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  • CMOS逻辑IC基础知识
CMOS逻辑IC基础知识

CMOS逻辑IC基础知识

  多个制造商都能够给大家提供基本逻辑门作为行业标准IC,它们在功能和引脚上均兼容。 这些IC被称为标准逻辑IC。

  标准逻辑IC的功能编号根据功能、电路数量、输入逻辑和输出逻辑进行预定义。

  标准逻辑IC根据其结构(即使用的制造工艺)分为以下具有不一样电气特性的类型。目前最为常用的是就兼具低功耗和低成本特点的CMOS逻辑IC。■TTL(晶体管-晶体管逻辑)

  过去,CMOS逻辑IC在实现主要系统功能方面发挥了及其重要的作用。但是现在外围部件被集成到LSI芯片中,改进了以改善功能并缩小了电气和电子应用的规模。即便如此,CMOS逻辑IC在各种应用中仍然是不可或缺的,因为它们是连接不同LSI芯片和电路板的粘合逻辑。

  逻辑IC用于连接不同的LSI芯片和电路板。它们还用于对逻辑电路进行微小的修改和调整,例如增加信号驱动能力(即缓冲信号)、塑造信号波形、调整信号输出时序以及对系统来进行较小的更改。

  自推出第一个标准CMOS系列(4000系列)以来,东芝已经发布了连续几代高速和低压CMOS逻辑IC。

  东芝继续提供适用于各种应用,宽工作电压范围(1.2V至18 V)的CMOS逻辑IC。

  使用互补的p沟道和n沟道MOSFET对的电路称为CMOS(互补MOS)。CMOS逻辑IC以各种方式组合MOSFET来实现逻辑功能。

  当MOSFET的栅极-源极电压超过某个电压(阈值电压,Vth)时,漏极-源极电阻减小,使得MOSFET导通。这种漏极-源极电阻称为导通电阻。n沟道和p沟道MOSFET的栅极和源极之间施加的电压方向不同。下图显示了MOSFET导通的条件。N沟道MOSFET:当栅极电压比源极电压高Vth时,n沟道MOSFET导通。

  P沟道MOSFET:当栅极电压比源极电压低Vth时,p沟道MOSFET导通。

  当VIN处于VCC或GND电平时,p沟道或n沟道MOSFET均关断。因此,VCC和GND之间只有很小的电流(ICC)流过。当输入处于稳定状态时(处于VCC或GND电平),ICC非常低。

  下图显示了CMOS的VIN-ICC曲线和Vth之间或VCC-Vth和VCC之间时,VCC和GND之间只有很小的电流(ICC)流过。但是,当VIN介于Vth和VCC-Vth之间时,直通电流从p沟道MOSFET到n沟道MOSFET,从而增加了ICC。因此,应注意确保避免对于VIN的输入变化过慢。

  举例:74VHC244缓冲器是一种用于增加驱动能力以增加扇出数或信号速度的逻辑门。缓冲器不执行任何逻辑操作。它还帮助调整信号的波形。>

  双向总线缓冲器(收发器)是一种其I/O引脚可配置为输入和输出以接收和发送数据的逻辑电路。

  以下显示了收发器的应用示例。如果是双向总线信号,则通过电阻将总线的输入和输出连接到VCC或GND。在这种情况下,应注意确保输出不短路。>

  示例:VHC14施密特触发装置在两个输入阈值电压之间有一个磁滞带。下面显示了具有输入阈值滞后的施密特反相器的输入和输出波形。对于具有磁滞的IC,正向阈值电压(VP)不同于负向阈值电压(VN)。对于缓慢上升或下降的输入,输入阈值滞后(VH)有助于稳定输出。即使存在输入噪声或电源或噪声引起的接地反弹的情况下,IC也不会产生错误输出,除非噪声或反弹超过磁滞宽度。>

  示例:VHC138解码器将N个编码输入的二进制信息转换为最多2N个独特输出。它通常用于增加端口数量和生成芯片选择信号。

  以下显示了3对8解码器(即具有三个输入和八个输出的解码器)的逻辑符号、真值表和时序图。>

  下面的时序图显示了如何从两个输入中选择一个信号。当选择引脚为低电平(0)时,信号从A引脚转发到Y引脚。当选择引脚为高电平(1)时,信号从B引脚转发到Y引脚。>

  模拟多路复用器包含模拟开关(见下一页),以从多个模拟输入中选择一个信号并将其转发到单个输出线。由于模拟开关可以双向传输信号,因此模拟多路复用器也可用作解复用器。

  组合逻辑:模拟开关模拟开关示例:74VHC4066模拟开关可以在任一方向上传导正弦波信号等模拟信号。它在打开时传递信号,在关闭时阻断信号。

  锁存器有D型和RS(复位和设置)型等类型。下面将以D型锁存器为例对操作进行说明。

  例如,D型锁存器具有输入数据引脚(D)、锁存器启用引脚(LE)和输出数据引脚(Q)。在此例中,当LE为低电平时,Q将保留D的先前值。当LE为高电平时,Q将跟随D而变化。下面显示了D型锁存器的时序图。

  触发器可以在特定条件下保留数据。“flip-flop”(触发器)这个词有时缩写为FF。触发器有D型和JK型等类型。下面将以D型触发器为例对操作进行说明。

  D型触发器与D型锁存器的不同之处在于,即使在时钟设置为无效后(在本例中为低电平)之后,D型触发器仍保留输出数据。(当LE输入为高电平时,D型锁存器将数据从D输入端传输至Q输出端。)

  例如,D型触发器具有输入数据引脚(D)、时钟引脚(CK)和输出数据引脚(Q)。该触发器将输入数据(D)锁存在CK的上升沿上,并将其传输至Q。无论输入数据(D)如何,Q均保持不变,直到CK的下一个上升沿。换句话说,Q将保留锁存在CK的前一上升沿上的输入数据(D)。下面显示了D型触发器的时序图。有些触发器有一个清除(CLR)或预设(PR)输入引脚,用于将内部状态初始化为已知值。

  D型触发器的时序图D型触发器的操作下面通过逻辑示意图说明D型触发器的操作。D型触发器由两种D型锁存器组成。当时钟的上升沿施加到CK时,D型锁存器#1被激活。当时钟(CK)为高电平时,D型锁存器#1保持激活状态,因此D型锁存器#2中的第一个时钟反相器也处于激活状态。因此,D型锁存器#1中保存的数据将传输到输出(Q),如蓝色箭头所示。 即使输入更改状态,输出也将保持不变。

  计数器在每个时钟(CK)脉冲上按顺序进行递增或递减计数。一个4位计数器的模数可达16;一个8位计数器的模数可达256;一个14位计数器的模数可达16384。某些计数器具有CLR输入,用于将内部状态初始化为已知值。

  计数器大致分为异步(纹波进位)和同步(并行进位)计数器。设单个触发器的传输延迟时间为tpd。然后,n级异步计数器将产生相当于n×tpd的大延迟。还应注意,当计数器输出馈送至逻辑门时,异步计数器可能会产生风险。

  74VHC161四位计数器的逻辑示意图同步:并行进位计数器>

  时序图:下面显示了一个典型的同步(并行进位)计数器的时序图,它在时钟(CK)的每一个边沿上按顺序进行递增计数。

  移位寄存器的逻辑符号和真值表移位寄存器的操作下面通过逻辑示意图和时序图说明移位寄存器的操作。移位寄存器由级联触发器组成,其中每个触发器的输出端(Q)连接至该链中下一个触发器的数据(D)输入端。串行输入(SI)施加至第一触发器的数据(D)输入端。来自SI的数据在时钟(CK)的上升沿被锁存,并出现在QA处。利用四个时钟脉冲,来自SI的数据被传输到第四个触发器。结果,串行输入(SI)被转换为并行输出数据出现在QD、QC、QB和QA处。>

  读取数据表:绝对最大额定值和工作范围绝对最大额定值(74VHC04FT)

  由于CMOS逻辑IC是电压驱动IC,几乎不要输入电流(IIN)。74VHC04FT的直流特性

  CMOS器件的静态供电电流(ICC)仅为漏电流,低至几毫微安(nA)。>

  交流特性#5:传输延迟时间(tpLH和tpHL)理想情况下,输出信号应立即响应输入信号的变化而发生明显的变化,但实际上会存在延迟。对应于输入变化而发生输出变化响应所需的时间称为传输延迟时间。74VHC04FT的交流特性

  电平转换示例从5V向下转换至3V:采用74VHC或74LCX系列。从3V向下转换至到1.2V:采用74VCX系列。

  以下是典型CMOS逻辑IC的等效电路。在输入侧插入二极管以进行ESD保护,而输出侧的二极管是寄生二极管。如果施加的电压高于VCC或在IC断开时施加电压,则输入端和电源之间的二极管可能会导通。在这种情况下,产生的大电流可能会损坏IC。利用具有输入容错功能的IC,即输入端和电源之间无二极管的IC,可以有效的预防器件损坏>

  TC74HC系列没有输入容错功能。相比之下,74VHC系列的数据表显示VIN=0至5.5V,这在某种程度上预示着无论VCC如何,均可将高达5.5 V的电压施加到输入引脚。因此,

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  读取数据表:输出容限功能什么是输出容限功能?CMOS逻辑IC的输出电路具有图腾柱配置,由如下所示的一对p沟道和n沟道MOSFET组成。通常,CMOS逻辑IC在输出端和电源之间有一个寄生二极管。当在关断状态下向IC施加电压或在打开状态下向具有三态输出的IC(例如74LCX245)施加电压时,寄生二极管就会导通。产生的大电流可能会损坏IC。即使将高于供电电压(VCC)的电压施加到输出端,电流也不会流入具有这种寄生二极管的输出配置的IC中

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  很容易区分一个IC有没有输出容限功能。让我们看一下74VHC和74LCX系列IC的数据表。请参阅工作范围表中显示的总线至VCC。这在某种程度上预示着输出引脚的最大容限为VCC。因此,74VHC245没有输出容限功能。相比之下,74LCX245的数据表显示VIN=0至5.5V,这在某种程度上预示着无论VCC如何,总线I/O引脚都可以施加高达5.5V的电压。因此,74LCX245具有输出容限功能。

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  读取数据表:掉电保护什么是掉电保护?为降低功耗,具有两个电压范围(VCC1和VCC2)的系统能提供局部掉电模式,其中由VCC1运行的子系统将被关闭。例如,假设在电压范围VCC1内使用74VHC系列。74VHC系列在输出端和电源之间具有意外的寄生二极管。因此,当VCC2VCC1时,该寄生二极管导通。在这种情况下,产生的大电流可能会损坏IC。使用既没有输入也没有输出寄生二极管的IC(例如74VHCT、74LCX和74VCX系列)可以有效的预防器件损坏。这些系列提供掉电保护。

  很容易区分一个IC有没有掉电保护功能。让我们看一下74VHC和74LCX系列IC的数据表。参见直流特性表。74LCX245的数据手册中指定了断电泄漏电流(IOFF),这表明即使在电源关闭时也就没有泄漏电流流动。因此,74LCX245具有掉电保护功能