1 / 39

第 2 章 逻辑门电路

第 2 章 逻辑门电路. CMOS 门电路. TTL 门电路. 集成门电路的接口. F 1 = AB. F 2 = A + B. 问题的提出. 与非门 的逻辑功能： 输入有“ 0” ，输出为“ 1” 输入全为“ 1” ，输出才为“ 0”. 或非门 的逻辑功能： 输入有“ 1” ，输出为“ 0” 输入全为“ 0” ，输出才为“ 1”. =1. A. F. B. 问题的提出. 异或门 的逻辑功能： 输入相同，输出为“ 0” 输入不同，输出为“ 1”. F = A  B. ？.

nelle-rocha
Download Presentation

第 2 章 逻辑门电路

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第2章 逻辑门电路 CMOS门电路 TTL门电路 集成门电路的接口

  2. F1=AB F2=A+B 问题的提出 与非门的逻辑功能： 输入有“0”，输出为“1” 输入全为“1”，输出才为“0” 或非门的逻辑功能： 输入有“1”，输出为“0” 输入全为“0”，输出才为“1”

  3. =1 A F B 问题的提出 异或门的逻辑功能： 输入相同，输出为“0” 输入不同，输出为“1” F=AB ？ 内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？ ？ 内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？

  4. 本章的教学目标 ■ 理解CMOS门电路结构与工作原理 ■ 掌握CMOS门电路外特性，正确使用CMOS门电路 ■ 理解TTL门电路结构与工作原理 ■ 掌握TTL门电路外特性，正确使用TTL门电路

  5. TTL、ECL I2L、HTL 集 成 逻 辑 门 PMOS NMOS CMOS 门电路的分类 双极型集成逻辑门 按制造工艺分 MOS集成逻辑门 SSI（ ＜10个等效门） MSI（＜100个等效门） 按集成度分 LSI （＜104个等效门） VLSI（＞104个以上等效门）

  6. §2.1 CMOS门电路 MOS管的开关特性 CMOS反相器 CMOS与非门和或非门 CMOS门电路的电气特性 CMOS传输门 改进型CMOS门电路

  7. MOS管的开关特性 MOS管又称为绝缘栅型场效应三极管 （Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transisteor , MOSFET） MOS管分为N沟道MOS管（NMOS）和P沟道MOS管（PMOS），它们的工作原理基本相同。

  8. NMOS管的结构和符号 取一块P型半导体作为衬底，用B表示。 用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。 用光刻工艺腐蚀出两个孔。 扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分） 从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。 在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。

  9. MOS管的工作原理 1． vDS=0，vGS＞0 vGS＞0将在绝缘层产生电场， 该电场将SiO2绝缘层下方的空穴推走，同时将衬底的电子吸引到下方，形成导电沟道。 思考：何谓反型层？何谓开启电压？ 反型层 2． vDS＞0，vGS＞0 产生有漏极电流ID。这说明vGS对ID的控制作用。

  10. NMOS管和PMOS管的通断条件 NMOS 当vGS＞VTN时导通 当vGS＜VTN时截止 PMOS 当∣vGS∣＞VTP时导通 当∣vGS∣＜VTP时截止

  11. MOS管的电路模型 （1）当vGS=0时，rds可达到106Ω。当vGS增加时，rds减小，最小可达到10Ω左右，因此，MOS管可看成由电压控制的电阻。 （2）MOS管的门极有非常高的输入阻抗。

  12. 漏极相连做输出端 柵极相连做输入端 CMOS反相器  CMOS反相器的电路结构 PMOS NMOS

  13. 如果将0V定义为0，逻辑VDD定义为逻辑1，将实现逻辑“非”功能 。 CMOS反相器  CMOS非门的工作原理 1.当vI=0V时，vGSN=0V，VTN截止，∣vGSP∣=VDD，VTP导通，vO≈VDD，门电路输出输出高电平； 2.当vI=VDD时，VGSN=VDD，VTN导通，∣VGSP∣=0V，VTP截止，vO≈0V，门电路输出低电平。

  14. 通 通 止 止 CMOS或非门和与非门  CMOS与非门 1 0 0

  15. 止 通 通 止 CMOS或非门和与非门  CMOS二输入或非门 0 0 1

  16. 思 考 题  CMOS门电路结构上有什么特点？  如何分析CMOS门电路的逻辑功能？

  17. vO/V A B 5.0 1 vO vI V1 V2 C D 0 vI/V 1.5 3.5 5.0 CMOS门电路的电气特性 1．电压传输特性 用来描述输入电压和输出电压关系的曲线，就称为门电路的电压传输特性。 测量电路

  18. vO/V A B 5.0 C D 0 vI/V 1.5 3.5 5.0 CMOS门电路的电气特性 AB段：vI≤1.5V， VTN截止， VTP导通，输出电压vO≈VDD CD段：vI≥3.5V， VTN导通， VTP截止，输出电压vO≈0V BC段：1.5V≤vI≤3.5V ，VTP、VTN均导通。当vI =VDD／2时， VTP和VTN导通程度相当。

  19. CMOS门电路的电气特性 动态尖峰电流 AB段：VTN管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流几乎为0。 CD段：VTP管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流也几乎为0。 BC段：VTP管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流也几乎为0。

  20. CMOS门电路的电气特性 CD4000 系列门电路的极限参数（ VDD=5V） ◆　输出高电平电压VOH，VOH（min）= VDD-0.1V ◆输出低电平电压VOL，VOL（max）= 0.1V ◆输入高电平电压VIH，VIH（min）= 70%VDD ◆输入低电平电压VIL，VIL（max）= 30%VDD ◆阈值电压VTH=1/2VDD

  21. VOH（min） G1 G2 VIH（min） 1 1 VIL（max） VOL（max） CMOS门电路的电气特性 噪声容限 VNL=VIL（max）－VOL（max） 低电平噪声容限 VNH= VOH（min） － VIH（min） 高电平噪声容限

  22. CMOS门电路的电气特性 例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平VOL（max）=0.1V，最大输入低电平VIL（max）=1.5V，最小输出高电平 VOH（max）=4.9V，最小输入高电平VIH（max）=3.5V，则其低电平噪声容限VNL=。 （1）2.0V （2）1.4V （3）1.6V （4）1.2V VNL=VIL（max）－VOL（max） =1.5V－0.1V=1.4V

  23. CMOS门电路的电气特性 2. 静态输入特性 CMOS门电路的输入阻抗非常大。 优点：几乎不吸收电流。一般来说，高电平输入电流IIH≤1µA，低电平输入电流IIL≤1µA。 缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。 措施：输入级一般都加了保护电路。

  24. VDD X ≥1 Z ＆ X ≥1 Z Z X 1KΩ 悬空 1KΩ ＆ Z X (d ) (c) (a) (b) CMOS门电路的电气特性 讨论题：CMOS门电路多余引脚的处理。 将2输入的CMOS逻辑门转换成CMOS反相器，其中的一个引脚多余，请分析以下4种处理方法的合理性。 结论：CMOS门电路多余引脚不能悬空；输入引脚接一电阻到地相当于输入低电平。

  25. CMOS门电路的电气特性 3. 静态输出特性  当门电路输出低电平时 结论：灌电流（sinking current）负载提高了低电平输出电压VOL。 IOL：参数由厂商提供，对于CD4011，当VDD=5V，VO=0.4V时，IOL（min）=0.44mA

  26. CMOS门电路的电气特性 当门电路输出高电平时 结论：拉电流（sourcing current）负载降低了高电平输出电压VOH。 IOH：参数由厂商提供，对于CD4011，当VDD=5V，VO=4.6V时，IOHmin =0.44mA

  27. CMOS门电路的电气特性 扇出系数 低电平时扇出系数： 高电平时扇出系数：

  28. vI vO tPHL tPLH CMOS门电路的电气特性 4. 动态特性  传输延迟时间（Popagation Delay） 平均传输延迟时间

  29. CMOS门电路的电气特性  动态功耗 CMOS门电路的静态功耗非常低。 （1）由负载电容产生的动态功耗

  30. CMOS门电路的电气特性  动态功耗 （2）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗 （3）总的动态功耗

  31. CMOS门电路的电气特性 【例2. 3】有一CMOS反相器，已知电源电压VDD=5V，静态电源电流IDD=1μA，负载电容CL=70pF，功耗电容CPD=14pF。输入信号加入标准方波信号，频率为200kHz，试计算其空载时的静态功耗和动态功耗。 解：静态功耗为 PS=IDDVDD=10-6×5W=0.005mW 动态功耗PD可根据式计算得到

  32. CMOS电路的特点 1. 功耗小：CMOS门工作时，总是一管导通另一管截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小； 2. CMOS集成电路功耗低内部发热量小，集成度可大大提高； 3. 抗幅射能力强，MOS管是多数载流子工作，射线辐 射对多数载流子浓度影响不大； 4. 电压范围宽：CMOS门电路输出高电平VOH ≈ VDD，低电平VOL ≈ 0V； 5. 输出驱动电流比较大：扇出能力较大，一般可以大于50； 6. 在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好。

  33. CMOS传输门 电路结构和工作原理： 传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。 当C为低电平时， VTN、VTP截止，传输门断开； 当C为高电平时， VTN、VTP中至少有一只管子导通，使vO=vI，传输门接通。

  34. CMOS传输门 传输门的应用： （1）构成组合逻辑电路 当S=0时，Z=X；当S=1时，Z=Y。为2选1数据选择器。

  35. CMOS传输门 （2）构成模拟开关 控制模拟信号传输的一种电子开关，通与断是由数字信号控制的。

  36. 改进型CMOS门电路 CMOS门电路几种常见系列： （1）CD4000系列：基本系列，速度较慢 （2）74HC系列：速度比CD4000系列提高近10倍 （3）74HCT系列：与LSTTL门电路兼容 （4）LVC系列：低电压系列 （5）BiCMOS系列

  37. 改进型CMOS门电路 BiCMOS反相器 当vI输入高电平时，VTN1、VTN2和VT2导通，VTP、VTN3和VT1截止，vO输出低电平。 当vI输入低电平时，VTP1、VTN3和VT1导通，VTN1、VTN2和VT2截止，vO输出高电平。输入和输出实现非逻辑。

  38. 改进型CMOS门电路 BiCMOS门电路的结构特点 （1）BiCMOS门的输出电路总是由两个NPN晶体管组成推拉式结构。 （2）连接上方（射随输出）晶体管基极的内部电路总是该门电路的基本功能电路部分。 （3）下方（反相输出）晶体管基极上的信号总是上方晶体管基极信号的反。

  39. 本节作业 习题 1、2、3

More Related