数字电子技术及应用 教学课件 ppt 作者 李继凯 杨艳 第2章 逻辑运算与集成逻辑门电路1

数字电子技术及应用,第2章 逻辑运算与集成逻辑门电路,逻辑门电路的主要电气参数,2.4,逻辑运算,2.1,集成逻辑门电路,2.2,常用集成逻辑门系列,2.3,逻辑门电路使用中的几个实际问题,2.5,1.与运算,决定某一事件发生的全部条件同时具备时，该事件才能发生，只要有一个条件不具备，该事件就不发生。 Y=A·B=AB=A AND B = A&B,2.1 逻辑运算,2.1.1 三种基本逻辑运算,国标符号,国际标准符号,与逻辑真值表,2. 或运算,决定某一事件发生的所有条件中，只要有一个或一个以上条件具备，该事件就会发生，只有当所有条件都不具备时，该事件才不发生。 Y = A+B = A OR B,3. 非运算,条件不具备，结果发生； 条件具备，结果不发生。,2.1.2 复合逻辑运算,与非,或非,与或非,异或,同或,Y= A B,逻辑门电路：用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的电子电路统称为逻辑门电路。,基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。,逻辑门是构成所有数字电路的基本单元电路。目前在数字电路中用的最多的是CMOS电路和TTL电路两种类型。,2.2 集成逻辑门电路,2.2.1 常用逻辑门,基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。,2.2.2 其它形式的逻辑门,1. 集电极开路门（OC门）/漏极开路门（OD门）,TTL工艺：OC门（Open Collector Gate）,CMOS工艺：OD门（Open Drain Gate）,(1) 输出并联使用，实现线与运算 (2) 需要在输出端与电源之间外接上拉电阻RL,2. 三态门,三态门的用途：总线连接,3. 传输门,2.3.1 TTL集成逻辑门系列,2.3 常用集成逻辑门系列,74系列的工作环境温度规定为070度，电源电压工作范围为5V±5%。 54系列的工作环境温度为-55+125度，电源电压工作范围为5V±10%。,1）74系列标准通用系列。为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。国产型号为CT54/74系列（与国际上SN54/74系列相当，国内沿用的部标型号是T1000系列）。,2）74H系列高速TTL系列。是在74系列基础上改进得到的。速度提高了，但功耗也增加了。国产型号为CT54H/74H系列（与国际上SN54H/74H系列相当，国内沿用的部标型号是T2000系列）。,3）74L系列低功耗TTL系列，也是在74系列基础上改进得到的。功耗降低了，但工作速度也降低了。,4）74S系列肖特基TTL系列，是在74H系列基础上改进得到的，使电路的工作速度和功耗均得到了改善。国产型号为CT54S/74S系列（与国际上SN54S/74S系列相当，国内沿用的部标型号是T3000系列）。,5）74LS系列为低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流产品，是目前应用最广的系列。国产型号为CT54LS/74LS系列（与国际上SN54LS/74LS系列相当，国内沿用的部标型号是T4000系列）。,6）74AS系列为先进肖特基系列。74AS(Advanced SchottkyTTL)系列是为了进一步缩短传输延迟时间而设计的改进系列。它的电路结构与74LS系列相似，但是电路中采用了很低的电阻阻值，从而大大提高了工作速度。,8）74F系列速度和功耗介于74AS和74ALS之间，广泛应用于速度要求较高的TTL逻辑电路。在过去相当长的一段时间里，74LS系列曾经是TTL的主流系列。有人预测在不远的将来74ALS系列将取代74LS系列而成为TTL电路的主流产品。,7）74ALS系列为先进低功耗肖特基系列。74ALS(Advanced Lowpower Schottky TTL)系列是为了获得更小的延迟-功耗积而设计的改进系列，它的延迟-功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种。为了降低功耗，电路中采用了较高的电阻阻值。同时，通过改进生产工艺缩小了内部各个器件的尺寸，获得了减小功耗、缩短延迟时间的双重效果。,2.3.2 CMOS集成逻辑门系列,1）4000系列基本的CMOS系列。4000系列是最早投放市场的CMOS集成电路产品，随后发展为4000B系列，它具有功耗低、工作电压范围宽、抗干扰能力强的特点。由于受当时制造工艺水平的限制，其工作速度较慢（延迟时间达100 ns左右），带负载能力弱，与TTL不兼容。因此，目前它已基本上被后来出现的HCHCT系列产品所取代。,2）74HC/HCT系列高速CMOS系列。与4000系列相比，其工作速度快（传输延迟时间缩短到了10ns左右，仅为4000系列的十分之一）、带负载能力强。,3）74 AHCAHCT系列改进的高速CMOS系列。改进后的这两种系列其工作速度能达到74HC和74HCT系列的两倍，而且带负载能力也提高了近一倍。同时AHCAHCT系列产品又能与HCHCT系列产品兼容，这就为系统的器件更新带来了很大方便。因此，AHCAHCT系列是目前比较受欢迎的、应用最广的CMOS器件。就像HC与HCT系列的区别一样，AHC与AHCT系列的区别也主要表现在工作电压范围和对输入电平的要求不同上。,4）74LVC/ALVC系列低压CMOS系列。LVC系列不仅能工作在1.653.6 V的低电压下，而且传输延迟时间也缩短至3.8ns。同时，它又能提供更大的负载电流。此外，LVC的输入可以接受高达5V的高电平信号，能很容易地将5V电平的信号转换为3.3V以下的电平信号，而LVC系列提供的总线驱动电路又能将3.3V以下的电平信号转换为5V的输出信号，这就为3.3V系统与5V系统之间的连接提供了便捷的解决方案。,ALVC系列是TI公司于1994年推出的改进的低压CMOS(Advanced Low-Voltage CMOS)逻辑系列。ALVC在LVC基础上进一步提高了工作速度，并提供了性能更加优越的总线驱动器件。LVC和ALVC是目前CMOS电路中性能最好的两个系列，可以满足高性能数字系统设计的需要。尤其在移动式的便携电子设备(如笔记本电脑、移动电话、数码相机等)中，LVC和ALVC系列的优势更加明显。,2.4 逻辑门电路的主要电气参数,1. 电压传输特性,（1） TTL门电路的电压传输特性,阈值电压VTH约为1.4V。 输出高电平约为3.4V。 输出低电平约为0.2V，,（2） CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性,CMOS反相器阈值电压VTH约为 。 输出高电平约为 。 输出低电平约为0V。,2. 输入、输出特性,当TTL反相器的输入端对地接一个56千欧以上的大电阻或悬空时（Rp为无穷大），输入端和接逻辑高电平是等效的。 但对CMOS门电路，由于输入端电流很小（近似等于0），当输入端经过一个电阻Rp接地时，不管电阻的阻值有多大，其端电压都近似为0，因此输入端都相当于接低电平。,3. 输入和输出的高、低电平,表2.4.2 各种系列TTL门电路（74××00）的输入、输出电平值,表2.4.3各种系列CMOS门电路的输入、输出电平值（以74××04为例）,高电平 噪声容限VNH,4.噪声容限,低电平 噪声容限VNL,=2.4-2.0=0.4V,=0.8-0.4=0.4V,74系列TTL门电路的噪声容限：,74HC系列CMOS门电路的噪声容限：,=4.4-3.15=1.25V,=1.35-0.33=1.02V,5扇入数与扇出数（带负载能力）,门电路的扇入数取决于它的输入端的个数，例如一个3输入端的与非门，其扇入数NI=3。,门电路的扇出数是指其在正常工作情况下，所能驱动同类门电路的最大数目(反映了门电路的带负载能力)。,1) 带拉电流负载,2) 带灌电流负载,74HCT系列与TTL兼容，如果CMOS所带负载为74LS系列的TTL门电路，此时IOH=IOL=4 mA，而IIH=0.02 mA，IIL=0.4 mA，根据上式可计算出高电平输出时的扇出数：,低电平输出时的扇出数：,根据上述两种情况的计算，取数值小的为扇出数，即CMOS最多可接74LS系列TTL门电路的输入端10个。,6.传输延迟时间,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（波形）的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长时间。,导通延迟时间tPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。,一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。,截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。,与非门的平均传输延迟时间tpd：,表2.4.4 各种系列TTL门电路（以74××00）的传输延迟时间,表2.4.5 各种系列CMOS门电路（以74××04）的传输延迟时间,7功耗,功耗是门电路的重要参数之一。功耗有静态功耗和动态功耗之分。,所谓静态功耗指的是当电路的输出没有状态转换时的功耗。,CMOS电路在输出发生状态转换时的功耗称为动态功耗。,CMOS电路的动态功耗与转换频率和电源电压的平方成正比。当工作频率比较高时，CMOS门的功耗可能会超过TTL电路。在设计CMOS 电路时，尽量选用低电源电压器件，例如3.3V供电电源74LVC系列或1.8V供电电源74AUC系列，以降低功率损耗。,8功耗-延时积,表2.4.6 各种系列TTL门电路的主要性能参数,表2.4.7 各种系列CMOS门电路（74××00）的主要性能参数,2.5 逻辑门电路使用中的几个实际问题,2.5.1 CMOS集成电路的主要特点和使用注意事项,1. CMOS集成电路的主要特点,1）功耗极低。CMOS集成电路静态功耗非常小，例如在VDD=5V时，门电路的功耗只有几个W，即使是中规模集成电路，其功耗也不会超过100W。 2）电源电压范围宽。例如CC4000系列，VDD=318V。 3）抗干扰能力强。输入端噪声容限典型值可达到0.45VDD。 4）逻辑摆幅大(输出高低电平的差值)。VOL=0V，VOHVDD。 5）输入阻抗极高。输入电阻可达100M。 6）扇出能力强。在低频时，CMOS电路几乎不考虑扇出能力问题；高频工作时，扇出数与工作频率有关。,7）集成度很高，温度稳定性好。由于CMOS电路功耗极低，内部发热量很少，所以集成度可以做得非常高。CMOS电路的结构是互补对称的，当外界温度变化时，有些参数可以互相补偿，因此，其特性的温度稳定性好，在很宽的温度范围内都能正常工作。例如陶瓷金属封装的电路，工作温度范围为-55度C+125度；塑料封装的电路，工作温度范围是-40度+85度。 8）抗辐射能力强。因为MOS管是靠多数载流子运动导电的器件，射线对多数载流子浓度影响很小，所以CMOS电路抗辐射能力强。 9）成本低。CMOS电路集成度很高，功耗很低，因此，用CMOS集成电路制作的设备，成本比较低。,2. CMOS电路使用注意事项,1）注意输入端的静电保护,(1)不用的输入端不要悬空，以免拾取脉冲干扰。 (2)在储存和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。 (3)在组装和调试时，所有仪器、工作台、和电烙铁必须可靠接地。焊接CMOS管时，最好先拔掉电源，利用余热进行快速焊接。,2）注意输入保护电路的过流保护,因为CMOS电路的输入阻抗很高，栅极与衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，所以，在它上面极易产生很高的感应电压，致使绝缘层永久性击穿而损坏器件。 在目前生产的CMOS门中都已采用了各种形式的输入保护电路。,3） 注意电源电压极性，防止输出端短路。,2.5.2 TTL电路与CMOS电路的接口,驱动门 负载门,1.用TTL电路驱动CMOS电路,1）用TTL电路驱动4000