数字集成电路的特点与分类

UNL=UIL(max)- UOL (max) =0.8-0.4V=0.4V UOL UIL
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门电路躁声容限=min{UNH,UNL} 噪声容限是用来说明门电路抗 干扰能力大小的参数。
扇出系数NO： 26 一个与非门能 够驱动同类型 与非门的最大 数目。
N OH =
I OH I IH
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0.4 ×10 = = 10 6 40 ×10
杨德生
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亚盛电大分校理工部
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第四章 门电路
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4.1 数字集成电路的特点与分类
半导体集成电路：采用外延生长、氧化、光刻、 扩散等技术，将多个晶体管、电阻、电容等元件 以及它们之间的连线做在一块半导体基片上所构 成的电路。 按内部有源器件不同分类： 双极型晶体管集成电路 MOS集成电路
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同一个电路，按两种不同的约定去分析， 会得出不同的结论。
在今后讨论电路时，必须明确采用哪种约定。 一般采用正逻辑约定。
uo
高电位
正 逻 辑 约 定
1 逻 辑 约 定 1
负0
低电位
0
4.2 晶体管－晶体管逻辑电路(TTL电路) 4.2.1 最简单的与门、非门和与非门电路 1. 二极管与门
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设 UHI=+3V ； UIL=0V。二极管正向导通时的压降近似为0
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由真值表可知，上面电路是一个与门
电路的输入与输出电位
输入 A 0V 0V 3V 3V B 0V 3V 0V 3V 输出 F 0V 0V 0V 3V
电路的真值表
输入 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 输出 F 0 0 0 1
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2. 三极管非门
设 UHI=5V ；UIL=0.2V。三极管饱和时UCES = 0.2V
TTL TTL TTL TTL 非 门 传 输 特 性
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当 uI 从 0 V电位逐渐上升到高电位时，输出电 压 uO的变化情况。
为了区别 1 和 0 两种逻辑状态，规定了 输出高电位的下限UOH(min)＝2.4V，和 输出低电位的上限UOL(max)＝0.4V。 UO＞2.4V，为逻辑 1 状态 UO＜0.4V，为逻辑 0 状态 开启电压UIH(min)：保证输出为低电位即 UO＜0.4V，输入高电位的下限。 关闭电压UIL(max)：保证输出为高电位即 UO＞2.4V，输入低电位的上限。
MOS门电路互相连接时，38 门电路输出总要接到其他 门电路的输入端，所以相 当于带有电容性负载CL。
在uI由低电位跳变到高电位时，CL 通过T1放电， uI由低电位跳变到高 电位时，电源通过T2对CL充电，造 成动态功耗。
CMOS反相器的动态功耗为 PC ＝ CL UDD2 f
与TTL不同，MOS管的栅极电流极小，CMOS门的 扇出系数取决于负载电容的大小和工作速度的要求 ，即驱动的门数越多，负载电容越大，充放电时间 越长，工作速度越慢。
输出 F 5V 5V 5V 0.2V 电 路 的 真 值 表
输入 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1
输出 F 1 1 1 0
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输出级： 推拉式电路 或图腾柱输 出电路
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P104
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P
N
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KCL
T1处于“反向运用”放大状态—发射极和集电极 T1处于“反向运用”放大状态 发射极和集电极 处于 状态 颠倒使用，反向运用时β很小，小于0.05 0.05。 颠倒使用，反向运用时β很小，小于0.05。
Y1 = AB
Y
Y1
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Y2 = CD
Y = Y1 Y2 = AB CD
实现了与功能，称为线与。
Y2
Y = AB + CD
实现了或功能，称为线或。
三态TTL门
三态TTL门与普通TTL门不同， 它的输出端除了可以出现高、 低电平（正常工作状态，低阻 输出），还可以出现第三种状 态——高阻状态（或称阻塞状 —— 态、禁止状态） A、B输入端 F输出端 G阻塞信号输入端 EN使能信号输入端
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CMOS反相器传输特性 2. UOH≈5V; UOL≈0V 3. UNL=UNH≥0.3UDD
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1.阈值电压 UTH=UDD/2; UDD=5V, UTH=2.5V
1.5V(CMOS)>0.4V(TTL)
COMS反相器抗干扰 能力强
电 源 37 电 流 iD 和
D
u的 I 关 系
无论输入为高电平还是低电平，T1和T2 总有一个截止，因此静态电流近似为零 ，静态功耗极小。
CMOS A 和 A 控制传输门的通断： 传输门
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A＝＋UDD A＝0V时，传输门接通 A＝0V A＝＋UDD时，传输门断开
左下图 uI 由0V变为UDD时，CL充电 右下图 uI 由UDD变为0V时，CL放电
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2.给出结论： 器件手册); 2.给出结论： IIL=1.6mA(器件手册 给出结论 器件手册 IOH=0.4mA (UOH=3.6V)
工作参数 P119 IIH=40A; IOL=16mA
TTL
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IIL=－1.6mA; IOH=－0.4mA － － 以上电流参数规定流入为正， 流出为负。
P106
躁声容限 门电路之间相互连接时，前一级 23 门的输出就是后一级门的输入，在前一级输 出为最坏的情况下（输出高电位为UOH(min)）， 后一级门的输入电压允许的变化幅度叫做噪 声容限。
UNH=UOH(min)- UIH(min) =2.4-2.0V=0.4V
UOH UIH
P106
躁声容限 门电路之间相互连接时，前一级 24 门的输出就是后一级门的输入，在前一级输 出为最坏的情况下（输出低电位为UOL(max)）， 后一级门的输入电压允路是一个非门
电路的输入与输出电位 输入A 0.2V 5V 输出F 5V 0.2V
电路的真值表 输入A 0 1 输出F 1 0
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+
3 晶 体 管 与 非 门
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4.2.1 TTL与非门电路
输 入 与 输 出 电 位
输入 A 0.2V 0.2V 5V 5V B 0.2V 5V 0.2V 5V
结论：1.计算得出 结论：1.计算得出 UIH=3.6V →T4饱和 饱和, →T4饱和,UOL=0.2V
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0.3V KCL 饱和
2.给出结论： 2.给出结论：IIH=40A; 给出结论 IOL=16mA (UOL=0.2V)
结论：1.计算得出U 结论：1.计算得出UIL=0 .2V → UOH=3.6V 计算得出
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N OL =
I OL I IL
16 = = 10 1.6
扇出系数 N0=min{NOH,NOL}
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集电极开路门简称OC门
UCC
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RL
与普通TTL与非门相比，OC门去掉了T3、D，使 T4集电极开路，并作为电路的输出端。OC门正 常工作时，要外接电源并串接一个电阻RL。只要 RL阻值选择的合适即能实现与非功能，还可以将 两个或更多的OC门输出端直接连接在一起。
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逻辑状态与正、负逻辑约定
事物两种互相对立的状态可以抽象地表达为 0 和 1，称为 逻辑 0 状态和逻辑 1 状态。逻辑 0 状态和逻辑 1 状态各 代表什么，是 人为规定的。 在数字电路中，我们可以规 定高电位为逻辑 1 ，低电位 为逻辑 0 ，反之也可以规定 低电位为逻辑 1 ，高电位为 逻辑 0 。前者叫做“正逻辑 ”约定，后者叫做“负逻辑 ”约定。
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按集成度不同分类： 小规模集成电路（SSI）：10～100元件／片 如各种逻辑门电路、集成触发器。 中规模集成电路（MSI）：100～1000元件／片 ，如译码器、编码器、寄存器、计数器。 大规模集成电路（LSI）：1000 ～105元件／片 ，如中央处理器，存储器。 超大规模集成电路（VLSI）：105元件以上／ 片。 CPU（Pentium)含有元件310万～330万个
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如果把传输特性理想化 ，阈值电压就22 是输出高、低电位的分界线
当 uI 增大到 1.4 V左右时，输出电压 uO急剧下 降，此时对应的输入电压值称为阈值电压 uTH
TTL TTL TTL TTL 非 门 传 输 特 性
关闭电压 UIL(max)=0.8V
开启电压 UIH(min)=2.0V
uTH = 1.4V
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三态门
输入 G(EN) 1 0 A 0 1 0 1
输出 F 高阻态 0 1
三态门最重要的 一个用途是可以 实现用同一根导 线轮流传送不同 的数据或信号， 的数据或信号， 这根线叫做总线。 这根线叫做总线。
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DIR= 1
DIR= 0
4.3 CMOS逻辑电路 4.3.1 CMOS反相器