数字电子技术：第四章基本数字电路 2)

第二节第二节 基本逻辑门电路基本逻辑门电路第三节第三节 触发器触发器第四节第四节 存储器电路存储器电路第五节第五节 可编程逻辑器件可编程逻辑器件第六节第六节 数字电路的基本参数及测量技术数字电路的基本参数及测量技术小结小结第一节第一节 集成电路的分类集成电路的分类讲义第四章：讲义第四章：P1871.了解基本数字电路的工作原理；了解基本数字电路的工作原理；2.熟悉基本数字电路的输入输出结构、主要技熟悉基本数字电路的输入输出结构、主要技术参数及主要用途；术参数及主要用途；3.掌握常用触发器的表示方式及触发方式；掌握常用触发器的表示方式及触发方式；4.了解可编程逻辑器件的特点。了解可编程逻辑器件的特点。学习重点学习重点第一节第一节 数字集成电路的分类数字集成电路的分类集集成成逻逻辑辑门门双极型集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门按器件类型分按器件类型分PMOSNMOSCMOSHCMOS按集成度分按集成度分SSI（100以下以下个等效门）个等效门）MSI（10103 3个等效门）个等效门）LSI（10104 4个等效门）个等效门）VLSI（10104 4 106个等效门）个等效门）TTL、ECLI2L、HTL按功能分按功能分基本门电路、组合逻辑模块基本门电路、组合逻辑模块触发器、时序逻辑模块、存储器触发器、时序逻辑模块、存储器ULSI（10106 6个以上等效门）个以上等效门）GSI（10108 8个以上等效门）个以上等效门）4-4-2-1 2-1 典型典型TTLTTL与非门工作原理与非门工作原理TTL与非门与非门TTL与非门工作原理与非门工作原理TTL与非门的工作速度与非门的工作速度TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性共射极三极管电路及其输出特性 三极管的开关特性 t1为三极管由截止转向导通的为三极管由截止转向导通的延迟时间延迟时间，t2为三极管由截止转向导通的电为三极管由截止转向导通的电流流建立时间建立时间，称为上升时间，称为上升时间，t3为三极管由导通转向截止的为三极管由导通转向截止的存储时间存储时间，t4为三为三极管由导通转向截止的极管由导通转向截止的电流消失时间电流消失时间，称为下降时间。因此，称为下降时间。因此，三极管的打开三极管的打开时间时间为延迟时间与建立时间之和，即为延迟时间与建立时间之和，即tON=t1+t2。三极管的关断时间三极管的关断时间为存储时为存储时间与下降时间之和，即间与下降时间之和，即tOFF=t3+t4。讲义P201三极管的开关特性三极管的开关特性等效理想三极管开关特性TTLTTL与非门电路与非门电路 输输入入级级由由多多发发射射极极晶晶体体管管T1和和基基极极电电组组R1组组成成，它它实实现现了了输输入入变变量量A、B、C的与运算。的与运算。由由T3、T4、T5和和R4、R5组成其中组成其中T3、T4构成复合管，与构成复合管，与T5组成推拉式组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。输出结构，具有较强的负载能力。中间级是放大级，由中间级是放大级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极的集电极C2和发射极和发射极E2可以分别提供两个可以分别提供两个相位相反的电压信号。相位相反的电压信号。TTLTTL与非门工作原理与非门工作原理 输输入入端端至至少少有有一一个个接低电平：接低电平：0.3V3.6V3.6V1V3.6VT T1 1管管:A A端端发发射射结结导导通通，V Vb1b1=V=VA A+V+Vbe1be1=1V=1V，其其它它发发射射结结均均因因反反偏偏而而截止。截止。5-0.7-0.7=3.6VV Vb1b1=1V,=1V,所以所以T T2 2、T T5 5截止截止,V VC2C2Vcc=5VVcc=5V。T T3 3：微饱和状态。微饱和状态。T T4 4：放大状态。放大状态。电路输出高电平为：电路输出高电平为：5V 输入端全为高电平：输入端全为高电平：3.6V3.6V2.1V0.3VT T1 1:V:Vb1b1=V Vbc1bc1+V+Vbe2be2+V+Vbe5 be5=0.7V=0.7V3=2.1V3=2.1V因因此此输输出出为为逻逻辑辑低低电电平平V VOLOL=0.3V=0.3V3.6V 发射结反偏而集电发射结反偏而集电极正偏，处于倒置放大正偏，处于倒置放大状态。状态。T T2 2：饱和状态饱和状态 T T3 3：V Vc2c2 =V Vces2ces2 +V Vbe5be51V1V，使使T T3 3导导通通，V Ve3e3 =V Vc2c2-V-Vbe3be3 =1-1-0.70.3V0.70.3V，使使T T4 4截止截止。T T5 5处于处于深饱和状态，深饱和状态，TTLTTL与非门工作原理与非门工作原理 输输入入端端全全为为高高电电平平，输出为低电平。输出为低电平。输输入入至至少少有有一一个个为为低低电电平平时时，输输出出为为高高电平。电平。由由此此可可见见电电路路的的输输出出和和输输入入之之间间满满足足与非逻辑关系。与非逻辑关系。T T1 1：倒置放大状态倒置放大状态T T2 2：饱和状态饱和状态T T3 3：导通状态导通状态T T4 4：截止状态截止状态T T5 5：深饱和状态深饱和状态T T2 2：截止状态截止状态T T3 3：微饱和状态微饱和状态T T4 4：放大状态放大状态T T5 5：截止状态截止状态TTLTTL与非门工作原理与非门工作原理TTLTTL与非门工作速度与非门工作速度存存在在问问题题：TTL门门电电路路工工作作速速度度相相对对于于MOSMOS较较快快，但但由由于于当当输输出出为为低低电电平平时时T T5 5工工作作在在深深度度饱饱和和状状态态，当当输输出出由由低低转转为为高高电电平平，基基区区和和集集电电区区存存储储电电荷荷不不能能马马上上消消散散，而影响工作速度而影响工作速度。改进型改进型TTLTTL与非门与非门 可可能能工工作作在在饱饱和和状状态态下下的的晶晶体体管管T1、T2、T3、T5都都用用带带有有肖肖特特基基 势势 垒垒 二二 极极 管管（SBD）的的三三极极管管代代替替，以以限限制制其其饱饱和和深深度，提高工作速度。度，提高工作速度。改进型改进型TTLTTL与非门与非门 增加增加有源泄放电路有源泄放电路1.提高工作速度提高工作速度由由T6、R6和和R3构成构成的有源泄放电路来的有源泄放电路来代替代替T2射极电阻射极电阻R3减少了电路的开启时间减少了电路的开启时间缩短了电路关闭时间缩短了电路关闭时间2.提高抗干扰能力提高抗干扰能力 T2、T5同同时时导导通通，因因此此电电压压传传输输特特性性曲曲线线过过渡渡区区变变窄窄，曲曲线线变变陡陡，输输入入低低电电平平噪噪声声容容限限VNL提提高高了了0.7V左右。左右。数字集成电路的主要技术特性数字集成电路的主要技术特性P191一、输入一、输入/输出电压输出电压VIH表示数字表示数字电路输入高电电路输入高电平时允许的最平时允许的最低电平低电平(又称又称开门电平开门电平Von)VIL表示数字电表示数字电路输入低电平路输入低电平是允许的最高是允许的最高电平电平(又称关门又称关门电平电平Voff)VOH表示数字表示数字电路输出高电电路输出高电平时允许的最平时允许的最低电平低电平(又称又称标准高电平标准高电平)VOL表示数字表示数字电路输出低电电路输出低电平时允许的最平时允许的最高电平高电平(又称又称标准低电平标准低电平)电路类型输出电平输入电平电源频率集成度功耗TTL2.4/0.42.0/0.854MMHLSTTL2.4/0.42.0/0.83.38MMHCMOS4.4/0.53.6/1.552MLLHCMOS4.4/0.53.6/1.5510MHL数字电路的逻辑电平 数字逻辑中的逻辑值数字逻辑中的逻辑值1和和0在数字电路里用高低电在数字电路里用高低电平来表示，但多高的电平是高电平、多低的电平是低平来表示，但多高的电平是高电平、多低的电平是低电平，必须有一定的标准。不同工艺的数字集成电路电平，必须有一定的标准。不同工艺的数字集成电路具有不同的逻辑电平标准具有不同的逻辑电平标准 数字集成电路的主要技术特性数字集成电路的主要技术特性二、抗干扰容限电平二、抗干扰容限电平 当输入信号在一定范围内波动时不会引起输出电平的改变，这个波动范围就称为输入噪声容限，用VNH和VNL来表示。即 VNH=VOH VIHVNL=VIL VOL不同工艺的数字集成电路具有不同的噪声容限不同工艺的数字集成电路具有不同的噪声容限 TTLTTL“与与非非”门门输输入入电电压压V VI I与与输输出出电电压压V VO O之之间间的的关关系系曲线，即曲线，即 V VO O=f=f（V VI I）。）。截截止止区区当当V VI I0.6V0.6V，V Vb1b11.3V1.3V时时，T T2 2、T T5 5截截止止，输出高电平输出高电平V VOH OH=3.6V=3.6V。线性区当线性区当0.60.6VVVVI I1.3V1.3V，0.7VV0.7VV b2 b21.4V1.4V时，时，T T2 2导通，导通，T T5 5仍截止，仍截止，V VC2C2随随V Vb2b2升高而下降，升高而下降，经经T T3 3、T T4 4两级射随器使两级射随器使V VO O下降。下降。转折区转折区饱和区饱和区三、三、电压传输特性电压传输特性数字集成电路的主要技术特性数字集成电路的主要技术特性数字集成电路的主要技术特性数字集成电路的主要技术特性四四、输入特性输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f（VI）。）。假定输入电流假定输入电流II流入流入T1发射极时发射极时方向为正，反之为方向为正，反之为负。负。1.1.输入短路电流输入短路电流ISD（输入低电平电流输入低电平电流IIL）当当VIL=0V时由输入端流出的电流时由输入端流出的电流 前级驱前级驱动门导通时，动门导通时，IIL将灌入前将灌入前级门，称为级门，称为灌电流负载。灌电流负载。2.2.输入漏电流输入漏电流IIH（输入高电平电流）输入高电平电流）指指一一个个输输入入端端接接高高电电平平，其其余余输输入入端端接接低低电电平平，经经该输入端流入的电流。约该输入端流入的电流。约10AA左右。左右。1.1.扇入系数扇入系数N Ni i是指合格的输入端的个数。是指合格的输入端的个数。2.2.扇出系数扇出系数N NO O是指在灌电流（输出低电平）状态是指在灌电流（输出低电平）状态 下驱动同类门的个数。下驱动同类门的个数。其中其中I IOLmaxOLmax为最大允许灌电流，为最大允许灌电流，I IILIL是一个负载门灌入本级的电流（是一个负载门灌入本级的电流（1.41.4mAmA）。）。NoNo越大，说明门的负载能力越强。越大，说明门的负载能力越强。五五、扇入、扇出系数扇入、扇出系数数字集成电路的主要技术特性数字集成电路的主要技术特性六、六、平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd导导通通延延迟迟时时间间t tPHPHL L ：输输入入波波形形上上升升沿沿的的50%50%幅幅值值处处到到输出波形下降沿输出波形下降沿50%50%幅值处所需要的时间。幅值处所需要的时间。截截止止延延迟迟时时间间t tPLHPLH：从从输输入入波波形形下下降降沿沿50%50%幅幅值值处处到到输输出出波波形形上上升升沿沿50%50%幅幅值值处处所所需需要要的的时时间。间。平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd：通通常常t tPLHPLHt tPHLPHL，t tpdpd越越小小，电电路路的的开开关关速速度度越越高高。一一般般t tpdpd =10ns10ns40ns40ns输入信号输入信号VI输出信号输出信号V0数字集成电路的主要技术特性数字集成电路的主要技术特性数字集成电路的主要技术特性数字集成电路的主要技术特性七、七、使用时注意事项使用时注意事项1器件所允许使