1、 第第 三三 章章集集 成成 門門 電電 路路 與與 觸觸 發發 器器 2 隨著微電子技術的發展，人們把實現各種邏輯功能的元器件及其連線都集中制造在同一塊半導體材料小片上，并封裝在一個殼體中，通過引線與外界聯系，即構成所謂的集成集成電路塊，電路塊，通常又稱為通常又稱為集成電路芯片。集成電路芯片。 集成門電路和觸發器等邏輯器件是實現數字系統功能的集成門電路和觸發器等邏輯器件是實現數字系統功能的物質基礎。物質基礎。采用集成電路進行數字系統設計的優點：優點： 可靠性高、可維性好、功耗低、成本低等優點，可以大可靠性高、可維性好、功耗低、成本低等優點，可以大大簡化設計和調試過程。大簡化設計和調試過程。3

2、 本章知識要點本章知識要點 集成電路的分類；集成電路的分類； 半導體器件的開關特性；半導體器件的開關特性； 邏輯門電路的功能、外部特性及使用方法；邏輯門電路的功能、外部特性及使用方法； 常用觸發器的功能、觸發方式與外部工作特性。常用觸發器的功能、觸發方式與外部工作特性。4 3.1 數字集成電路的分數字集成電路的分類類 數字集成電路通常按照所用半導體器件的不同或者根據集成規模的大小進行分類。一一. . 根據所采用的半導體器件進行分類根據所采用的半導體器件進行分類 根據所采用的半導體器件，數字集成電路可以分為兩大類。兩大類。 1. 雙極型集成電路：雙極型集成電路：采用雙極型半導體器件作為元件。主要

3、特點是速度快、負載能力強，但功耗較大、速度快、負載能力強，但功耗較大、 集成度較低。集成度較低。 2. 單極型集成電路單極型集成電路(又稱為又稱為MOS集成電路集成電路): 采用金屬-氧化物半導體場效應管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Tra-nsister)作為元件。主要特點是結構簡單、制造方便、集成度高、結構簡單、制造方便、集成度高、功耗低，但速度較慢。功耗低，但速度較慢。5 雙極型集成電路又可進一步可分為：雙極型集成電路又可進一步可分為： 晶體管晶體管- -晶體管邏輯電路晶體管邏輯電路TTL(TTL(Transistor Transisto

4、r Logic) )； 發射極耦合邏輯電路發射極耦合邏輯電路( (Emitter Coupled Logic) ) ； 集成注入邏輯電路集成注入邏輯電路I I2 2L L(Integrated Injection Logic) 。 TTL電路的電路的“性能價格比性能價格比”最佳，應用最廣泛。最佳，應用最廣泛。 MOS集成電路又可進一步分為：集成電路又可進一步分為： PMOS( P-channel Metel Oxide Semiconductor)； NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)； CMOS(Complement Metal OxideSe

5、miconductor)。 CMOS電路應用較普遍，因為它不但適用于通用邏電電路應用較普遍，因為它不但適用于通用邏電路的設計，而且綜合性能最好路的設計，而且綜合性能最好 。6二根據集成電路規模的大小進行分類二根據集成電路規模的大小進行分類 通常根據一片集成電路芯片上包含的邏輯門個數或元件個數，分為 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。 1. SSI (Small Scale Integration ) 小規模集成電路小規模集成電路: 邏輯門數小于10 門(或元件數小于100個)； 2. MSI (Medium Scale Integration ) 中規模集成電路中規模集成電路: 邏輯門數

6、為10 門99 門(或元件數100個999個)； 3. LSI (Large Scale Integration ) 大規模集成電路大規模集成電路: 邏輯門數為100 門9999 門(或元件數1000個99999個)； 4. VLSI (Very Large Scale Integration) 超大規模集成電路超大規模集成電路: 邏輯門數大于10000 門(或元件數大于100000個)。 73.2 3.2 半導體器件的開關特性半導體器件的開關特性 數字電路中的晶體二極管、三極管和數字電路中的晶體二極管、三極管和MOS管等器件一般是管等器件一般是以開關方式運用的，其工作狀態相當于相當于開關的以

7、開關方式運用的，其工作狀態相當于相當于開關的“接通接通”與與“斷開斷開”。 由于數子系統中的半導體器件運用在開關頻率十分高的電路中(通常開關狀態變化的速度可高達每秒百萬次數量級甚至千萬次數量級)，因此，研究這些器件的開關特性時，不僅要研究它們在導通與截止兩種狀態下的靜止特性靜止特性，而且還要分析它們在導通和截止狀態之間的轉變過程，即動態特性動態特性。83.2.1 晶體二極管的開關特性晶體二極管的開關特性一靜態特性一靜態特性 靜態特性是指二極管在導通和截止兩種穩定狀態下的特性。靜態特性是指二極管在導通和截止兩種穩定狀態下的特性。典型二極管的靜態特性曲線(又稱伏安特性曲線)如下圖所示。 1. 正向

8、特性正向特性 ： 門檻電壓門檻電壓 ( UTH )：使二極管開始導通的正向電壓，有時又稱為導通電壓 (一般鍺管約0.1V，硅管約0.5V)。 正向電壓 UF UTH ：管子截止，電阻很大、正向電流 IF 接近于 0， 二極管類似于開關的斷開狀態 ； 正向電壓 UF = UTH ：管子開始導通，正向電流 IF 開始上升； 正向電壓 UF UTH (一般鍺管為0.3V，硅管為0.7V) ：管子充分導通， 電阻很小，正向電流IF 急劇增加，二極管類似于開關的接通狀態。靜態特性曲線圖9 2 2 反向特性反向特性 二極管在反向電壓 UR 作用下，處于截止狀態，反向電阻很大，反向電流 IR 很小（將其稱為

9、反向飽和電流，用 IS 表示，通常可忽略不計），二極管的狀態類似于開關斷開。二極管的狀態類似于開關斷開。而且反向電壓在一定范圍內變化基本不引起反向電流的變化。 使用注意事項：使用注意事項： 正向導通時可能因電流過大而導致二極管燒壞。組成實際電路時通常要串接一只電阻 R，以限制二極管的正向電流； 反向電壓超過某個極限值時，將使反向電流IR突然猛增，致使二極管被擊穿（通常將該反向電壓極限值稱為反向擊穿電壓UBR），一般不允許反向電壓超過此值。10 二極管組成的開關電路圖如圖（a）所示。二極管導通狀態下的等效電路如圖(b)所示，截止狀態下的等效電路如圖(c)所示，圖中忽略了二極管的正向壓降。 二極管

10、開關電路及其等效電路DU0RR斷開R關閉(a)(b)(c) 由于二極管的單向導電性，所以在數字電路中經常把它當由于二極管的單向導電性，所以在數字電路中經常把它當作開關使用。作開關使用。11二二. 動態特性動態特性 二極管的動態特性是指二極管在導通與截止兩種狀態轉換過程中的特性，它表現在完成兩種狀態之間的轉換需要一定的時間。為此，引入了反向恢復時間反向恢復時間和開通時間開通時間的概念。1. 反向恢復時間反向恢復時間 反向恢復時間反向恢復時間：二極管從正向導通到反向截止所需要的時間稱為反向恢復時間。 當作用在二極管兩端的電壓由正向導通電壓 UF 轉為反向截止電壓 UR 時，在理想情況下二極管應該立

11、即由導通轉為截止，電路中只存在極小的反向電流。 實際情況如何呢？實際情況如何呢？12 實際過程如下圖所示：實際過程如下圖所示：二極管的動態特性圖二極管的動態特性圖 圖中：圖中： 0t1時刻：時刻：輸入正向導通電壓 UF，二極管導通，電阻很小，電路中的正向電流IF UF /R。 t1 時刻：時刻：輸入電壓由正向電壓UF 轉為反向電壓 UR，首先正向電流IF 變到一個很大的反向電流IR UR /R，該電流維持一段時間ts后開始逐漸下降，經過一段時間tt后下降到一個很小的數值0.1IR(接近反向飽和電流 IS)，二極管進入反向截止狀態。 ts 稱為存儲時間；稱為存儲時間； tt 稱為渡越時間；稱為渡

12、越時間； tre=ts+tt 稱為反向恢復時間。稱為反向恢復時間。13 產生反向恢復時間產生反向恢復時間t tre 的原因？的原因？ 二極管外加正向電壓 UF 時，PN結兩邊的多數載流子不斷向對方區域擴散，一方面使空間電荷區變窄，另一方面使相當數量的載流子存儲在PN結的兩側。 當輸入電壓突然由正向電壓 UF 變為反向電壓UR時，PN 結兩邊存儲的載流子在反向電壓作用下朝各自原來的方向運動，即P 區中的電子被拉回 N區，N區中的空穴被拉回 P區，形成反反向漂移電流向漂移電流IR 。 開始時空間電荷區依然很窄，二極管電阻很小，反向電流IR UR /R。 經過時間ts 后，PN 結兩側存儲的載流子顯

13、著減少，空間電荷區逐漸變寬，反向電流慢慢減小；直至經過時間tt 后，IR 減小至反向飽和電流IS，二極管截止。該過程如下圖所示。Pn結的反向反向恢復過程示意圖結的反向反向恢復過程示意圖14 2. 2. 開通時間開通時間 開通時間：開通時間：二極管從反向截止到正向導通的時間稱為開通時間。 由于PN結在正向電壓作用下空間電荷區迅速變窄，正向電阻很小，因而它在導通過程中及導通以后，正向壓降都很小，故電路中的正向電流IF UF/R。而且加入輸入電壓UF后，回路電流幾乎是立即達到IF的最大值。 即：即：二極管的開通時間很短，對開關速度影響很小，相二極管的開通時間很短，對開關速度影響很小，相對反向恢復時間

14、而言幾乎可以忽略不計。對反向恢復時間而言幾乎可以忽略不計。15 3.2.2 晶體三極管的開關特性晶體三極管的開關特性 晶體三極管由集電結和發射結兩個PN結構成。根據兩個PN結的偏置極性，三極管有截止截止、放大放大、飽和飽和3種工作狀態。 一個用NPN型共發射極晶體三極管組成的簡單電路及其輸出特性曲線如下圖所示。一靜態特性一靜態特性163. 飽和狀態飽和狀態 uB 0，兩個PN結均為正偏，iB IBS(基極臨界飽和電流) UCC/Rc ,此時iC = ICS(集電極飽和電流)UCC/Rc。三極管呈現低阻抗，類似于開關接通。1. 截止狀態截止狀態 uB0，兩個PN結均為反偏，iB0,iC 0,uC

15、E UCC。三極管呈現高阻抗，類似于開關斷開。 2. 放大狀態放大狀態 uB0，發射結正偏，集電結反偏，iC =iB 。 該電路工作特該電路工作特點可歸納如下：點可歸納如下：17 晶體三極管在截止與飽和這兩種穩態下的特性稱為三極晶體三極管在截止與飽和這兩種穩態下的特性稱為三極管的管的靜態開關特性靜態開關特性。 在數字邏輯電路中，三極管相當于一個由基極信號控制的在數字邏輯電路中，三極管相當于一個由基極信號控制的無觸點開關，其作用對應于觸點開關的無觸點開關，其作用對應于觸點開關的“閉合閉合”與與“斷開斷開”。 上述共發射極晶體三極管電路在三極管截止與飽和狀態下的等效電路如下圖所示。18 晶體三極管

16、在飽和與截止兩種狀態轉換過程中具有的特性晶體三極管在飽和與截止兩種狀態轉換過程中具有的特性稱為三極管的動態特性。稱為三極管的動態特性。 三極管的開關過程和二極管一樣，管子內部也存在著電荷的建立與消失過程。因此，兩種狀態的轉換也需要一定的時間才能完成。二動態特性二動態特性三極管的動態特性示意圖三極管的動態特性示意圖 在圖（a）的輸入端輸入一個理想的矩形波電壓，在理想情況下 iC 和uCE 的波形應該如波形圖中(a)所示。但實際轉換過程中IC 和UCE 的波形如波形圖中（b）所示，無論從截止轉向導通還是從導通轉向截止都存在一個逐漸變化的過程。 例如，圖例如，圖(a)所示電路的動態特所示電路的動態特

17、性如下圖所示。性如下圖所示。19 1開通時間（開通時間（ ton ） 開通時間：開通時間：三極管從截止狀態到飽和狀態所需要的時間。 當輸入電壓ui由-U1 跳變到+U2時，三極管從截止到開始導通所需要的時間稱為延遲時間延遲時間td。 經過延遲時間td后，iC不斷增大。iC上升到最大值的90%所需要的時間稱為上升時間上升時間tr 。 開通時間開通時間ton =td + tr 2. 關閉時間關閉時間 （ toff ） 關閉時間關閉時間 ：三極管從飽和狀態到截止狀態所需要的時間。 當輸入電壓ui由+U2跳變到-U1時，集電極電流從ICS到開始下降所需要的時間稱為存儲時間存儲時間ts。 集電極電流由0

18、.9ICS降至0.1ICS所需的時間稱為下降時間下降時間tf 。 關閉時間關閉時間toff =ts + tf 開通時間ton和關閉時間toff是影響電路工作速度的主要因素。203.2.3 MOS管的開關特性管的開關特性一一. 靜態特性靜態特性 MOS管作為開關元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態。MOSMOS管是電壓控制元件，主要由柵源電壓管是電壓控制元件，主要由柵源電壓u uGSGS決定其工作狀態。決定其工作狀態。 由NMOS增強型管構成的開關電路如下圖所示。21 工作特性如下：工作特性如下： 當當uGS開啟電壓開啟電壓UT時時，MOS管工作在截止區，漏源電流IDS基本為0，輸出電壓uDS

19、UDD，MOS管處于“斷開”狀態，其等效電路如圖 (b)所示。 當當uGS開啟電壓開啟電壓UT時時，MOS管工作在導通區，漏源電流iDS=UDD/(RD + rDS)。其中，rDS為 MOS 管導通時的漏源電阻。輸出電壓UDS=UDD rDS /(RD+rDS), 若rDSRD，則uDS 0V，MOS管處于“接通”狀態，其等效電路如圖 (c)所示。22二二. 動態特性動態特性 MOS管本身導通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的。動態特性主要取決于電路中雜散電容充、放電所需的時間。動態特性主要取決于電路中雜散電容充、放電所需的時間。 一個由NMOS管組成的電路及其動態特性示意圖如下圖所示。MO

20、S管動態特性示意圖管動態特性示意圖 1. 當電壓ui由高變低，MOS管由導通轉換為截止時，電源UDD通過RD向雜散電容CL充電，充電時間常數1 = RDCL。 2. 當電壓ui由低變高，MOS管由截止轉換為導通時，雜散電容CL上的電荷通過rDS進行放電，其放電時間常數2 rDSCL。 因為rDS比RD小得多，因此，由截止到導通的轉換時間比由導通到截止的轉換時間要短。23 由于MOS管導通時的漏源電阻rDS比晶體三極管的飽和電阻rCES要大得多，漏極外接電阻RD也比晶體管集電極電阻RC大，所以，MOS管的充、放電時間較長，使MOS管的開關速度比晶體三極管的開關速度低。 為了提高為了提高MOS器件

21、的工作速度，引入了器件的工作速度，引入了CMOS電路。電路。 在在CMOS電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電路，因此，其充、放電過程都比較快，從而使路，因此，其充、放電過程都比較快，從而使CMOS電路有電路有較高的開關速度。較高的開關速度。24 3.3 3.3 邏邏 輯輯 門門 電電 路路 實現基本邏輯運算和常用復合邏輯運算的邏輯器件統稱實現基本邏輯運算和常用復合邏輯運算的邏輯器件統稱為邏輯門電路，它們是組成數字系統的基本單元電路。為邏輯門電路，它們是組成數字系統的基本單元電路。 從實際應用的角度出發，下面主要介紹TTL集成邏輯門和CMOS集成邏輯

22、門。 學習時應重點掌握集成邏輯門電路的功能和外部特性，以及器件的使用方法。對其內部結構和工作原理只要求作一般了解。253.3.1 晶體三極管反相器晶體三極管反相器一一. 反相器的工作原理反相器的工作原理 反相器又稱“非門”。晶體三極管反相器的電路圖和邏輯符號如圖 (a)和圖(b)所示 。 圖中，負電源UB的作用是保證輸入ui為低電平時晶體管T能可靠截止。二極管DQ和電源UQ組成鉗位電路，使輸出高電平穩定在規定的標準值( 3. 2V )。 電路中給定的參數可以保證當輸入ui為高電平3.2V時晶體管T可靠飽和導通，輸出電壓 uO = UCES 0.3V，為低電平；而當ui為低電平0.3V時,T可靠

23、截止，輸出電壓uO等于鉗位電源UQ與鉗位二極管DQ的導通壓降之和，即uO=2.5V+0.7V=3.2V，為高電平。 輸出與輸入之間滿足邏輯“非”的關系，實現了反相器的功能。261. 灌電流負載灌電流負載 一個帶有兩個帶灌一個帶有兩個帶灌電流負載的晶體管反相電流負載的晶體管反相器電路如右圖所示。器電路如右圖所示。圖中，灌電流負載將對電路工作產生何影響呢？圖中，灌電流負載將對電路工作產生何影響呢？二二. 反相器的負載能力反相器的負載能力 反相器負載：反相器負載：是指反相器輸出端所連接的其他電路。可 分 為“灌電流負載”和“拉電流負載”兩種情況。 灌電流負載：灌電流負載：是指負載電流IL從負載流入反

24、相器。 拉電流負載：拉電流負載：是指負載電流IL從反相器流入負載。27 反相器輸出低電平時，負載電流IL流入T的集電極，形成灌電流負載。集電極電流IC =IRc+IL, IL 隨負載個數的增加而增大。 當IC 隨著IL 的增加而變大時，對應的基極飽和電流 IBS 也變大，三極管的飽和程度減輕。一旦因IL繼續增加而破壞Ib IBS（基極臨界飽和電流）這一關系時，T將由飽和狀態進入放大狀態，輸出電壓uO 就會隨著管壓降uce的上升而變高，從而偏離輸出標準低電平，嚴重時將破壞反相器的邏輯功能。 為了使反相器正常工作，在帶灌電流負載的情況下，不能破壞條件IbIBS。通常用ILmax 表示三極管從飽和退

25、到臨界飽和時所允許灌入的最大負載電流。 ILmax反映了三極管帶灌電流負載的能力，即限制了反相器帶負載的數量。 三極管T截止時，反相器輸出uO為高電平(3.2V)，負載電流IL和IRc都流入鉗位電源UQ，對輸出無影響。282. 拉電流負載拉電流負載 一個帶拉電流負載的晶體管反相器電路如下圖所示。圖中，虛線框中為負載等效電路。 圖中的拉電流負載將對電路工作產生何影響呢？下面圖中的拉電流負載將對電路工作產生何影響呢？下面分截止和導通兩種竟情況討論。分截止和導通兩種竟情況討論。29 三極管截止時，Ic 0 ，IRc= IL + IQ，假設輸出uo = 3.2V不變，則 IRc =(UCC - 3.2

26、V)/Rc是一個定值。 隨著負載電流IL的增加，IQ必然減小，當IL IRc時，IQ 0，此時鉗位二極管失去作用。若IL 繼續增大，則IRc 將不再是定值而是隨之增大，從而使Rc上壓降增大，致使輸出電壓u o降低。因此，反相器的最大拉電流應小于IRc，即 ILmax IRc (UCC - 3.2V)/Rc 三極管T截止：反相器輸出為高，電流IL從反相器中流出來，形成拉電流負載。 三極管T飽和導通：輸出低電平 uo 0.3V，IQ= 0, Irc = I L + Ic ，IL增大，Ic變小，這有利于飽和。但要求IL不超過IRc最大值，否則將破壞反相器的正常工作。303.3.2 TTL 集成邏輯門

27、電路集成邏輯門電路 TTL(Transistor Transistor Logic)電路是晶體管電路是晶體管- 晶體晶體管邏輯電路的簡稱。管邏輯電路的簡稱。 TTL電路的功耗大、線路較復雜，使其集成度受到一電路的功耗大、線路較復雜，使其集成度受到一定的限制，故廣泛應用于中小規模邏輯電路中。定的限制，故廣泛應用于中小規模邏輯電路中。 下面，對幾種常見TTL門電路進行介紹，重點討論TTL與非門。31一一. 典型典型TTL與非門與非門 該電路可按 圖中虛線劃分為三部分：三部分： 輸入級輸入級 由多發射極晶體管T1和電阻R1組成； 中間級中間級 由晶體管T2和電阻R2、R3組成； 輸出級輸出級 由晶體

28、管T3、T4、T5和電阻R4、R5組成。1. 電路結構及工作原理電路結構及工作原理 (1) 電路結構電路結構 典型TTL與非門電路圖及相應邏輯符號如右圖所示。32(2)工作原理工作原理 輸入級由多發射極晶體管T1實現邏輯“與”的功能； 中間級由T2的集電極和發射極輸出兩個相位相反的信號分別控制T3和T5 ； 輸出級由T3、T4、T5組成推拉式輸出電路，用以提高電路的帶負載能力、抗干擾能力和響應速度。 邏輯功能分析如下：邏輯功能分析如下： 輸入端全部接高電平輸入端全部接高電平(3.6V)：電源Ucc通過R1和T1的集電結向T2提供足夠的基極電流，使T2飽和導通。T2的發射極電流在R3 上產生的壓

29、降又使 T5 飽和導通，輸出為低電平(0.3V)。 此時，T1的基極電壓ub1=ubc1+ube2+ube5 2.1V；T2的集電極電壓uc2 = uces2+ube50.3V+0.7V1V,該值大于T3的發射結正向壓降，T3導通。T4的基極電壓ub4= ue3=uc2-0.7V=0.3V,故T4截止。實現了實現了“輸入全高輸入全高 ，輸出為低，輸出為低”的邏輯關系。的邏輯關系。33 當有輸入端接低電平當有輸入端接低電平(0.3V)時：時：輸入端接低電平的發射結導通，使T1的基極電位Ub1=0.3V+0.7V=1V。該電壓作用于T1的集電結和T2、T5的發射結上，不可能使T2和T5導通，即T2

30、、T5均截止。 綜合上述，綜合上述，當輸入當輸入A、B、C均為均為高電平時，輸出為低電平高電平時，輸出為低電平(0V)；當；當 A、B、C中至少有一個為低電平時，輸出為中至少有一個為低電平時，輸出為高電平高電平(3.6V)。 輸出與輸入之間為輸出與輸入之間為“與非與非”邏輯，邏輯， 即即F = F = A B CA B C 由于T2截止，電源UCC通過R2驅動T3和T4管，使之工作在導通狀態，電路輸出為高電平(3.6V)。通常將電路的這種工作狀態稱為截止狀態，它實現了“輸入有低，輸出為高輸入有低，輸出為高”的邏輯功能。342. 主要外部特性參數主要外部特性參數 TTL與非門的主要外部特性參數有

31、輸出邏輯電平、開門電平、關門電平、扇入系數、扇出系數、平均傳輸時延和空載功耗等。 (2) 輸出低電平輸出低電平VOL：輸出低電平VoL是指輸入全為高電平時的輸出電平。VOL的典型值是0.3V，產品規范值為VOL0.4V,標準低電平VSL=0.4V。 (1) 輸出高電平輸出高電平VOH ：輸出高電平VOH是指至少有一個輸入端接低電平時的輸出電平。VOH的典型值是3.6V。產品規范值為VOH2.4V，標準高電平VSH=2.4V。35 (3) 開門電平開門電平VO N ：開門電平VON是指在額定負載下，使輸出電平達到標準低電平VSL的輸入電平，它表示使與非門開通的最小輸入電平。 VON的產品規范值為

32、VON1.8V。開門電平的大小反映了高電平抗干擾能力，VON 愈小，在輸入高電平時的抗干擾能力愈強。（為什么？）（為什么？） (4) 關門電平關門電平VOFF ：關門電平VOFF是指輸出空載時，使輸出電平達到標準高電平VSH的輸入電平，它表示使與非門關斷所允許的最大輸入電平。 VOFF 的產品規范值VOFF0.8V。關門電平的大小反映了低電平抗干擾能力，VOFF越大，在輸入低電平時的抗干擾能力越強。 （為什么？）（為什么？） 36 (5) 扇入系數扇入系數Ni ：扇入系數Ni是指與非門允許的輸入端數目。一 般Ni為25，最多不超過8。當應用中要求輸入端數目超過Ni時，可通過分級實現的方法減少對

33、扇入系數的要求。 (7) 輸入短路電流輸入短路電流IiS : 輸入短路電流IIs是指當與非門的某一個輸入端接地而其余輸入端懸空時，流過接地輸入端的電流。 在實際電路中，IiS是流入前級與非門的灌電流，它的大小將直接影響前級與非門的工作情況。輸入短路電流的產品規范值IiS1.6mA。 (6) 扇出系數扇出系數No：扇出系數NO是指與非門輸出端連接同類門的最多個數。它反映了與非門的帶負載能力，一般No8。 扇入和扇出是反映門電路互連性能的指標。37 (8) 高電平輸入電流高電平輸入電流IiH：高電平輸入電流IiH是指某一輸入端接高電平，而其他輸入端接地時，流入高電平輸入端的電流，又稱為輸入漏電流。

34、 一般IiH50A。 (9) 平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間tpd: 平均傳輸延遲時間tpd 是指一個矩形波信號從與非門輸入端傳到與非門輸出端(反相輸出)所延遲的時間。 通常將從輸入波上沿中點到輸出波下沿中點的時間延遲稱為導通延遲時間tpdL；從輸入波下沿中點到輸出波上沿中點的時間延遲稱為截止延遲時間tpdH。平均延遲時間定義為 tpd = ( tpdL+ tpdH )/2 平均延遲時間是反映與非門開關速度的一個重要參數。tpd 的典型值約10ns ，一般小于40ns。38 (10) 空載功耗空載功耗P：空載功耗是當與非門空載時電源總電流ICC和電源電壓UCC的乘積。 輸出為低電平時的功耗稱

35、為空載導通功耗PON，輸出為高電平時的功耗稱為空載截止功耗POFF ，PON大于POFF 。 平均功耗 P =(PON + POFF)/2 一般P50mW,如74H系列門電路平均功耗為22mW。39 3. TTL與非門集成電路芯片與非門集成電路芯片 TTL與非門集成電路芯片種類很多，常用的TTL與非門集成電路芯片有7400和7420等。 7400的引腳分配圖如圖 (a)所示；7420的引腳分配圖如圖 (b)所示。 圖中，UCC為電源引腳，GND為接地腳，NC為空腳。40二二. 其他功能的其他功能的TTL門電路門電路 集成TTL門電路除了與非門外，還有與門、或門、非門、與門、或門、非門、或非門、

36、與或非門、異或門或非門、與或非門、異或門等不同功能的產品。此外，還有兩種特殊門電路集電極開路門集電極開路門(OC門門)和三和三 態門態門(TS門門)。 (1) 非門非門 圖 (a)所示是一個TTL非門電路。1. 幾種常用的幾種常用的TTL門電路門電路該電路邏輯功能如下： 當輸入A為低電平(0.3V)時，電路工作在截止狀態，即T3截止，T4和D導通，輸出端F為高電平(3.6V)； 當輸入A為高電平(3.6V) 時，電路工作在導通狀態，即T3飽和導通，T4和D截止，F輸出低電平(0.3V)。 實 現 了 邏 輯 “ 非 ” 功 能 ，即 。 圖（b）所示為非門集成電路芯片7404。AF41(2)

37、或非門或非門 下圖所示是一個TTL或非門電路，圖中兩個虛線框中的部分完全相同。 該電路邏輯功能如下：該電路邏輯功能如下： 當輸入A、B均為低電平時，T2和T2均截止，從而使T3截止，T4和D導通，輸出F為高電平； 當A端輸入高電平時，T2和T3飽和導通，T4和D截止 ，輸出F為低電平。同樣，B端輸入高電平或A、B同時輸入高電平，均使T3飽和導通，T4和D截止，F輸出低電平。 實現了“或非”邏輯功能，即BAF42 常用的TTL或非門集成電路芯片有2輸入4或非門7402等。7402的引腳分配圖如下圖所示。43(3) 與或非門與或非門 將兩輸入或非門電路中的T1和T1改成多射極晶體管，用以實現 “與

38、”的功能，即可得到下圖所示的TTL與或非門電路圖。 該電路邏輯功能如下：該電路邏輯功能如下： 當A1、A2和B1、B2中均有低電平時，T2、T2和T3截止，T4和D導通，輸出F為高電平。 當A1、A2 均為高，或者B1、B2 均為高，或者A1、A2 和B1、B2 均為高時，都將使T3飽和導通，T4和D截止，輸出F為低電平。 該電路實現了與或非 運算功能，輸出和輸入之間滿足邏輯關系2121BBAAF44 常用的常用的TTL與或非門集成電路芯片與或非門集成電路芯片7451的引腳排列圖的引腳排列圖如下圖所示。如下圖所示。452. 兩種特殊的門電路兩種特殊的門電路 (1) 集電極開路門集電極開路門(O

39、C門門) 集電極開路門(Open Collector Gate）是一種輸出端可以直接相互連接的特殊邏輯門，簡稱OC門。 OC門門電路將一般TTL與非門電路的推拉式輸出級改為三極管集電極開路輸出。下圖給出了一個集電極開路與非門的電路結構圖和邏輯符號。46 注意！集電極開路與非門只有在外接負載電阻注意！集電極開路與非門只有在外接負載電阻RL和電和電源源UCC后才能正常工作。后才能正常工作。 集電極開路與非門在計算機中應用很廣泛，可以用它實現線與邏輯、電平轉換以及直接驅動發光二極管、干簧繼電器等。47 例如，下圖所示電路中，只要有一個門輸出為低電平，輸出F便為低電平；僅當兩個門的輸出均為高電平時，輸

40、出F才為高電平。即 F=F1 F2=A1B1C1 A2B2C2 該電路實現了兩個與非門輸出相“與”的邏輯功能。由于該“與” 邏輯功能是由輸出端引線連接實現的，故稱為 線與線與 邏輯。48 (2) 三態輸出門三態輸出門(TS門門) 三態輸出門有三種輸出狀態：三態輸出門有三種輸出狀態：輸出高電平、輸出低電輸出高電平、輸出低電平和高阻狀態，前兩種狀態為工作狀態，后一種狀態為禁平和高阻狀態，前兩種狀態為工作狀態，后一種狀態為禁止狀態止狀態。簡稱三態門(Three state Gate)、TS門等。 注意注意 ! 三態門不是指具有三種邏輯值。三態門不是指具有三種邏輯值。 如何使電路處在工作狀態和禁止狀態

41、？如何使電路處在工作狀態和禁止狀態？ 通過外加控制信號！通過外加控制信號！49 例如，右圖所示為一個三態輸出與非門的電路結構圖和邏輯符號。 該電路是在一般與非門的基礎上，附加使能控制端和控制電路構成的。BAF 該電路邏輯功能如下：該電路邏輯功能如下： EN=0：二極管D反偏，此時電路功能與一般與非門無區別，輸出 ； EN=1：一方面因為T1有一個輸入端為低，使T2、T5截止。另一方面由于二極管導通，迫使T3的基極電位變低，致使T3、T4也截止。輸出F便被懸空，即處于高阻狀態。50 因為該電路是在EN=0時為正常工作狀態，所以稱為使能控制端低電平有效的三態與非門。該電路的邏輯符號如圖中(b)所示

42、。控制端加一個小圓圈表示低電平有效，并將控制信號寫成 。 若某三態與非門的邏輯符號在控制端未加小圓圈，且控制信號寫成EN時，則表明電路在EN=1時為正常工作狀態，稱該三態與非門為使能控制端高電平有效的三態與非門。EN51 右圖所示為用三態門構成的單向數據總線。 當某個三態門的控制端為1時，該邏輯門的輸入數據經反相后送至總線。 為了保證數據傳送的正確性，任意時刻，任意時刻，n個個三態門的控制端只能有一三態門的控制端只能有一個為個為1，其余均為，其余均為0，即只，即只允許一個數據端與總線接允許一個數據端與總線接通，其余均斷開，以便實通，其余均斷開，以便實現現 n 個數據的分時傳送。個數據的分時傳送

43、。 三態與非門主要應用于總線傳送，它既可用于單向數據傳送，也可用于雙向數據傳送。52 如下圖所示，用兩種不同控制輸入的三態門可構成的雙向總線。 圖中： EN=1時，G1工作，G2處于高阻狀態，數據D1被取反后送至總線； EN=0時，G2工作，G1處于高阻狀態，總線上的數據被取反后送到數據端D2。 實現了數據的分時雙向傳送。533.3.33.3.3 CMOS集成邏輯門電路集成邏輯門電路 MOS型集成門電路的主要優點：制造工藝簡單、集成度優點：制造工藝簡單、集成度高、功耗小、抗干擾能力強等；主要缺點：速度相對高、功耗小、抗干擾能力強等；主要缺點：速度相對TTL電電路較低路較低。 MOS門電路有三種

44、類型：門電路有三種類型： 使用P溝道管的PMOS電路； 使用N溝道管的NMOS電路； 同時使用PMOS管和NMOS管的CMOS電路。 相比之下，CMOS電路性能更優，是當前應用較普遍的邏輯電路之一。下面，僅討論CMOS集成邏輯門。54一一. . CMOS反相器反相器 由一個N溝道增強型MOS管TN和一個P溝道增強型MOS管TP組成的CMOS反相器如下圖所示。 電路正常工作條件：UDD大于TN管開啟電壓UTN和TP管開啟電壓UTP的絕對值之和，即 UDDUTN +|UTP|。特性曲線可分為特性曲線可分為5個區段：個區段：A段：段：UiUTN，TN截止，TP導 通，輸出高電平UoUDD。 B段：段

45、：Ui UTN，TN開始導通， 輸出電壓UO開始降低。C段：段：UiUDD /2，TN，TP飽和 導通，使UO急劇下降。D段：段：UiUDD/2，UO變小。E段：段：UiUDD|UTP|，TP截止， TN導通，UO0。 綜合上述，Ui=0V，TN截止，TP導通，UOUDD為高電平；Ui = UDD，TN導通，TP截止，UO0V。實現了非 的邏輯功能。55 注意！注意！ CMOS反相器除有較好的動態特性外，由于它處在反相器除有較好的動態特性外，由于它處在開關狀態下總有一個管子處于截止狀態，因而電流極小，開關狀態下總有一個管子處于截止狀態，因而電流極小，電路靜態功耗很低電路靜態功耗很低(W數量級數

46、量級)。56二二.CMOS與非門與非門 由兩個串聯的NMOS管和兩個并聯的PMOS管構成的兩輸入端的CMOS與非門電路如下圖所示。 圖中，每個輸入端連到一個PMOS管和一個NMOS管的柵極。邏輯功能如下： 當輸入A、B均為高電平時，TN1和TN2導通，TP1和TP2截止，輸出端F為低電平； 當輸入A、B中至少有一個為低電平時，對應的TN1 和TN2中至少有一個截止，TP1和TP2中至少有一個導通，輸出F為高電平。 該電路實現了該電路實現了與非與非邏輯功邏輯功能能。57三三. CMOS或非門或非門 由兩個并聯的NMOS管和兩個串聯的PMOS管構成一個兩個輸入端的CMOS或非門電路如下圖所示。每個

47、輸入端連接到一個NMOS管和一個PMOS管的柵極。 該電路邏輯功能如下：該電路邏輯功能如下： 當輸入A、B均為低電平時，TN1和TN2截止，TP1和TP2導通，輸出F為高電平； 當輸入端A、B 中至少有一個為高電平時，則對應的TN1、TN2中便至少有一個導通，TP1、TP2中便至少有一個截止，使輸出F為低電平。 該電路實現了該電路實現了或非或非邏輯邏輯功能。功能。 58四四. CMOS三態門三態門 下圖所示是一個低電平使能控制的三態非門，該電路是在CMOS反相器的基礎上增加NMOS管TN和PMOS管TP 構成的。 EN=1 ：TN和TP同時截止，輸出F呈高阻狀態； EN =0 ：TN和TP同時

48、導通，非門正常工作，實現 的功能。 CMOS三態門也可用于總線傳輸。AF 59五五. CMOS傳輸門傳輸門 一個CMOS傳輸門的電路圖及其邏輯符號如下圖所示。圖中， TN 和TP 的結構和參數對稱，兩管的柵極分別與一對互補的控制信號C和 相接。注意：襯底電壓對開啟電壓有一定影響，通常將TP襯底接電源，TN襯底借地。C 該電路邏輯功能如下：該電路邏輯功能如下： 當C=1(UDD)， (0V)時， Ui 在0VUDD范圍內變化，兩管中至少有一個導通，輸入和輸出之間呈低阻狀態，相當于開關接通，輸入信號Ui能通過傳輸門。0C 當 C=0(0V)， (UDD)時，Ui在0VUDD范圍內變化，兩管均處于截

49、止狀態，輸入和輸出之間呈高阻狀態(107)，信號Ui不能通過，相當于開關斷開。1C 傳輸門實質上是一種傳輸模擬信號的壓控開關傳輸門實質上是一種傳輸模擬信號的壓控開關。 60 注意：注意：由于由于MOS管的結構是對稱的，即源極和管的結構是對稱的，即源極和漏極可以互換使用，因此，傳輸門的輸入端和輸出漏極可以互換使用，因此，傳輸門的輸入端和輸出端可以互換使用。端可以互換使用。即即MOS傳輸門具有雙向性，故又傳輸門具有雙向性，故又稱為可控雙向開關。稱為可控雙向開關。613.3.4 正邏輯和負邏輯正邏輯和負邏輯 前面討論各種邏輯門電路的邏輯功能時，約定用高電平表示邏輯1、低電平表示邏輯0。事實上，既可以

50、規定用高電平表示邏輯1、低電平表示邏輯0，也可以規定用高電平表示邏輯0，低電平表示邏輯1。這就引出了正邏輯和負邏輯的概念。 正邏輯：正邏輯：用高電平表示邏輯1，低電平表示邏輯0。 負邏輯：負邏輯：用高電平表示邏輯0，低電平表示邏輯1。一一. 正邏輯與負邏輯的概念正邏輯與負邏輯的概念62二二. 正邏輯與負邏輯的關系正邏輯與負邏輯的關系 對于同一電路，可以采用正邏輯，也可以采用負邏輯。正邏輯與負邏輯的規定不涉及邏輯電路本身的結構與性能好壞，但不同的規定可使同一電路具有不同的邏輯功能。 例如，假定某邏輯門電路的輸入、輸出電平關系如下表所示。 輸入輸出電平關系輸 入輸 出ABFLHLLLLLLHHHH

51、 按正邏輯與負邏按正邏輯與負邏輯的規定，電路的邏輯的規定，電路的邏輯功能分別如何？輯功能分別如何？63 若按正邏輯規定，由真值表可知，該電路是一個正邏輯的正邏輯的“與與”門門； 若按負邏輯規定，由真值表可知，該電路是一個負邏輯的負邏輯的“或或”門門。 即正邏輯與門等價于負邏輯或門即正邏輯與門等價于負邏輯或門。 正邏輯真值表正邏輯真值表輸輸 入入輸輸 出出ABF010000001111 負邏輯真值表負邏輯真值表輸 入輸 出ABF101111110000 輸入輸出電平關系輸 入輸 出ABFLHLLLLLLHHHH64 上述邏輯關系可以用反演律證明。假定一個正邏輯與門的輸出為F，輸入為A、B，則有F

52、 = AF = AB B 可見，若將一個邏輯門的輸出和所有輸入都反相，則正邏若將一個邏輯門的輸出和所有輸入都反相，則正邏輯變為負邏輯。輯變為負邏輯。據此，可將正邏輯門轉換為負邏輯門。 前面討論各種邏輯門電路時，都是按照正邏輯規定來定義其邏輯功能的。 在本課程中，若無特殊說明，約定按正邏輯討論問題，所在本課程中，若無特殊說明，約定按正邏輯討論問題，所有門電路的符號均按正邏輯表示。有門電路的符號均按正邏輯表示。根據反演律，可得根據反演律，可得BABAF653. 4 觸觸 發發 器器 在數字系統中，為了構造實現各種功能的邏輯電路，除了需要實現邏輯運算的邏輯門之外， 還需要有能夠保存信息的邏輯器件。觸

53、發器是一種具有觸發器是一種具有記憶功能的電子器件。記憶功能的電子器件。 觸發器能用來存儲一位二進制信息。集成觸發器的種類很多，分類方法也各不相同，但就其結構而言，都是由邏輯都是由邏輯門加上適當的反饋線耦合而成門加上適當的反饋線耦合而成。 本節將從實際 應用出發，介紹幾種最常用的集成觸發器，重點掌握它們的外部工作特性。66觸發器的特點：觸發器的特點： 有兩個互補的輸出端 Q 和 。Q 有兩個穩定狀態。通常將 Q = 1和 = 0 稱為1狀態狀態，而把Q = 0和 = 1稱為0 狀態狀態。當輸入信號不發生變化時，觸發器狀態穩定不變。QQ 在一定輸入信號作用下，觸發器可以從一個穩定狀態轉移到另一個穩

54、定狀態。 現態與次態的概念：現態與次態的概念： 現態現態: 輸入信號作用前的狀態，記作 Qn 和 , 一般簡記 為 Q和 ； 次態次態: 輸入信號作用后的狀態，記作 Q(n+1)和 。 顯然，次態是現態和輸入的函 數。nQQ)1( nQ673.4.1 3.4.1 基本基本R-SR-S觸發器觸發器 基本基本R-S觸發器是直接復位置位觸發器的簡稱，由于它觸發器是直接復位置位觸發器的簡稱，由于它是構成各種功能觸發器的基本部件，故稱為基本是構成各種功能觸發器的基本部件，故稱為基本R-S觸發器。觸發器。一一. 用與非門構成的基本用與非門構成的基本R-S觸發器觸發器 1. 組成：組成：由兩個與非門交叉耦合

55、構成，其邏輯圖和邏輯符號分別如下圖 (a)和(b)所示。 圖中， R稱為置0端或者復位端，S稱為置1端或置位端；邏輯符號輸入端加的小圓圈表示低電平或負脈沖有效。68 2. 工作原理工作原理 (1) 若若R=1,S=1，則觸發器保持原來狀態不變；，則觸發器保持原來狀態不變；(2) 若若R=1,S=0,則觸發器置為則觸發器置為1狀態；狀態； (3) 若若R=0,S=1,則觸發器置為則觸發器置為0狀態；狀態； (4) 不允許出現不允許出現R=0,S=0。69邏輯功能及其描述邏輯功能及其描述 由與非門構成的R-S觸發器的邏輯功能如下表所示。 表中d表示觸發器次態不確定。該表又稱為次態真值表。RSQ(n

56、+1)功能說明功能說明0 00 11 01 1d01Q不定不定置置 0置置 1不變不變 基本基本R-S觸發器功能表觸發器功能表70 因為R、S不允許同時為0，所以輸入必須滿足約束條約束條件件：R + S = 1 (約束方程) 若把觸發器次態 Q(n+1)表示成現態 Q和輸入R、S的函數，則卡諾圖如下： 用卡諾圖化簡后，可得到該觸發器的次態方程次態方程： RQSQn )1(71二二. .用或非門構成的基本用或非門構成的基本R-SR-S觸發器觸發器 1.1.組成：組成：由兩個或非門交叉耦合組成，其邏輯圖和邏輯符號分別如圖(a)和圖(b)所示。 該電路的輸入是正脈沖或高電平有效，故邏輯符號的輸入端未

57、加小圓圈。若若R=1,S=1，則觸，則觸發器狀態不定；發器狀態不定； 若若R=1,S=0,則觸則觸發器置為發器置為0狀態；狀態； 若若R=0,S=1,則觸則觸發器置為發器置為1狀態；狀態；若若R=0,S=0，則觸，則觸發器狀態不變發器狀態不變 。72邏輯功能邏輯功能 下表給出了由或非門構成的R-S觸發器的邏輯功能。RSQ(n+1)功能說明功能說明0 00 11 01 1Q10d不變不變置置 1置置 0不定不定 基本R-S觸發器功能表 基本R-S觸發器的優點是結構簡單優點是結構簡單。它不僅可作為記憶元件獨立使用，而且由于它具有直接復位、置位功能，因而被作為各種性能完善的觸發器的基本組成部分。但由

58、于R、S之 間的約束關系，以及不能進行定時控制，使它的使用受到一定限制。 次態方程和約束方程如下： (次態方程) R S = 0 (約束方程)QRSQn )1(733.4.2 幾種常用的時鐘控制觸發器幾種常用的時鐘控制觸發器 具有時鐘脈沖控制的觸發器稱為“時鐘控制觸發器時鐘控制觸發器”或者“定時觸發器”。 時鐘脈沖控制觸發器的工作特點：時鐘脈沖控制觸發器的工作特點： 由時鐘脈沖確定狀態轉換的時刻由時鐘脈沖確定狀態轉換的時刻(即何時轉換？即何時轉換？)； 由輸入信號確定觸發器狀態轉換的方向由輸入信號確定觸發器狀態轉換的方向(即如何轉換？即如何轉換？)。 下面介紹四種最常用的時鐘控制觸發器。74一

59、一. 時鐘控制時鐘控制R-S觸發器觸發器時鐘控制R-S觸發器的邏輯圖和邏輯符號如圖(a)、（b）所示。 1. 組成：組成： 由四個與非門構成。其中，與非門G1、G2構成基本R-S觸發器；與非門G3、G4組成控制電路，通常稱為控制門。75 2工作原理工作原理 具體如下：具體如下： R=0, S=0：控制門G3、G4的輸出均為1，觸發器狀態保持不變； R=0, S=1：控制門G3、G4的輸出分別為1和0，觸發器狀態置成1狀態； R=1, S=0：控制門G3、G4的輸出分別為0和1，觸發器狀態置成0狀態； R=1，S=1：控制門G3、G4的輸出均為0，觸發器狀態不確定，這是不允許的。 當時鐘脈沖沒有

60、到來（即C=0）時，不管R、S端為何值，兩個控制門的輸出均為1，觸發器狀態保持不變。 當時鐘脈沖到來（即C=1）時，輸入端R、S的值 可以通過控制門作用于上面的基本R-S觸發器。76 注意！注意！時鐘控制R-S觸發器雖然解決了對觸發器工作進行定時控制的問題，而且具有結構簡單等優點，但依然存在如下兩點不足： 輸入信號依然存在約束條件，即R、S不能同時為1； 可能出現空翻現象。 由分析可知：由分析可知：時鐘控制R-S觸發器的工作過程是由時鐘信號C和輸入信號R、S共同作用的；時鐘C控制轉換時間，輸入R和S確定轉換后的狀態。3 。邏輯功能。邏輯功能 時鐘控制時鐘控制R-S觸發器的功能表、次態方程和約束