1、内容概述内容概述双极型集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门集集成成逻逻辑辑门门按器件类型分按器件类型分按集成度分按集成度分SSI：100个等效门个等效门MSI：103个等效门个等效门LSI：104个等效门个等效门VLSI：104个以上等效门个以上等效门本章内容：本章内容：集成逻辑门的基本结构、工作原理；集成逻辑门的基本结构、工作原理；集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。TTL、ECLI2L、HTLPMOSNMOSCMOS TTL与非门电路组成与非门电路组成 TTL与非门工作原理与非门工作原理 TTL与非门工作速度与非门工作速度 TTL
2、与非门外特性及主要参数与非门外特性及主要参数 TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型 TTL集成电路产品集成电路产品TTL与非门电路组成与非门电路组成 输出级由输出级由D3、T4、T5和电阻和电阻R4组成。组成。T4与与T5组成推拉式输出组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。结构，具有较强的负载能力。输入级由多发射输入级由多发射极晶体管极晶体管T1、二极管二极管D1、D2和电阻和电阻R1组成组成。实现输入变量。实现输入变量A、B的与运算。的与运算。中间级由中间级由T2、R2和和R3组成。组成。T2的集电极的集电极C2和发射极和发射极E2分别分别提供两个相位相反的电压信号。提供两个相位相反
3、的电压信号。TTL与非门工作原理与非门工作原理 输入端至少有一个输入端至少有一个（设（设A端）接低电平：端）接低电平：0.3V3.6V1V3.6VT1管管:A端发射结导通，端发射结导通，UB1=UA+UBE1=1V，其它发射结反偏截止。其它发射结反偏截止。（5-0.7-0.7）V=3.6V因为因为UB1=1V,所以所以 T2、T5截止截止,UC2Ucc=5V。T4：工作在放大状态工作在放大状态5V3D4be2RCCOH UUUUU电路输出高电平：电路输出高电平：输入端全接高电平：输入端全接高电平：3.6V2.1V0.3VT1:UB1=UBC1+UBE2+UBE5=0.7V3=2.1V电路输出低
4、电平：电路输出低电平：UOL=0.3V3.6VT1：发射结反偏，集电发射结反偏，集电极正偏，工作在倒置放正偏，工作在倒置放大状态且大状态且T2、T5导通。导通。T2：工作在工作在饱和状态饱和状态T4：UC2=UCES2+UBE5 1V，T4截止。截止。T5：处于处于深饱和状态深饱和状态TTL与非门工作原理与非门工作原理 输入端全接高电平，输入端全接高电平，输出为低电平。输出为低电平。输入端至少有一个接输入端至少有一个接低电平时，输出为高低电平时，输出为高电平。电平。由由此可见，电路的此可见，电路的输出与输入之间满足输出与输入之间满足与非逻辑关系：与非逻辑关系：BAFTTL与非门工作原理与非门工
5、作原理T1：倒置放大状态倒置放大状态T2：饱和状态饱和状态T4：截止状态截止状态T5：深度饱和状态深度饱和状态T1：深度饱和状态深度饱和状态T2：截止状态截止状态T4：放大状态放大状态T5：截止状态截止状态TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 外特性：外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。指的是电路在外部表现出来的各种特性。掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护和设计电路的重要依据。和设计电路的重要依据。介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。TTL与非门的外特性及主要参数与非
6、门的外特性及主要参数（一）（一）电压传输特性电压传输特性 TTL与非门输入电压与非门输入电压UI与输出电压与输出电压UO之间的关系曲线，之间的关系曲线，即即 UO=f（UI）。）。截 止 区：当截 止 区：当 UI 0.6 V，Ub11.3V时，时，T2、T5截止，截止，输出高电平输出高电平UOH=3.6V。饱和区：饱和区：UI 1.4V1.4V，T1进入倒置进入倒置工作状态工作状态Ub1=2.1V，此时此时T2、T5饱和，饱和，T4截止，输出低电平截止，输出低电平UOL=0.3V，且且UO不随不随UI的增大而的增大而变化。变化。线性区：当线性区：当0.6VUI1.3V，0.7VU b21.4
7、V时，时，T2导通，导通，T5仍截止，仍截止，UC2随随Ub2升高而下降，升高而下降，经经T4射随器使射随器使UO下降。下降。转折区：转折区：当当UI1.3V时，时，输入电压略微升高，输出输入电压略微升高，输出电压急剧下降，因为电压急剧下降，因为T2、T4、T5均处于放大状态。均处于放大状态。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 根据电压传输特性，可以求出根据电压传输特性，可以求出TTL与非门几个重要参数：与非门几个重要参数：输出高电平输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL 、阈值电压、阈值电压UTH、开门电平、开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF 、噪声容限等
8、。、噪声容限等。1.输出高电平输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL：AB段所对应的输出电压为段所对应的输出电压为UOH。DE段所段所对应的输出电压为对应的输出电压为UOL。一般要求一般要求UOH3V，UOL0.4V。3.开门电平开门电平UON：开门电平开门电平UON也称输入高电平电压也称输入高电平电压UIH，指指的是输出电平的是输出电平UO=0.3V时，允许输入高电时，允许输入高电平的最小值。平的最小值。UON典型值为典型值为1.4V，一般产一般产品要求品要求UON1.8V。4.关门电平关门电平UOFF：关门电平关门电平UOFF也称输入低电平电压也称输入低电平电压UIL，指的是在保证
9、输出电压为额定高电平指的是在保证输出电压为额定高电平UOH的的90%时，允许输入低电平的最大值。一时，允许输入低电平的最大值。一般产品要求般产品要求UOFF0.8V。2.阈值电压阈值电压UTH：CD段中点所对应的输入电压称为阈值电段中点所对应的输入电压称为阈值电压压UTH，也称门槛电压。也称门槛电压。UTH=1.31.4V。低电平噪声容限低电平噪声容限U NL：高电平噪声容限高电平噪声容限U NH：5.噪声容限噪声容限TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数OLOFFNL UUUONOHNHUU U噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。（二）（二
10、）输入特性输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f（UI）。）。1.1.输入短路电流输入短路电流IIS（输入低电平电流输入低电平电流IIL）当当UIL=0V时由输入端流出的电流。时由输入端流出的电流。2.2.输入漏电流输入漏电流IIH（输入高电平电流）输入高电平电流）指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，流入指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，流入该输入端的电流，约该输入端的电流，约10AA左右。左右。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数mA11mA4000705 1BE1CCIS.RUUI假定输入电流假定输入电流II
11、流入流入T1发射极发射极时方向为正，反之为负。时方向为正，反之为负。前级驱动门导通时，前级驱动门导通时，IIS将灌入将灌入前级门，称为灌电流负载。前级门，称为灌电流负载。前级驱动门截止时，前级驱动门截止时，IIH从前级从前级门流出，称为拉电流负载。门流出，称为拉电流负载。1.扇出系数扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，表示门电路带负载能力的大小，NO表示可表示可驱动同类门的个数。驱动同类门的个数。NO分为两种情况，一是灌电流负载分为两种情况，一是灌电流负载NOL，二是拉电流负载二是拉电流负载NOH。NO=min（NOL，NOH）。）。IOLmax为驱动门的最大允许灌电流，为驱动门的最大允许
12、灌电流，IIL是一个负载门灌是一个负载门灌入本级的电流。入本级的电流。IOHmax为驱动门的最大允许拉电流，为驱动门的最大允许拉电流，IIH是负是负载门高电平输入电流。载门高电平输入电流。（三）（三）扇入系数扇入系数NI和扇出系数和扇出系数NOTTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数IHOHmaxOH/IINILOLmaxOL/IIN 2.扇入系数扇入系数NI是指合格输入端的个数。是指合格输入端的个数。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（四）（四）输入负载特性输入负载特性 UI在一定范围内会随着在一定范围内会随着Ri的增加而升高，形成的增加而升高，形成Ui=f
13、（Ri）变化曲线，称为输入负载特性。变化曲线，称为输入负载特性。若要使与非门稳定在若要使与非门稳定在截止状态，输出高电平，截止状态，输出高电平，应选择应选择RiROFF。若要保证与非门可靠若要保证与非门可靠导通，输出低电平，应选导通，输出低电平，应选择择RiRON。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（五）功耗（五）功耗 功耗有静态功耗和动态功耗之分。功耗有静态功耗和动态功耗之分。动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有空载导通功耗空载导通功耗P
14、ON和空载截止功耗和空载截止功耗POFF两个参数。两个参数。1.空载导通功耗空载导通功耗PON指的是输出端开路、输入端全部悬空指的是输出端开路、输入端全部悬空、与非门导通时的功耗。标准、与非门导通时的功耗。标准TTL芯片芯片PON 50mW。2.空载截止功耗空载截止功耗POFF指的是输出端开路、输入端接地、与指的是输出端开路、输入端接地、与非门截止时的功耗。标准非门截止时的功耗。标准TTL芯片芯片POFF25mW。（六）（六）平均传输延迟时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd：2 PHLPLHpdtttTTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 平均传输
15、延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延迟了多少时间。迟了多少时间。导通延迟时间导通延迟时间t tPHL PHL：输输入波形上升沿的入波形上升沿的50%50%幅值处幅值处到输出波形下降沿到输出波形下降沿50%50%幅值幅值处所需要的时间。处所需要的时间。截止延迟时间截止延迟时间t tPLHPLH：从输从输入波形下降沿入波形下降沿50%50%幅值处到幅值处到输出波形上升沿输出波形上升沿50%50%幅值处幅值处所需要的时间。所需要的时间。通
16、常通常t tPLHPLHt tPHLPHL，t tpdpd越越小，电路的开关速度越高。小，电路的开关速度越高。一般一般t tpdpd=10ns=10ns40ns40ns。TTLTTL与非门工作速度与非门工作速度存在的问题：存在的问题：一是与非门内部晶体管工作在饱和状态对一是与非门内部晶体管工作在饱和状态对电路开关速度产生影响，二是与非门输出端接容性负载电路开关速度产生影响，二是与非门输出端接容性负载时对工作速度产生影响。时对工作速度产生影响。采取的措施：采取的措施：1.采用多发射极晶体管采用多发射极晶体管T1，加速加速T2管脱离饱和状态。管脱离饱和状态。2.T4和和T5同时导通，加速同时导通，
17、加速T5管脱离饱和状态。管脱离饱和状态。3.降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（一）高速系列（一）高速系列（74H系列）系列）高速高速74H系列电路对标准系列电路对标准74系列电路进行了两项改进：系列电路进行了两项改进：一是在输出级采用了达林顿结构，将输出级的一是在输出级采用了达林顿结构，将输出级的 T4用复合管用复合管T3和和T4代替，减小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对容代替，减小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对容性负载的充电速度。性负载的充电速度。二是降低电路中所有电二是降低电
18、路中所有电阻的阻值，加速三极管的开阻的阻值，加速三极管的开关速度。关速度。74H系列门电路的传输系列门电路的传输时间比时间比74系列减小了一半，系列减小了一半，但是由于电源电流的增大，但是由于电源电流的增大，电路的功耗变大。电路的功耗变大。TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（二）肖特基系列（二）肖特基系列（74S系列）系列）肖特基肖特基7474S S系列与标准系列与标准74系列相比有两点改进。系列相比有两点改进。一是增加了有源泄放电路代替一是增加了有源泄放电路代替T2射极电阻射极电阻R3。二是将标准门电路中所二是将标准门电路中所有可能工作在饱和区的晶体有可能工作在饱和区的晶体管都用肖特
19、基三极管代替。管都用肖特基三极管代替。由由T6、R6和和R3构成的有源构成的有源泄放电路来代替原泄放电路来代替原T2射极电阻射极电阻R3。一是提高工作速度，二是一是提高工作速度，二是提高抗干扰能力。提高抗干扰能力。工作速度和抗干扰能力提工作速度和抗干扰能力提高。一般高。一般7474S S系列电路的系列电路的t tpdpd小小于于1010nsns。TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（三）低功耗肖特基系列（三）低功耗肖特基系列（74LS系列）系列）74LS系列与标准系列与标准74系列相比，电路有多项改进措施系列相比，电路有多项改进措施,以达到以达到缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。缩短传输
20、延迟时间、降低功耗的目的。74LS系列具有较小的延系列具有较小的延迟迟-功耗积，具有较好的综合性能。功耗积，具有较好的综合性能。为降低功耗，提高电路为降低功耗，提高电路各电阻的阻值各电阻的阻值,将电阻将电阻R5原接原接地端改接到输出端，减小地端改接到输出端，减小T3导通时电阻导通时电阻R5上的功耗。上的功耗。为缩短传输延迟时间，为缩短传输延迟时间，用肖特基管和有源泄放电路用肖特基管和有源泄放电路；还将输入级的多发射极管；还将输入级的多发射极管改用改用SBD代替。代替。TTL集成电路产品集成电路产品系系 列列名名 称称特特 点点54/74系列系列TTL通用标准系列通用标准系列TTL最早产品，中速
21、器件，目前仍使用。最早产品，中速器件，目前仍使用。54H/74H系列系列TTL快速系列快速系列74系列改进型，速度较系列改进型，速度较74系列高，功耗大。系列高，功耗大。54S/74S系列系列TTL肖特基系列肖特基系列采用肖特基晶体管和有源泄放回路，速度高采用肖特基晶体管和有源泄放回路，速度高，品种较，品种较74LS系列少。系列少。54LS/74LS系列系列TTL低功耗肖特基低功耗肖特基系列系列目前主要应用的产品，品种齐全，价格低廉目前主要应用的产品，品种齐全，价格低廉。54AS/74AS系列系列TTL先进的肖特基先进的肖特基系列系列74S系列的改进产品，速度和功耗得到改进。系列的改进产品，速度和功耗得到改进。54ALS/74ALS系列系列TTL先进的低功耗先进的低功耗肖特基系列肖特基系列74LS系列的改进产品，速度和功耗有较大改系列的改进产品，速度和功耗有较大改进，但品种少，价格略高。进，但品种少，价格略高。54F/74F系列系列TTL高速系列高速系列与与74ALS及及74AS产品相当，属高速型产品，产品相当，属高速型产品，品种较少。品种较少。
