数字逻辑第三章剖析

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1、第三章 集成门电路与触发器 第 三 章 集 成 门 电 路 与 触 发 器 第三章 集成门电路与触发器 集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的 物质基础。 随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元 器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封 装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的集成 电路块，通常又称为集成电路芯片。 采用集成电路进行数字系统设计的优点： 可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大 大简化设计和调试过程。 第三章 集成门电路与触发器 本章知识要点: 半导体器件的开关特性； 逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法； 常用触发器的功能、触发

2、方式与外部工作特性。 第三章 集成门电路与触发器 3.1 数字集成电路的分类 数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据 集成规模的大小进行分类。 一、根据所采用的半导体器件进行分类 根据所采用的半导体器件，数字集成电路可以分为两大类 。 1.双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主 要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、 集成度较低。 2.单极型集成电路(又称为MOS集成电路): 采用金属-氧化 物半导体场效应管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Transister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集 成度高、功耗低，但速

3、度较慢。 第三章 集成门电路与触发器 双极型集成电路又可进一步可分为： TTL(Transistor Transistor Logic)电路； ECL(Emitter Coupled Logic)电路； I2L(Integrated Injection Logic)电路。 TTL电路的“性能价格比”最佳，应用最广泛。 MOS集成电路又可进一步分为： PMOS( P-channel Metel Oxide Semiconductor)； NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)； CMOS(Complement Metal Oxide Semicondu

4、ctor)。 CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路 的设计，而且综合性能最好 。 第三章 集成门电路与触发器 二、根据集成电路规模的大小进行分类 通常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件 个数，分为 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。 1. SSI (Small Scale Integration ) 小规模集成电路: 逻辑门数小于10 门(或元件数小于100个)； 2. MSI (Medium Scale Integration ) 中规模集成电路: 逻辑门数为10 门99 门(或元件数100个999个)； 3. LSI (Large Scale Integrat

5、ion ) 大规模集成电路: 逻辑门数为100 门9999 门(或元件数1000个99999个) ； 4. VLSI (Very Large Scale Integration) 超大规模集 成电路: 逻辑门数大于10000 门(或元件数大于100000个)。 第三章 集成门电路与触发器 3. 2 半导体器件的开关特性 数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是 以开关方式运用的，其工作状态相当于相当于开关的“接通”与 “断开”。 数子系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中( 通常开关状态变化的速度可高达每秒百万次数量级甚至千万次 数量级)，研究这些器件的开关特性时，不仅要研

6、究它们的静止 特性，而且还要分析它们的动态特性。 静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。 3.2.1 晶体二极管的开关特性 一、静态特性 第三章 集成门电路与触发器 典型二极管的静态特性曲线 (又称伏安特性曲线) ： 1. 正向特性 门槛电压 ( VTH )：使二极管开始导通的正向电压，又称为阈值 电压 (一般锗管约0.1V，硅管约0.5V)。 正向电压 VD VTH ：管子截止，电阻很大、正向电流 IF 接近 于 0， 二极管类似于开关的断开状态 ； 正向电压 VD = VTH ：管子开始导通，正向电流 IF 开始上升； 正向电压 VD VTH (一般锗管为0.3V，硅管为0.

7、7V) ：管子充 分导通， 电阻很小，正向电流IF 急剧增加，二极管类似于开关的接 通状态。使二极管充分导通的电压为导通电压，用VF表示。 第三章 集成门电路与触发器 2 反向特性 二极管在反向电压VR 作用下，处于截止状态，反向电阻 很大，反向电流 IR 很小（将其称为反向饱和电流，用 IS 表 示，通常可忽略不计 ），二极管的状态类似于开关断开。而 且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。 注意事项： 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成 实际电路时通常要串接一只电阻 R，以限制二极管的正向电 流； 反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛 增，致使二极管被击

8、穿（通常将该反向电压极限值称为反向击 穿电压VBR），一般不允许反向电压超过此值。 第三章 集成门电路与触发器 二极管组成的开关电路图如图（a）所示。二极管导通 状态下的等效电路如图(b)所示，截止状态下的等效电路如图 (c)所示，图中忽略了二极管的正向压降。 二极管开关电路及其等效电路 D U 0 RR 断开 R 关闭 (a) (b)(c) 由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它 当作开关使用。 第三章 集成门电路与触发器 二、 动态特性 二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转 换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一 定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通

9、时间的概念。 1. 反向恢复时间 反向恢复时间：二极管从正向导通到反向截止所需要的 时间称为反向恢复时间。 反向恢复时间tre=存储时间ts+渡越时间tt 第三章 集成门电路与触发器 2. 开通时间 开通时间：二极管从反向截止到正向导通的时间称为开 通时间。 二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相 对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。 第三章 集成门电路与触发器 3.2.2 晶体三极管的开关特性 晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成。根据两 个PN结的偏置极性，三极管有截止、放大、饱和3种工作 状态。 一、静态特性 第三章 集成门电路与触发器 晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性

10、称为三极 管的静态开关特性。 在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信号控制的 无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭合”与“断开”。 电路在三极管截止与饱和状态下的等效电路如下: 第三章 集成门电路与触发器 晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性 称为三极管的动态特性。 三极管的开关过程和二极管一样，管子内部也存在着电荷 的建立与消失过程。因此，两种状态的转换也需要一定的时间 才能完成。 二、动态特性 第三章 集成门电路与触发器 1开通时间（ ton ） 开通时间：三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间。 时间ton =延迟时间td +上升时间tr 2. 关闭时间 （ toff

11、 ） 关闭时间 ：三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间。 关闭时间toff =存储时间ts +下降时间tf 开通时间ton和关闭时间toff是影响电路工作速度的主要因素。 第三章 集成门电路与触发器 3.2.3 MOS管的开关特性 一、静态特性 MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状 态。MOS管是电压控制元件，主要由栅源电压vGS决定其工 作状态。 工作特性如下： 当VGS开启电压VTN时：MOS管工作在截止区，输出 电压vDS VDD，MOS管处于“断开”状态; 当VDSVGSVTN时：MOS管工作在导通区，输出电压 vDS 0V，MOS管处于“接通”状态。 第三章 集成门电

12、路与触发器 二、动态特性 MOS管本身导通和截止时电荷积累和消散的时间 很小。 动态特性主要取决于电路中杂散电容充、放电所需 的时间。 第三章 集成门电路与触发器 为了提高MOS器件的工作速度，引入了CMOS电路。 在CMOS电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电 路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使CMOS电路有 较高的开关速度。 第三章 集成门电路与触发器 3.3 逻 辑 门 电 路 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的逻辑器件统称 为逻辑门电路，它们是组成数字系统的基本单元电路。 学习时应重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性， 以及器件的使用方法。对其内部结构和工作原理只要求作一

13、 般了解。 第三章 集成门电路与触发器 3.3.1 TTL 集成逻辑门电路 TTL(Transistor Transistor Logic)电路是晶体 管-晶体管逻辑电路的简称。 TTL电路的功耗大、线路较复杂，使其集成度受到 一定的限制，故广泛应用于中小规模逻辑电路中。 下面，对几种常见TTL门电路进行介绍，重点讨论TTL 与非门。 第三章 集成门电路与触发器 一、典型TTL与非门 该电路可按 图中虚线划分为三部分： 输入级 由多发射极晶体管T1和电阻R1组成； 中间级 由晶体管T2和电阻R2、R3组成； 输出级 由晶体管T3、T4、D4和电阻R4、R5组成。 1. 电路结构及工作原理 (1

14、) 电路结构 典型TTL与非门电 路图及相应逻辑符号如 右图所示。 第三章 集成门电路与触发器 (2) 工作原理 逻辑功能分析如下： 输入端全部接高电平(3.6V)：电源Vcc通过R1和T1的集电结 向T2提供足够的基极电流，使T2饱和导通。T2的发射极电流在R3上产生的 压降又使 T4 饱和导通，输出为低电平(0.3V)。 实现了“输入全高 ，输出为低”的逻辑关系。 当有输入端接低电平(0.3V)时：输入端接低电平的发射结导通 ，使T1的基极电位Vb1=0.3V+0.7V=1V。该电压作用于T1的集电结和T2、T4 的发射结上，不可能使T2和T4导通。由于T2截止，电源VCC通过R2驱动T3

15、 和D4管，使之工作在导通状态，电路输出为高电平(3.6V)。 实现了“输入有低，输出为高”的逻辑功能。 第三章 集成门电路与触发器 归纳：当输入A、B、C均为高电平时，输出为低电平 (0V)；当A、B、C中至少有一个为低电平时，输出为高电 平(3.6V)。输出与输入之间为“与非”逻辑，即 第三章 集成门电路与触发器 2. 主要外部特性参数 TTL与非门的主要外部特性参数有输出逻辑电平、开门 电平、关门电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空 载功耗等。 (2) 输出低电平VOL：输出低电平VoL是指输入全为高电平时的输 出电平。VOL的典型值是0.3V。 (1) 输出高电平VOH ：指至少

16、有一个输入端接低电平时的输出电 平。VOH的典型值是3.6V。 (3) 开门电平VO N ：指在额定负载下，使输出电平达到标准低电平 VSL的输入电平，它表示使与非门开通的最小输 入电平。VON的产品规范值为VON1.8V。 第三章 集成门电路与触发器 (4) 关门电平VOFF ：指输出空载时，使输出电平达到标准高电平VSH的 输入电平，它表示使与非门关断所允许的最大输 入电平。VOFF 的产品规范值VOFF0.8V。 (5) 扇入系数Ni ：指与非门允许的输入端数目。 (6) 扇出系数No：指与非门输出端连接同类门的最多个数。 (7) 输入短路电流IiS ：指当与非门的某一个输入端接地而其余输入 端 悬空时，流过接地输入端的电流。 (8) 高电平输入电流IiH：指某一输入端接高电平，而其他输入端接地 时，