--高速逻辑电路分析.pptx

高速电路信号完整性分析与设计电子工业出版社教材电子工业出版社教材配套电子教案配套电子教案第三章 高速逻辑电路分析l 高速高速TTL电路电路l 高速高速CMOS电路电路l ECL电路电路l LVED器件与电路器件与电路l 高速逻辑电路使用规则高速逻辑电路使用规则高速高速TTL电路电路l 三极管的动态开关特性三极管的动态开关特性 三三极极管管在在饱饱和和与与截截止止两两种种状状态态转转换换过过程程中中具具有有的的特特性性称为三极管的开关特性。称为三极管的开关特性。高速高速TTL电路电路三极管的动态特性 高速高速TTL电路电路l TTL基本电路的工作原理基本电路的工作原理 反相器是反相器是TTLTTL门电路中电路结构最简单的一种。门电路中电路结构最简单的一种。TTLTTL反反相器的典型电路如下：相器的典型电路如下：高速高速TTL电路电路 TTL与非门电路结构如下与非门电路结构如下：高速高速TTL电路电路高速高速TTL的实现方式的实现方式高速系列（74H系列）74H系列与非门的电路结构如下：高速高速TTL电路电路肖特基系列(74S系列)肖特基TTL(STTL)与非门的电路结构高速高速TTL电路电路低功耗肖特基系列(74LS系列)低功耗肖特基(74LS)与非门的电路结构 高速高速TTL电路电路其他系列其他系列（1 1）先进肖特基系列）先进肖特基系列(74AS(74AS系列系列)（2 2）先进低功耗肖特基系列）先进低功耗肖特基系列(74ALS(74ALS系列系列)（3）高速肖特基系列）高速肖特基系列(74F系列系列)高速高速CMOSCMOS电路电路l MOS管的开关特性管的开关特性 下图给出了一个下图给出了一个NMOSNMOS管组成的电路及其管组成的电路及其动态特性示意图：动态特性示意图：高速高速CMOSCMOS电路电路lCMOS基本电路基本电路 CMOSCMOS反相器的工作原理反相器的工作原理CMOS反相器的基本电路结构及CMOS电压传输特性曲线 高速高速CMOSCMOS电路电路其他类型的其他类型的CMOS门电路门电路 (1)CMOS传输门传输门(TG)：CMOS传输门与传输门与CMOS反相反相 器一样，也是构成各种逻辑电路的一种基本单元电路器一样，也是构成各种逻辑电路的一种基本单元电路CMOS传输门的电路结构 高速高速CMOSCMOS电路电路 (2)CMOS模拟开关：模拟开关：CMOS模拟开关是控制模拟信号模拟开关是控制模拟信号传输的电子开关，开关通与断由数字信号控制。传输的电子开关，开关通与断由数字信号控制。CMOS 模拟开关的电路结构 高速高速CMOSCMOS电路电路 (3)CMOS与非门电路与非门电路CMOS与非门电路结构 高速高速CMOSCMOS电路电路lCMOS集成电路的特点集成电路的特点1.功耗低功耗低2.高噪声容限，抗干扰能力强高噪声容限，抗干扰能力强3.工作电压范围宽工作电压范围宽4.逻辑摆幅大逻辑摆幅大5.输入阻抗高输入阻抗高6.温度稳定性能好温度稳定性能好7.扇出稳定性能好扇出稳定性能好高速高速CMOSCMOS电路电路l 高速高速CMOSCMOS的实现方式的实现方式 CMOS CMOS数字集成电路主要有数字集成电路主要有CMOS4000CMOS4000系列和系列和HCMOSHCMOS系列。系列。MOS管的寄生电容效应 高速高速CMOSCMOS电路电路l CMOS电路的改进型电路的改进型高速高速CMOS电路电路 高速高速CMOS门电路从工艺上作了三个方面的改进：门电路从工艺上作了三个方面的改进：(1)采用硅栅工艺制造；采用硅栅工艺制造；(2)尽可能地减小沟道的长度；尽可能地减小沟道的长度；(3)缩缩小小MOS管管的的尺尺寸寸，使使高高速速CMOS电电路路的的寄寄生生电电容容减减小，开关速度达到标准小，开关速度达到标准CMOS4000系列的系列的810倍。倍。高速高速CMOSCMOS电路电路 54HC/74HC与CMOS4000性能比较高速高速CMOSCMOS电路电路双极型双极型CMOS门电路门电路(Bi-CMOS)Bi-CMOS(Bipolar CMOS)是双极型是双极型CMOS电路的简称，电路的简称，它采用它采用CMOS电路实现逻辑功能，采用驱动能力强的电路实现逻辑功能，采用驱动能力强的TTL电路实现输出级；具有电路实现输出级；具有CMOS电路的低功耗，同电路的低功耗，同时具有时具有TTL输出电阻低、带负载能力强、传输延迟时输出电阻低、带负载能力强、传输延迟时间短等特点。间短等特点。高速高速CMOSCMOS电路电路 (1)Bi-CMOS的典型电路的典型电路 以以Bi-CMOS反相器为例，其有两种电路结构形式反相器为例，其有两种电路结构形式:高速高速CMOSCMOS电路电路Bi-CMOS与非门电路原理图 高速高速CMOSCMOS电路电路l如何选择如何选择T TL和和CMOS器件器件 主要考虑工作电压、工作频率和功耗三个方面主要考虑工作电压、工作频率和功耗三个方面:工作电压工作电压:TTL器件的标准工作电压为器件的标准工作电压为5 V工作频率工作频率:普通普通CMOS(CD4000系列系列)的工作频率很低，的工作频率很低，一般低于一般低于1 MHz甚至甚至100 kHz以下；在以下；在5 MHz以下，多以下，多使用使用74LS系列；在系列；在550 MHz，多使用，多使用74HC系列和系列和74ALS系列；在系列；在50100 MHz，多使用，多使用74AS系列。系列。功耗：功耗：LS-TTL和和CMOS的功耗小。的功耗小。ECL电路电路l ECL器件原理及工作特性器件原理及工作特性 ECL基本门电路的结构如下图：基本门电路的结构如下图：ECL电路电路 ECL门的实际电路如下图：门的实际电路如下图：ECL电路电路ECL门电路工作原理门电路工作原理 ECL门门电电路路由由差差分分放放大大器器输输入入电电路路、温温度度-电电压压补补偿偿偏偏置置网网络络和和射射极极跟跟随随器器输输出出电电路路三三部部分分组组成，其工作电路如下图：成，其工作电路如下图：ECL电路电路ECL门的工作电路 ECL电路电路l ECL发射极开路输出结构发射极开路输出结构 ECL电电路路输输出出设设计计为为OE门门，其其原原因因有有以以下下两两个个方面方面：由由于于ECL电电路路的的高高速速特特性性，在在ECL系系统统中中电电 路连线必须按传输线特性考虑。路连线必须按传输线特性考虑。OE门门结结构构可可构构成成“线线或或”电电路路，这这类类似似于于TTL OC门组成的门组成的“线与线与”功能。功能。ECL电路电路ECL电路构成电路构成“线或线或”功能的原理功能的原理 如下图：如下图：ECL电路电路l ECL电路的工作特点电路的工作特点 高速特性高速特性 互补输出，便于数据传输互补输出，便于数据传输 功耗噪声低功耗噪声低 优良的输入优良的输入/输出特性输出特性 系统设计简单系统设计简单 功能增强功能增强 ECL电路电路lECL电路中电容的影响电路中电容的影响终端容性负载的影响终端容性负载的影响 连线分布电容的影响连线分布电容的影响 ECL电路电路lECL电路的设计原则电路的设计原则 输入输入/输出端输出端ECL电路中的连接问题电路中的连接问题 系统的连接问题系统的连接问题 ECL器件的使用原则器件的使用原则 ECL电路电路lPECL接口电路接口电路 PECL接口输出结构接口输出结构 PECL电路的输出结构 ECL电路电路PECL接口输入结构接口输入结构 PECL电路的输入结构 ECL电路电路l LVECL/PECL/LVPECL电路比较电路比较LVDS器件与电路器件与电路 LVDS是一种小振幅差分信号技术，是一种小振幅差分信号技术，使用非常低的幅度信号使用非常低的幅度信号(约约350 mV)通过一对差分通过一对差分PCB走线或平衡电缆走线或平衡电缆传输数据。传输数据。LVDS器件与电路器件与电路l LVDS器件的工作原理器件的工作原理 LVDS器件的工作原理图 LVDS器件与电路器件与电路l LVDS电路设计电路设计驱动电路设计驱动电路设计 双电流源模式驱动电路LVDS器件与电路器件与电路LVDS接收电路的设计接收电路的设计 LVDS接收电路 LVDS器件与电路器件与电路l LVDS的应用模式的应用模式单向点对点单向点对点(Point to Point)双向点对点双向点对点(Two-Way Point to Point)多分支形式多分支形式(MultiDrop)多点结构多点结构(MultiPoint)LVDS器件与电路器件与电路lLVDS系统的设计系统的设计 PCB 板上导线板上导线差分线差分线 终端终端 未使用的引脚未使用的引脚 高速逻辑电路使用规则高速逻辑电路使用规则 l高速高速TTL的使用规则的使用规则 l高速高速CMOS的使用条件的使用条件 lLVDS设计注意的几个问题设计注意的几个问题