Logic Gate Operation and Specifications Chapter 2 Logic Gate Operation and Specifications 邏輯閘運算與規格
學習目的 能描述邏輯閘之運算，建構真值表，繪製時序圖 畫出IC外部連結以建構邏輯功能。 使用logic pulser和logic probe，作問題解決。 產生特殊波形。 基本邏輯閘的布爾方程式和真值表之比較。 Exclusive-OR和exclusive-NOR閘之運算和使用，建構其真值表和繪製時序圖。 決定輸出電壓對電流比 解釋gate loading, fan-out, noise margin, time parameters。 討論TTL，CMOS之差異和適當使用。 描述TTL和CMOS之介面的技術和推理。
導論 邏輯閘（logic gate）是數位電子迴路的建構基塊。有7種基本邏輯閘：AND,OR,NAND,NOR,INVERT,exclusive-OR,exclusive-NOR。 IC邏輯閘（integrated circuit logic gates，SSI，small-scale integration） 組合邏輯迴路（combinational logic circuit，MSI，medium-scale integration） 微處理系統（microprocessor systems，large-scale integration and very-large-scale integration，LSI and VLSI） 三種常用數位IC邏輯家族：TTL，CMOS，和ECL（emitter-coupled logic）。 不同型態依據不同速度，消耗功率，溫度範圍，電壓，電流而使用，要參照製造商的資料手冊。
2-1及閘 AND gate 當輸入都是high（+5 V），輸出才是high。串連的開關或電晶體。 布林方程式X=A.B
2-1及閘 AND gate
2-1及閘 AND gate
2-2 或閘 OR gate 當輸入都是low（0 V），輸出才是low。併聯的開關或電晶體。 布林方程式X=A+B+…。
2-2 或閘 OR gate
2-2 或閘 OR gate-3 input
2-3時序分析timing analysis 使用時序圖（timing diagram） 水平軸為時間，縱軸為輸入和輸出的電壓波形。可用儀器示波器（oscilloscope）及邏輯分析儀（logic analyzer）顯示voltage-versus-time diagram。
例題 2-1
例題 2-2
例題 2-3
2-4 積體電路邏輯閘 將邏輯閘作在IC。 Quad 2-input AND gate: 7408, 74HC08 Triple 3-input AND gate: 7411, 74HC11 Dual 4-input AND gate: 7421, 74HC21 Quad 2-input OR gate: 7432, 74HC32
2-4 積體電路邏輯閘 Triple 3-input AND gate: 7411, 74HC11 Dual 4-input AND gate: 7421, 74HC21 Quad 2-input OR gate: 7432, 74HC32
2-5 解決困難（troubleshooting） 數位電子電路偵錯重點在偵察輸入或輸出端點的開或短路；使用儀器，邏輯探針（logic probe），high時燈亮，low時燈滅，floating時燈暗。邏輯脈衝器（logic pulser），送出脈衝信號。
例題 2-4 一腳位高電位，另一個腳位輸入脈衝測試。再交換測試，若脈衝器和探針都顯示同步的信號表示OK。 此法逐一測試各個閘。
例題 2-5 其他腳位高電位，逐個腳位輸入脈衝測試。 脈衝器和探針顯示同步的信號表示OK。
例題 2-6 其他腳位低電位，逐個腳位輸入脈衝測試。 脈衝器和探針顯示同步的信號表示OK。
2-6 反向器（inverter） 輸入和輸出相反（互補，complement）。X=~A。
2-7非及閘NAND gate 全部輸入為high時，輸出才是low，X=~(A.B)。
2-7非及閘NAND gate 全部輸入為high時，輸出才是low，X=~(A.B)。
2-7非及閘NAND gate 全部輸入為high時， 輸出才是low，X=~(A.B)。
例題 2-7
例題 2-8
2-8 非或閘NOR gate 全部輸入為low時，輸出才是high，X=~(A+B)。
例題 2-9
例題 2-10
2-9 互斥或閘 Ex-OR 輸入為互斥時，輸出才是high，X=(~A).B + A.(~B)。
2-9 互斥或閘 Ex-OR 輸入為互斥時，輸出才是high，X=(~A).B + A.(~B)。
互斥非或閘 Ex-NOR 輸入為相同時，輸出才是high，X= A.B + (~A).(~B)。
互斥非或閘 Ex-NOR 輸入為相同時，輸出才是high，X= A.B + (~A).(~B)。
*2-11邏輯閘波形產生器 使用基本閘，時鐘震盪器，重複波形產生器，可以製造特殊波形。通用的重複波形產生器為Johnson shift counter。P. 38, fig.2-41。
2-11 用不同信號及邏輯閘組合產生所需的波形 用及閘和Johnson shift counter產生時間2-5秒高準位（high level）信號
例題 2-11 用John counter及AND產生在4-5ms為高電位的波形
例題 2-12 用John counter及AND產生在Cp 4為高電位的波形
例題 2-13 畫出下圖的輸出波形
例題 2-14 畫出下圖的輸出波形
例題 2-15 畫出下圖的輸出波形
例題 2-16 畫出下圖的XYZ輸出波形
2-12 摘要
2-12 摘要
2-12 摘要
2-12 摘要
2-12 摘要
*2-13邏輯閘IC家族 標準化編號：F fast快速 字首製造商：S：Signetics。DM：National semiconductor。SN： Texas Instrument。 字尾包裝型態： N：DIP（plastic dual-in-line package）。W：ceramic flatpack。 D：surface-mounted SO plastic package。 7400 two-input NAND gate：p. 44 兩個negative clamping diodes：防護短期負輸入電壓。 輸入電晶體Q1為多射極電晶體（multiemitter transistor）。 Q2提供控制及電流升壓（current boosting）到圖騰極（totem pole）輸出階段。 Q3和Q4的開（短）路是相反的，Q3短路則輸出電位為high，斷路時為low。
*2-13 邏輯閘IC家族 標準化編號：F fast快速 字首製造商：S：Signetics。DM：National semiconductor。SN： Texas Instrument。 字尾包裝型態： N：DIP（plastic dual-in-line package）。W：ceramic flatpack。 D：suface-mounted SO plastic package。
7400 two-input NAND gate 兩個negative clamping diodes：防護短期負輸入電壓。 輸入電晶體Q1為多射極電晶體（multiemitter transistor），作用為AND。 Q2提供控制及電流升壓（current boosting）到圖騰極（totem pole）輸出階段。 Q2、Q3和Q4整體為反相作用。Q3為通路而Q4斷路時，則輸出電位為high，其他則為low。
Q2提供控制及電流升壓（current boosting）到圖騰極（totem pole）輸出階段。 Q3和Q4的狀態：Q2、Q3和Q4整體為反相作用。Q3為通路而Q4斷路時，則輸出電位為high，其他則為low。
*2-13 邏輯閘IC家族 散開（fan-out）：指不超過電流等級時，連接到單一輸出同家族的閘數量。等於I-OH/I-IH。 Source current I-OH：高電位時，輸出電流之容量（負號表示離開）。 I-IH：高電位時，輸入電流之容量。 通常Fan-out在高電位相同於低電位，若不是，選較小者。 Sink current I-OL：低電位時，流入輸出端進入地面之電流之容量。 高電位輸出時，反向洩漏電流（reverse leakage current）和射極箭頭方向相反。P. 46。
Source current I-OH：高電位時，輸出電流之容量（負號表示離開）。 I-IH：高電位時，輸入電流之容量。 通常Fan-out在高電位相同於低電位，若不是，選較小者。
Sink current I-OL：低電位時，流入輸出端進入地面之電流之容量。
高電位輸出時，反向洩漏電流（reverse leakage current）和射極箭頭方向相反。 P. 46。
I/O 電流和fan-out的摘要 1. 標準TTL閘（如74XX）的最大輸入電流為（負號是離 開）
低電位輸出時：在圖騰極的Q4為飽和（saturated，ON），Q3為切斷（cut off， OFF），輸出電位V-OL是Q4電壓，有典型值0.2V和最大值0.4V。 高電位輸出時：Q4為切斷，Q3為飽和，輸出電位V-OH是Vcc減去電阻電壓再減去集極─射極電壓，有典型值3.4V和最小值2.4V。 高電位V-IH的電壓是2.0V到5.0V。低電位V-IL是0.8V到0.V。
噪音邊緣（noise margin） V-IL（0.8V）減去V-OL（0.4V）等於0.4V。以及V-OH（2.4V）減去V-IH（2.0V）等於0.4V。表2-12。
例題 2-17 (a) 求 和 。 Gate 3輸出是low，用典型的 ， 而gate 4,5,6的電流 ，所以類似圖2-58(a) 。
例題 2-17 (b) 求 ， 和 。 100Ω電阻接地產生低電位輸入，流過的 典型為 ，使得 ，這個是低電位（最大為0.8V）所以及閘輸出是LOW； 值為0.2V（典型）。及閘要從1kΩ電阻吸入的電流為 這個數字小於許可的最大值 ，故而及閘不會燒掉。
例題 2-17 (c) 求 ， 和 。 進入或閘的電流 ，因此電壓為 或閘的輸出為高電位使得 為3.4V （圖2-56）。而電流為 進入或閘的電流 ，因此電壓為 或閘的輸出為高電位使得 為3.4V （圖2-56）。而電流為 這個數字小於許可的最大值 （見54頁），故而或閘不會燒掉。
脈衝時間參數（pulse-time parameters）：脈衝不是完美方波。 Rise time， tr：10％到90％所需時間 Fall time，tf：90％到10％所需時間
脈衝時間參數（pulse-time parameters）：脈衝不是完美方波。 Propagation delay，tPLH，tPHL：上升或下降，輸入到輸出之傳播時間。
例題 2-18 從TTL資料手冊得知7402NOR的tPLH=22ns及tPHL=15ns ，繪製輸入輸出脈衝圖。
（open-collector outputs） 從圖2-56去除Q3，輸出端為Q4的開放集極（open-collector，OC），於是只能sink電流無法供給電流。Q4為ON時，輸出為LOW，Q4為OFF時輸出為float，可加5V電源及提升電阻（pull-up resistor），使之為High（如下頁）。 開放集極輸出 （open-collector outputs）
（open-collector outputs） 開放集極輸出 （open-collector outputs） 從圖2-56去除Q3，輸出端為Q4的開放集極（open-collector，OC），於是只能sink電流無法供給電流。Q4為ON時，輸出為LOW，Q4為OFF時輸出為float，可加5V電源及提升電阻（pull-up resistor），使之為High。
改進TTL 減少內電阻，可以減少RC時間（傳播延遲，propagation delay），但是功率損耗增加，74HXX系列，速度─功率乘積（speed-power product，S-P）不變。74LXX系列，內電阻增加，功率減少，但是傳播延遲增加。此二種已經被Schottky TTL和CMOS取代。 標準TTL的速度限制來自基極區域的電容電荷（飽和和儲存）。Schottky TTL加上Schottky diode來克服問題延遲減少4倍而功率只增加兩倍，74SXX系，S-P減半。 Low-power Schottky（LS），74LSXX，S─P是74SXX的1/3。 Advanced Low-Power Schottky （ALS），74ALSXX取代74XX和74SXX，但是並未有所有的功能。 Fast（F）：74FXX系列，氧化隔離（oxide isolation），設備尺寸減少，傳播延遲減少。
2-14 CMOS家族 TTL家族用雙極電晶體（bipolar transistor，NPN和PNP）。CMOS用電晶體的互補對（N和P形式），MOSFETs（金屬氧化半導體場效應電晶體），勝過TTL之處在於輸入MOSFET是和其他隔離，因而有高的輸入阻抗（input impedance）。 N-channel MOSFET類似NPN雙極電晶體，正電壓加到基極（MOSFET的閘極），電流才通過。閘材料和P次層（substrate）之間的二氧化矽防止閘電流，於是有高阻抗和低功率損耗。 MOSFET正常是OFF，因為P材料中沒有負攜帶者（native carriers）以產生電流。若相對於次層的正電壓加到閘極，傳統電流（conventional current）會從drain流到source，電壓誘發跨過二氧化矽層的電子場，排斥P材料中的正電荷，使得P材料的左側形成負電荷管道，使得電子從source到drain（和傳統電流相反）。這個管道稱為N-channel因為他含有negative carriers。P-channel完全相反。 MOSFETs如同雙極電晶體般的ON/OFF開關。
2-14 CMOS家族 IC的CMOS家族幾乎和TTL家族同樣可取得，還加上TTL所無的特殊目的。 40H00系列：比4000系列快，仍比LSTTL慢。 74C00系列：pin相容於TTL家族，低功率但慢多了。 74HC00和74HCT00系列：高速CMOS（74HC00），高速CMOS，TTL相容（74HC00）。和LSTTL同速，但低功率，pin相容於TTL家族。ACL（advanced CMOS logic）和FACT（Fairchild advanced CMOS Technology）為其改進版本。 74-BiCMOS系列：結合雙極和CMOS電晶體的最佳特色。低功率高速度。
2-14 CMOS家族 74-Low Voltage系列：用3.3V。字首意義：LV（low-voltage HCMOS）。LVC（low-voltage CMOS）。LVT（low-voltage technology）。ALVC（advanced low-voltage CMOS）。HLL（high-speed low-power low-voltage）。 74HC 74AHCT系列：74HC和74HCT的加強。低功率消耗和高速。 兩種新packages single-gate logic: 較少pin，面積小，IC上只有單一閘。 Widebus：octal IC的延伸。 射極耦合邏輯（emitter-coupled logic，ECL）：極高速度。
*2-15邏輯家族介面 選擇考慮：速度，功率消耗，可取得性，功能型態，干擾隔離，操作頻率，輸出─推動能耐及介面。TTL和CMOS的介面要考慮電壓和電流互相匹配。 TTLCMOS電壓的匹配在low-level沒問題，但在high-level則不行要加pull-up電阻提升電壓到5V附近。見圖2-71,72，p. 61。 CMOSTTL電壓的匹配沒問題。但電流在low-level則不行，見圖2-73。要用特別的4050 buffer和4090 inverting buffer如圖2-74。
TTLCMOS電壓的匹配在low-level沒問題，但在high-level則不行要加pull-up電阻提升電壓到5V附近。見圖2-71,72。
TTLCMOS電壓的匹配在low-level沒問題，但在high-level則不行要加pull-up電阻提升電壓到5V附近。見圖2-71,72，p. 61
CMOSTTL電壓的匹配沒問題。但電流在low-level則不行，見圖2-73。要用特別的4050 buffer和4090 inverting buffer如圖2-74。
CMOSTTL電壓的匹配沒問題。但電流在low-level則不行，見圖2-73。要用特別的4050 buffer和4090 inverting buffer如圖2-74。