型的典型的5V電源電壓電源電壓其它電源電壓：其它電源電壓：3.3V 或或 2.7V11 112 2、MOSMOS晶體管晶體管分為：分為：N溝道溝道 和和 P溝道溝道通常：通常：Vgs = 0 Vgs = 0 Rds很高（很高（106 ） 截止狀態截止狀態 Vgs Rds 導通狀態導通狀態漏極漏極 drain源極源極 source柵極柵極 gateVgs+N溝道溝道源極源極 source漏極漏極 drain柵極柵極 gate+VgsP溝道溝道1212MOSMOS晶體管晶體管分為：分為：N溝道溝道

6、和和 P溝道溝道源極源極 source漏極漏極 drain柵極柵極 gate+VgsP溝道溝道通常：通常：Vgs 兆歐）兆歐）無論柵電壓如何無論柵電壓如何 柵漏、柵源之間幾乎沒有電流柵漏、柵源之間幾乎沒有電流 （漏電流（漏電流 leakage current , A）柵極與源和漏極之間有電容耦合柵極與源和漏極之間有電容耦合 信號轉換時，電容充放電，功耗較大信號轉換時，電容充放電，功耗較大1414MOSMOS管的基本開關電路管的基本開關電路vI+vO+iD+ VDDRDDGS只要電路參數選擇合理只要電路參數選擇合理輸入低，截止，輸出高輸入低，截止，輸出高輸入高，導通，輸出低輸入高，導通，輸出低1

7、5153 3、基本的、基本的CMOSCMOS反相器反相器工作原理工作原理1、VIN = 0.0VVGSN = 0.0V，Tn截止截止VGSP = VIN VDD = 5.0V，Tp導通導通VOUT VDD = 5.0V2、VIN = VDD = 5.0VVGSN = 5.0V，Tn導通導通VGSP = VIN VDD = 0.0V ，Tp截止截止VOUT 0VDD = +5.0VVOUTVINTpTnGDSS16164 4、CMOSCMOS與非門與非門 工作原理：工作原理：1、A、B只要有一個為低只要有一個為低 T1、T3至少有一個截止，至少有一個截止， T2、T4至少有一個導通；至少有一個導

8、通；Z為高（為高（ VDD）2、A、B都為高都為高 T1、T3都導通，都導通， T2，T4都截止，都截止， Z為低（為低（ 0V）VDD = +5.0VZABT1T2T4T317174 4、CMOSCMOS或非門或非門工作原理：工作原理： 1、A、B都為低都為低 T1、T3都截止，都截止， T2，T4都導通，都導通， Z為高（為高（ VDD） 2、A、B至少有一個為高至少有一個為高 T1、T3至少有一個導通，至少有一個導通， T2、T4至少有一個截止；至少有一個截止； Z為低（為低（ 0V）VDD = +5.0VZABT1T2T4T318185 5、扇入（、扇入（fanfaninin）門電路所

9、具有的輸入端的數目門電路所具有的輸入端的數目導通電阻的可加性限制了導通電阻的可加性限制了CMOS門的扇入數門的扇入數可用較少輸入門級聯得到較多的輸入可用較少輸入門級聯得到較多的輸入19196 6、非反相門、非反相門VDD = +5.0VAZ非反相緩沖器非反相緩沖器2020VDD = +5.0VABZCD7 7、CMOSCMOS與或非門與或非門21213.4 3.4 CMOSCMOS電路的電氣特性電路的電氣特性邏輯電壓電平邏輯電壓電平直流噪聲容限直流噪聲容限扇出扇出速度速度功耗功耗噪聲噪聲靜電放電靜電放電漏極開路輸出、三態輸出漏極開路輸出、三態輸出物理上的物理上的而不是邏輯上的而不是邏輯上的22

10、223.5 3.5 CMOSCMOS穩態電氣特性穩態電氣特性邏輯電平和噪聲容限邏輯電平和噪聲容限VDD = +5.0VVOUTVINTpTnVOUTVIN5.01.53.55.0電壓傳輸特性電壓傳輸特性2323邏輯電平規格邏輯電平規格高態高態不正常狀態不正常狀態低態低態VOLmaxVILmaxVIHminVOHminVCC0.1V地地0.1V0.7VCC0.3VCC2424直流噪聲容限直流噪聲容限（DC noise marginDC noise margin）多大的噪聲會使最壞輸出電壓被破壞得不可識別多大的噪聲會使最壞輸出電壓被破壞得不可識別高態高態不正常狀態不正常狀態低態低態VOLmaxVI

11、LmaxVIHminVOHmin30%VCC0.1V2525帶電阻性負載的電路特性帶電阻性負載的電路特性要求有一定的驅動電流才能工作要求有一定的驅動電流才能工作VCCAZVCCRThevRpRnVThev +VOUTVIN2626VCC = + 5.0VRp1M Rn電阻性電阻性負載負載VOLmaxIOLmax輸出為低態時輸出為低態時 VOUT 1M 電阻性電阻性負載負載VOHminIOHmax輸出為高態時輸出為高態時 VOUT = VOHmin輸出端提供電流輸出端提供電流 sourcing current能提供的最大電流能提供的最大電流 IOHmax （拉電流）（拉電流）2828非理想輸入時

12、的電路特性非理想輸入時的電路特性VCC = + 5.0V400 2.5k VIN 1.5VVOUT 4.31VVCC = + 5.0V4k 200 VIN 3.5VVOUT 0.24V輸出電壓變壞（有電阻性負載時更差）輸出電壓變壞（有電阻性負載時更差）更糟糕的是：輸出端電流更糟糕的是：輸出端電流 ，功耗，功耗 2929扇出（扇出（fan-outfan-out）在不超出其最壞輸出電平的條件下，在不超出其最壞輸出電平的條件下， 一個邏輯門能驅動的輸入端個數。一個邏輯門能驅動的輸入端個數。扇出需考慮輸出高電平和低電平兩種狀態扇出需考慮輸出高電平和低電平兩種狀態 總扇出總扇出minmin（高態扇出，低

13、態扇出）高態扇出，低態扇出）直流扇出直流扇出 和和 交流扇出交流扇出3030負載效應負載效應 當輸出負載大于它的扇出能力時（當輸出負載大于它的扇出能力時（P77）輸出電壓變差（不符合邏輯電平的規格）輸出電壓變差（不符合邏輯電平的規格）傳輸延遲和轉換時間變長傳輸延遲和轉換時間變長溫度可能升高，可靠性降低，器件失效溫度可能升高，可靠性降低，器件失效3131不用的不用的CMOSCMOS輸入端輸入端不用的不用的CMOS輸入端絕不能懸空輸入端絕不能懸空XZ1k +5VXZXZ增加了驅動信號的電增加了驅動信號的電容負載，使操作變慢容負載，使操作變慢3232電流尖峰和去耦電容器電流尖峰和去耦電容器電流傳輸特

14、性電流傳輸特性iDvI12VDDVDD = +5.0VVOUTVINTpTncurrent spikea & decoupling capacitorscurrent spikea & decoupling capacitors33333.6 3.6 CMOSCMOS動態電氣特性動態電氣特性考慮兩個方面：速度、功耗考慮兩個方面：速度、功耗轉換時間轉換時間傳播延遲傳播延遲3434轉換時間轉換時間考慮兩個因素：考慮兩個因素：晶體管的晶體管的“導通導通”電阻電阻寄生電容（寄生電容（stray capacitance）VCC = + 5.0VRLRpRnVL+CL電容兩端電壓不能突變電

15、容兩端電壓不能突變在實際電路中在實際電路中可用時間常數可用時間常數近似轉換時間近似轉換時間P79 圖圖3-36上升時間上升時間t tr r下降時間下降時間t tf f 3535傳播延遲傳播延遲P83 圖圖3-42VINVOUTpLHtpHLt信號通路：信號通路：一個特定輸入信號到邏輯元件的一個特定輸入信號到邏輯元件的 特定輸出信號所經歷的電氣通路。特定輸出信號所經歷的電氣通路。3636功率損耗功率損耗動態功耗的來源：動態功耗的來源：兩個管子瞬間同時導通兩個管子瞬間同時導通產生的功耗產生的功耗 PT對負載電容充、放電所對負載電容充、放電所產生的功耗產生的功耗 PLVDD = +5.0VVOUTV

16、INTpTn分為：靜態功耗、動態功耗分為：靜態功耗、動態功耗CL3737功率損耗功率損耗動態功耗的來源：動態功耗的來源：兩個管子瞬間同時導通兩個管子瞬間同時導通產生的功耗產生的功耗 PT對負載電容充、放電所對負載電容充、放電所產生的功耗產生的功耗 PL分為：靜態功耗、動態功耗分為：靜態功耗、動態功耗V VCC CC 的大小的大小輸入波形的好壞輸入波形的好壞輸入信號頻率輸入信號頻率負載電容負載電容輸入信號頻率輸入信號頻率 ( (V VCC CC ) ) 2 2 38383.6 3.6 CMOSCMOS動態電氣特性動態電氣特性考慮兩個方面：考慮兩個方面：速度速度功耗功耗轉換時間（轉換時間（tran

17、sition time）傳播延遲（傳播延遲（propagation delay）靜態功耗（靜態功耗（static power dissipation）動態功耗（動態功耗（dynamic power dissipation）39393.7 3.7 其他其他CMOSCMOS輸入輸出結構輸入輸出結構傳輸門傳輸門當當EN = 0EN = 0，EN_L = 1EN_L = 1， 晶體管截止，晶體管截止， A A、B B斷開斷開當當EN = 1EN = 1，EN_L = 0EN_L = 0， 晶體管導通，晶體管導通， A A、B B之間低之間低 阻抗連接阻抗連接v雙向器件雙向器件v傳播延遲非常短傳播延遲非

18、常短ENEN_LAB4040施密特觸發器輸入施密特觸發器輸入VOUTVIN5.02.1 2.95.0電壓傳輸特性電壓傳輸特性VT+VT-輸輸入入門限門限電壓電壓VT+VT-采用內部反饋，邊沿更陡采用內部反饋，邊沿更陡滯后：滯后：兩個門限電壓之差兩個門限電壓之差邏輯符號：邏輯符號：4141三態輸出三態輸出VCCOUTENA當當EN=0EN=0時，時， C=1, Tp C=1, Tp截止截止 B=1, D=0, Tn B=1, D=0, Tn截止截止 高阻態高阻態（懸空態）（懸空態）當當EN=1EN=1時，時， C=A C=A , B=0 , D=A , B=0 , D=A 由由A A控制輸出為控制輸出為 邏輯邏輯0 0 或或 邏輯邏輯1 1BCDTpTnAENOUT邏輯符號邏輯符號4242輸出電平？輸出電平？造成邏輯混亂造成邏輯混亂很大的負載電流很大的負載電流同時流過輸出級同時流過輸出級可使門電路損壞可使門電路損壞漏極開路輸出漏極開路輸出VCCAZ有源上拉有源上拉active pull-upVCCB低低高高有源上拉的有源上拉的CMOSCMOS器件器件其輸出端不能直接相聯其輸出端不能直接相聯100 1M 100 1M 4343漏極開路輸出漏極開路輸出ABZVCCVCCR 上拉電阻上拉電阻ABZ邏輯符號邏輯符號希望盡量小，減少上升時間希望盡量小，減少上升時間太小則吸收電流太大太小則吸收