-TTL集成逻辑门

1、2.2TTL集成逻辑门R6AVCCT4T3DR4T2R5R3T1BCR1R2Y图2-2-1 DTL与非与非门早期的双极型集成逻辑早期的双极型集成逻辑门采用的是二极管三极管门采用的是二极管三极管（DTL）形式。由于速度较）形式。由于速度较低，发展成晶体管晶体管低，发展成晶体管晶体管电路（电路（TTL）形式。目前国）形式。目前国产的产的TTL集成电路有：集成电路有：CT54/74系列（标准通用系列（标准通用系列）；系列）；CT54H/74H系列（高速系列）；系列（高速系列）；CT54S/74S系列（肖特基系列）；系列（肖特基系列）；CT54LS/74LS系列（低功耗肖特基系列）；系列（低功耗肖特基

2、系列）；2.2TTL集成逻辑门2.2.12.2.1晶体管晶体管逻辑门电路（晶体管晶体管逻辑门电路（TTL）2.2.22.2.2TTL与非与非门的主要外部特性门的主要外部特性2.2.32.2.3TTL集成门电路使用注意事项集成门电路使用注意事项2.2.42.2.4TTL与非与非门的改进电路门的改进电路2.2.52.2.5其他类型的其他类型的TTL门电路门电路R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y图2-2-2 CT54/74系列与非门 k4 .6k1 k1 0312.2.12.2.1晶体管晶体管逻辑门电路（晶体管晶体管逻辑门电路（TTL）TTL与非与非门由三部分组门由三部分组成：多发射

3、极晶体管成：多发射极晶体管T1和电和电阻阻R1构成电路的构成电路的输入级输入级，输，输入信号通过入信号通过T1的发射结实现的发射结实现与与逻辑；逻辑；T2和电阻和电阻R2、R3组组成成中间级中间级，从，从T2的集电结和的集电结和发射极同时输出两个相位相发射极同时输出两个相位相反的信号，作为反的信号，作为T3和和T4输出输出级的驱动信号；级的驱动信号；T3、D4、T4和和R4构成推拉式的构成推拉式的输出级输出级。1. 电路结构电路结构R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y图2-2-2 CT54/74系列与非门 k4 .6k1 k1 031当输入信号当输入信号A、B、C中至中至少有一个

4、为少有一个为低电平低电平(0.3V)时，时，T1的基极电位约为的基极电位约为1V，因此，因此T2和和T4均不会导通。均不会导通。VCC经经R2驱动驱动T3和和D4，使之处于导通状态。因，使之处于导通状态。因此输出电压此输出电压vO为：为：D4BE32B3CCOvvRiVv 由于基流由于基流iB3很小，可忽略很小，可忽略不计，则不计，则3.6VV7 . 0V7 . 0V5D4BE3CCO vvVv即输出为即输出为高电平高电平，有时称电路处于，有时称电路处于关态关态。2. 基本工作原理基本工作原理R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y图2-2-2 CT54/74系列与非门 k4 .6k

5、1 k1 031当输入信号当输入信号A、B、C全部全部为为高电平高电平(3.6V)时，时，T1的基极电的基极电位升高，足以使位升高，足以使T1集电结、集电结、T2和和T4的发射结导通。的发射结导通。 T2的集电的集电结电位约为结电位约为1V，不能驱动，不能驱动T3和和D4，使之处于截止状态。输出，使之处于截止状态。输出电压为：电压为：V3 . 0CE(sat)4OLO VVv即输出为即输出为低电平低电平，称电路，称电路处于处于开态开态。由此可见，电路具有。由此可见，电路具有与非与非门门的逻辑功能。的逻辑功能。表3-2-1 TTL门电路各晶体管工作状态3带负载能力和工作速度的分析带负载能力和工作

6、速度的分析推拉输出电路的主要作用是提高带负载能力。推拉输出电路的主要作用是提高带负载能力。当电路处于当电路处于关态时，输出级工作于射极输出状态，呈现低阻抗输出；当电关态时，输出级工作于射极输出状态，呈现低阻抗输出；当电路处于开态时，路处于开态时，T4处于饱和状态，输出电阻也很低。因此在稳处于饱和状态，输出电阻也很低。因此在稳态时，电路均具有较低的输出阻抗，大大提高了带负载能力。态时，电路均具有较低的输出阻抗，大大提高了带负载能力。推拉输出电路和多发射极晶体管大大提高了电路的开关速推拉输出电路和多发射极晶体管大大提高了电路的开关速度。度。一般一般TTL与非与非门的平均延迟时间可以缩短到几十纳秒。

7、门的平均延迟时间可以缩短到几十纳秒。vI/ /V3210123avO/ /VbcdeVNHVNLVILVoffVthVon图2-2-3 电压传输特性2.2.22.2.2TTL与非与非门的主要外部特性及参数门的主要外部特性及参数电压传输特性电压传输特性ab段段：对应：对应vI1.3V，T4开始导通。当开始导通。当vI增加时，输出电压增加时，输出电压急剧下降，急剧下降，T3和和D4趋向截止，趋向截止，T4趋向饱和，电路状态由关态转趋向饱和，电路状态由关态转换为开态。这一段称为换为开态。这一段称为转折区转折区。vI/ /V3210123avO/ /VbcdeVNHVNLVILVoffVthVon图2

8、-2-3 电压传输特性de段段：随着：随着vI增加，增加，T1进入倒置工作状态，进入倒置工作状态，T3、D4进入截止，进入截止， T4进入饱和，进入饱和，输出低电平近似为输出低电平近似为0.3V，电路进入稳定的开态。这电路进入稳定的开态。这一段称为一段称为饱和区饱和区。从电压传输特性曲线从电压传输特性曲线可以反映出可以反映出TTL与非与非门的门的几个主要特性参数。几个主要特性参数。(1) 输出逻辑高电平和输出逻辑低电平输出逻辑高电平和输出逻辑低电平在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高电平在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高电平VOH，饱和区的输出电压为输出逻辑低电平，饱和区

9、的输出电压为输出逻辑低电平VOL。(2) 开门电平开门电平(Von)和关门电平和关门电平(Voff)及阈值电压及阈值电压(Vth)在保证输出为额定高电平在保证输出为额定高电平(3V)的的90%(2.7V)的条件下，允许的条件下，允许的输入低电平的最大值，称为的输入低电平的最大值，称为关门电平关门电平Voff；在保证输出为额定低电平在保证输出为额定低电平(0.35V)的条件下，允许的输入高的条件下，允许的输入高电平的最小值，称为电平的最小值，称为开门电平开门电平Von。一般一般Voff0.8V，Von1.8V。转折区的中点对应的输入电压称为转折区的中点对应的输入电压称为TTL门的阈值电压门的阈值

10、电压Vth。一般一般Vth1.4V。(3) 抗干扰能力抗干扰能力在集成电路中，经常以在集成电路中，经常以噪声容限噪声容限的数值来定量地说明门电的数值来定量地说明门电路的抗干扰能力。路的抗干扰能力。当输入为低电平时，为保证电路处于稳定的关态，输入低当输入为低电平时，为保证电路处于稳定的关态，输入低电平加上瞬态干扰信号不应超过关门电平电平加上瞬态干扰信号不应超过关门电平Voff。因此。因此允许的干扰允许的干扰容限为容限为VNL=Voff- -VIL，称为，称为低电平噪声容限低电平噪声容限。当输入为高电平时，为保证电路处于稳定的开态，输入高当输入为高电平时，为保证电路处于稳定的开态，输入高电平加上瞬

11、态干扰信号不应低于开门电平电平加上瞬态干扰信号不应低于开门电平Von。因此允许的干扰。因此允许的干扰容限为容限为VNH=VIH- -Von，称为，称为高电平噪声容限高电平噪声容限。另外，随着温度的升高，输出高电平和输出低电平都会升另外，随着温度的升高，输出高电平和输出低电平都会升高，阈值电压却降低。电源电压的变化主要影响输出高电平，高，阈值电压却降低。电源电压的变化主要影响输出高电平，对输出低电平影响不大。对输出低电平影响不大。vI/ /V21012AiI/ /mAB图2-2-4 输入特性曲线CIISTTL与非与非门输入特性门输入特性输入特性是指输入电压和输入电流之间的关系曲线。图输入特性是指

12、输入电压和输入电流之间的关系曲线。图3-2-4中，输入电流中，输入电流iI以流出输入端为正方向。以流出输入端为正方向。AB段段：vI0.6V，T2和和T4截截止，止，T1深饱和，故深饱和，故1IBE(sat)1CCI)(RvVVi 1II1Rvi 变化规律为：变化规律为：BC段段：1.3VvI1.5V，T4开始导通，开始导通，vB1被钳定在被钳定在2.1V，T1工作于倒置状态。输入电流由正方向急剧转为反方向，约为工作于倒置状态。输入电流由正方向急剧转为反方向，约为10A左右左右。之后，随着。之后，随着vI继续上升，继续上升，iI还会有微小增加。还会有微小增加。输入端接地时流经输入端的电流输入端

13、接地时流经输入端的电流IIS称为输入短路电流。称为输入短路电流。T2R1k4RRiT1iIVCCVCCvI图2-2-5 输入端经Ri接地的情况vI/ /V21012iI/ /mAP图2-2-6 用图解法说明Ri影响IISM输入端通过电阻输入端通过电阻Ri接地的情接地的情况：况：vI=iIRi，用图解法分析，如，用图解法分析，如图图3-2-6所示。所示。ii1BE(sat)1CCIRRRVVv 为了保证电路稳定工作在关为了保证电路稳定工作在关态，必须使态，必须使vIVoff，则，则offBE(sat)1CC1offiVVVRVR 设设Voff=0.8V，R1=4k，则，则Ri0.910.91k。

14、R4VCCT4T3DR2T2R3R1Y图2-2-7 Ri对TTL与非门在开态时的影响RT1iIiB1iB2iB4iR3Ri当当TTL与非与非门开态工作门开态工作时，时，T2和和T4处于饱和状态，处于饱和状态，vB1被钳定在被钳定在2.1V左右，故左右，故iB1不随不随Ri变化。变化。为保证电路稳定工作于为保证电路稳定工作于开态，开态，vI=iIRiVon，而而iIiB1iB2，iB2要保证要保证与非与非门在允许门在允许的灌流负载的灌流负载iO=NIIS情况下，情况下，T2和和T4处于饱和状态。处于饱和状态。设灌流负载设灌流负载iO12mA，iB10.725mA， iB20.172mA， iI0

15、.553mA，则，则Ri3.2k。Ri使得输入低电平提高，削弱了电路的抗干扰能力。使得输入低电平提高，削弱了电路的抗干扰能力。 TTL与非与非门输入特性受外界温度和电源电压的影响。门输入特性受外界温度和电源电压的影响。温度变化主要影响转折段（温度变化主要影响转折段（BC段），温度升高，则段），温度升高，则Vth减小，减小，导致转折区左移。电源电压升高会使导致转折区左移。电源电压升高会使iI增加。增加。R1RVCCVCCvI图2-2-8 多余输入端的连接R1VCCvI多余输入端的处理：多余输入端的处理：为了避免输入端拾取为了避免输入端拾取干扰，一般将多余输入端干扰，一般将多余输入端接高电平，或者

16、与有用输接高电平，或者与有用输入端并接。入端并接。TTL与非与非门输出特性门输出特性iO/ /mA31010vO/ /VA图2-2-9 TTL与非门输出特性B2203040iO/ /mA31010vO/ /V2203040(a) 开态时开态时(b) 关态时关态时TTL与非门的输出特性反映与非门的输出特性反映输出电压输出电压vO与与输出电流输出电流iO的关的关系。其中输出电流规定灌入电流为正方向。系。其中输出电流规定灌入电流为正方向。(1) 开态时：开态时：T4饱和。饱和。iO增加时，增加时，T4的饱和程度减轻，输出的饱和程度减轻，输出低电平略有增高，如图中的低电平略有增高，如图中的0A段，输出

17、电阻约段，输出电阻约1020。AB段段表示表示T4已脱离饱和区，输出低电平增加较大，不能正常工作。已脱离饱和区，输出低电平增加较大，不能正常工作。(2) 关态时：关态时：T4截止，截止，T3 、D4导通。负载电流为拉电流。导通。负载电流为拉电流。输出电阻在输出电阻在100左右。输出拉电流增加时，输出高电平减小。左右。输出拉电流增加时，输出高电平减小。tPHLtPLH图2-2-10 延迟时间延迟时间vIvO平均延迟时间平均延迟时间由于晶体管开关时间的影响，由于晶体管开关时间的影响，门电路的输出和输入之间存在延迟，门电路的输出和输入之间存在延迟，即即导通延迟时间导通延迟时间tPHL和和截止延迟时间

18、截止延迟时间tPLH，平均延迟时间为它们的平均值：，平均延迟时间为它们的平均值：)(21PLHPHLpdttt iB1VH图2-2-12 输入漏电流VHVHNiiIB1IB1+ NiiIB1iB1A(VL)B(VH)iIB1iIB1(a)(b)TTL与非与非门的其它主要参数门的其它主要参数(1) 输入漏电流输入漏电流IIH如图如图3-2-12所示，在接高电平所示，在接高电平输入端的总漏电流为输入端的总漏电流为(i+j)IB1。高电平输入端的漏电流是前级高电平输入端的漏电流是前级门电路的拉电流负载电流，漏电流门电路的拉电流负载电流，漏电流太大会造成前级输出高电平下降。太大会造成前级输出高电平下降

19、。(2) 扇入、扇出系数扇入、扇出系数扇入指输入端的个数。扇出系扇入指输入端的个数。扇出系数数NO指输出端最多能带同类门的个指输出端最多能带同类门的个数。数。1集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）BAY图2-2-15 非门的线与连接图示电路为两个非门的输出端直图示电路为两个非门的输出端直接连接的情况。其输出与输入间的关接连接的情况。其输出与输入间的关系为系为BAY 两个逻辑门输出端相连，可以实现两两个逻辑门输出端相连，可以实现两输出相输出相与与的功能，称为的功能，称为线与线与。在用门电路组合各种逻辑电路时，在用门电路组合各种逻辑电路时，如果能将输出端直接并接，有时能大如果能将输出端直接并接

20、，有时能大大简化电路。大简化电路。前面介绍的推拉式输出结构的前面介绍的推拉式输出结构的TTL门电路是不能将两个门门电路是不能将两个门的输出端直接并接的。的输出端直接并接的。2.2.42.2.4TTL与非门的改进电路与非门的改进电路图2-2-16 两个与非门输出 直接相连接的情况VCCT4T3D4Y1VCCT4T3D4Y2T2VOHVOL如图如图2-2-16所示的连接中，所示的连接中，如果如果Y1 1输出为高电平，输出为高电平，Y2 2输出输出为低电平，由于推拉式输出级为低电平，由于推拉式输出级总是呈现低阻抗，因此将会有总是呈现低阻抗，因此将会有一个很大的负载电流流过两个一个很大的负载电流流过两

21、个输出级，该电流远远超过正常输出级，该电流远远超过正常工作电流，甚至会损坏门电路。工作电流，甚至会损坏门电路。为了使为了使TTL门能够实现线门能够实现线与与，把输出级改为集电极开路，把输出级改为集电极开路的结构，简称的结构，简称OC门门。图2-2-17 集电极开路的与非门 及其逻辑符号VCCT4YBAT1T2YBA&(a)(b)OC门电路取消了典型门电路取消了典型TTL门电路中门电路中T3、D4的输出的输出电路，在使用时外接一个电电路，在使用时外接一个电阻阻RL和外接电源和外接电源V。只要电阻只要电阻RL和电源和电源V的数的数值选择恰当，就能保证输出值选择恰当，就能保证输出的高、低电平

22、符合要求，输的高、低电平符合要求，输出三极管出三极管T4的负载电流又不的负载电流又不过大。过大。图图2-2-18表示了表示了n个个OC门并联使用的情况，其输出门并联使用的情况，其输出IJCDABIJCDABY 图2-2-18 n个OC门并联使用YBA&DC&JI&VCCRLnVCCT4T3D4T2Y图3-2-19 三态门电路及逻辑符号T111DPG1G2ABENENA&BENA&BYY(a)(c)(b)2三态输出门（三态门）三态输出门（三态门）三态门是在普通门电路基础上，增加控制端和控制电路构三态门是在普通门电路基础上，增加控制端和控制电路构成的。成的。

23、若若EN为有效电平，三态门与普通门电路一致；否则，输出为有效电平，三态门与普通门电路一致；否则，输出呈现呈现高阻高阻抗状态，输入与输出之间相当于断开。抗状态，输入与输出之间相当于断开。高电平有效高电平有效低电平有效低电平有效图3-2-20 三态门接成总线结构B1EN1&A1B2EN2&A2BnENn&An三态门实现总线结构三态门实现总线结构轮流定时地使各个轮流定时地使各个EN端为端为1，可把各门的输出信号轮流传，可把各门的输出信号轮流传送到总线上。送到总线上。图3-2-21 用三态门实现 数据双向传输11DODIEN总总 线线DO /DIG1G2三态门实现数据双向传输三

24、态门实现数据双向传输门门G1和和G2为三态反相器，为三态反相器，改变控制端改变控制端EN的输入电平，即的输入电平，即可控制数据的传输方向。可控制数据的传输方向。VCCT5T3T2Y图2-2-22 CT54H/74H系列与非门T1ABCT4k3750100560k32.2.52.2.5其他系列其他系列TTL门电路门电路CT54H/74H系列系列改进：改进：(1) 输出级采输出级采用达林顿结构，用达林顿结构，T3、T4复复合管取代了原来的合管取代了原来的T3、D4。提高了带拉电流负载的能提高了带拉电流负载的能力，加快了对电容负载的力，加快了对电容负载的充电速度。充电速度。(2) 所有电阻所有电阻值

25、几乎减小了一半，大大值几乎减小了一半，大大提高了三极管的开关速度。提高了三极管的开关速度。由于电阻值的减小，加大了电路的静态功耗。该系列由于电阻值的减小，加大了电路的静态功耗。该系列与非与非门电路的电源平均电流约为门电路的电源平均电流约为CT54/74系列的两倍。系列的两倍。CT54S/74S系列系列VCCT5T3T2Y图2-2-23 CT54S/74S系列与非门T1ABCT4.8k290050470250R1R2R4R3R6R5.5k3T6CT54S/74S系列采系列采用了抗饱和电路，从而用了抗饱和电路，从而提高了工作速度。提高了工作速度。特点：特点：(1) T1、T2、T3、T5 、T6均采用抗饱均采用抗饱和三极管。抗饱和三极和三极管。抗饱和三极管是由管是由双极型三极管双极型三极管和和肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管组成组成的。的。通常用功耗和传输延迟时间的乘积（简称通常用功耗和传输延迟时间的乘积（简称pd积）来评价门积）来评价门电路的性能优劣。电路的性能优劣。CT54H/74H与与CT54/74的的pd积相差不大。积相差不大。图2-2-24 抗饱和晶体管BCEBC