车陂网站建设,沧州*网站建设,商务网站开发实训体会,建设网站教程视频视频1.逻辑门电路
1.1逻辑门电路的简介
1.1.1各种逻辑门电路的简介
基本概念
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1.1逻辑门电路的简介
1.1.1各种逻辑门电路的简介
基本概念
1实现基本逻辑运算和常用逻辑运算的电路称为逻辑门电路简称门电路。逻辑门电路是组成各种数字电路的基本单元电路。将构成门电路的元器件制作一块半导体芯片上再封装起来便构成了集成门电路 2门电路的分类由于制造逻辑门电路的三极管不同分为MOS型、双极性和混合型。MOS型逻辑门有CMOS、NMOS和PMOS。双极性主要有TTL混合型集成逻辑门有BiCMOS
开关电路
1在二值数字逻辑中逻辑变量的取值不是0就是1.在数字电路中与其对应的就是电子器件的开关和闭合的两种状态
2早期的开关器件由继电器构成后来使用BJT或MOS管作为开关。BJT或MOS管相当于一个受控开关当其工作在截止状态时相当于开关断开输出高电平当其工作在饱和导通状态时相当于开关闭合输出低电平。 3 互补开关两个开关不可能同时处于导通状态和截止状态。此时一个开关的导通另一个开关必定断开。上下开关的导通和断开受到输入信号的影响。 1.2.基本CMOS逻辑门电路
1.2.1MOS管及其开关特性
基本概念
1S管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的简称
2CMOS逻辑门电路是以MOS管作为开关器件的。按照导电载流子的不同MOS管分为N沟道MOSNMOS管和P沟道MOSPMOS管。按照导电沟道形成机理的不同分为增强型和耗尽型MOS管
N沟道增强性MOS管的结构的工作原理
1N沟道实际上是P型衬底上用扩散法制作两个高掺杂浓度的N区。然后在P型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层并在二氧化硅表面及两个N型区各安置一个电极形成栅极g、源极s和漏极d。
2由于栅极被绝缘其电阻高达10的12次方~10的15次方Ω。通常将衬底与源极相连或接地电位以防止有电流从衬底流入源极和导电沟道 3 如果栅极和源极之间所加电压0则源极、衬底和漏区形成两个PN结背靠背串联d、s间不导通0。
4当源极之间加正向电压且为阈值电压时栅极和衬底之间形成足够强的电场吸引衬底中的少数载流子电子使其聚集在栅极下的衬底表面形成N型反型层该反型层就构成了d、s间的导电沟道。 5漏极和源极之间加电压将有漏极电流产生这种在0时不存在导电沟道必须增强到足够大时才形成导电沟道的场效应管称为增强型MOS管
N沟道增强型MOS管的输出特性和转移特性
1MOS管可以视作二端口网络栅-源为输入端口漏-源为输出端口源极为公共端故称共源极连接。输入回路与输出回路共用源极称为共源接法。
2决定允许通过的最大电流决定提供的最大电流 3当端口的电压不同时回路电流也将发生变化因此用I-V特性曲线反映电压与电流的关系。MOS管的I-V特性包含输出特性和转移特性
4输出特性曲线是指栅源电压一定的情况下漏极电流与漏源电压之间的关系。输出特性曲线分为三个工作区截止区、恒流区和可变电阻区 截止区当时导电沟道尚未形成0漏源间的电阻很大可达10的9次方Ω以上相当于断开MOS管处于截止工作状态输出特性曲线此时处于截止区 可变电阻区当时产生导电沟道外加当较小时随呈线性增长此时MOS管可以看作是一个受控制的可变电阻。当越大输出特性曲线的斜率就倾斜等效电阻就越小。因此该区被称为可变电阻区。|const 式中的K称为电导常数 恒流区当继续增加到一定数值使-时沟道在靠近漏极处出现夹断。随着继续增加几乎不再增加此时的区域称为恒流区。因此当-时MOS管工作在可变电阻区。当-时MOS管工作在恒流区。 5转移特性曲线是指在漏极电压一定的条件下栅源电压对漏极电流的控制作用。当MOS管工作在恒流区时由于对的影响较小所以不同的对应的转移特性曲线基本重合可以用一条曲线来表示这条曲线与横坐标的交点即阈值电压 其他类型的MOS管
1P沟道增强型MOS管与N沟道的MOS管相反P沟道增强型MOS管是在N型衬底上制作两个浓度高浓度的P区导电沟道为P型载流子为空穴。 2通常将衬底与源极相连或接电源。为吸引空穴形成导电沟道栅极接电源负极与衬底相连的源极接电源即为负值因此阈值电压也为负值。而的实际方向为流出漏极与通常的假定方向正好相反。 导通条件 3对于增强型PMOS管当时PMOS管处于截止区。当、-时PMOS管工作在可变电阻区、-时PMOS管工作在恒流区 MOS管的开关电路
1MOS管的作用对应于有触点开关S的断开和闭合但其速度上又和可靠性方面比机械开关优越得多。MOS管相当于一个由控制得无触点开关 2 MOS管单开关电路当时此时MOS管处于截止状态输出电压此时器件不消耗功率。此时相当于输入为低电平MOS管截止其等效得电阻约为1MΩ以上相当于开关得断开输出为高电平。 3MOS管单开关电路当时并且足够大时使得MOS管工作在可变电阻区。d、s之间得导通电阻可由|const确定此时得等效电阻在1KΩ以内。由于足够大所以很小使得远远大于电路输出得电平为低电平。 MOS管开关电路的动态特性
1由于MOS管中栅极与衬底间电容即输入电容C1漏极与衬底间电容栅极与漏极之间电容米勒电容以及导通电阻等存在使其在导通和闭合两种状态之间转换时不可避免受到电容充、放电过程的影响。输出电压的波形已经不是和输入一样的理想脉冲.。上升沿和下降沿的变化都变缓慢了而且输出电压的变化滞后于输入电压为输出电压由高电平跳变为低电平的传输延迟时间为输出电压低电平跳变为高电平的平均的传输延迟时间
2在漏极上方接一个电阻为此时该电阻的作用是当输入为高电平时流过导通NMOS的电流很大起限流作用。 1.2.2CMOS反相器
结构和工作原理
1由N沟道和P沟道增强型MOS管组成的电路称为互补MOS管或CMOS电路。CMOS反相器是构成CMOS逻辑电路的基本单元之一
2由两只增强型MOS管组成其中为NMOS管为PMOS管。两只MOS管的栅极连在一起作为输入端它们的漏极连在一起作为输出端。
3NMOS和PMOS管的阈值电压分别用和表示。为了让电路正常工作要求电源电压大于两MOS管阈值电压的绝对值之和即。 4 当输入电压处于逻辑0时相应的电压近似于0V而当输入电压处于逻辑1时相应的电压处于。
5当输入为高电平时此时阈值电压此时的处于导通状态并且导通电阻很低而0处于截止状态等效电阻很高。因此反相器输出为低电平输出电压0此时通过MOS管连接下面的地而通过两管的电流接近于零
6当输入为低电平0即0管截止而||管导通。反相器输出为高电平输出电压 7 当反相器处于稳态时无论输入电压是高电平还是低电平和中总是一个处于导通另一个处于截止的状态
8MOS管的导通电阻很小而截止电阻很高
9输入与输出之间为逻辑非的关系因此称为非门或反相器 电流传输特性和电压传输特性
1CMOS的电压传输特性是指其输出电压随输入电压变化的关系曲线。电流传输特性是指漏极电流随输入电压变化的曲线。
2在传输特性曲线的AB段或EF段根据反相器工作原理的两种情况分析可知无论输出为高电平还是低电平总有一个MOS管工作在截止区因此流过两管的电流接近于零值。
3在BC或DE段和两管中总有一个工作在恒流区另外一个工作在可变电阻区此时两管中的电流比较大传输特性变化比较快两管在处转换状态因此将状态转换处的电压定义为CMOS反相器的阈值电压
4在CD段由于和均工作在恒流区此时,电流工作达到最大值
5从B到E之间此时和同时导通的过渡状态传输特性变化剧增产生一个较大的电流尖峰。因而有较大的功耗。使用时应避免使两管长时间工作在此区域以防止功耗过大而损坏 工作速度
1CMOS电路用于驱动其他MOS器件时其负载阻抗是电容性的。
2电容充电当0时截止导通由通过向负载电容充电此时||当达到最大值使的导通电阻变小导致充回路的时间常数较小
3电容放电当时导通截止电容处于放电状态。
4由于电路具有互补对称的性质与的导通电阻相等因此延迟时间和是基本相等的 1.3.3CMOS与非门和或非门
与非门电路
1CMOS与非门电路包括两个串联的增强型NMOS管和两个并联的增强型PMOS管。每个输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极。 2当输入端A、B有一个为低电平时就会使它相连的NMOS管截止PMOS管导通输出为高电平仅当A、B全为高电平时才会使两个串联的NMOS管都导通使两个并联的PMOS截止输出为低电平。
3 n个输入端的与非门必须有n个NMOS管串联和n个PMOS管并联。
与非门的逻辑功能
4与非门的各类工作状态 或非门
1CMOS或非门电路包括两个并联的增强型NMOS管和两个串联的增强型PMOS管 2电路的输出与输入信号的逻辑关系及各个MOS管的工作状态。当输入端A、B只要有一个为高电平时就会使得与它相连的NMOS管导通而PMOS管截止输出为低电平仅当A、B全为低电平时两个并联NMOS管都截止两个串联的PMOS管都导通输出为高电平 1.3.4CMOS的传输门 传输门的结构
1CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOS管并联而成。和是逻辑结构完全对称的所以栅极的引出端画在符号横线的中间。它们漏极和源极可以互换因而传输们的输入端和输出端可以互换使用即为双向器件。设它们的阈值电压||,C和是一对互补的控制信号。
2衬底电极与普通MOS管不同其连接原则是NMOS管的衬底连接到电路中的最低电位点而PMOS管的衬底连接到电路中的最高电位点这是为了使衬底与源极之间形成的PN结反向偏置防止电流从漏级直接流入衬底。因此将NMOS管的衬底连接到地电位PMOS管的衬底连接到电压 工作原理
1传输门的工作特性为当C端接0V接时输入信号的取值在0~范围内和同时截止输入和输出之间呈现处高阻态传输门是断开的
2当C端接端接0V时在0V~(-)的范围内导通。在-的范围内将导通。由此可见当在0V-之间变化时和至少有一个导通使与之间的导通电阻很小传输门导通 传输门的应用
1当A0时此时TG1为导通TG2为截止此时B的数据经过TG1传输到Y 2双向模拟开关 3 数据选择器由CMOS构成的2选1数据选择器A、B为数据输入信号C为选择控制信号。当C0时TG1导通TG2截止输入信号A被传输到输出端LA当C1时TG1截止TG2导通输入信号B被传输到输出端LB。 1.3CMOS逻辑门的其他输出结构及参数
1.3.1CMOS逻辑门的保护和缓冲电路
保护电路
1C1和C2为PMOS管和NMOS管的栅极等效电容二极管D1和D2的正向导通压降为0.5~0.7V之间。D2是分布式二极管结构用虚线和两个二极管表示。这种分布式二极管可以通过较大的电流使得输入引脚上的静电荷被释放从而保护了MOS管的栅极绝缘层。二极管的反向击穿电压约为30V小于栅极层的击穿电压 2 输入电压在正常范围内0保护电路不起作用。此时上下两个二级管均不导通 3 当或-时二极管或首先导通MOS管的栅极电位被限制在到之间使栅极的层不会被击穿。如果输入电平发生突变时的过冲电压很大或持续时间很长可能使流过或的电流过大而损坏二极管进而使MOS管的栅极被击穿
3电阻和MOS管的栅极电容组成积分网络使输入信号的过冲延迟一段时间才作用到栅极上而且幅值有所减少。为减少这种延迟对电路动态性能的影响值不宜过大通常为为2KΩ左右 反相缓冲电路
1带缓冲级的CMOS与非门电路的逻辑符号。由于输入、输出端加了反相器作为缓冲电路所以电路与输入的逻辑关系也发生了变化。在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器称为缓冲器。
2或非门缓冲器与非门 3 与非门缓冲器或非门 1.3.2CMOS漏极开路门和三态输出门电路
1.3.2.1CMOS漏极开路门
漏极开路门的结构和工作原理
1通常CMOS都有反相器作为缓冲电路。而在工程实践中。将两个门的输出端并联以实现与逻辑功能称为线与。如果将两个CMOS与非门和的输出端连接在一起并设的输出处于高电平截止、导通而的输出为高电平导通截止。这样从的到的将形成一低阻通路从而产生很大的电流有可能导致器件的损坏并且无法确定输出的是高电平还是低电平。因此普通门电路的输出端是禁止线与的。因此需要采取OD门来解决 2 漏极开路是指CMOS门电路的输出电路只有NMOS管并且它的漏极是开路的 3OD门的逻辑结构 4 OD门的逻辑电平转换 5使用漏极门之间必须在漏极和电源之间外接一个上拉电阻。两个OD与非门实现线与。将两个门电路输出端接在一起通过上拉电阻接电源。由图可见当两个与非门的输出全为1时输出为1只要其中一个为0时输出为0。所以该电路符合与逻辑功能。即L 上拉电阻的计算
1当其他门作为OD门的负载时OD门称为驱动门其后的门称为负载门
2选择上拉电阻要考虑许多的因素一方面如果负载具有电容性的值越小电容的充电常数也越小因而开关速度越快但功耗也就越大。另一个方面多个OD门的输出端线与在一起输出为低电平其他门均截止时负载电流将全部流向导通的OD门这是一个最不利的情况此时上拉电阻具有限制电流的作用其取值不应该太小
3当输出为低电平并联的OD门只有一个导通。此时此时为直流电源电压为驱动门的最大值为驱动门最大值为CMOS负载门低电平输入电流总和n,n为并联的输入端数目
4当所有OD门输出均为高电平。为驱动门的最小值为CMOS负载门高电平输入电流总和n,n为并联的输入端数目为全部驱动门输出高电平时的漏电流总和 1.3.2.2三态输出门电路 基本结构和原理
1三态输出门电路的输出除了具有一般门电路的两种状态即输出高、低电平外还具有高输出阻抗的第三状态称为高阻态又称为禁止态。A是输入端L为输出端EN是使能端。
2当使能端EN1时如果A0则B1C1使得导通同时截止输出端L0输出端L0如果A1则B0C0使得截止导通输出端L1
3当使能端EN0时无论A取何值都使得B1C0则何均截止电路的输出端既不是低电平又不是高电平而是开路这就是第三种高阻工作状态
4由此可知当EN为有效的高电平时电路处于正常逻辑工作状态LA。而当EN为低电平时电路处于高祖状态。高电平使能简称高使能。 5 真值表x可以表示0或1
使能EN输入A输出L1001110x高阻
6 三态门可以用于总线传输如计算机或微处理器系统。为了避免两个不同的信号在总线上引起的冲突任何时刻只有一个门电路的使能端EN为1该门电路的信号被传送到总线上而其它三态门输出电路处于高阻态。这样就可以按一定的顺序将各个门电路的输出信号分时送到总线上
7接到总线上的三态输出电路任何时刻只有一个使能端为有效信号这就要求某个与总线进行数据传输的三态门必须关断之和另一个三态门才允许与总线进行数据传输。即从高阻态到高电平或低电平输出的转换时间。略大于从高电平或低电平到高组态的转换时间。这样控制系统给出的使能信号使前一个电路进入高阻态以后后一个电路的输出信号才送到总线上以避免两个不同信号在总线上引起冲突。 1.3.3CMOS逻辑门电路的主要参数
输入和输出高低电平
1当逻辑电路的输入电压在一定范围内变化时输出电压并不会改变因此逻辑1或0对应的电压范围不同系列的集成电路输入和输出为逻辑1或0所对应的电压范围也不同
2逻辑电平参数输入低电平的上限值、输入高电平的下限值、输出低电平的上限值和输出高电平的下限值
噪声容限
1噪声容限反映了门电路的抗干扰能力。二值逻辑电路的优点是在于允许它的输入信号允许一定的容差。在数字系统中各逻辑电路之间的连线可能会受到各种噪声的干扰如信号传输的噪声信号的高低电平转换引起的噪声或者临近开关信号所引起的随机脉冲的噪声。这些噪声会叠加在工作信号上。只要高电平信号叠加噪声后不低于输入高电平的最小值或者低电平信号叠加噪声后不高于输入低电平最大值则输出逻辑状态不会受到影响。通常将这个最大噪声幅度称为噪声容限。电路的噪声容限越大其抗干扰能力越强
2前一级驱动门电路的输出就是后一级负载吗门电路的输入。则输入高电平的噪声容限为
反映了驱动门输出高电平时容许叠加在其上的负向噪声电压的最大值。类似的输入电压低电平的噪声容限值为。反映了驱动门输出低电平时容许叠加在其上的正向噪声电压的最大值。 1.4TTL逻辑门电路
1.4.1BJT的开关特性
三极管的开关特性
1三级管的输入特性 2 三极管的输出特性 3 三极管的工作特性 BJT的开关作用
1当输入0V时BJT的发射结零偏0集电极为反向偏置0只有很小的漏电流流过PN结故、、对应于图中的A点。这时集电极回路中的c、e极之间近似于开路相当于开关断开一样输出为高电平。BJT这种工作状态相当于截止
2当输入时调节使则BJT工作在图中的B点。集电极回路中的c、e之间近似于短路相当于开关闭合一样输出为低电平。 BJT的开关特性
1BJT的开关过程是在饱和与截止两种状态之间相互切换也是内部电荷建立何消散的过程。因此需要一定的时间才能完成
2以BJT管开关电路为例在输入端加入一个数字脉冲信号输入信号的上升沿使BJT从截止到饱和变化需要时间建立基区电荷以形成饱和电流。输入信号的下降沿使BJT从饱和到截止变化需要时间消散基区存储的电荷。因此输出电压的变化滞后于输入电压的变化
1.4.2TTL反相器的基本电路
基本工作原理和结构
1TTL反相器由三部分组成T1组成电路的输入级用来提高工作速度。T3、T4和二级管D组成输出级以提高开关速度和带负载能力。由T2组成的中间级作为输出级的驱动电路将T2的单端输入信号转换为互补的双端输出信号和以驱动和 2当输入0.2V时T1的发射结导通其基极电压为0.9V该电压作用于T1的集电结和T2、T3的发射结之间所以T2、T5管截止为高电平和D2导通输出为高电平。当忽略上的压降时则3.6V 3当输入3.6V通过和T1的集电结向T2、T3提供基极电流使T2、T3饱和导通此时2.1V使T1的发射结反向偏置而集电结正向偏置。所以T1处于发射结和集电结倒置的状态。由于T2和T3管饱和使0.9V。该电压作用于T4的发射结和二极管D两个PN结上无法使其导通T4和D截止且T3饱和导通使输出为低电平3.6V 1.5逻辑门电路的实际使用
1.5.1差分信号传输
基本概念
1差分信号传输是一种抗干扰能力强的信号传输技术。
2传统的信号传输采用一根信号线和一根地线信号线上传输高电平或低电平电压值。若叠加干扰信号后电压值发生变化有可能导致逻辑电平发生变化.
3差分信号传输是在两根线上都传输信号两个信号的大小相等、相位相反
工作原理
1原始数字信号在输入端经过缓冲器和反相器分别输出两个大小相等相位相反的信号到两根传输线上。在电路板上两根传输线必须等长、等宽、紧密靠近且在同一层面。当干扰信号同时作用时叠加在两根传输线上的干扰信号共模信号大小相等、相位也相同。当接收端用差分放大器来检测差分信号两个输入端信号相减后干扰信号被消除。因此干扰信号具有很强的抗干扰能力
2当X0为低电平为高电平。经过传输线到接收端-0时Y0
3当X1为高电平为低电平。在接收端-0时Y1
