第2章CMOS集成電路

第2章CMOS集成門電路※2.1“教、學(xué)、做”項(xiàng)目4：基于CC4011的“聲、光控節(jié)能開關(guān)”設(shè)計(jì)2.2CMOS集成門電路的發(fā)展沿革2.3CMOS門電路※2.4雙極型門電路2.5BiCMOS門電路2.6集成門電路的使用※2.7“教、學(xué)、做”項(xiàng)目5：基于CC4011的“低成本搶答器”設(shè)計(jì)※2.8“教、學(xué)、做”項(xiàng)目6：基于CC4069的“光柱式脈博計(jì)”設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)：（1）掌握CMOS、BICMOS、LSTTL集成門芯片的外部特性、主要性能參數(shù)及選型原則。（2）初步掌握實(shí)現(xiàn)指定邏輯功能的CMOS電路設(shè)計(jì)方法。（3）熟練掌握常用CMOS和LSTTL集成芯片的邏輯功能表、封裝圖及其典型應(yīng)用。2.1“教、學(xué)、做”項(xiàng)目4：基于CC4011的“聲、光控節(jié)能開關(guān)”設(shè)計(jì)圖2.1基于CC4011芯片的“聲、光控節(jié)能開關(guān)”基于CC4011芯片的“聲、光控節(jié)能開關(guān)”參考電路如圖2.1所示。聲光控節(jié)能開關(guān)在白天或光線較強(qiáng)的場合即使有較大的聲響，也能控制燈泡不亮，晚上或光線較暗時(shí)，遇到聲響(比如腳步聲、說話聲等)后，燈自動(dòng)點(diǎn)亮，經(jīng)過設(shè)定的時(shí)間后自動(dòng)熄滅。適用于樓梯，走廊等只需短時(shí)間照明的地方。在圖2.1中，二極管V1～V4組成橋式整流電路，將220V市電變換成脈動(dòng)直流電，再經(jīng)R7降壓限流，V5穩(wěn)壓，C3濾波后輸出8V直流電，為四2輸入與非門芯片CC4011及三極管V7提供電源。白天光線照射到光敏電阻GR上時(shí)，其阻值變得很小(約5KΩ左右)。RP串聯(lián)R4，GR對(duì)8V直流電壓分壓，使與非門D1的輸入端①腳為低電平，輸出端③腳被鎖定為高電平，因③腳輸出電平與②腳的信號(hào)無關(guān)，所以可認(rèn)為是①腳封鎖了聲音通道，使聲音脈沖信號(hào)不能通過D1門，即燈泡HL的亮滅不受聲音控制。這時(shí)門D1輸出的高電平經(jīng)過門D2、D3、D4三次反相后，轉(zhuǎn)換成低電平，晶閘管VS無觸發(fā)信號(hào)不導(dǎo)通，燈不亮。夜間，GR因無光線照射呈高電阻(約100KΩ左右)，經(jīng)GR、R4、RP串聯(lián)電路分壓，使與非門D1的輸入端①腳變成高電平，此時(shí)，門D1的輸出狀態(tài)由輸入端②腳的信號(hào)確定。②腳輸入高電平時(shí)，門D1輸出低電平；②腳輸入低電平時(shí)，門D1輸出高電平。沒有聲音信號(hào)時(shí)，三極管VT7工作在飽和狀態(tài)，門D1的②腳為低電平。當(dāng)樓梯、走廊中有腳步聲或講話聲時(shí)，話筒B拾取到的聲音信號(hào)經(jīng)VT7管放大，三極管VT7由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換為放大狀態(tài)，VT7的集電極由低電平轉(zhuǎn)變成高電平并送到門D1的②腳，經(jīng)D1、D2兩次反相后輸出高電平使二極管VT6導(dǎo)通，并對(duì)電容C2充電，因充電時(shí)間常數(shù)很小，很快使C2上端為高電平。該高電平經(jīng)D3、D4兩次反相以后，輸出高電平，通過R6觸發(fā)可控硅VS導(dǎo)通，電燈HL點(diǎn)亮。聲音消失后，門D2輸出低電平，因二極管VT6截止，電容C2通過R5緩慢放電，門D3的輸入端仍保持高電平，門D4輸出端也保持高電平，燈HL維持發(fā)亮。經(jīng)過Δt≈R5C2(秒)，當(dāng)C2兩端電壓下降到低電平時(shí)，門D4輸出端變?yōu)榈碗娖?，VS無觸發(fā)信號(hào)(且存在脈動(dòng)直流電壓的波形過零點(diǎn))而自行關(guān)斷，燈HL自動(dòng)熄滅。2.2CMOS集成門電路的發(fā)展沿革在20世紀(jì)60年代RCA公司率先開發(fā)出了4000系列CMOS集成邏輯門電路。它具有零靜態(tài)功耗和很寬的電源電壓范圍（+3~+15V），其輸出電壓可以達(dá)到全擺幅，輸入端幾乎不取電流的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是工作速度不夠快（電源電壓為10V時(shí)只有1MHZ），并且其輸入端容易因靜電電壓而損壞。到了70年代，4000系列CMOS發(fā)展成了4000B系列，提供更寬的輸入電壓允許范圍（+3~+18V）及更快的工作速度（電源電壓為5V時(shí)就有3.5MHZ）。74C系列CMOS門電路也達(dá)到TTL74LS系列芯片的相似指標(biāo)，同時(shí)具有TTL74LS系列芯片相同的腳位分布。CMOS邏輯門電路在20世紀(jì)80年代最值得稱道的發(fā)展成果是其在工作速度和負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力上達(dá)到并超過TTL門電路的水平。74HC（高速CMOS）系列不但達(dá)到了TTL74LS系列同樣的工作速度，且具有比其更低的靜態(tài)功耗；74AC（先進(jìn)CMOS）系列也達(dá)到了TTL74F系列及TTL74AS系列同樣的工作速度。這兩個(gè)系列吸取了TTL和CMOS各自的優(yōu)點(diǎn)：全擺幅輸出、閾值電壓UT為電源電壓的一半。這些優(yōu)秀的性能加上零靜態(tài)功耗和價(jià)格上的絕對(duì)優(yōu)勢，使得它們完全取代了雙極型TTL集成門電路。在20世紀(jì)80年代，如微處理器和存儲(chǔ)器等大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的制造工藝從NMOS逐漸轉(zhuǎn)為CMOS，其目的是為了獲得更低的功耗及與CMOS邏輯門電路系列更好的兼容，同時(shí)集成電路的速度和功能復(fù)雜性也大大增加。在對(duì)速度要求極高的領(lǐng)域，GaAs(砷化鎵)器件的速度能夠達(dá)到GHZ數(shù)量級(jí)。CMOS集成門電路功耗極低，成本低，電源電壓范圍寬，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，輸入阻抗高，扇出能力強(qiáng)。在所有數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾乎都采用CMOS74HC邏輯門電路，需要使CMOS兼容TTL時(shí)可選用74HCT系列；對(duì)速度要求較高的場合可選用74AC（T）系列，雖然雙極型TTL（74LS/ALS）也可以選用，但是選用CMOS集成門電路更勝一籌。例2.1有一大水箱由YS、YL兩臺(tái)水泵供水，水箱中設(shè)置了三個(gè)水位檢測元件A、B、C，如圖2.1所示。當(dāng)水面低于檢測元件時(shí)，檢測元件輸出高電平，當(dāng)水面高于檢測元件時(shí)，檢測元件輸出低電平。現(xiàn)要求水位超過C點(diǎn)時(shí)，YS、YL停止工作；水位低于C點(diǎn)但高于B點(diǎn)時(shí)，YS單獨(dú)工作；水位低于B點(diǎn)但高于A點(diǎn)時(shí)，YL單獨(dú)工作；水位低于A點(diǎn)時(shí)，YS、YL同時(shí)工作。試運(yùn)用邏輯門電路來設(shè)計(jì)此控制電路。解：①邏輯抽象。輸入變量：水位檢測元件用A、B、C表示，低于檢測元件為1，高于為0；輸出變量：水泵以YS、YL表示，水泵工作為1，不工作為0；2.3CMOS門電路有4000A和4000B兩個(gè)品系，還有4500和5000兩個(gè)擴(kuò)展品系。4000A與4000B兩者的不同點(diǎn)是：①4000A的電源電壓范圍為3～15V，4000B的電源電壓范圍為3～18V；②4000B是在4000A的基礎(chǔ)上后接2級(jí)緩沖器構(gòu)成的，使電路的增益大大提高而且使輸入、輸出充分隔離。在4000B系列中同時(shí)保留了不帶緩沖器的產(chǎn)品，稱為4000VB。4500則是在4000的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了約90個(gè)通用型號(hào)后構(gòu)成的擴(kuò)展系列，5000擴(kuò)展系列則補(bǔ)充了一些集成度較高的品種。高速CMOS電路54H∕74HC××的工作和輸出驅(qū)動(dòng)電流能力和LSTTL(低功耗肖特基系列)電路相近，它有HC、HCU和HCT三種標(biāo)準(zhǔn)化類型。2.3.1.實(shí)現(xiàn)指定邏輯功能的CMOS電路設(shè)計(jì)圖2.5CMOS非門圖2.6CMOS與非門電路

圖2.7CMOS或非門

(a).邏輯圖(b).CC4081的內(nèi)部電路

圖2.8四2輸入與門（CC4081）

(a)等效邏輯電路；(b)內(nèi)部電路圖2.9四2輸入或門的或門CC4071(a)內(nèi)部電路(b)等效邏輯電路(c)電路符號(hào)

圖2.10CMOS與或非門CC4085

（a）邏輯圖(b)實(shí)際電路(c)等效電路（d）CC4011構(gòu)成的“異或”門圖2.11四異或門芯片CC4070(d)(a)同或門的電路符號(hào)(b)異或門的電路符號(hào)圖2.12同或門與異或門的電路符號(hào)(a)NMOS管串聯(lián)(b)NMOS管并聯(lián)(c)邏輯函數(shù)的串聯(lián)(d)邏輯函數(shù)的并聯(lián)圖2.13NMOS管的串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)“與”邏輯，NMOS管的并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)“或”邏輯實(shí)現(xiàn)指定邏輯功能的CMOS電路設(shè)計(jì)的規(guī)律是：①NMOS管的串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)“與”邏輯，并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)“或”邏輯，其輸出是該邏輯的反，如圖2.12(a)(b)所示，等效邏輯電路圖如圖2.12(c)(d)所示。②每個(gè)CMOS門電路都由互補(bǔ)的NMOS管和PMOS管組合而成，且兩互補(bǔ)的NMOS管、PMOS管的柵極連接在一起作為輸入端。③要實(shí)現(xiàn)“與”邏輯，可將相應(yīng)的NMOS管組合串聯(lián)；要實(shí)現(xiàn)“或”邏輯，可將NMOS管組合并聯(lián)，如圖2.12(c)(d)所示。④NMOS管串聯(lián)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的PMOS管一定并聯(lián)；NMOS管并聯(lián)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的PMOS管一定串聯(lián)。圖2.14實(shí)現(xiàn)函數(shù)的CMOS電路

圖2.15用CMOS門電路實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù):

圖2.16CMOS三態(tài)門8.三態(tài)門(a)電原理圖(b)傳輸門邏輯符號(hào)(c)的內(nèi)部電路

圖2.17CMOS傳輸門CC40669.CMOS傳輸門與模擬開關(guān)（a）電路圖(b)符號(hào)圖圖2.18雙向模擬開關(guān)（a）電路圖(b)邏輯符號(hào)圖圖2.19CMOS漏極開路（OD）門圖2.20兩個(gè)OD門的“線與”連接電路圖2.3.2

CMOS門電路的外部特性（a）邏輯電路(b)示意圖(c)輸入特性圖2.21CMOS反相器的輸入特性

(a)輸出為高電平時(shí)的電路(b)輸出為低電平時(shí)的電路(c)輸出特性曲線圖2.22CMOS反相器的輸出特性(a)OD門線與連接電路圖;(b)輸出特性圖2.23OD門（a）電壓傳輸特性;(b)電流傳輸特性圖2.24CMOS非門的傳輸特性二.CMOS門電路的動(dòng)態(tài)特性

(a)電路;(b)波形圖2.25CMOS反相器傳輸延遲時(shí)間2.CMOS門電路的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間（a）電路；(b)波形圖2.26CMOS反相器輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間2.3.34000系列的CMOS集成電路使用說明表2.5CMOS集成電路4500系列器件的電特性參數(shù)

(a)54HC／74HC系列器件的輸入保護(hù)電路;(b)54HCT／74HCT系列器件的輸入保護(hù)電路圖2.27輸入保護(hù)電路(a)推挽輸出;(b)三態(tài)輸出圖2.2854HC/74HC系列器件的推挽輸出和三態(tài)輸出電路2.4LSTTL(肖特基系列)門電路表2.8雙極型門電路與CMOS門電路的主要電特性參數(shù)比較表圖2.29LSTTL與非門電路的構(gòu)成(a)肖特基三極管；(b)肖特基三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.30肖特基三極管及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.3174LS00集成電路的輸入特性圖2.3274LS00的輸出特性

圖2.33四2輸入與非門74LS00的電壓傳輸特性

2.5BiCMOS門電路

圖2.38BiCMOS反相器（a）BiCMOS或非門;（b）BiCMOS與非門圖2.39

BiCMOS門電路

圖2.40BICMOS反相器的電壓傳輸特性2.6集成門電路的使用

圖2.41與非門多余輸入端的處理

圖2.42或非門多余輸入端的處理二.使用TTL電路應(yīng)注意的問題：①TTL集成電路芯片的電源均采用＋5V，使用時(shí)，不能將電源端與地端顛倒接錯(cuò)，也不能接高于5.5V的電源。否則會(huì)損壞器件。②TTL集成電路芯片的輸入端不能直接與高于＋5.5V或低于－0.5V的低內(nèi)阻電源連接，因?yàn)榈蛢?nèi)阻電源供給較大電流而燒壞器件。③其輸出端不允許與電源或地短接，必須通過電阻與電源連接，以提高輸出電平。④插入或拔出TTL集成電路芯片時(shí)，務(wù)必切斷電源，否則會(huì)因電源沖擊而造成永久損壞。⑤其多余輸入端不允許懸空。處理方法如圖2.42、圖2.43所示。對(duì)于圖2.43（b）中接地電阻的阻值要求R≤＝500。（a）利用NPN三極管作接口;（b）利用CC4050∕49作接口（c）利用OD與非門CC4017作接口圖2.43CMOS驅(qū)動(dòng)TTL電路（c）利用OD與非門CC4017作接口2.TTL電路驅(qū)動(dòng)CMOS電路(a)利用TTLOC門作接口;(b)利用NPN開關(guān)管T作接口;(c)利用上拉電阻RP作接口圖2.45TTL電路驅(qū)動(dòng)CMOS電路圖2.45TTL－CMOS芯片CC40109的應(yīng)用

圖2.46TTL或CMOS電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載

表2.10常用數(shù)字集成電路技術(shù)參數(shù)比較表2.7“教、學(xué)、做”項(xiàng)目5：基于CC4011的“低成本搶答器”設(shè)計(jì)

基于CC4011芯片的“低成本搶答器”參考電路如圖2.49所示。它有多個(gè)輸入端和一個(gè)復(fù)位端，當(dāng)某一搶答輸入端有搶答信號(hào)，則顯示這一路的搶答成功。搶答成功后，使后面的搶答信號(hào)不能進(jìn)入搶答器，一直到復(fù)位控制信號(hào)有效，才能解除封鎖，進(jìn)行下一次搶答。輸入控制電路由U3A～U3D四個(gè)與非門組成，當(dāng)U4B輸出高電平時(shí)，K1～K4搶答信號(hào)才能通過U3A～U3D這些控制門。有效信號(hào)存儲(chǔ)電路是由U1A～U2D等8個(gè)與非門構(gòu)成的4個(gè)基本的RS觸發(fā)器構(gòu)成。搶答開始前，主持人按一復(fù)