1、第三章 n集成門電路和觸發器等邏輯器件是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。實現數字系統功能的物質基礎。n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，即構成所謂的集成電路塊，集成電路塊，通常又稱為通常又稱為集成電路芯片。集成電路芯片。n采用集成電路進行數字系統設計的優點：優點：n可靠性高、可維性好、功耗低、成本低等可靠性高、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。優點，可以大大簡化設計和調試過程。n本章知識要點本章知識要點: n半導體器件的開關特性；半導體器件的

2、開關特性；n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；n常用觸發器的功能、觸發方式與外部工作特常用觸發器的功能、觸發方式與外部工作特性。性。n雙極型集成電路n采用雙極型半導體器件作為元件n主要特點是速度快、負載能力強，但功耗較大、 集成度較低。n單極型集成電路(又稱為MOS集成電路)n 采用金屬-氧化物半導體場效應管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)作為元件n主要特點是結構簡單、制造方便、集成度高、功耗低，但速度較慢。n雙極型集成電路又可進一步可分為：nTTL(Transistor Trans

3、istor Logic)電路； nTTL電路的“性能價格比”最佳，應用最廣泛nECL(Emitter Coupled Logic)電路；nI2L(Integrated Injection Logic)電路nMOS集成電路又可進一步分為：nPMOS( P-channel Metal Oxide Semiconductor)nNMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor )nCMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor)nCMOS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 。 n數字集成電路通常按照所

4、用半導體器件的不同或者根據集成規模的大小進行分類。n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。 nSSI (Small Scale Integration ) 小規模集成電路小規模集成電路:n邏輯門數小于10 門(或元件數小于100個)n MSI (Medium Scale Integration ) 中規模集成電路中規模集成電路:n邏輯門數為10 門99 門(或元件數100個999個)；nLSI (Large Scale Integration ) 大規模集成電路大規模集成電路:n邏輯門數為100 門9999 門(或元件數1000個9

5、9999個)；nVLSI (Very Large Scale Integration) 超大規模集成電路超大規模集成電路n邏輯門數大于10000 門(或元件數大于100000個)n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管等器件一般是以開關方式運用的，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其工作狀態相當于相當于開關的“接通接通”與與“斷開斷開”。n數字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n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

6、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。n數字電路中，二極管(diode)工作在開關狀態n接通狀態n阻抗很小，相當于短路（導通）n斷開狀態n阻抗很大，相當于開路（截止）n二極管的開關特性表現在正向導通和反向截止狀態之間的轉換過程。P NVi+-+-n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)n正向特性 ：n二極管在外加正向電壓 UF作用下，處于導通狀態。n門檻電壓 ( UTH )：n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)。伏安特性曲線正向電壓正向電壓 UF UTH ：管子截

7、止，電阻很大、管子截止，電阻很大、正向電流正向電流 IF 接近于接近于 0， 二極管類似于開關的斷二極管類似于開關的斷開狀態開狀態 ；正向電壓正向電壓 UF = UTH：管子開始導通，正向電管子開始導通，正向電流流 IF 開始上升；開始上升；正向電壓正向電壓 UF UTH (一般鍺管為一般鍺管為0.3V，硅，硅管為管為0.7V) ：管子充管子充分導通，分導通， 電阻很小，電阻很小，正向電流正向電流IF 急劇增加，急劇增加，二極管類似于開關的二極管類似于開關的接通狀態。接通狀態。n反向特性 n二極管在反向電壓 UR作用下，處于截止狀態，類似于開關斷開n反向電阻很大，反向電流 IR 很?。▽⑵浞Q為

8、反向飽和電流，用 IS 表示，通常可忽略不計 ）n反向電壓在一定范圍內變化基本不引起反向電流的變化。伏安特性曲線反向電壓超過某個極限值時，將使反向電流IR突然猛增，致使二極管被擊穿反向電阻很大，反向電流 IR 很?。▽⑵浞Q為反向飽和電流，用 IS 表示，通常可忽略不計 ）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。n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 二極管開關電路及其等效電路DU0RR斷開R關閉(a)(b)導通(c)截止n二極管在導通與截止兩種狀態轉換過程中的特性n它表現在完成兩種狀態之間的轉換需要一定的時間n反向恢復時間n開通時間vi

9、tVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRitRLviiD在ot1期間，Vi VF時，D導通電路中電流RLviiDvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit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即由導通轉為截止，電路中只存在極小的反向電流。在t1 時，突然Vi VR時，電路中電流 i = ?vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit正向電流IF 變到一個很大的反向電流IR UR /R, IR ，并維持一段時間tsts后反向電流開始逐漸下降，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)

10、，二極管進入反向截止狀態。在t1 時刻，輸入電壓由正向電壓VF 轉為反向電壓VRvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存儲時間存儲時間渡越時間渡越時間n通常將二極管從導通轉為截止所需的時間稱為反向恢復時間n tre= ts+ttn產生反向恢復的過程的原因存儲電荷消散需要時間n正向（飽和）電流愈大，電荷的濃度分布梯度愈大，存儲的電荷愈多，電荷消散所需的時間也愈長。 P 區區 N 區區 勢勢壘壘區區 + - P 區區的的電電子子濃濃度度分分布布 N 區區的的空空穴穴濃濃度度分分布布 n二極管從截止轉為正向導通所需的時間稱為開通時間。n由于PN結在正向電壓作用下空間電荷區迅速變窄，正向

11、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，比VF小得多，故電路中的正向電流IF VF / RL 。主要由外電路參數決定。n而且加入輸入電壓VF后，回路電流幾乎是立即達到IF的最大值。n二極管的開通時間與反向恢復時間相比很小，可以二極管的開通時間與反向恢復時間相比很小，可以忽略不計忽略不計。n晶體三極管（BJT）由集電結和發射結兩個PN結構成。: 集電極n根據兩個PN結的偏置極性，三極管有截止、放大、飽和3種工作狀態。n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。截止狀態截止狀態 Ub0，兩個PN結均為反偏，Ib0，IC 0,Uce Ucc。三極管呈現

12、高阻抗，類似于開關斷開。放大狀態放大狀態 Ub0，發射結正偏，集電結反偏， iC =iB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)，ib Ucc/Rc; ic = Ics(集電極飽和電流)UCC/Rc;Vce 0.3V 三極管呈現低阻抗，類似于開關接通n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“閉合”與“斷開”三極管截止的三極管截止的等效電路等效電路三極管飽和的三極管飽和的等效電路等效電路n晶體三極管在飽和與截止兩種狀態轉換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過程中具有的特性稱

13、為三極管的動態特性。性。n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。 tOttdtr0.1ICS0.9ICSICStstf-U1U2n延遲時間延遲時間tdn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n上升時間上升時間trn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n開通時間開通時間ntON =td + tr n三極管從截止狀態到飽和狀態所需要的時間 tOttdtr0.1ICS0.9ICSICStstf-U1U2n存儲時間tsn當輸入電壓ui由+U2跳變到-U1時，

14、集電極電流從Ics開始下降到0.9Ics所需要的時間n下降時間tfn集電極電流由0.9Ics降至0.1Ics所需的時間n關閉時間關閉時間 n三極管從飽和狀態到截止狀態所需要的時間ntOFF =tS + tfn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。n本章知識要點本章知識要點: n半導體器件的開關特性；半導體器件的開關特性；n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；n常用觸發器的功能、觸發方式與外部工作特常用觸發器的功能、觸發方式與外部工作特性。性。n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

15、電路。n從實際應用的角度出發，主要介紹TTL集成邏輯門和CMOS集成邏輯門。n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。n對其內部結構和工作原理只要求作一般了解。二極管與門電路二極管與門電路與邏輯符號與邏輯符號 VCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C B & L=ABC A C VCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 0 v 輸 入輸 出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHH0V5V5V 輸 入輸 出VAVBVCVL000000+5 V00+5 V000+5 V+5 V0+5 V0+5

16、V0+5 V0+5 V0+5 V+5 V00+5 V+5 V+5 V+5 V 輸 入輸 出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHVCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 5 v5V5V5V 輸 入輸 出ABCL00000010010001101000101011001111二極管或門電路二極管或門電路或邏輯符號或邏輯符號 R 3kW D1 D2 D3 A B C L B ? L=ABC A C 1 1 R 3kW D1 D2 D3 A B C L 0 V輸 入輸 出ABCL00000011010101111001101111011111輸

17、 入輸 出ABCL000000110101011110011011110111110V0V0V R 3kW D1 D2 D3 A B C L 5 V輸 入輸 出ABCL00000011010101111001101111011111輸 入輸 出ABCL000000110101011110011011110111110V5V5V A 1 L=A 非邏輯符號非邏輯符號 vO O V1 V2 v2 邏邏輯輯 1 邏邏輯輯 0 飽飽和和 截止 放放大大 反相器傳輸特性反相器傳輸特性UQ（2.5v） VCC Rc L T Rb A UB VCC Rc L T Rb A UB0 vcc1輸入A輸出L01非

18、邏輯真值表非邏輯真值表 VCC Rc L T Rb A UB1 0.3v0輸入A輸出L0110非邏輯真值表非邏輯真值表 輸入級輸入級 中間級中間級 輸出級輸出級 Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 負載 Re2 1K W VCC(5V) n當輸入為低電平（當輸入為低電平（ I = 0.3 V）1.0V 0.3V I低電平(0.3V)T1深飽和T2截止T4放大T3截止O高電平（3.6V）OVCCVBE4VD 50.70.7 =3.6V Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 D T2 T1 + vI T3

19、 + vO 負載 Re2 1KW VCC(5V) VB1 3.6V 4.3V 2.1V 1.4V 0.3V I全為高電平(3.6V)T1倒置放大T2飽和T4截止T3飽和O低電平0.3V）n當輸入為高電平（當輸入為高電平（ I = 3.6 V） Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 負載 Re2 1KW VCC(5V) VB1 多發射極多發射極 VCC(5V) Rc4 130W Rc2 1.6kW Rb2 1.6kW T4 T2 T3 T1 A B Re2 1kW D A B C & CBAL T1 e e e e b b c c

20、n任一輸入端為低電平時: T1的發射結正向偏置而導通，T2截止。輸出為高電平。 VCC(5V) Rc 4 130 W W Rc2 1.6k W W Rb 2 1.6k W W T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k W W D n只有當全部輸入端為高電平時：T1將轉入倒置放大狀態，T2和T3均飽和，輸出為低電平。 VCC(5V) Rc 4 130 W W Rc2 1.6k W W Rb2 1.6k W W T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k W W D IT1T2T4T3 O輸入有輸入有低電平低電平 (0.3V)深飽和深飽和截截止止放放大大截截止止高電高電平平（3.6V）輸

21、入全輸入全為高電為高電平平 (3.6V)倒置使倒置使用的放用的放大狀態大狀態飽飽和和截截止止飽飽和和低電低電平平（0.3V）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。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VOL0.4Vn輸出的高、低電壓n開門電平VON n開門電平VON是指確保與非門輸出為低電平時所允許的最小輸入高電平，它表示使與非門開通的輸入高電平最小值。nVON的典型值為1.5V，VON的產品規范值為VON1.8V。開門電平的大小反映了

22、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。 n關門電平VOFF n關門電平VOFF是指確保與非門輸出為高電平時所允許的最大輸入低電平，它表示使與非門關斷所允許的輸入低電平的最大值。nVOFF 的典型值是1.3V，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。n扇入系數Ni n扇入系數Ni是指與非門允許的輸入端數目。n一 般Ni為25，最多不超過8n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扇入系數的要求。n扇出系數Non扇出系數NO是指與非門輸出端連接同類門的最多個數。n它反映了與非門的帶

23、負載能力，一般No8。n 扇入和扇出是反映門電路互連性能的指標。n扇出數:則區分灌電流和拉電流n灌電流n是指負載電流IL從負載流入反相器。n當負載門的個數增加時，總的灌電流IIL將增加,引起輸出低電壓VOL的升高。n拉電流n是指負載電流IL從反相器流入負載。n當負載門的個數增多時，必將引起輸出高電壓的降低。負載門負載門驅動門驅動門0 VCC(5V) Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D NIIOLOLIL()()驅動門負載門“1”“0”IILIOLn當負載門的個數增加時，總的灌電流IIL將增加,IC=IIL+IRc,則IC增加，對應的基極飽和電流IBS也增加，當IbI

24、BS被破壞時，T3由飽和進入放大狀態，引起輸出低電壓VOL隨著T3的Uce的升高而升高。nVo2.4v NIIOHOHIH()()驅動門負載門負載門負載門驅動門驅動門1 VCC(5V) Rb1 4kW T1 IIH T4 T3 Rc4 130W D “0”“1”IIHIOHn輸入短路電流IIS n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。n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。n輸入漏電流IIHn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n 一般IIH50A。

25、n傳輸延遲時間n電路在輸入脈沖波形的作用下，其輸出波形相對于輸入波形延遲了多長的時間。ntPLH 為門電路輸出由低電平轉換到高電平所經歷的時間(從輸入波下沿中點到到輸出波上沿中點)ntPHL為由高電平轉換到低電平所經歷的時間(從輸入波上沿中點到到輸出波下沿中點)n平均傳輸延遲時間tPd(tPLH tPHL)/2n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。n空載功耗Pn空載功耗是當與非門空載工作時所消耗的功率（電源總電流Icc和電源電壓Ucc的乘積）。n輸出為低電平時的功耗稱為空載導通功耗PON，輸出為高電平時的功耗稱為空載截止功耗POFF ，

26、PON大于POFF 。n平均功耗 P =(PON + POFF)/2 n一般P50mW,如74H系列門電路平均功耗為22mW。 VCC(5V) R4 R2 R1 T4 T2 T3 T1 A Re2 D R1 T2 T1 B 1AFBBAF7402引腳分配圖 VCC(5V) R4 R2 R1 T4 T2 T3 T1 A1 Re2 D R1 T2 T1 B1 A2 B2 2121BBAAFA2&1A1B1B2F7451的引腳排列圖的引腳排列圖 實際應用中，可將兩個與非門的輸出直接對接就可實現與的功能，即“線與”。但是，前面所介紹的一般邏輯門輸出端不能對接。 VC C(5V ) Rc 4 130W

27、Rc 2 1.6kW Rb2 1.6kW T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1kW D VC C(5V ) Rc 4 130W Rc 2 1.6kW Rb2 1.6kW T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1kW D vOHvOLX 集電極開路門集電極開路門(Open Collector Gate）是一種輸出端可以直接相互連接的特殊邏輯是一種輸出端可以直接相互連接的特殊邏輯門，簡稱門，簡稱OC門。門。 OC門電路將一般門電路將一般TTL與非門電路的與非門電路的推拉式輸出級改為三極管集電極開路輸出。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下圖給出

28、了一個集電極開路與非門的電路結構圖和邏輯符號。構圖和邏輯符號。 按此結構，只要負載電阻按此結構，只要負載電阻RL和和電源電源VCC選擇恰當，便能既保證輸出選擇恰當，便能既保證輸出的高電平符合要求，又能使流過的高電平符合要求，又能使流過T4的電流不至于過大。的電流不至于過大。 注意！集電極開路與非門只有在注意！集電極開路與非門只有在外接負載電阻外接負載電阻RL和電源和電源VCC后才能正后才能正常工作。常工作。 TTL 電路電路 TTL 電路電路 D C B A T1 T2 VCC RP L A B C D & )()(CDABL VCC(5V) Rc 4 130 W Rc2 1.6k W Rb2

29、 1.6k W T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k W D n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。n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，輸出F才為高電平。即F=F1F2=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。n三態輸出門有三種輸出狀態n輸出高電平、輸出低電平和高阻狀態n前兩種狀態為工作狀態，后一種狀態為禁止狀態n簡稱三態門(Three state Ga

30、te)、TS門等。三態與非門三態與非門(TSL ) R 1 R 2 R 4 VCC T4L T3 R3T1與非門A B DENEN數據輸入端輸出端LAB10010111011100高阻三態與非門真值表三態與非門真值表 =AB R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1與非門A B DEN當當EN= 1時時EN數據輸入端輸出端LAB10010111011100高阻三態與非門真值表三態與非門真值表 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1與非門A B DEN當當EN= 0時時1V三態與非門三態與非門(TSL ) AB EN & L 高電平使能高電平使能高阻狀態高阻狀態與非功能與非功能

31、 ZL ABLEN = 0_EN =1n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n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。n為了保證數據傳送的正確性，任意時刻，任意時刻，n個三態門個三態門的控制端只能有一個為的控制端只能有一個為1，其余均為其余均為0，即只允許一個，即只允許一個數據端與總線接通，其余數據端與總線接通，其余均斷開，以便實現均斷開，以便實現n個數據個數據的分時傳送。的分時傳送。n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。n EN=1時時nG1工作，G2處于高阻狀態，數據D1被取反后送至總線；n EN=0時時n

32、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。n 實現了數據的分時雙向傳送。nMOS型集成門電路的主要優點優點n制造工藝簡單、集成度高、功耗小、抗干制造工藝簡單、集成度高、功耗小、抗干擾能力強等擾能力強等n主要缺點主要缺點n速度相對速度相對TTL電路較低電路較低。nMOS門電路有三種類型門電路有三種類型n使用P溝道管的PMOS電路；n使用N溝道管的NMOS電路；n同時使用PMOS管和NMOS管的CMOS電路。n相比之下，CMOS電路性能更優電路性能更優，是當前應用較普遍的邏輯電路之一nMOS管作為開關元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態nMOS管是電壓控制元件，主要由柵源電壓

33、UGS決定其工作狀態。n由NMOS增強型管構成的等效開關電路如下圖所示n當當UGS開啟電開啟電壓壓UT時時nMOS管工作在截止區，漏源電流IDS基本為0，輸出電壓UDS UDD，MOS管處于“斷開”狀態n當當UGS開啟電壓開啟電壓UT時時nMOS管工作在導通區n漏源電流iDS=UDD/(RD + rDS)。其中，rDS為 MOS 管導通時的漏源電阻。n輸出電壓UDS=UDD rDS /(RD+rDS), 若rDSRD，則UDS 0V，MOS管處于“接通”狀態nMOS管本身導通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的n動態特性主要取決于電路中雜散動態特性主要取決于電路中雜散電容充、放電所需的時間電容

34、充、放電所需的時間n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 = RDCLn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2rDSCL。n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n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。n為了提高MOS器件的工作速度，引入了CMOS電路。n在CMOS電

35、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CMOS電路有較高的開關速度。gdsgds(a) NMOS (b) PMOSn高電平“1” (positive VGS ) 使 NMOS導通 PMOS截止n低電平“0” (negative VGS ) 使NMOS截止PMOS導通nVIN=0nTP 導通nTN截止nVO=1nVIN=1n TP截止nTN導通nVO=0nVOUT=VINgdsgsVINVOUTVDDTNTPn電路正常工作條件nVDD大于TN管開啟電壓VTN和TP管開啟電壓VTP的絕對值之和n VDDVTN +|VTP|。gdsgsVINVOUTVDDTN

36、TPVOUTVDD0VINgdsgsVINVOUTVDDTNTPnVIN VTNnTN開始導通n輸出電壓VOUT開始下降nVIN VDD/2nTN， TP飽和導通n輸出電壓VOUT急劇下降nVINVTNnTN截止，TP導通n輸出VOUTVDDnVIN VDD/2n輸出電壓VOUT變小nVIN VDD |VTP|nTN導通， TP截止n輸出電壓VOUT0nVi=0nTN截止，TP導通nVOUTVDD為高電平nVi = VDDnTN導通，TP截止nVOUT0Vn實現了非 的邏輯功能。gdsgsVINVOUTVDDTNTP注意！注意！CMOS反相器除有較好的動態特性外，由于它處在開關狀態下反相器除有

37、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，電路靜態功耗很低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(W數量級數量級)。nA=1, B=1nTP1& TP2 截止nTN1& TN2 導通nVO=0nA=0 (B=O)n TN1(TN2) 截止nTP1(TP2) 導通nVO=1ssgAVOUTVDDTN2gBTN1TP2TP1n VOUT=ABnA=0, B=0nTN1& TN2 截止nTP1& TN2 導通nVO=1nA=1 (B=1)n TP1(TP2) 截止nTN1(TN2) 導通nVO=0n VOUT=A+BssgAVOUTVDDTP1g

38、BTP2TN1TN2n低電平使能控制的三態非門n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。nEN=0 nTN 和TP同時截止n輸出F呈高阻狀態nEN =1 nTN 和TP同時導通n非門正常工作，實現非門的功能。nCMOS三態門也可用于總線傳輸。110001n兩管的柵極分別與一對互補的控制信號C和C 相接。nTN 和TP 的結構和參數對稱GATE (柵極)DRAIN (漏極)SOURCE (源極)gdsNPPCurrent channelP-N junction (depletion region)nMOS管的結構是對稱的，源管的結構是對稱的，源極和漏極可以互

39、換使用極和漏極可以互換使用n因此，傳輸門的輸入端和輸因此，傳輸門的輸入端和輸出端可以互換使用出端可以互換使用n即即MOS傳輸門具有雙向性，傳輸門具有雙向性，故又稱為可控雙向開關故又稱為可控雙向開關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。n正邏輯：正邏輯：用高電平表示邏輯1，低電平表示邏輯0。n負邏輯：負邏輯：用高電平表示邏輯0，低電平表示邏輯1。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

40、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？ 輸入輸出電平關系輸入輸 出ABFLHLLLLLLHHHH 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入輸輸 出出ABF101111110000電路是一個正邏輯的正邏輯的“與與”門，門，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

41、價于負邏輯或門。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 = AF = AB B根據反演律，可得根據反演律，可得BABAF可見，若將一個邏輯門的輸出和所有輸入都反相，則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正邏輯變為負邏輯。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。問題，所有門電路的符號均按正邏輯表示。n本章知識要點本章知識要點: n半導體器件的開關特性；半導體

42、器件的開關特性；n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；n常用觸發器的功能、觸發方式與外部工作特常用觸發器的功能、觸發方式與外部工作特性性n觸發器(flip-flop)是一種具有記憶功能的電子器件，能用來存儲一位二進制信息n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。n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，都是由邏輯門加上適當的反饋線耦合而成。n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。n有兩個穩定狀態”1”和”0”nQ = 1（

43、= 0 ）為“1”狀態nQ = 0（ = 1）為“0” 狀態n有兩個互補的輸出端 Q 和 QQQRSQ&Qn有兩個穩定狀態”1”和”0”n當輸入信號不發生變化時，觸發器狀態穩定不變。n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定狀態。n現態(present state)n輸入信號作用前的狀態，記作 Qn 和Qn n 一般簡記為 Q和Q n次態(next state)n輸入信號作用后的狀態，記作 Q(n+1)和Qn+1 n次態是現態和輸入的函數n基本R-S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R-S觸發器。RSQ&nR稱為置0端或者復

44、位端nS稱為置1端或置位端QRSQQ01110110R=1, S=1Present state10QQOutput next state10QQ&a&bQRSQR=1, S=110111001Present state01QQOutput next state01QQ&a&bQRSQR=0, S=110QQ11001010Output next state10QQPresent state&a&bQRSQR=0, S=101QQ01111010Output next state10QQPresent state&a&bQRSQR=1, S=010QQ10101011Output next st

45、ate01QQPresent state&a&bQRSQ01QQ00110101Present stateR=1, S=0Output next state01QQ&a&bQRSQR=0, S=00011Present stateOutput next state11QQ&a&bQRSQRSQ&Q110, 0101, 0010, 11, 111111111nnnnnnnnQQSRQQSRQQSRQRQQQQSQSR00R=0, S=01R=1, S=111R SQG1G2 TG1TG2Output next state10QQ& G1& G2Q00R=0, S=01R=1, S=111R SQ

46、G1G2 TG1TG2Output next state01QQ& G1& G2Q00R=0, S=01R=1, S=111R SQG1G2 TG1=TG2& G1& G2Qn與非門構成的R-S觸發器的邏輯功能描述如下RSQ(n+1)功能說明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不變基本R-S觸發器功能表n表中“d”表示觸發器次態不確定n該表又稱為次態次態真值表。真值表?，F態Q01次態Qn1n狀態表反映了觸發器在輸入作用下現態和次態之間的轉移關系RSQ(n+1)功能說明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不變基本R-S觸發器功能表RS00ddRS0100RS1101RS1

47、011n狀態圖是一種反映觸發器兩種狀態之間轉移關系的有向圖。RS=10RS=01RS=01RSQ(n+1)功能說明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不變RS=11RS=10RS=11n狀態圖是一種反映觸發器兩種狀態之間轉移關系的有向圖。RS=10RS=01RS=10,11RS=01,11n若把觸發器次態 Q(n+1)表示成現態 Q和輸入RS的函數RSQ(n+1)功能說明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不變000111100101236745RSQ11dd10000 1 1 1 101010101dd001101 R S Qn Qn+100110011n若把觸發器次

48、態 Q(n+1)表示成現態 Q和輸入RS的函數RSQ(n+1)功能說明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不變000111100101236745RSQ11dd1nQn+1=S+RQnR+S=1 (limitation)n觸發器的激勵表反應了觸發器從現態Q轉移到某種次態Qn+1時，對輸入信號的要求RSQ(n+1)功能說明0 00 11 01 1d01Q不定置 0置 1不變 次態真值表0011 d101101d Qn Qn+1 R S0101n注意：當與非門構成的基本R-S觸發器的同一輸入端連續出現多個負脈沖信號時，僅第一個使觸發器狀態發生改變。n這一性質可以用來消除毛刺。SRQ15

49、0v05v1kkR5v1kk5v1kSRS QQv0VSVRQK由R到SK由S到RSRQ11QRSQQSRQ11Q破壞正常功能實現1, 1100, 1011, 00, 0111111SRQQSRQQSRQRQQQQSQSRnnnnnnRSQ(n+1)功能說明0 00 11 01 1Q10d不變置 1置 0不定基本R-S觸發器功能表RS=01RS=10RS=00,01RS=00,10現態Q01次態Qn1RS0001RS0111RS11ddRS1000n觸發器的激勵表反應了觸發器從現態Q轉移到某種次態Qn+1時，對輸入信號的要求0011 d010010d Qn Qn+1 R S0101000111

50、100101236745RSQ1101ddnQn+1=S+RQnRS=0 (limitation)n基本R-S觸發器的優點是結構簡單n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n但由于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n具有時鐘脈沖控制的觸發器稱為“時鐘控制觸發器(clocked flip-flop)”或者“定時觸發器”n時鐘脈沖控制觸發器的工作特點：n由時鐘脈沖確定狀態轉換的時刻(即何時轉換) n由輸入信號確定觸發器狀態轉換的方向(即如何轉換) RSQRSCP & & & &QRSQCQnR-S

51、 NAND LatchnR=1, S=1 Qn+1=Q; nR=1, S=0 Qn+1=1; nR=0, S=1 Qn+1=0; nR=0, S=0RSQQRSCP & & & &RSQQ&nCP=1nR=0, S=0 Qn+1=Q; nR=0, S=1 Qn+1=1;nR=1, S=0 Qn+1=0;nR=1, S=1 不允許;nCP=0nQn+1=Q; nQn+1=Q;RSQRSCP & & & &QRSQ(n+1)功能說明0 00 11 01 1Q10d不變置 1置 0不定 時鐘R-S觸發器功能表0011 d010010d Qn Qn+1 R S0101現態Q01次態Qn1RS0001R

52、S0111RS11ddRS1000現態Q01次態Qn1RS0001RS0111RS11ddRS1000000111100101236745RSQ111ddRS=01RS=10RS=00,01RS=00,10000111100101236745RSQ111dd現態Q01次態Qn1RS0001RS0111RS11ddRS1000nQn+1=S+RQnRS=0 (limitation)nRS=00, remain samenRS=01/10, Qn+1=SnRS=11, indeterminaten為了解決時鐘控制R-S觸發器在輸入端R、S同時為1時狀態不確定的問題，可對時鐘控制R-S觸發器的控制電

53、路稍加修改n形成了只有一個輸入端的D觸發器。RSQRSCP & & & &QCPRSQDD&QDQCQCPRSQDD&Q(S)(R)nS=R, Qn+1=S=DnRS=00, remain samenRS=01/10, Qn+1=SnRS=11, indeterminateRSQRSCP & & & &QCPRSQDD&QnCP=1nD=0 Qn+1=0; nD=1 Qn+1=1; nCP=0 nQn+1=Q; CPRSQDD&QDQ(n+1)功能說明0 1D觸發器功能表0 1置0 置10011 0101 Qn Qn+1 D0101現態Q01次態Qn1D=000D=111D=1D=0D=1D=

54、0nQn+1=DCPRSQDD&QRSQKJCP&QKJQCQnCP=1nJ=0, K=0 nQn+1=Q;nQn+1 =Q; 00RSQKJCP&QnR=1, S=1 Qn+1=SQ=Q; Qn+1=RQ=Q; nCP=1nJ=1, K=0 ,Q=1 nQn+1=1;nQn+1 =0; 0 1RSQKJCP&QnR=1, S=1 Qn+1=SQ=Q; Qn+1=RQ=Q; 01nCP=1nJ=1, K=0 ,Q=0 nQn+1=1;nQn+1 =0; RSQKJCP&QnR=1, S=0 Qn+1=1; Qn+1=0; 01nCP=1nJ=1, K=0nQn+1=1;nQn+1 =0; RS

55、QKJCP&Q10nCP=1nJ=0, K=1nQn+1=0;nQn+1 =1; RSQKJCP&QnR=0, S=1 Qn+1=0; Qn+1=1; nCP=1nJ=1, K=1 ,Q=1 nQn+1=1;nQn+1 =0; 11RSQKJCP&QnR=1, S=0 Qn+1=1; Qn+1=0; nCP=1nJ=1, K=1 ,Q=0 nQn+1=1;nQn+1 =0; 11QRSQKJCP&11nCP=1nJ=1, K=1nQn+1=Q;nQn+1 =Q; RSQKJCP&QnCP=1nJ=0, K=0 Qn+1=Q; nJ=0, K=1 Qn+1=0;nJ=1, K=0 Qn+1=1;

56、nJ=1, K=1 Qn+1=Q;nCP=0nQn+1=Q; nQn+1=Q;JKQ(n+1)功能說明0 00 11 01 1Q01Q不變置 0置 1翻轉 時鐘J-K觸發器功能表0011 01dddd10 Qn Qn+1 J K0101現態Q01次態Qn1JK0001JK0100JK1110JK1011JK=10,11JK=01,1100,1000,01000111100101236745JKQ1111現態Q01次態Qn1JK0001JK0100JK1110JK1011nQn+1=JQ+KQnJK=00, remain samenJK=01/10, Qn+1=JnJK=11, toggleRS

57、QTCP&QTQCQnCP=1nT=1 Qn+1=Q; Qn+1=Q; nT=0 Qn+1=Q; Qn+1=Q;nCP=0nQn+1=Q; nQn+1=Q;RSQTCP&QTQ(n+1)功能說明0 1T觸發器功能表Q Q不變 翻轉0011 0110 Qn Qn+1 T0101現態Q01次態Qn1T=001T=110T=1T=1T=0T=0nQn+1=TQ+TQ =T Q n T=0, remain samen T=1, toggleRSQTCP&Qn電位控制觸發器n觸發器狀態轉移被控制在一個約定的時間間隔內，而不是控制在某一時刻。nCP=0，觸發器保持狀態不變nCP=1，觸發器在輸入信號作用下發生狀態變化 n存在空翻的問題存在空翻的問題CLKD Qn“空翻”n同一個時鐘脈沖作用期間觸發器狀態發生兩次或兩次以上變化的現象n“空翻”原因n在時鐘脈沖作用期間，輸入信號直接控制著觸發器狀態的變化nCP為1時，輸入信號發生變化，觸發器狀態會跟著變化n時鐘寬度控制不夠nCP