1、第三章 集成門電路與觸發(fā)器,本章作業(yè)：,3.5、3.7、3.10、3.11、3.13、3.14,3.21、3.22、3.23、3.26、3.30、3.31、3.32、 3.34、3.35、3.36,31 集成邏輯電路的分類,集成電路的分類,按功能分：數(shù)字電路、線性電路兩大類 數(shù)字電路：從門電路到微處理器、存儲(chǔ)器等多種 按半導(dǎo)體制造工藝： 雙極型 (TTL,ECL,HTL,I2L) MOS (PMOS,NMOS,CMOS,BiCMOS),兩大類工藝技術(shù)的特點(diǎn)：,目前最常用的工藝: CMOS,按封裝（外形）分：雙列直插、扁平封裝、表面封 裝、針式,集成電路發(fā)展歷史,“集成電路” (IC)是相對(duì)“分

2、立元件”而言的，是 所有以半導(dǎo)體工藝將電路集成到一塊芯片的器件總 稱。,半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展帶動(dòng)了集成電路的更 新?lián)Q代。,VLSI時(shí)代存儲(chǔ)器件制造工藝帶動(dòng)了整個(gè)微處 理器的更新?lián)Q代。,摩爾定律：每18個(gè)月集成度翻一翻。,集成電路內(nèi)部的連線寬度是主要的指標(biāo): 0.25,0.18.,集成電路發(fā)展歷史,（1） Small Scale IC （SSI） 小規(guī)模 IC 1965年 規(guī)模： 10個(gè)門/片電路以下 主要產(chǎn)品： 門電路 觸發(fā)器（Flip Flop）,（2） Medium Scale IC （MSI） 中規(guī)模 IC 1970年 規(guī)模：10100個(gè)門/片 主要產(chǎn)品：邏輯功能部件 4位ALU（8位寄

3、存器）,集成電路發(fā)展歷史,(3)Large Scale IC （LSI） 大規(guī)模 IC 1976年 規(guī)模：1001000個(gè)門/片 主要產(chǎn)品：規(guī)模更大的功能部件 存儲(chǔ)器，8位CPU,(4)Very large Scale IC （VLSI）超大規(guī)模 IC 80年代初 規(guī)模： 1000個(gè)門以上 多個(gè)子系統(tǒng)集成,(5)Ultra large Scale IC （ULSI） 甚大規(guī)模IC（微處理器等） 每隔18個(gè)月，集成度翻一翻 價(jià)格1/2 品種多 性能高,32 正邏輯和負(fù)邏輯的概念,在邏輯電路中，常把電平的高、低和邏輯0、1聯(lián) 系起來(lái)，若H=1,L=0, 稱正邏輯；若H=0,L=1, 稱負(fù)邏輯。 在

4、本課程中，一律采用正邏輯。,正邏輯與負(fù)邏輯的關(guān)系,功能表,正邏輯,負(fù)邏輯,33 TTL門電路,F=AB,F=A+B,鉗位二極管,晶體管非門電路(反相器),加速電容,典型的五管TTL“與非門”,典型的電路，優(yōu)美的作品！ 只分析原理，不講如何設(shè)計(jì)。,T1等效電路,一、與非門工作原理,設(shè): “L” =“0” (0.3V) “H”=“1” (3.6V),1、當(dāng)A、B、C中 有“0”時(shí)， VA=0,VB=1,VC=1,IR1流向A, 其電流為IAIIL (VccVbe1VA)/R1=1.4 mA,Vb1=VA+Vbe1=1V,導(dǎo)致T2、T5截止,Ic1很小,T1深飽和,Vc1=VA+Vces1=1 V,

5、Vc2Vcc T3、T4導(dǎo)通,輸出電壓 :,V0H=VccVR2Vbe3Vbe4=3.6 V,輸出電流 IoH :從T4向外流(拉電流)。,2、當(dāng)A、B、C 全為“1”時(shí),VA=VB=VC=3.6V,IR1全部流向T2基極,T2、T5飽和,Vb1=2.1V,Vc2=1V,輸入漏電流IIL很小，從多發(fā)射極流入。,T3, T4 截止,輸出電流 IoL：從外電路流向T5(灌電流 )。,輸出電壓:,V0L =Vces5=0.10.3V,T3-T4稱“1”輸出級(jí)，T5稱“0”輸出級(jí)，組成推-拉式輸出結(jié)構(gòu)，又稱圖騰柱結(jié)構(gòu)（Totem）輸出。,與非門結(jié)構(gòu),二、特性,1、開(kāi)關(guān)特性,TTL線路有較快的開(kāi)關(guān)速度，

6、原因 ：,輸入由“1”跳至“0”時(shí)，因T1射極突跳至“0”， IR1流入T1射極，因T2，T5此時(shí)尚未脫離飽和， Vc1仍為1.4V，T1處于放大狀態(tài)，于是有很大的電 流從T2基極流向T1，使T2基區(qū)存儲(chǔ)電荷迅速消散， 加快T2退出飽和，因而加快與非門輸出由“0”向 “1”的轉(zhuǎn)換。,在T2由飽和向截止轉(zhuǎn)換時(shí)，Vc2升高，使T3、T4同時(shí)導(dǎo)通，“1”驅(qū)動(dòng)級(jí)給尚未脫離飽和的T5提供很大集流，從而使T5迅速脫離飽和。在T5脫離飽和時(shí)，Vc2抬高，Ib5隨之減少，這時(shí)T5吸收不了由T3,T4流來(lái)的電流，它們大部分流向輸出負(fù)載電容，使它迅速充電，加快輸出電壓上升,R3為T5基區(qū)電荷的逸散提供了通路，使T

7、5截止過(guò)程加快。,開(kāi)關(guān)特性,2、電壓傳輸特性,UOH,Uon開(kāi)門電平(輸入高電平的最小值 1.8V)。,Uff關(guān)門電平(輸入低電平的最大值0.8V )。,理想化,UT,UT 閾值電壓(門檻電平),UT=1.4V,3、 輸入伏安特性,IIH 輸入高電平電流(輸入漏電流40A),IIS 輸入短路電流,IIL 輸入低電平電流(1.6mA),4、 輸入負(fù)載特性,Ri較小時(shí)，uiUT，ui=“0”,Ri較大時(shí)，uiUT，ui=“1”,臨界時(shí),Ron開(kāi)門電阻， Ri Ron(2.5K)，ui為高電平。,Roff 關(guān)門電阻， Ri Roff(0.7K)，ui為低電平。,TTL門電路輸入端懸空時(shí)為“1”。,5

8、、輸出特性,拉電流負(fù)載 (輸出高電平有效),IOH 輸出高電平電流(拉電流400A),灌電流負(fù)載 (輸出低電平有效),IOL輸出低電平電流(灌電流16mA),門電路級(jí)聯(lián)：,前一個(gè)器件的輸出就是后一個(gè)器件的輸入，后一個(gè)是前一個(gè)的負(fù)載，兩者要相互影響。,“0”,“1”,“0”,“1”,負(fù)載能力的計(jì)算,“1”,IOH=NIIH,N=IOH/IIH=400/40=10,“0”,IOL=NIIL,N=IOL/IIL=16/1.6=10,N 扇出系數(shù),三、參數(shù),1、直流參數(shù),低電平輸入電流 IIL1.6 mA 高電平輸入電流 IIH 40 A 低電平輸出電流 IOL16 mA 高電平輸出電流 IOH 0.

9、4 mA 低電平輸出電壓 VOL0.35V (10個(gè)負(fù)載) 高電平輸出電壓 VOH 3V (10個(gè)負(fù)載),開(kāi)關(guān)參數(shù),理想波形,實(shí)際波形,tPd1,tpd1前沿傳輸延遲時(shí)間,tpd2后沿傳輸延遲時(shí)間,平均傳輸延遲時(shí)間,四、集電極開(kāi)路（OC）與非門,為什么需要OC門？,普通與非門輸出不能直接連在一起實(shí)現(xiàn)“線與”！,F=F1F2,T5飽和程度降低，輸出低電平抬高,輸出“不高不低”。,T5電流過(guò)大被燒毀。,OC門電路,邏輯符號(hào)：,OC門可以實(shí)現(xiàn)“線與”,F=F1F2,RC的計(jì)算方法,OC門輸出全為“1”時(shí)：,IOH,IOH T5集電極漏電流,UOH=VCC IRCRC,=VCC(nIOH+mIIH)R

10、C,RC UOH,當(dāng)UOH=UOHmin 時(shí)：,RC的計(jì)算方法,OC門輸出中有一個(gè)為“0”時(shí)：,IOL=IRC+mIIL,RC IOL UOL ,當(dāng)UOL=UOLmax 時(shí)：,OC門解決了總線控制問(wèn)題,如果把驅(qū)動(dòng)電路A、B、C的輸出直接掛向總線，要求當(dāng)某一驅(qū)動(dòng)器向總線發(fā)送數(shù)據(jù)D時(shí)，其余驅(qū)動(dòng)器OFF，輸出均為“1”。這樣，總線狀態(tài)為各驅(qū)動(dòng)器輸出狀態(tài)之“與”，即D11=D，把這種與連接稱為“線與”。,注意：,由于OC門輸出不是Totem結(jié)構(gòu)，電路的上升 延遲很大，這是因?yàn)椋?T5退飽和很慢,對(duì)輸出負(fù)載電容的充電電流只能通過(guò)外接的RC 來(lái)提供。因此，輸出波形的上升沿時(shí)間很大。,五、三態(tài)門,1、工作原

11、理,T2、T5截止,D導(dǎo)通,T3、T4截止,輸出呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。,三態(tài)門符號(hào),2、參數(shù),開(kāi)關(guān)參數(shù)：,tpLH正常態(tài),F由低高延遲時(shí)間。,tpHL正常態(tài),F由高低延遲時(shí)間。,tpZLF由Z(高阻)L延遲時(shí)間。,tpLZF由L Z延遲時(shí)間。,tpZHF由Z H延遲時(shí)間。,tpHZF由H Z延遲時(shí)間。,F=Z時(shí)的狀態(tài),三態(tài)門和總線相連,電路1、2只能有一個(gè)處于正常態(tài),若要求D1向BUS傳送，則應(yīng)有：,若要求D2向BUS傳送，則應(yīng)有：,若原來(lái)是D1向BUS傳送，現(xiàn)在要改為D2向BUS傳送，應(yīng)使門1由正常態(tài)轉(zhuǎn)為高阻態(tài)，快于門2由高阻態(tài)轉(zhuǎn)為正常態(tài)。,tpLZtpZL tpHZtpZH,直流參數(shù),三態(tài)門的拉電

12、流IOH一般TTL門；,可以看出：,F=Z時(shí), 輸出漏電流OC門漏電流；,F=Z時(shí), 輸入低電平電流IIL很小。,“1”,“Z”,“Z”,3、種類和應(yīng)用,三態(tài)門應(yīng)用,多路開(kāi)關(guān),三態(tài)門應(yīng)用,雙向總線驅(qū)動(dòng)器，又稱收發(fā)器,三態(tài)門應(yīng)用,構(gòu)成數(shù)據(jù)總線,總線為”1”態(tài),總線為”0”態(tài),36 TTL系列,實(shí)際的與非門器件,74LS00 2輸入4與非門,74LS30 8輸入與非門,CMOS門電路,1CMOS非門,設(shè)VDD（VTN+|VTP|）， 且VTN=|VTP|,（1）當(dāng)Vi =0V時(shí)，TN截止， TP導(dǎo)通。輸出VOVDD。,（2）當(dāng)Vi =VDD時(shí)，TN導(dǎo)通， TP截止，輸出VO0V。,增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管,

13、2、CMOS與非門和或非門電路,與非門,或非門,CMOS邏輯門電路的系列,（1）基本的CMOS 4000系列。 （2）高速的CMOSHC系列。 （3）與TTL兼容的高速CMOSHCT系列。,CMOS邏輯門電路主要參數(shù)的特點(diǎn),（1）VOH（min）=0.9VDD； VOL（max）=0.01VDD。 所以CMOS門電路的邏輯擺幅（即高低電平之差）較大。 （2）閾值電壓Vth約為VDD/2。 （3）CMOS非門的關(guān)門電平VOFF為0.45VDD，開(kāi)門電平VON為 0.55VDD。因此，其高、低電平噪聲容限均達(dá)0.45VDD。 （4）CMOS電路的功耗很小，一般小于1 mW/門； （5）因CMOS電

14、路有極高的輸入阻抗，故其扇出系數(shù)很大， 可達(dá)50。,CMOS門電路功耗低，扇出數(shù)大，噪聲容限大，開(kāi)關(guān)速度與TTL接近，易大規(guī)模集成，已成為數(shù)字集成電路的發(fā)展方向。,各種集成門電路性能比較,與有“畏難”情緒的同學(xué)共勉,“攻城不怕堅(jiān)，讀書不怕難，世上無(wú)難事， 只要肯登攀！”,從今天抓起，從現(xiàn)在抓起。 此時(shí)跟進(jìn)，尚來(lái)得及；此時(shí)繼續(xù)放棄，只 能來(lái)年重修！,解決學(xué)習(xí)動(dòng)力問(wèn)題： 要我學(xué)？ 我要學(xué)！自覺(jué)學(xué)！ 為誰(shuí)學(xué)？為自己的前程學(xué)！,34 觸發(fā)器,邏輯電路的記憶元件,觸發(fā)器的功能,觸發(fā)器是數(shù)字時(shí)序邏輯電路的基本單元電路。它是由門電路構(gòu)成的，且具有記憶功能，能夠存儲(chǔ)1位二值信號(hào)。,觸發(fā)器的特點(diǎn),具有兩個(gè)能自行

15、保持的穩(wěn)定狀態(tài)0狀態(tài)和1狀態(tài)。用來(lái)表示二進(jìn)制的0和1。,觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)和次態(tài),觸發(fā)器接收輸入信號(hào)之前的狀態(tài)叫做現(xiàn)態(tài)，用Qn表示。觸發(fā)器接收輸入信號(hào)之后的狀態(tài)叫做次態(tài)，用Qn+1表示。,一、基本RS觸發(fā)器,1,1,Qn=0,0,0,1,則：,Qn+1=0,Qn=1,1,1,0,Qn+1=1,0,1,1,0,1,0,0,1,觸發(fā)器既不是1態(tài)，也不是0態(tài)，而且在S和R同時(shí)回到1后無(wú)法判定觸發(fā)器將回到1態(tài)還是0態(tài)。在正常工作時(shí)，輸入信號(hào)不允許輸入S=R=0的信號(hào)。,功能表,邏輯符號(hào),時(shí)序圖,注意：,應(yīng)用,防抖開(kāi)關(guān),理想波形,實(shí)際波形,其它形式RS觸發(fā)器,二、電位觸發(fā)方式的觸發(fā)器,(一)同步(鐘控)RS觸

16、發(fā)器,電位觸發(fā)：在控制電位E的控制 下接收數(shù)據(jù)。,E0，不接收外部輸入由于交 叉耦合的作用，保持原有狀態(tài)。,當(dāng)E1時(shí)，其輸出狀態(tài)由R、S 端的輸入信號(hào)決定。,電位觸發(fā)有正電位觸發(fā)和負(fù)電位觸發(fā)。,1、邏輯關(guān)系,功能表,邏輯符號(hào),(CP),R-S電位型與直接置位-復(fù)位型觸發(fā)器比較,R-S電位型觸發(fā)器增加了控制端E(CP)。,E=0時(shí)，保持觸發(fā)器穩(wěn)定狀態(tài)不被破壞。,在E=1且R-S=“11”時(shí), 同樣存在不定狀態(tài)。,2、觸發(fā)器功能的幾種表示方法,(1)時(shí)序圖,波形分析1,波形分析2,不定,（2）特征方程, ,0 1,0 0,1 1,RS=0,(E=1),（3）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示觸發(fā)器從一個(gè)狀

17、態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)或保持原狀態(tài)不變時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)的要求。,S= R=0,S=0 R=,S=1 R=0,S=0 R=1,(二)電位觸發(fā)D觸發(fā)器,如何消除R-S觸發(fā)器的不定狀態(tài)？,R-S電位型觸發(fā)器的輸入由R，S雙端輸入改為單端輸入，就不會(huì)出現(xiàn)不定狀態(tài)了！,功能表(E=1),0 0,1 1,電位觸發(fā)D觸發(fā)器,功能表(E=1),0 0,1 1,邏輯符號(hào),特征方程,Qn+1=D (E=1),狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,電位觸發(fā)D觸發(fā)器,電位觸發(fā)：在控制電位E的控制下接收數(shù)據(jù)。,E0，不接收外部輸入由于交叉耦合的作 用，保持原有狀態(tài),時(shí)序圖,當(dāng)E1時(shí)，QD; 也就是Q接收D的輸入。 因此, E1“電位”一到，觸發(fā)器就接

18、收數(shù)據(jù)，叫“電 位觸發(fā)器”，也叫“鎖存器”。,不同形式的電位觸發(fā)器,與或非門構(gòu)成的鎖存器,與非型鎖存器,電位觸發(fā)方式觸發(fā)器存在的問(wèn)題空翻,有效翻轉(zhuǎn),空翻,在一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期中，觸發(fā)器發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象叫做空翻。,三、邊沿觸發(fā)方式的觸發(fā)器,(一)正邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器,結(jié)構(gòu),工作原理,1、D=1時(shí)：,若CP=0，,若CP從01，,1,0,0,1,1,1,1,0,1,門3、4封鎖，,Qn+1=Qn,門3、4打開(kāi)，,Qn+1=1,能否發(fā)生空翻？,置1維持線,置0阻塞線,2、D=0時(shí)：,0,1,若CP=0，,若CP從01，,門3、4封鎖，,Qn+1=Qn,門3、4打開(kāi)，,Qn+1=0,1,1,1,1,1

19、,0,0,0,置0維持線,特點(diǎn),1. CP正跳變時(shí)，才接受輸入數(shù)據(jù)。,2. CP1及CP0期間，輸入數(shù)據(jù) 變化不會(huì)影響觸發(fā)器狀態(tài)。,D觸發(fā)器的直接(異步)置0 、置1功能,D觸發(fā)器的直接(異步)置0 、置1功能,Qn+1,兩種基本觸發(fā)器的應(yīng)用比較,對(duì)于電位型FF：E=1來(lái)到時(shí)，輸入可以不確定；但 E=1快結(jié)束時(shí)，輸入必須確定。,不確定,可用,電位觸發(fā)器的數(shù)據(jù)可以比E晚來(lái)，但不能早撤，否 則就要影響觸發(fā)器狀態(tài)！因此也稱對(duì)電位是透 明的。,兩種基本觸發(fā)器的應(yīng)用比較,對(duì)于邊沿型FF：時(shí)鐘正跳變到來(lái)的時(shí)候輸入必須確定。,D可以變化,D不能變化,D可不確定,正邊沿D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)一定要比CP先來(lái)，但可以先

20、 撤，不會(huì)影響觸發(fā)器狀態(tài)！因此稱為“延遲型觸發(fā)器”。,兩種基本觸發(fā)器的應(yīng)用比較,四位鎖存器,四位D觸發(fā)器,兩種基本觸發(fā)器的應(yīng)用比較,電位型只能當(dāng)作寄存器,正邊沿D觸發(fā)器可以用作移位寄存器,1,1,0,0,右移移位寄存器,0 0 0,1,1,0 0,2,1 1 0,3,0 1 1,鎖存器不能作為移位寄存器,正邊沿D觸發(fā)器可以用作計(jì)數(shù)器,Q0Q1Q2,000,100,110,111,011,001,同步六進(jìn)制計(jì)數(shù)器,集成D觸發(fā)器,用觸發(fā)器構(gòu)成時(shí)序電路,同步時(shí)序邏輯電路,異步時(shí)序邏輯電路,D觸發(fā)器應(yīng)用,【例1】,分析下面組合電路的邏輯功能。,四人搶答器,帶數(shù)字顯示的七路搶答器,0,1,0,0,0,1

21、,1,1,0,(二)負(fù)邊沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器,門1、2輸出為1，門A、D封鎖。,Qn+1=Qn,(二)負(fù)邊沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器,若：Qn=0,則；Qn+1=0,若：Qn=1,則；Qn+1=1,Qn+1=Qn,(二)負(fù)邊沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器,門A、D的開(kāi)啟快于門1、2的開(kāi)啟；門A、D的關(guān)閉快于門1、2的關(guān)閉。,CP時(shí)，門A、D先關(guān)閉，但門1、2還未關(guān)閉，J、K的狀態(tài)從門1、2輸出通過(guò)門B、C進(jìn)入基本RS觸發(fā)器。之后，門1、2關(guān)閉，觸發(fā)器保持不變。,CP時(shí)，門A、D先開(kāi)啟使觸發(fā)器處于保持狀態(tài)。,負(fù)邊沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器邏輯符號(hào),74LS73/雙下降沿JK觸發(fā)器,74LS109/雙上升沿JK觸發(fā)器,四、主從

22、觸發(fā)方式的觸發(fā)器,1、主從R-S觸發(fā)器,（1）CP=0時(shí)：,主觸發(fā)器工作，從觸發(fā)器不工作。,主觸發(fā)器不工作，從觸發(fā)器工作。,Qn+1=Qn,（2）CP=1時(shí)：,（2）CP=1時(shí)：,主觸發(fā)器工作，從觸發(fā)器不工作。,0 0,Qn,0 1,0,1 0,1,1 1,不用,邏輯符號(hào),主從觸發(fā)方式觸發(fā)器的工作特點(diǎn)：,主從觸發(fā)器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)分為兩個(gè)節(jié)拍：,（1）當(dāng)CP1時(shí)，CP0，從觸發(fā)器被封鎖，保持原狀態(tài)不變：主觸發(fā)器工作，接收R和S端的輸入信號(hào)。,（2）當(dāng)CP由1躍變到0時(shí)，即CP=0、CP1。主觸發(fā)器被封鎖，輸入信號(hào)R、S不再影響主觸發(fā)器的狀態(tài)；從觸發(fā)器工作，接收主觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)。,波形分析,主觸發(fā)

23、器在CP=1期間可以隨SR的狀態(tài)多次翻轉(zhuǎn)，但從觸發(fā)器只跟隨CP從10時(shí)的主觸發(fā)器狀態(tài)。,2、主從J-K觸發(fā)器,JK觸發(fā)器的邏輯功能,Qn,0,1,0,1,0,0,1,0,1,1,J-K觸發(fā)器增加直接置位-復(fù)位,波形,Q,在CP=1期間JK的狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生變化。,注意,主從JK觸發(fā)器的“一次翻轉(zhuǎn)”問(wèn)題,主從JK觸發(fā)器的“一次翻轉(zhuǎn)”問(wèn)題,主從JK觸發(fā)器在CP=1期間，主觸發(fā)器只變化（翻轉(zhuǎn)）一次，這種現(xiàn)象稱為一次變化現(xiàn)象。,Qn+1,注意：,在CP=1期間，J、K不允許變化!如果J、K在CP1 期間變化的話，觸發(fā)器的狀態(tài)就不滿足功能表。,雖然J-K觸發(fā)器的最終狀態(tài)是在負(fù)脈沖時(shí)的狀態(tài)， 但不是邊沿觸發(fā)器，而只能是 “主-從觸發(fā)器”。,JK觸發(fā)器抗干擾能力差。,使用主從JK觸發(fā)器時(shí)，CP=1的寬度不宜