第3章-門電路教學(xué)課件

第3章門電路5/17/20251

數(shù)字系統(tǒng)的層次

系統(tǒng)邏輯單元邏輯門

CMOS電路硅片電路5/17/20252本章主要問(wèn)題NMOS（PMOS）-FET器件的基本工作原理？基本門電路構(gòu)成及其工作原理？CMOS電路的非邏輯門原理？

CMOS電路的與邏輯門原理？

CMOS電路的或邏輯門原理？CMOS電路復(fù)合邏輯門電路的邏輯判定？掌握門電路電氣方面的基礎(chǔ)知識(shí)，以便構(gòu)建出符合實(shí)際要求的電路和系統(tǒng)

5/17/20253習(xí)題

1、自學(xué)軟件EWB。2、用一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS管構(gòu)成一個(gè)反相器，測(cè)試它的穩(wěn)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性，寫出測(cè)試報(bào)告。3、完成練習(xí)P127：3，16，17，59，60，61，66，76，80。第3章門電路（續(xù)）5/17/20254設(shè)計(jì)與制造一個(gè)模擬電路是困難的，而對(duì)數(shù)字電路則不然。3.1邏輯信號(hào)與門電路數(shù)字邏輯將物理量實(shí)際值的無(wú)窮集映射為兩個(gè)子集，隱藏了模擬世界的缺陷。由于在很大范圍內(nèi)的連續(xù)量被表示為同一個(gè)二進(jìn)制值，所以數(shù)字邏輯能夠大大避免元件和電源的變化以及噪聲的影響。5/17/20255電路可將“微弱”信號(hào)再生為“強(qiáng)”信號(hào)，使數(shù)字信號(hào)能夠在不損失任何信息的情況下，可以傳輸任意遠(yuǎn)的距離。3.1邏輯信號(hào)與門電路電平與邏輯低電平：表示低電壓范圍的信號(hào)，常解釋為邏輯0；高電平：表示高電壓范圍的信號(hào)，常解釋為邏輯1。用0對(duì)應(yīng)低電平、1對(duì)應(yīng)高電平稱為正邏輯;用1對(duì)應(yīng)低電平、0對(duì)應(yīng)高電平稱為負(fù)邏輯（不常用）。5/17/202563.1邏輯信號(hào)與門電路（續(xù)）5/17/20257

3種基本邏輯單元（門電路）3.1邏輯信號(hào)與門電路（續(xù)）5/17/20258反相門（非基本邏輯單元）3.1邏輯信號(hào)與門電路（續(xù)）5/17/20259

組合邏輯電路：輸出只依賴于當(dāng)前輸入的邏輯電路，其運(yùn)算操作可由真值表完全描述。3.1邏輯信號(hào)與門電路（續(xù)）5/17/202510一個(gè)簡(jiǎn)單電路3.1邏輯信號(hào)與門電路（續(xù)）5/17/202511定時(shí)圖(時(shí)序圖)：表示電路如何對(duì)變化的輸入信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)。邏輯信號(hào)在0和1之間的變化不是立即發(fā)生的；輸出對(duì)輸入變化的響應(yīng)會(huì)有一點(diǎn)延遲。3.1邏輯信號(hào)與門電路（續(xù)）5/17/202512邏輯系列：一些不同的集成電路芯片的集合，這些芯片有類似的輸入、輸出及內(nèi)部電路特征，但邏輯功能不同。3.2邏輯系列同一系列的芯片可通過(guò)互連實(shí)現(xiàn)任意邏輯功能。不同系列的芯片可能不匹配，它們可能采用不同的電源電壓，或以不同的輸入、輸出條件來(lái)代表邏輯值。因此，它們可能不能直接互連。最成功的系列晶體管-晶體管邏輯（Transistor-TransistorLogic，TTL）；CMOS邏輯（ComplementaryMOS）。5/17/202513

CMOS邏輯電平3.3CMOS邏輯將“微弱”信號(hào)再生為“強(qiáng)”信號(hào)小信號(hào)大信號(hào)5/17/202514

MOS晶體管3.3CMOS邏輯（續(xù)）

電阻特別大，斷開狀態(tài)；電阻特別小，導(dǎo)通狀態(tài)。

柵極與其它極之間電阻極大，電流很小，稱為漏電流。通過(guò)電容耦合。5/17/202515

CMOS反相器(非門)3.3CMOS邏輯（續(xù)）VinVoutVdd=+5.0VQ2p溝道Q1n溝道INOUT

CMOS電路的開關(guān)模型

CMOS邏輯電路很省電5/17/202516

CMOS與非門3.3CMOS邏輯（續(xù)）

CMOS或非門5/17/2025173.3CMOS邏輯（續(xù)）扇入：在特定的邏輯系列中，門電路所具有的輸入端的數(shù)目，被稱為該邏輯系列的扇入（系數(shù)）。5/17/2025183.3CMOS邏輯（續(xù)）非反相門邏輯上的求反是“免費(fèi)”獲得的，而且用少于反相門所需的晶體管數(shù)目來(lái)設(shè)計(jì)非反相門電路是不可能的。

CMOS非反相緩沖器、與門和或門都可由反相器與相應(yīng)的反相門連接組成。5/17/2025193.3CMOS邏輯（續(xù)）與或非門和或與非門5/17/2025203.4CMOS電路的穩(wěn)態(tài)電氣特性根據(jù)右圖，可定義小于2.4伏的電壓為CMOS低輸入電平，而大于2.6伏的電壓為高輸入電平。僅當(dāng)輸入在2.4伏和2.6伏之間時(shí)，反相器產(chǎn)生非邏輯輸出電壓。工程實(shí)踐表明，對(duì)于高、低電平，應(yīng)采用更為保守的規(guī)定。5/17/2025213.4CMOS電路的穩(wěn)態(tài)電氣特性（續(xù)）直流噪聲容限：一種對(duì)噪聲大小的度量，表示多大的噪聲會(huì)使最壞輸出電壓被破壞成為不可識(shí)別的輸入值。

VOHmin

輸出為高態(tài)時(shí)的最小輸出電壓。

VOLmax

輸出為低態(tài)時(shí)的最大輸出電壓。

VIHmin

能保證被識(shí)別為高態(tài)時(shí)的最小輸入電壓。

VILmax

能保證被識(shí)別為低態(tài)時(shí)的最大輸入電壓。

VCC–0.1伏

地+0.1伏0.7VCC

0.3VCC5/17/2025223.4CMOS電路的穩(wěn)態(tài)電氣特性（續(xù)）

輸出電流

IOLmax：輸出低電平且仍能維持輸出電壓不大于VOLmax時(shí)，輸出端能吸收的最大電流，又稱為最大灌電流。

IOHmax：輸出高電平且仍能維持輸出電壓不小于VOHmin時(shí)，輸出端可提供的最大電流，又稱最大拉電流。若輸入電壓不是非常接近于供電軌道，則“導(dǎo)通”或“斷開”都不會(huì)徹底，輸出電壓將偏離供電軌道，門電路自身的功耗將大大增加。5/17/2025233.4CMOS電路的穩(wěn)態(tài)電氣特性（續(xù)）

扇出：門電路在不超出其最壞輸出情況的條件下，能夠驅(qū)動(dòng)的輸入端個(gè)數(shù)。扇出不僅依賴于輸出端的特性，還依賴于它驅(qū)動(dòng)的輸入端的特性。（直流）扇出的計(jì)算必須分別考慮輸出為高電平和低電平兩種狀態(tài)。（交流）扇出：輸出端對(duì)寄生電容的充放電能力，但很難能像直流扇出那樣精確地計(jì)算出來(lái)，它影響電路的工作速度。當(dāng)輸出負(fù)載大于扇出能力時(shí)：輸出低態(tài)時(shí)，輸出電壓可能高于VOLmax；

輸出高態(tài)時(shí)，輸出電壓可能低于VOHmin；

輸出傳輸延遲可能大于規(guī)格說(shuō)明的延遲值；輸出的上升和下降時(shí)間可能大于規(guī)格說(shuō)明的值；器件工作溫度可能升高，從而降低其可靠性，最終引起器件失效。5/17/202524不用的輸入端

3.4CMOS電路的穩(wěn)態(tài)電氣特性（續(xù)）保護(hù)CMOS電路用能導(dǎo)電的包裝紙、管子或塑料來(lái)進(jìn)行包裝；處理CMOS器件之前，接觸一下電源的接地金屬或其他接地源；電路制作者或技師們工作時(shí)，身體上不能積聚靜電；先接通CMOS電路的電源，然后才能接輸入信號(hào)。5/17/2025253.5CMOS電路的動(dòng)態(tài)電氣特性轉(zhuǎn)換時(shí)間上升時(shí)間通常比下降時(shí)間長(zhǎng)，與晶體管的導(dǎo)通電阻和負(fù)載電容有關(guān)；可用時(shí)間常數(shù)來(lái)進(jìn)行估計(jì)。5/17/2025263.5CMOS電路的動(dòng)態(tài)電氣特性（續(xù)）傳播延遲5/17/2025273.5CMOS電路的動(dòng)態(tài)電氣特性（續(xù)）

CMOS電路的功耗交流開關(guān)功耗總動(dòng)態(tài)功耗靜態(tài)功耗—很小動(dòng)態(tài)功耗—是主要部分直流開關(guān)功耗5/17/2025283.6其他CMOS輸入和輸出結(jié)構(gòu)

傳輸門

高電平主要經(jīng)PMOS管導(dǎo)通，低電平經(jīng)主要NMOS管導(dǎo)通。二選一多路開關(guān)當(dāng)S為低態(tài)時(shí)，X“輸入”和Z“輸出”相連。S為高態(tài)時(shí)，Y與Z相連。5/17/2025293.6其他CMOS輸入和輸出結(jié)構(gòu)（續(xù)）

施密特觸發(fā)器輸入結(jié)構(gòu)采用內(nèi)部反饋的特殊電路，依輸入是從低到高變化還是從高到低變化來(lái)移動(dòng)開關(guān)門限；高低兩個(gè)門限電壓之差稱為滯后，典型值為0.8V。5/17/2025305/17/2025313.6其他CMOS輸入和輸出結(jié)構(gòu)（續(xù)）三態(tài)（高阻態(tài)）

輸出好像沒有與電路連上，只有很小的漏電流流進(jìn)或流出輸出端；有一個(gè)“輸出使能”端，用來(lái)控制輸出是否處于高阻態(tài)；多個(gè)三態(tài)輸出連在一起形成三態(tài)總線，任何時(shí)候最多只有一個(gè)輸出端被使能。5/17/2025323.6其他CMOS輸入和輸出結(jié)構(gòu)（續(xù)）漏極開路輸出

外部上拉電阻的值越小，電阻上拉能力越強(qiáng)，但阻值也不能任意??；通常輸出從低到高的轉(zhuǎn)換時(shí)間與有源上拉的標(biāo)準(zhǔn)門相比要長(zhǎng)得多；可用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管、繼電器等，驅(qū)動(dòng)總線、實(shí)現(xiàn)線連邏輯。5/17/2025333.6其他CMOS輸入和輸出結(jié)構(gòu)（續(xù)）驅(qū)動(dòng)二極管驅(qū)動(dòng)小型繼電器5/17/202534實(shí)現(xiàn)線連（線與）邏輯線與邏輯不能使用帶有源上拉的門電路來(lái)實(shí)現(xiàn)；總線“偵聽”3.6其他CMOS輸入和輸出結(jié)構(gòu)（續(xù)）驅(qū)動(dòng)總線5/17/2025353.7CMOS邏輯系列

4000系列：功耗很低，但速度慢，不易與當(dāng)時(shí)最流行的雙極型TTL相匹配；

HC（高速CMOS）和HCT（高速CMOS，TTL兼容）系列：比4000系列有更高的速度和更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，前者用于只采用CMOS邏輯的系統(tǒng)中，后者可與TTL器件互相配合使用；VHC（VeryHigh-speedCMOS）和VHCT（VeryHigh-speedCMOS，TTLcompatible）系列：工作速度是HC/HCT系列的2倍；

HC/HCT，VHC/VHCT系列具有對(duì)稱輸出驅(qū)動(dòng)能力，即輸出端能吸收或提供同樣大小的電流；

FCT（FastCMOS,TTLcompatible）系列：它在減少功耗并與TTL完全兼容的條件下，能達(dá)到和超過(guò)最好的TTL系列的速度和驅(qū)動(dòng)能力；“74”與“54”5/17/2025363.8雙極邏輯二極管邏輯5/17/2025373.8雙極邏輯（續(xù)）晶體管邏輯反相器5/17/2025383.9晶體管—晶體管邏輯與非門5/17/2025393.9晶體管—晶體管邏輯（續(xù)）或非門5/17/2025403.9晶體管—晶體管邏輯（續(xù)）邏輯電平噪聲容限

扇出系數(shù)雖然TTL高態(tài)和低態(tài)的扇出系數(shù)相同，但它們的電流輸出能力具有明顯的不對(duì)稱性，低態(tài)時(shí)可吸收8mA，而在高態(tài)時(shí)只能提供400μA。當(dāng)用TTL驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管、繼電器或其它大功率器件