3 逻辑门电路逻辑门电路3.1 逻辑门电路简介逻辑门电路简介3.2 基本基本CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路3.3 CMOS CMOS逻辑门电路的不同输出结构及参数逻辑门电路的不同输出结构及参数3.4 类类NMOSNMOS和和BiCMOSBiCMOS逻辑门电路逻辑门电路3.5 TTL逻辑门电路逻辑门电路*3.6 ECL ECL逻辑门电路逻辑门电路3.7 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题3.8 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题3.9 用用VerilogHDLVerilogHDL描述描述CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路教学基本要求：教学基本要求：1、了解半导体器件的开关特性。了解半导体器件的开关特性。2、熟熟练练掌掌握握基基本本逻逻辑辑门门（与与、或或、与与非非、或或非非、异异或或门）、三态门、门）、三态门、OD门和传输门的逻辑功能。门和传输门的逻辑功能。3、学会门电路逻辑功能分析方法。学会门电路逻辑功能分析方法。4、掌握掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。3. 逻辑门电路逻辑门电路3.1 逻辑门电路简介逻辑门电路简介3.1.1 各种逻辑门电路系列简介各种逻辑门电路系列简介3.1.2 开关电路开关电路1 、逻辑门逻辑门: :实现基本逻辑运算和常用逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和常用逻辑运算的单元电路。2、 逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门3.1.1 各种逻辑门电路系列简介各种逻辑门电路系列简介BiCMOS门电路门电路1.CMOS集成电路集成电路: :广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列 HC /HCT AHC/AHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低LVC AUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低( (超低超低) )电压电压速度更加快速度更加快负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低 7474系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2.TTL 集成电路集成电路: :广泛应用于中小规模集成电路广泛应用于中小规模集成电路3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介逻辑变量取值逻辑变量取值0或或1，对应电路中电子器件的，对应电路中电子器件的“闭合闭合”与与“断开断开”。3.1.2 开关电路开关电路(a) 输出逻辑输出逻辑1 (b) 输出逻辑输出逻辑0MOSMOS管或管或BJTBJT管可以作为开关。管可以作为开关。3.2 基本基本CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.2.1 MOS管及其开关特性管及其开关特性3.2.2 CMOS反相器反相器3.2.3 其他基本其他基本CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.2.4 CMOS传输门传输门CMOS门电路是以门电路是以MOS管为开关器件。管为开关器件。MOS管的分类：管的分类：N沟道沟道P沟道沟道P P沟道沟道N沟道沟道MOS增强型增强型耗尽型耗尽型3.2.1 MOS管及其开关特性管及其开关特性1. N沟道沟道增强型增强型MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理MOS管的分类：管的分类：源极源极栅极栅极漏极漏极p-型半导体型半导体n-型半导体型半导体符号符号1. N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理(1)VGS 控制沟道的导电性控制沟道的导电性o vGS=0, 等效背靠背连接的两个二极管等效背靠背连接的两个二极管, iD = 0。o vGS0, 建立电场建立电场 反型层反型层 vDS0, iD 0。o 沟道建立的最小沟道建立的最小 vGS 值称为值称为开启电压开启电压 VT.1. N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理(2)VGS 和和VDS共同作用共同作用o当当vGS VT, 外加外加vDS较小时，较小时，iD 随随vDS增加几乎成线性增加增加几乎成线性增加 。o 当当vDS vGD=(vGS vDS)=VT, 漏极漏极处出现处出现预预夹断夹断。o 继续增加继续增加vDS 夹断区域变夹断区域变大，大，iD饱和。饱和。2. N沟道增强型沟道增强型MOS管的输出特性和转移特性管的输出特性和转移特性输出特性分为输出特性分为o 截止区：截止区：o 可变电阻区：沟道产生可变电阻区：沟道产生， iD 随随vDS线性增加，线性增加， rds为为受受vGS控制控制可变可变电阻。电阻。o 饱和区：饱和区：(a)输出特性曲线（b）转移特性曲线3. 其他类型的其他类型的MOS管管(1)P沟道增强型沟道增强型MOS管管o 结构与结构与NMOS管相反。管相反。o vGS、vDS 电压极性与电压极性与NMOS管相反。管相反。o 开启电压开启电压vT为负值为负值(2)N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管o 绝缘层掺入正离子，使衬底表面形绝缘层掺入正离子，使衬底表面形成成N沟道。沟道。o vGS电压可以是正值、零或负值。电压可以是正值、零或负值。o vGS达到某一负值达到某一负值vP，沟道被夹断，沟道被夹断， iD =0。(2)N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管符号如图。管符号如图。(3)P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管结构与结构与N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管相反。管相反。符号如图所示。符号如图所示。4. MOS管开关电路管开关电路：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区，输出低电平: : MOS管截止，管截止， 输出高电平输出高电平当当I VTpMOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的无触点开关。控制的无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，相当于开关管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。，输出为低电平。MOS管截止，相当于开关管截止，相当于开关“断断开开”，输出为高电平。，输出为高电平。p当当I 为低电平时：为低电平时：p当当I为高电平时：为高电平时：p由于由于MOS管栅极、漏极与衬底间电容，栅极与漏极之间管栅极、漏极与衬底间电容，栅极与漏极之间的电容存在，电路在状态转换之间有电容充、放电过程。的电容存在，电路在状态转换之间有电容充、放电过程。p输出波形上升沿、下降沿变得缓慢，而且输出的变化滞后输出波形上升沿、下降沿变得缓慢，而且输出的变化滞后于输入的变化。于输入的变化。5. MOS管开关电路的动态特性管开关电路的动态特性 当输入为高电平时，流过导通当输入为高电平时，流过导通NMOS管的电流很大，管的电流很大， Rd起起到限流的作用，但同时消耗在其上的功率也很大！到限流的作用，但同时消耗在其上的功率也很大！缺点：缺点： 为了克服这个缺点，用一个为了克服这个缺点，用一个PMOS管替代电阻管替代电阻Rd ，就构成，就构成了了CMOS反相器。反相器。3.2.2 CMOS 反相器反相器1.1.工作原理工作原理+VDD+5VD1S1vivOTNTPD2S20V+5VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V 5V截止截止导通导通 5V5 V5V 0V导通导通截止截止0 VVTN = 2 VVTP = 2 V逻辑图逻辑图逻辑表达式逻辑表达式vi (A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表10AL 第一，当反相器处于稳态时，无论第一，当反相器处于稳态时，无论vI是高电平还是低电平是高电平还是低电平 ，TN和和TP中总是一个导通而另一个截止。中总是一个导通而另一个截止。CMOS反相器的静态功反相器的静态功耗几乎为零。耗几乎为零。 第二，第二，MOS管导通电阻低，截止电阻高。当反相器输出端接管导通电阻低，截止电阻高。当反相器输出端接容性负载，并且输出端由低电平变为高电平，或者高电平变为容性负载，并且输出端由低电平变为高电平，或者高电平变为低电平时，充、放电时间常数小，与用低电平时，充、放电时间常数小，与用Rd电路相比，开关速度电路相比，开关速度更快，具有更强的带负载能力。更快，具有更强的带负载能力。 第三，第三，MOS管栅极是绝缘的，管栅极是绝缘的，IG0，输入电阻非常高。，输入电阻非常高。 理理论上它可以驱动任意数目的同类门，但负载门输入端具有杂散论上它可以驱动任意数目的同类门，但负载门输入端具有杂散电容，负载门数目增加会使负载电容增加，从而影响开关速度。电容，负载门数目增加会使负载电容增加，从而影响开关速度。 CMOS反相器的重要特点：反相器的重要特点：2. 电压电压传输特性和电流传输特性传输特性和电流传输特性电压传输特性电压传输特性电流传输特性电流传输特性(Transfer characteristic )3. 输入逻辑电平和输出逻辑电平输入逻辑电平和输出逻辑电平05VIN /VVOUT/V5VIHminVILmax输入高电输入高电平平输入低电输入低电平平无定义无定义输出高电平输出高电平05VIN /VVOUT/V5VIHminVILmaxVOHminVOLmax输出低电平输出低电平无定义无定义输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIH(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOL(max)4.CMOS反相器反相器的工作速度的工作速度由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭时间是相等的。平均延迟时间小于时间是相等的。平均延迟时间小于10 ns。 带电容负载带电容负载A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 导通导通 截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止 截止截止导通导通导通导通1110与非门与非门1. CMOS 与与非门非门vA+VDD+5VTP1TN1TP2TN2ABLvBvL(a)(a)电路结构电路结构(b)(b)工作原理工作原理VTN = 2 VVTP = 2 V0V5VN输入的与非门的电路输入的与非门的电路?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?3.2.3 其他基本其他基本CMOS 逻辑门电路逻辑门电路AB或非门或非门2.2.CMOS 或或非门非门+VDD+5VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通10000V5VVTN = 2 VVTP = 2 VN输入的或非门的电路的结构输入的或非门的电路的结构?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?AB例 CMOS 门电路分析3、异或门电路 VDD B A X 由或非门和与或非门组成 3.2.4 CMOS传输门传输门( (双向模拟开关双向模拟开关) ) 1 1. 传输门的结构及工作原理传输门的结构及工作原理电路电路逻辑符号逻辑符号I / Oo/ IC等效电路等效电路1、传输门的结构及工作原理传输门的结构及工作原理 设设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2V， I的变化范围为的变化范围为0到到+5V。 0V+5V0V到到+5V GSN0, TP截止截止1）当）当c=0， c =1时时c=0=0V， c c=1=+5VC TP vO/vI vI/vO +5V 0V TN C+5V0V GSP= 0V (2V+5V)= 2V 5V GSN=5V (0V+3V)=(52)V b、 I=2V5V GSNVTN, TN导通导通a、 I=0V3VTN导通，导通，TP导通导通 GSP |VT|, TP导通导通C、 I=2V3V2）当）当c=1， c =0时时(1) 传输门组成的异或门传输门组成的异或门B=0TG1断开断开, TG2导通导通 L=AB=12. 传输门的应用传输门的应用TG1导通导通, TG2断开断开 L=AL = AB + A B(2) 传输门组成的数据选择器传输门组成的数据选择器C=0TG1导通导通, TG2断开断开 L=XTG2导通导通, TG1断开断开 L=YC=12. 传输门的应用传输门的应用3.3 CMOS逻辑门电路的不同输出结构及参数逻辑门电路的不同输出结构及参数3.3.1 CMOS逻辑门电路的保护和缓冲电路逻辑门电路的保护和缓冲电路3.3.2 CMOS漏极开路和三态门电路漏极开路和三态门电路3.3.3 CMOS逻辑门电路的重要参数逻辑门电路的重要参数3.3.1 输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。具有相同的输入和输出特性。1. 1. 输入端保护电路输入端保护电路: :(1) 0 vI VDD + vDF 二极管导通电压：二极管导通电压：vDF(3) vI vDF 当输入电压不在正常电压范围时当输入电压不在正常电压范围时, ,二极管导通，限制了电容两端二极管导通，限制了电容两端电压的增加电压的增加, ,保护了输入电路。保护了输入电路。D1、D2截止截止D1导通导通, D2截止截止vG = VDD + vDFD2导通导通, D1截止截止vG = vDFRS和和MOS管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延迟且衰减后到栅极。迟且衰减后到栅极。 D2 -分布式二极管分布式二极管(iD大大)（2）CMOS逻辑门的缓冲电路逻辑门的缓冲电路输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路的逻输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路的逻辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功能为与非辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功能为与非功能功能1 1. CMOS漏极开路门漏极开路门1.）CMOS漏极开路门的提出漏极开路门的提出输出短接，在一定情况下会产输出短接，在一定情况下会产生低阻通路，大电流有可能导生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定致器件的损毁，并且无法确定输出是高电平还是低电平。输出是高电平还是低电平。 3.3.2 CMOS漏极开路（漏极开路（OD）门和三态输出门电路）门和三态输出门电路（2）漏极开路门的结构与逻辑符号漏极开路门的结构与逻辑符号(c) (c) 可以实现线与功能可以实现线与功能; ;(b)(b)与非逻辑不变与非逻辑不变漏极开路门输出连接漏极开路门输出连接(a)(a)工作时必须外接电源和电阻工作时必须外接电源和电阻; ;电路电路逻辑符号逻辑符号(2) (2) 上拉电阻对上拉电阻对OD门动态性能的影响门动态性能的影响Rp的值愈小，负载电容的充电时间的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快常数亦愈小，因而开关速度愈快。但动态功耗大但动态功耗大, ,且可能使输出电流超且可能使输出电流超过允许的最大值过允许的最大值IOL(max） 。电路带电容负载电路带电容负载1 10 0CL LRp的值大，可保证输出电流不能超的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值过允许的最大值IOL(max）、）、功耗小功耗小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢开关速度因而愈慢。+V DDIILRPnmk最不利的情况：最不利的情况：只有一个只有一个 OD门导通，门导通，110为保证低电平输出为保证低电平输出OD门的门的输输出电流不能超过允许的最大值出电流不能超过允许的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max），RP不不能太小能太小。当当VO=VOLIIL（total)IOL（max)+V DDIILRPnmk当当VO=VOHIIH（total)IOH（total)为使得高电平不低于规定的为使得高电平不低于规定的VOH的最小值，则的最小值，则Rp的选择不能过大。的选择不能过大。Rp的最大值的最大值Rp(max) ： 1、实现多个逻辑门输出端的线与漏极开路门的应用L = AB CD ABCDL1L2LRVDDA&BCDL&L1L22、用于直接驱动大电流负载3、逻辑电平变换74HC/HCT系列CMOS门电路的最大灌电流或拉电流为4mA 指示灯(12V, 20mA)OD门灌电流为24mA。一般CMOS门电路输出高电平为VDD =5VOD门电路输出高电平为外接电压=12V2.三态三态(TSL)输出门电路输出门电路10011截止截止导通导通111高阻高阻 0 输出输出L输入输入A使能使能EN00110 00截止截止导通导通010截止截止截止截止X1逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门0 1三态门电路的应用三态门电路的应用任何时刻只能有一个门的使能端为有效，其他门输出高阻任何时刻只能有一个门的使能端为有效，其他门输出高阻DADBDN数据总线数据总线100010001DG1G2GnENENEN3.3.3 CMOS逻辑门电路的重要参数逻辑门电路的重要参数1. 1. 输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIL(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOH(max)输出输出高电平高电平+VDD VOH(min)VOL(max) 0 G1门门vO范围范围 vO 输出输出低电平低电平 输入输入高电平高电平VIH(min) VIL(max) +VDD 0 G2门门vI范围范围 输入输入低电平低电平 vI 1. 1. 输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平400074HC74HCT74LVC74AUC类型类型参数参数/单位单位VIL(max) /V1.01.50.80.80.6VOL(max) /V0.050.10.10.20.2VIH(min) /V4.03.52.02.01.2VOH(min) /V4.954.94.93.11.7高电平噪声容限高电平噪声容限(VNH/V)0.951.42.91.10.5低电平噪声容限低电平噪声容限(VNL/V)0.951.40.70.60.4VNH 当前级门输出高电平的最小当前级门输出高电平的最小值时值时允许负向噪声电压的最大值允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平时的噪声容限：负载门输入高电平时的噪声容限：VNL 当前级门输出低电平的最大当前级门输出低电平的最大值时值时允许正向噪声电压的最大值允许正向噪声电压的最大值负载门输入低电平时的噪声容限负载门输入低电平时的噪声容限：2. 噪声容限噪声容限VNH =VOH(min)VIH(min) VNL =VIL(max)VOL(max)在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力示门电路的抗干扰能力 驱动门驱动门 vo负载门负载门 vI 噪声噪声 类型类型参数参数74HCVDD=5V74AHCVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或或tPHL(ns)63.82.50.83.传输延迟时间传输延迟时间 传输延迟时间是表征门电路开关速传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲度的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。入波形延迟了多长的时间。 传输延迟时间与电源电压传输延迟时间与电源电压VDD及负及负载电容大小有关。载电容大小有关。 表中为各个非门的参数。表中为各个非门的参数。CMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间 tPHL 输出输出 50% 90% 50% 10% tPLH tf tr 输入输入 50% 50% 10% 90% 4. 4. 功耗功耗静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流载时电源总电流ID与电源电压与电源电压VDD的乘积。的乘积。5. 5. 延时延时 功耗积功耗积高速数字电路往往以牺牲功耗为代价，延时高速数字电路往往以牺牲功耗为代价，延时- -功耗积（功耗积（ DP ）是速度功耗综合性指标是速度功耗综合性指标。几种几种CMOSCMOS系列非门的系列非门的DPDP见下页。见下页。动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗门电路有动态功耗几种CMOS系列非门的DP性能比较系列系列参数参数/单位单位74HC04(VDD=5V)74AHC04(VDD=5V)74LVC04(VDD=3.3V)74AUC04(VDD=1.8V)功耗电容功耗电容CPD/pF2112817传输延迟时间传输延迟时间tpd/ns(CL=15pF)63.82.50.8功耗功耗PD mW(10MHz)96.82.51延时功耗积延时功耗积DP/pJ5425.846.250.8扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。 （a)a)带拉电流负载带拉电流负载当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。 高电平高电平扇出数扇出数:IOH : :驱动门的输出端为高电平电流驱动门的输出端为高电平电流IIH : :负载门的输入电流负载门的输入电流。扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。6. 6. 扇入与扇出数扇入与扇出数(b)带灌电流负载带灌电流负载当负载门的个数增加时，总的灌电流当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起将增加，同时也将引起输出低电压输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。出低电平的上限值。IOL ：驱动门的输出端为低电平电流：驱动门的输出端为低电平电流IIL ：负载门输入端电流之和：负载门输入端电流之和作作 业业P139142 3.2.2、3.2.3、3.2.5、3.2.9 、 3.3.5 、 3.3.7、