第3章集成门电路

第三章

集成门电路与触发器

随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的集成电路块，通常又称为集成电路芯片。集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的物质基础。采用集成电路进行数字系统设计的优点：

可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大大简化设计和调试过程。本章知识要点

●集成电路的分类

●半导体器件的开关特性

●逻辑门电路

●逻辑函数的实现

3.1数字集成电路的分类数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据集成规模的大小进行分类。一.根据所采用的半导体器件进行分类

根据所采用的半导体器件，分为两大类。

双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。

单极型集成电路(MOS集成电路):采用金属-氧化物半导体场效应管(MetelOxideSemiconductorFieldEffectTra-nsister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度相对双极型较慢。

双极型集成电路分为：

晶体管-晶体管逻辑电路TTL(TransistorTransistorLogic)发射极耦合逻辑电路(EmitterCoupledLogic)集成注入逻辑电路I2L(IntegratedInjectionLogic)

┊

TTL电路的“性能价格比”较佳，应用最广泛。MOS集成电路分为：

PMOS(P-channelMetelOxideSemiconductor)

NMOS(N-channelMetelOxideSemiconductor)

CMOS(ComplementMetalOxideSemiconductor)┊

CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路的设计，而且综合性能好。二．根据集成电路规模的大小进行分类

根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数，分为SSI、MSI、LSI、VLSI。

1.SSI(SmallScaleIntegration:逻辑门数小于10门(或元件数小于100个)；

2.MSI(MediumScaleIntegration):逻辑门数为10门～99门(或元件数100个～999个)；

3.LSI(LargeScaleIntegration):逻辑门数为100门～9999门(或元件数1000个～99999个)；

4.VLSI(VeryLargeScaleIntegration):逻辑门数大于10000门(或元件数大于100000个)。

三．根据设计方法和功能定义分类根据设计方法和功能定义通常可分为如下3类：

1.非定制电路（又称为标准集成电路）

2.全定制电路（又称为专用集成电路）

3.半定制电路

3.2半导体器件的开关特性

数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是以开关方式运用的，工作状态相当于相当于开关的“接通”与“断开”。数字系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中，研究其开关特性时，不仅要研究它们在导通与截止两种状态下的静止特性，而且还要分析它们在导通和截止状态之间的转变过程，即动态特性。3.2.1晶体二极管的开关特性一．静态特性

静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。典型二极管的静态特性曲线为：常见外形图1.正向特性：

门槛电压(VTH)：使二极管开始导通的正向电压，一般锗管约0.1V，硅管约0.5V。正向电压VF≤VTH：管子截止，电阻很大、正向电流IF

接近于0，二极管类似于开关的断开状态；正向电压VF=VTH：管子开始导通，正向电流IF开始上升；正向电压VF＞VTH：管子充分导通(导通电压一般锗管约0.3V，硅管约0.7V，通常称为导通电压)，电阻很小，正向电流IF

急剧增加，二极管类似于开关的接通状态。

2．反向特性

二极管在反向电压VR

作用下，处于截止状态，反向电阻很大，反向电流IR

很小（将其称为反向饱和电流，用IS

表示，通常可忽略不计），二极管的状态类似于开关断开。而且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。

●正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成实际电路时通常要串接一只电阻R，以限制二极管的正向电流；

●反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向击穿电压VBR），一般不允许反向电压超过此值。使用注意事项!注意：图中忽略了二极管的正向压降。

由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它当作开关使用。二极管开关电路及等效电路二.动态特性

二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通时间的概念。1.反向恢复时间

反向恢复时间：二极管从正向导通到反向截止所需要的

时间称为反向恢复时间。

当作用在二极管两端的电压由正向导通电压VF

转为反向截止电压

VR

时，在理想情况下二极管应该立即由导通转为截止，电路中只存在极小的反向电流。

2.开通时间

开通时间：二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间。

由于PN结在正向电压作用下空间电荷区迅速变窄，正向电阻很小，因而它在导通过程中及导通以后，正向压降都很小，故电路中的正向电流IF≈VF/R。而且加入输入电压VF后，回路电流几乎是立即达到IF的最大值。即：二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。

3.2.2晶体三极管的开关特性各种不同三极管的实物图

晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成。三极管有截止、放大、饱和3种工作状态。一个用NPN型共发射极晶体三极管组成的简单电路及其输出特性曲线如下图所示。一．静态特性3.饱和状态vB

＞VTH，并达到一定值，两个PN结均为正偏，iB≥IBS(基极临界饱和电流)≈VCC/βRc

,此时iC=ICS(集电极饱和电流)≈VCC/Rc。三极管呈现低阻抗，类似于开关接通。1.截止状态

vI≤0，两个PN结均为反偏，iB≈0,iC≈0,vCE≈VCC。三极管呈现高阻抗，类似于开关断开。2.放大状态vI＞VTH

，发射结正偏，集电结反偏，iC=βiB。电路工作特点：

晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极管的静态开关特性。

在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭合”与“断开”。

上述共发射极晶体三极管电路在三极管截止与饱和状态下的等效电路如下图所示。

3.3逻辑门电路

实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的逻辑器件统称为逻辑门电路，它们是组成数字系统的基本单元电路。

以TTL集成逻辑门和CMOS集成逻辑为例进行介绍。要求：重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性，以及器件的使用方法。对其内部结构和工作原理只要求作一般了解。二.与门一个由二极管构成的2输入与门电路如下图所示。A/V

B/

VF/V000+5+50+5+5000+5ABF000110110001三.或门一个由二极管构成的2输入或门电路如下图所示。A/V

B/

VF/V000+5+50+5+50+5+5+5ABF0001101101113.3.2TTL集成逻辑门电路

TTL(TransistorTransistorLogic)电路是晶体管-晶体管逻辑电路的简称。60年代问世，经过对电路结构和工艺的不断改进，性能得到不断改善，至今仍被广泛应用于各种逻辑电路和数字系统中。

TTL电路的功耗大、线路较复杂，使其集成度受到一定的限制，故广泛应用于中小规模逻辑电路中。主要外部特性参数

TTL与非门的主要外部特性参数有输出逻辑电平、开门电平、关门电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。(2)输出低电平VOL：输出低电平VoL是指输入全为高电平时的输出电平。VOL的典型值是0.3V，产品规范值为VOL≤0.4V。

(1)输出高电平VOH：输出高电平VOH是指至少有一个输入端接低电平时的输出电平。VOH的典型值是3.6V。产品规范值为VOH≥2.4V。(3)开门电平VON：开门电平VON是指保证与非门输出为低电平时所允许的最小输入高电平，它表示使与非门开通的输入高电平最小值。

VON的典型值是1.5V，产品规范值为VON≤1.8V。开门电平的大小反映了高电平抗干扰能力，VON

愈小，在输入高电平时的抗干扰能力愈强。(4)关门电平VOFF：关门电平VOFF是指保证与非门输出为高电平时所允许的最大输入低电平，它表示使与非门关断的输入低电平最大值。

VOFF

的典型值是1.3V，产品规范值VOFF≥0.8V。关门电平的大小反映了低电平抗干扰能力，VOFF越大，在输入低电平时的抗干扰能力越强。

(5)扇入系数Ni：指与非门提供的输入端数目。

Ni是由制造厂家安排的，一般Ni为2～5，最多不超过8。当应用中要求输入端数目超过Ni时，可通过分级实现的方法减少对扇入系数的要求。(6)扇出系数No：指允许与非门输出端连接同类门的最多个数。

它反映了与非门的带负载能力.典型TTL与非门的扇出系数No≥8。(7)平均传输延迟时间tpd:指一个矩形波信号从与非门输入端传到与非门输出端(反相输出)所延迟的时间。

通常将从输入波上沿中点到输出波下沿中点的时间延迟称为导通延迟时间tpHL；从输入波下沿中点到输出波上沿中点的时间延迟称为截止延迟时间tpLH。

平均延迟时间定义为

tpd=(tpHL+tpLH)/2

平均延迟时间是反映与非门开关速度的一个重要参数。tpd

的典型值约10ns，一般小于40ns。

(8)空载功耗P：平均功耗指在空载条件下工作时所消耗的平均电功率。通常将输出为低电平时的功耗称为空载导通功耗PON，输出为高电平时的功耗称为空载截止功耗POFF

，一般PON大于POFF。

平均功耗P=(PON+POFF)/2

TTL与非门的平均功耗一般为20mW左右。有关各种逻辑门的具体参数可在使用时查阅有关集成电路手册和产品说明书。二.常用TTL集成逻辑门

常用的TTL集成逻辑门有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等不同功能的产品。各种集成逻辑门属于小规模集成电路，下图所示为几种常用逻辑门的芯片实物图。

基本逻辑门是指实现3种基本逻辑运算的与门、或门和非门。常用的TTL与门集成电路芯片有四2输入与门7408，三3输入与门7411等。例如：1.基本逻辑门2、

复合逻辑门

复合逻辑门是指实现复合逻辑运算的与非门、或非门、与或非门、异或门等。与非门

常用的TTL与非门集成电路芯片有四2输入与非门7400，三3输入与非门7410，二4输入与非门7420等。

2、

复合逻辑门(2)或非门

常用的TTL或非门集成电路芯片有四2输入或非门7402，三3输入或非门7427等。例如：74022、

复合逻辑门(3)与或非门

常用的TTL与或非门集成电路芯片有双2-2与或非门7451、3-2-2-3与或非门7454等。例如：74512、

复合逻辑门(4)异或门

异或门只有两个输入端，常用的TTL异或门集成电路芯片有7486等。下图所示为异或门的逻辑符号和7486的引脚排列图。

注意：一般TTL逻辑门的输出是不能并联使用的，即两个逻辑门的输出不能直接对接！

4．TTL逻辑门的使用注意事项

①TTL逻辑门的电源电压应满足5V±5%的要求，电源不能反接。②一般逻辑门的输出不能并联使用（OC门和三态门除外），也不允许直接与电源或“地”相连接。③对逻辑门的多余输入端，应根据不同逻辑门的逻辑要求接电源、地，或者与其他使用的输入引脚并接。例如，将与门和与非门的多余输入端接电源，或门和或非门的多余输入端接地。总之，既要避免多余输入端悬空造成信号干扰，又要保证对多余输入端的处置不影响正常的逻辑功能。

3.4逻辑函数的实现

用逻辑函数表达式描述的各种逻辑问题均可用逻辑门实现，而且实现某一逻辑功能的逻辑电路并不是唯一的。它不仅与表征该逻辑功能的函数表达式形式及繁简有关，而且与采用的逻辑门类型有关。

由于用逻辑代数中的与、或、非3种基本运算可以描述各种不同的逻辑问题，所以使用相应的与门、或门、非门即可构成实现各种逻辑功能的电路。例如用3种基本逻辑门实现逻辑函数

采用3种基本逻辑门实现逻辑函数的必然结果是在一个电路中要同时使用不同类型的逻辑门。实际应用中，人们从电路中逻辑门性能以及类型的一致性考虑，广泛使用各种复合逻辑门实现逻辑函数功能。3.4.1用与非门实现逻辑函数用与非门实现逻辑函数一般步骤：

第一步：求出函数的最简与—或表达式。第二步：将最简与—或表达式变换成与非—与非表达式。第三步：画出逻辑电路图。例如用与非门实现逻辑函数

F(A,B,C,D)=∑m(0,1,4,5,6,7,8,9,15)

解：首先求出函数的最简与—或表达式（假定利用卡诺图化简）3.4.2用或非门实现逻辑函数用或非门实现逻辑函数一般步骤：

第一步：求出函数的最简或—与表达式。第二步：将最简或—与表达式变换成或非—或非表达式。第三步：画出逻辑电路图。例如用或非门实现逻辑函数解：第一步求出函数的最简或—与表达式（假定利用卡诺图化简）画出给定函数卡诺图，先合并卡诺图上的0