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数字逻辑电路

数字逻辑电路. 第 2 章 集成门电路. 第 2 章 　集成门电路. 2.1 概述 2.2 CMOS 门电路 2.3 双极型门电路 2.4 BICMOS 门电路 2.5 集成门电路的应用举例. 2.1 概述 一、集成门电路按其内部有源器件的分类 ㈠双极型晶体管 TTL( 晶体管 ―― 晶体管逻辑 ) 集成门电路，包括 LSTTL( 低功 耗肖特基 TTL) ， ECL( 射极耦合逻辑 ) 电路和 I 2 L( 集成注入逻辑 ) 电路等几种类型。 特点：工作速度高，驱动能力强，但功耗大，集成度低。

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  1. 数字逻辑电路 第2章 集成门电路

  2. 第2章 　集成门电路 2.1 概述 2.2 CMOS门电路 2.3 双极型门电路 2.4 BICMOS门电路 2.5 集成门电路的应用举例

  3. 2.1 概述 一、集成门电路按其内部有源器件的分类 ㈠双极型晶体管TTL(晶体管――晶体管逻辑)集成门电路，包括LSTTL(低功 耗肖特基TTL)，ECL(射极耦合逻辑)电路和I2L(集成注入逻辑)电路等几种类型。 特点：工作速度高，驱动能力强，但功耗大，集成度低。 ㈡单极型MOS集成门电路，包括NMOS、PMOS、CMOS、LDMOS(横向 扩散MOS) 、VDMOS(垂直扩散 MOS) 等几种类型。 特点：功耗极低，成本低，电源电压范围宽，集成度高，抗干扰能力强， 输入阻抗高，扇出能力强。 ㈢BiCMOS门电路（Bipolar CMOS），（又称绝缘栅晶体管门电路，）是由 MOS集成门电路与双极型推拉式输出电路组合。 特点：综合了CMOS功耗低、集成度的优势及双极型驱动能力强的长处。 二、集成门电路按其集成度的分类 小规模集成电路SSI，每片组件包含10～20个等效门。 中规模集成电路MSI，每个组件包含20～100个等效门。 大规模集成电路LSI，每组件内含100～1000个等效门。 超大规模集成电路VLSI，每片组件内含1000个以上等效门。 常用的逻辑门和触发器采用SSI。编码器、译码器、数据选择器、数据分配 器、加法器、计数器、移位寄存器、锁存器等组件都采用MSI。 集成电路正朝着高速低耗、高集成度的方向发展。

  4. 2.2 CMOS门电路 一、CMOS集成门电路的外部特性和主要参数 1.CMOS集成门电路的外部特性 CMOS门电路对外部呈现的电气特性主要包括：括号内( )表示期望指标。 静态特性——输入特性（输入阻抗高）、输出特性（驱动能力大且对称性 好）、电压传输特性（输出电平转换徒峭）； 动态特性——传输延迟时间（延迟时间短）、交流噪声容限（容限大）、动 态功耗（功耗小）等。 2.CMOS集成门电路主要参数的特点 （1）VOH（min）=0.9VDD； VOL（max）=0.01VDD。 所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。 （2）阈值电压Vth约为VDD/2。 （3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。 因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。 （4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门； （5）因为CMOS电路有极高的输入阻抗(GΩ数量级)，故其扇出系数很大，可达50。

  5. 1 Y A A A & Y B A ≥1 Y Y=A＋B B & A B Y=AB Y A B ≥1 Y 2.2 CMOS门电路 二、CMOS集成门电路逻辑函数及逻辑符号 （1）CMOS非门（反相器） Y= （2）CMOS与门Y=AB CMOS或门Y=A＋B （3）CMOS与非门 CMOS或非门电路

  6. & ≥1 A B CD =1 =1 A B A B Y Y Y A＋B Y=AB＋CD A＋B 2.2 CMOS门电路 二、 CMOS集成门电路逻辑函数及逻辑符号 （4）CMOS与或非门 （5）CMOS异或门 F= CMOS同或门 F= =A⊙B

  7. EN EN EN EN EN A 1 A B & A B ≥1 Y Y Y EN & A B Y ＋UDD Y Y=A1B1·A2B2=A1B1＋A2B2 A2 B2 A1 B1 & & 2.2 CMOS门电路 二、 CMOS集成门电路逻辑函数及逻辑符号 （6）CMOS三态门，又称3S门(当 =0时，即电路内部的EN=1，输出与输入 之间为正常的逻辑关系；当 =1时，即电路内部的EN=0，输出端呈现高阻抗。) CMOS三态非门 CMOS三态与非门 CMOS三态或非门 （7）CMOS漏极开路门（OD门） 两个OD门的“线与”连接电路图，其逻辑关系如下：

  8. C uo uI TG C C uo/uI uI/u0 TG 2.2 CMOS门电路 二、 CMOS集成门电路逻辑函数及逻辑符号 （8）CMOS传输门 当C=1时，输入信号被传送到输出端； 当C=0时，输入端与输出端被隔断。 CMOS双向模拟开关 当C=1时，传输门导通； 当C=0时，传输门断开。

  9. 2.3 双极型门电路 一、各种双极型集成门电路及其主要参数 半导体三极管又称双极型三极管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）， 由它构成的双极型集成门电路分有下列三种： LSTTL —— 低功耗肖特基晶体管—晶体管逻辑集成电路。它是双极型集成门 电路中最常用的集成电路。 ECL（Emitter-Coupled Logic） —— 射极耦合逻辑集成电路。其单门延迟时 间是所有门电路中最小（约几十ps的数量级），但抗干扰能力差、功耗较大，尤 其是使用 －5V 电压，以致与其它门电路的接口十分不便。 I2L（Integrated Injection Logic简称IIL）—— 集成注入逻辑集成电路。它全 部由晶体管组成，没有电阻，所以电路结构十分简单，在双极型中其功耗最低、 集成度最高，但抗干扰能力差、开关速度低、输出的电压幅度小(约0.6V)，在国 内市场上已很少见。 这三种双极型集成门电路与CMOS门电路的主要电特性的参数比较见表2.8。

  10. 表2.8 三种双极型集成门电路与CMOS门电路的主要电特性的参数比较 2.3 双极型门电路 一、各种双极型集成门电路及其主要参数

  11. & A B Y 图2.30 四2输入与非门74LS00中的 一个2输入与非门逻辑符号图 2.3 双极型门电路 二、LSTTL与非门、或非门电路 1. LSTTL与非门 LSTTL与非门电路如图2.28(c)所示。 该电路可以看作由二极管D1、D2构成的 与门、三极管T2构成的非门及用三极管 T3、T4取代R3′，T2的BE结取代RB的 改进型与非门的组合。 四2输入与非门74LS00中的一个2输 入与非门逻辑符号如图2.30。 图2.28（图2.30） LSTTL 与非门电路的构成

  12. 图2.31 四2输入或非门74LS02集成电路内部结构图 2.3 双极型门电路 二、LSTTL与非门、或非门电路 2. LSTTL或非门 四2输入或非门74LS02内部电路及其中一个2输入或非门逻辑符号如图2.31 所示。

  13. 图2.32 74LS00集成电路的输入特性 2.3 双极型门电路 三、LSTTL门电路的外部特性 1. LSTTL门电路的静态特性 ① LSTTL门电路的输入特性ii－ui如图2.32所示

  14. uo/V 3 2 1 -30 -20 -10 0 10 20 30 io/mA 图2.33 74LS00集成电路的输出特性 2.3 双极型门电路 三、LSTTL门电路的外部特性 1. LSTTL门电路的静态特性 ② LSTTL门电路的输出特性uo－io如图2.33所示

  15. 图2.36 四2输入与非门电路74LS00的电压传输特性 2.3 双极型门电路 三、LSTTL门电路的外部特性 1. LSTTL门电路的静态特性 ③LSTTL门电路的电压传输特性 uo－ui 如图2.36所示

  16. 2.3 双极型门电路 三、LSTTL门电路的外部特性 1. LSTTL门电路的静态特性 ④ LSTTL门电路的抗干扰特性——噪声容限VN LSTTL门电路的： 输入低电平噪声容限VNL=0.3V， 输入高电平噪声容限VNH=0.5V。 如图2.37所示噪声容限示意图。 图2.37 LSTTL门电路噪声容限示意图

  17. 2.3 双极型门电路 三、LSTTL门电路的外部特性 2. LSTTL门电路的动态特性 ①LSTTL门电路的平均传输延迟时间TP。由于二极管和三极管由导通到截 止或者由截止到导通都需要时间，且受到电路中的寄生电容和负载电容等的影 响，电路的输出波形总是滞后于输入波形 。(参见p.45之图2.22 CMOS反相器传 输延迟时间波形图) ②LSTTL门电路的动态尖峰电流。当输入电压突然由高电平变为低电平时， (主要是)在电源电流脉冲的下边沿产生了高尖峰，这就是动态尖峰电流。正如 p.57的图2.38所示。

  18. 2.3 双极型门电路 四、LSTTL门电路的温度特性 温度变化对LSTTL门电路电气性能的影响比对CMOS门电路影响大得多，主 要是： 1. 漏电流随温度升高而增大，从而使电路的输出驱动能力将下降。 2. 输出高电平随温度降低而降低，根据噪声容限的概念，输出高电平的降低则使系统的抗干扰能力降低。 3. LSTTL门电路的阈值电压VT随着温度的升高而下降；当温度从－55℃上升到 +125℃时，VT将下降300mV以上。

  19. BiPolar BiPolar BiPolar 图2.45 BiCMOS反相器电路图 2.4 BiCMOS门电路 一、 BiCMOS门电路 1.BiCMOS反相器 BICMOS反相器，如图2.45所示。见图2.45，(a)中的N1和P1，N2和P2组成 前、后级非门；(b)和(c)是由(a)演变而来的，功能完全一样。

  20. A＋B Y=AB Y=A＋B BiPolar BiPolar AB (b) BiCMOS与非门 (a) BiCMOS或非门 图2.46 BiCMOS或非门及与非门 2.4 BiCMOS门电路 一、 BiCMOS门电路 2.BiCMOS或非门及与非门 BiCMOS或非门如图2.46 (a)所示，N1、N2和P1、P2组成基本的CMOS或非 门电路，其输出为 ，经Q1射极输出跟随器输出，因此 。 BiCMOS与非门如图2.46 (b)所示，N1、N2和P1、P2组成基本的CMOS与非 门电路，其输出为 ，经Q1射极输出跟随器输出，因此 。

  21. 2.4 BiCMOS门电路 二、BICMOS反相器的外部特性 1.BiCMOS门电路反相器的输入、输出特性 BiCMOS门电路的输入特性与CMOS门电路完全相同，如下图所示；因为输 入电路结构同CMOS电路。BiCMOS电路用双极型晶体管作为输出极，所以同样 具有很强的带有负载能力。ABT系列的BiCMOS缓冲/驱动器的 IOH可达32μA ， IOL可达64mA。

  22. 图2.47 BICMOS反相器的电压传输特性 2.4 BiCMOS门电路 二、BICMOS反相器的外部特性 2.BiCMOS门电路反相器的电压传输特性 图2.45(a) 所示的BiCMOS反相器在UDD=5V时的电压传输特性如图2.47所 示。从图中看见，BiCMOS的噪声容限比CMOS稍差，阈值电压UT比UDD稍低。

  23. 2.4 BiCMOS门电路 二、BICMOS反相器的外部特性 3.BiCMOS门电路的传输延迟时间 空载时BiCMOS电路的传输延迟时间主要由电路内部的电容C的容量决定，在小电容负载时，BiCMOS电路的开关特性比CMOS差，因为晶体管输出级的加入给电路增加了结电容并多了一级延迟。但当负载电容CL＞0.1pF后，传输延迟时间明显改善。BiCMOS电路的开关速度提高幅度较大，明显优于CMOS电路，目前，0.6μm的BiCMOS最高工作频率达到225MHZ，而该电路的低电压性能仍不够理想。

  24. 2.5 集成门电路的应用举例 一、集成门电路的使用常识 1.存放CMOS集成电路时要屏蔽，一般放在金属容器中，或用导电材料将引 脚短路，不要放在易产生静电高压的化工材料或化纤织物中。 2.焊接CMOS电路时，一般用20W内热式电烙铁，而且烙铁要有良好的接地 线；也可以用电烙铁断电后的余热快速焊接；禁止在电路通电情况下焊接。 3.为了防止输入端保护二极管反向击穿，输入电压必须处在VDD和VSS之间， 即VDD≥Vi≥VSS。 4.测试CMOS电路时，如果信号电源和电路供电采用两组电源，则在开机时 应先接通电路供电电源，后开信号电源。关机时，应先关信号电源，后关电路供 电电源，即在CMOS电路本身没有接通供电电源的情况下，不允许输入端的信号 输入。

  25. +Ucc +Ucc +Ucc & & R uo uo & ui{ ui{ uo ui{ （a） (b) (c) 图2.48 与非门多余输入端的处理 2.5 集成门电路的应用举例 一、集成门电路的使用常识 5.多余输入端绝对不能悬空，否则容易接受外界干扰，破坏了正常的逻辑 关系，甚至损坏。 ①对于与门、与非门的多余输入端应接VDD或高电平或与使用的输入端并联，见 图2.48所示。

  26. +Ucc +Ucc +Ucc ui{ ≥1 ui{ ≥1 ≥1 uo uo uo ui{ （a） (b) (c) 图2.49 或非门多余输入端的处理 2.5 集成门电路的应用举例 一、集成门电路的使用常识 ②对于或门、或非门的多余输入端应接地或低电平或与使用的输入端并联，见 图2.49所示。 6.必须在其他元器件在印制电路板上安装就绪后，再装CMOS电路，避免 CMOS电路输入端悬空。CMOS电路从印制电路板上拔出时，务必先切断印制板 上的电源。

  27. 2.5 集成门电路的应用举例 一、集成门电路的使用常识 7 输入端连线较长时，由于分布电容和分布电感的影响，容易构成LC振荡或 损坏保护二极管，必须在CMOS电路的输入端串联1个10～20ΚΩ的电阻R。 8 防止CMOS电路输入端噪声干扰的方法是：在前一级和CMOS电路之间接 入施密特触发器整形电路(在第7章讲述)，或加入滤波电容滤掉噪声以免干扰。

  28. 2.5 集成门电路的应用举例 二、LSTTL、CMOS接口电路 1.由于各种类型 逻辑门电路的技术参 数的差别，见表2.10。 所以需要所谓的“接口 电路”，它就是用于不 同类型逻辑门电路之 间、或逻辑门电路与 外部电路之间，使二 者有效连接，正常工 作的中间电路。

  29. 2.5 集成门电路的应用举例 二、LSTTL、CMOS接口电路 2. CMOS电路驱动TTL电路 用CMOS电路去驱动TTL电路时，需要解决的问题是CMOS电路不能提供足 够大的驱动电流。CMOS电路允许的最大灌电流一般只有0.4mA左右，而TTL电 路的输入短路电流IIS约为1.4mA。可采用图2.50所示的接口电路。 该接口电路由NPN型晶体三极管与附属元件R1、R2、R3组成。 图2.50 CMOS门电路驱动LSTTL的接口电路

  30. LS LS LS 图2.51 LSTTL门电路驱动CMOS 的接口电路 2.5 集成门电路的应用举例 二、LSTTL、CMOS接口电路 3. LSTTL电路驱动CMOS电路 CMOS电路的电源电压范围宽（3V～18V），往往高于TTL电路的＋5V电 源，因此，用TTL电路去驱动CMOS电路时，必须将TTL的输出高电平值升高。 通过接口电路可达此目的。如图2.51所示。

  31. (a) LSTTL与非门电路驱动LED (c) LSTTL或CMOS门的输出脉冲去控制晶闸管 (b) LSTTL或CMOS与非门 直接驱动直流继电器 (d) LSTTL与非门电路经两级 N型晶体三极管放大电路后输出 图2.53 LSTTL和CMOS门电路驱动其他负载的 接口电路 2.5 集成门电路的应用举例 二、LSTTL、CMOS接口电路 4. LSTTL和CMOS门电路驱动其他负载 在许多场合，往往需要用LSTTL或CMOS电路去驱动指示灯、LED（发光二 极管）或其他显示器、光电耦合器、继电器、可控硅等不同的负载。如图2.53所 示。其中：图(a)为LSTTL 与非门电路驱动LED的标 准接法；图(b)为LSTTL或 CMOS与非门直接驱动直 流继电器；图(c)为用 LSTTL或CMOS门的输出 脉冲去控制晶闸管(双向或 单向晶闸管)；图(d)所示 为LSTTL与非门电路经两 级N型晶体三极管放大电 路后输出，以适应后续的 大功率负载。

  32. 实验一 门电路的逻辑功能

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