數電邏輯代數基礎

數電邏輯代數基礎第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三數字集成電路的分類一.按工藝結構區(qū)分：1.按工藝區(qū)分IIL電路54/74系列54H/74H系列54LS/74LS系列54AS/74AS系列54ALS/74ALS系列CMOS電路NMOS電路PMOS電路ECL電路HTL電路TTL電路54HC/74HC系列54HTC/74HTC系列4000系列Bi-CMOS型MOS型雙極型退出><目錄第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三2.按輸出結構區(qū)分推拉式輸出或CMOS反向器輸出OC輸出或OD輸出三態(tài)輸出二.按集成度（單個芯片所含門的個數）區(qū)分：1.小規(guī)模集成電路（SmallScaleIntegration，SSI，10門以下/片）2.中規(guī)模集成電路（MediumScaleIntegration，MSI，100門以下/片）3.大規(guī)模集成電路（LargeScaleIntegration，LSI，1000門以上/片）4.超大規(guī)模集成電路（ＶeryLargeScaleIntegration,VLSI,10000門以上/片)退出><目錄第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三三.按數字系統設計方法分類:退出><目錄1.通用型中規(guī)模（MSI），小規(guī)模（SSI）集成邏輯件。2.由軟件組態(tài)的大規(guī)模（LSI），超大規(guī)模（VLSI）集成邏輯器件，如微處理器、單片機、通用和專用數字信號處理器等。3.專用集成電路ASIC。***全定制半定制PLDPROMPLAPALGALCPLDFPGA第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三各種系列門電路的性能比較退出><目錄第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三退出><目錄雙極型數字集成門

TTL門電路工作速度高，驅動能力強，是目前應用最廣泛的集成門電路。它的主要缺點是功耗大，集成度低。*射極耦合邏輯ECL電路

發(fā)射極耦合邏輯電路，也稱電流開關型邏輯電路。它是利用運放原理通過晶體管射極耦合實現的門電路。工作速度最高，其平均延遲時間tpd可小至1ns。這種門電路輸出阻抗低，負載能力強，能實現或非及或兩種邏輯功能。它的主要缺點是抗干擾能力差，電路功耗大。TTL門電路*第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

IIL電路的主要特點是電路結構簡單，功耗低。IIL的每個基片邏輯單元所占面積很小，工作電流不超過1nA，因而其集成度可達500門/mm以上（一般TTL電路集成度在20門/mm左右）。2注入邏輯IIL電路

IIL電路的另一特點是可以在低電壓下工作但抗干擾能力差，開關速度低，一般tpd>10ns。MOS集成門

MOS邏輯電路是以金屬一氧化物一半導體場效應管為基礎的集成電路。因管內有一種載流子運動，因而它屬于單極型數字集成電路。目前廣泛應用的是CMOS電路，它有以下特點：2退出><目錄*第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三1.CMOS電路由NMOS和PMOS組成，由于MOS管導通內阻比半導體導通內阻大，所以CMOS門比TTL門工作速度低一些。2.由于CMOS電路的互補特性，其高低電平輸出阻抗都很低（同NMOS和PMOS比）。CMOS電路的輸入阻抗只取決于輸入端保護二極管的漏電流，其輸入阻抗極高，可達10W以上。在頻率不太高的情況下，

CMOS電路的扇出能力幾乎不受限制。當頻率升高時，扇出系數有所降低。83.CMOS電路主要有兩個產品系列---CC4000和C000（與國外CD和MC系列相當）。它們的電源電壓允許范圍大，CC4000系列為3~18V；C000系列為5~15V。因此它們輸出高低電平擺幅大，抗干擾能力強，其噪聲容限可達30%VDD，而TTL門的噪聲容限只有0.4V。4.CMOS門工作時總是一管導通另一管截止，因而幾乎不由電源吸取電流，其功耗極小。當VDD=5V時，CMOS電路的靜態(tài)功耗分別是：門電路類為2.5~5uW；緩沖器和觸發(fā)器類為5~20uW；中規(guī)模集成電路類為25~100uW。退出><目錄第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三5.CMOS集成電路功耗低，內部發(fā)熱量小，集成度可大大提高。又由于其電路本身的互補對稱結構，當環(huán)境溫度變化時，其參數有互相補償作用，因而其溫度穩(wěn)定性好。6.抗輻射能力強，MOS管是多數載流子受控導電器件，射線輻射對多數載流子濃度影響不大。因此CMOS電路特別適用于航天，衛(wèi)星和核試驗條件下工作的裝置。7.由于CMOS電路輸入阻抗高，容易受靜電感應發(fā)生擊穿，除其電路內部設置保護電路外，在使用和存放時應注意靜電屏蔽，焊接時電烙鐵應接地良好。CMOS門多余不用輸出端不能懸空，應根據需要接電源或接地。退出><目錄第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三TTL數字集成電路型號的命名法示例：（1）(2)(3)(4)(5)CT74LS00P塑料雙列直插封裝器件系列：低功耗肖特基溫度范圍：0℃~+70℃中國制造的TTL類器件品種：四2輸入與非門SN74S195J黑陶瓷雙列直插封裝器件品種：4位并行移位寄存器器件系列：肖特基溫度范圍：0℃~+70℃美國TEXAS公司（1）(2)(3)(4)(5)退出><目錄第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三CMOS，ECL器件型號組成符號意義CC4025M溫度范圍：-55℃~+125℃器件品種：3輸入與非門器件系列中國制造CMOS器件示例：CE10131器件品種:雙主從D觸發(fā)器器件系列中國制造ECL器件(1)(2)(3)(4)(1)(2)(3)退出><目錄第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三TTL與非門的工作原理⒈輸入全部為高電位（3.6V）⒉輸入端至少有一個為低電位（0.3V）TTL與非門的各級工作狀態(tài)退出><目錄第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三多射極晶體管的結構及等效電路退出><目錄第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三TTL與非門的特性與參數⒈電壓傳輸特性⒉輸入特性AB段（截止區(qū)）BC段（線性區(qū)）CD段（轉折區(qū)）DE段（飽和區(qū)）UOH：輸出高電平

UOL：輸出低電平UT：閥值電壓UOFF：

開門電平UON：

關門電平退出><目錄第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三⒊輸入負載特性ROFF—關門電阻RON—關門電阻TTL與非門輸入負載退出><目錄第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三⒋輸出特性①與非門處于開態(tài)時，輸出低電平。②與非門處于關態(tài)時，輸出高低電平。TTL與非門輸出低電平的輸出特性TTL與非門輸出高電平的輸出特性退出><目錄（此時，IL為灌電流。為保證UOL≤0.35V，通常ILmax≤25mA）（此時，IL為拉電流。為保證UOL輸出高電平，通常IL≤14mA）第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三⒌平均延遲時間tpdtpd=（tPHL+tPLH）12退出><目錄第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三集電極開路（OC）門集電極開路的門電路（OpenCollectorGate），簡稱OC門。其電路結構和邏輯符號如下圖所示：（a）集電極開路與非門電路（b）OC門邏輯符號BAFR3R2R1BAF退出><目錄第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三OC門的輸出端可以直接并聯在一起，但需要外接電阻OC門的并聯處實現“線與”三態(tài)門三態(tài)輸出門（簡稱三態(tài)門）是在普通門電路的基礎上，增加控制端和控制電路構成。其電路結構圖和邏輯符號如下圖所示：F=AB?CD=AB+CDCBFDAVCC退出><目錄第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三EN=1F=ABEN=0F為高阻ENBFAVCCABENFVCCABENENENAB退出><目錄EN第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三EN=1時G1工作G2高阻數據從D0D1EN=0時G2工作G1高阻數據從D1D0退出><目錄ENEND0D1ENG1G2用三態(tài)門實現雙向傳輸第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三CMOS邏輯器件有三大系列1.4000系列2.74C系列3.硅---氧化鋁系列，目前尚未普及。這兩種系列應用較為普遍4000系列有許多系列，目前最常用的是系列B，它采用了硅柵工藝和雙緩沖輸出結構。例：CD4001B為四--2輸入或非門，“CD”表示美國RCA公司開發(fā)的4000系列產品。74C系列也含有許多系列，其功能及管腳系列設置均與TTL74系列保持一致。74C為普遍系列，此外還有CMOS74HC/HCT系列和先進的CMOS74AC/ACT系列，其中74HCT系列和74ACT系列可直接與TTL相兼容。Bi-CMOS是雙極型CMOS（BiPolar-CMOS）電路的簡稱。退出><目錄第二十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三Bi-CMOS這種門電路的特點是邏輯部分采用CMOS結構，輸出極采用雙極型三極管，因此兼有CMOS電路的低功耗和雙極型電路低輸出內阻的優(yōu)點。下圖為Bi-CMOS反相器的兩種電路結構型式。(a)最簡單的電路結構(b)常用的電路結構退出><目錄第二十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

圖（a）是結構簡單的一種，其中兩個雙極型輸出管的基極接有下拉電阻。

當Vi=ViH時，T2，T4導通，T1，T3截止，Vo=VoL。當Vi=ViL時，T1，T3導通，T2，T4截止，Vo=VoH

圖（b）用T2，T4取代圖（a）中的R1，R2，形成有源下拉式結構。

當Vi=ViH時，T2，T3和T6導通，T1，T4和T5截止，