數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件lect1310邏輯與接口電路

DigitalSystemDesignI

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)1WeidongWang(王維東)

Dept.ofInformationScience&ElectronicEngineeringISEEZhejiangUniversity---邏輯接口任課教師王維東

浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系,信電樓306ZhejiangUniversityDepartmentofInformationScienceandElectronicEngineeringHangzhou,310027Tel:86-571-87953170(O)TA:聶濤：;OfficeHours;Xindian(High-Tech)Building308.課程簡(jiǎn)介參考書(shū)閻石,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ),第5版,高等教育出版社,2006.R.H.Katz,G.Borriello,ContemporaryLogicDesign,secondedition,電子工業(yè)出版社,2005.M.M.Mano,數(shù)字設(shè)計(jì)(第四版),電子工業(yè)出版社,2010.補(bǔ)充材料，見(jiàn)8/數(shù)字電路教學(xué)/2012教學(xué)工作/考核平時(shí)30%(作業(yè),上課,期中考試或平時(shí)測(cè)驗(yàn))期末考試70%答疑信電樓308房間/周二下午3:00-4:30課間email數(shù)字電路之

------------邏輯電路與接口補(bǔ)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（1）本征半導(dǎo)體：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。常用：硅Si，鍺Ge兩種載流子半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體(摻磷PP或砷As)多子：自由電子少子：空穴半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體(摻硼B(yǎng))多子：空穴少子：自由電子半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（3）PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)（耗盡層）擴(kuò)散和漂移半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（4）PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷喊雽?dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（4）PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧臃聪螂妷喊雽?dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（5）PN結(jié)的伏安特性正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)K:波耳茲曼常數(shù)T:熱力學(xué)溫度q:電子電荷邏輯電路的輸入輸出特性獲得高、低電平的基本原理高/低電平都允許有一定的變化范圍正邏輯：高電平表示1，低電平表示0

負(fù)邏輯：高電平表示0，低電平表示1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和外特性

（Diode）二極管的結(jié)構(gòu)：

PN結(jié)+引線+封裝構(gòu)成PN3.2.1二極管的開(kāi)關(guān)特性：高電平：VIH=VCC低電平：VIL=0VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V二極管的開(kāi)關(guān)等效電路：二極管的動(dòng)態(tài)電流波形：二極管構(gòu)成的門(mén)電路的缺點(diǎn)電平有偏移帶負(fù)載能力差只用于IC內(nèi)部電路MOS管的開(kāi)關(guān)特性一、MOS管的結(jié)構(gòu)S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底金屬層氧化物層半導(dǎo)體層PN結(jié)以N溝道增強(qiáng)型為例：當(dāng)加+VDS時(shí)，VGS=0時(shí)，D-S間是兩個(gè)背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th),D-S間形成導(dǎo)電溝道（N型層）開(kāi)啟電壓二、輸入特性和輸出特性輸入特性：直流電流為0，看進(jìn)去有一個(gè)輸入電容CI，對(duì)動(dòng)態(tài)有影響。輸出特性：

iD=f(VDS)對(duì)應(yīng)不同的VGS下得一族曲線。漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）截止區(qū)：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）恒流區(qū)：iD

基本上由VGS決定，與VDS關(guān)系不大漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）

可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS較低（近似為0），VGS一定時(shí)， 這個(gè)電阻受VGS控制、可變。三、MOS管的基本開(kāi)關(guān)電路四、等效電路OFF，截止?fàn)顟B(tài)

ON，導(dǎo)通狀態(tài)五、MOS管的四種類型增強(qiáng)型耗盡型大量正離子導(dǎo)電溝道CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)二、電壓、電流傳輸特性三、輸入噪聲容限結(jié)論：可以通過(guò)提高VDD來(lái)提高噪聲容限CMOS反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性一、輸入特性二、輸出特性二、輸出特性3.3.4CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間二、交流噪聲容限三、動(dòng)態(tài)功耗三、動(dòng)態(tài)功耗

帶緩沖極的CMOS門(mén)1、與非門(mén)帶緩沖極的CMOS門(mén)2.解決方法二、漏極開(kāi)路的門(mén)電路（OD門(mén)）RL的計(jì)算方法前一級(jí)輸出能力后一級(jí)驅(qū)動(dòng)要求三、CMOS傳輸門(mén)及雙向模擬開(kāi)關(guān)1.傳輸門(mén)2.雙向模擬開(kāi)關(guān)四、三態(tài)輸出門(mén)三態(tài)門(mén)的用途TTL門(mén)電路雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性 （BJT,BipolarJunctionTransistor）半導(dǎo)體三極管的開(kāi)關(guān)特性一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)管芯+三個(gè)引出電極+外殼基區(qū)薄低摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜集電區(qū)低摻雜以NPN為例說(shuō)明工作原理：當(dāng)VCC

>>VBBbe結(jié)正偏,bc結(jié)反偏e區(qū)發(fā)射大量的電子b區(qū)薄，只有少量的空穴bc反偏，大量電子形成IC二、三極管的輸入特性和輸出特性

三極管的輸入特性曲線（NPN）VON

：開(kāi)啟電壓硅管，0.5~0.7V鍺管，0.2~0.3V近似認(rèn)為:VBE<VONiB=0VBE≥VONiB

的大小由外電路電壓，電阻決定

三極管的輸出特性固定一個(gè)IB值，即得一條曲線，在VCE>0.7V以后，基本為水平直線特性曲線分三個(gè)部分放大區(qū)：條件VCE>0.7V,iB>0,iC隨iB成正比變化，ΔiC=βΔiB。飽和區(qū)：條件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC

隨ΔiB增加變緩，趨于“飽和”。截止區(qū)：條件VBE=0V,iB=0,iC=0,c—e間“斷開(kāi)”。三、雙極型三極管的基本開(kāi)關(guān)電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL工作狀態(tài)分析：圖解分析法：四、三極管的開(kāi)關(guān)等效電路截止?fàn)顟B(tài)飽和導(dǎo)通狀態(tài)五、動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性從二極管已知，PN結(jié)存在電容效應(yīng)。在飽和與截止兩個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI。六、三極管反相器三極管的基本開(kāi)關(guān)電路就是非門(mén) 實(shí)際應(yīng)用中，為保證 VI=VIL時(shí)T可靠截止，常在 輸入接入負(fù)壓。

參數(shù)合理？VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T截止，VO=VOL例3.5.1：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理5V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩβ=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V例3.5.1：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理將發(fā)射極外接電路化為等效的VB與RB電路當(dāng)當(dāng)又因此，參數(shù)設(shè)計(jì)合理3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)設(shè)

二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性需要說(shuō)明的幾個(gè)問(wèn)題：

三、輸入噪聲容限3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性例：扇出系數(shù)（Fan-out），試計(jì)算門(mén)G1能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門(mén)電路負(fù)載。輸入輸出3.5.4TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間1、現(xiàn)象二、交流噪聲容限（b）負(fù)脈沖噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限當(dāng)輸入信號(hào)為窄脈沖，且接近于tpd時(shí)，輸出變化跟不上，變化很小，因此交流噪聲容限遠(yuǎn)大于直流噪聲容限。三、電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流2、動(dòng)態(tài)尖峰電流3.5.5其他類型的TTL門(mén)電路一、其他邏輯功能的門(mén)電路1.與非門(mén)2.或非門(mén)3.與或非門(mén)4.異或門(mén)二、集電極開(kāi)路的門(mén)電路1、推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性①輸出電平不可調(diào)②負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出③輸出端不能并聯(lián)使用

OC門(mén)2、OC門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)OC門(mén)實(shí)現(xiàn)的線與3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算三、三態(tài)輸出門(mén)（ThreestateOutputGate,TS）三態(tài)門(mén)的用途一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）電路的改進(jìn)(1)輸出級(jí)采用復(fù)合管（減小輸出電阻Ro）(2)減少各電阻值2.性能特點(diǎn)速度提高的同時(shí)功耗也增加

2.4.5TTL電路的改進(jìn)系列

（改進(jìn)指標(biāo)：)二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）電路改進(jìn)采用抗飽和三極管用有源泄放電路代替74H系列中的R3減小電阻值2.性能特點(diǎn)速度進(jìn)一步提高，電壓傳輸特性沒(méi)有線性區(qū)，功耗增大三、低功耗肖特基系列

74LS/54LS（Low-PowerSchottkyTTL）四、74AS,74ALS（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）···低功耗肖特基系列74LS/54LS（（LowLow--PowerSchottkySchottkyTTLTTL））其他類型的雙極型數(shù)字集成電路*DTL：輸入為二極管門(mén)電路，速度低，已經(jīng)不用HTL：電源電壓高，Vth高，抗干擾性好，已被CMOS替代ECL：非飽和