数字电路第3章

3.1数字集成电路的分类3.2TTL与非门工作原理3.3CMOS门电路第三章集成门电路各种系列门电路的性能比较数字集成电路型号的命名法TTL与非门的特性与参数集电极开路（OC）门三态门3.1数字集成电路的分类(一)按工艺结构区分：1.按工艺区分IIL电路54/74系列54H/74H系列54LS/74LS系列54AS/74AS系列54ALS/74ALS系列CMOS电路NMOS电路PMOS电路ECL电路HTL电路TTL电路54HC/74HC系列54HTC/74HTC系列4000系列Bi-CMOS型MOS型双极型2.按输出结构区分推拉式输出或CMOS反向器输出OC输出或OD输出三态输出(二)按集成度分类小规模集成电路(SSI-SmallScaleIntegration)，每片组件内包含10-100个元件(或10-20个等效门)。中规模集成电路(MSI-MediumScaleIntegration)，每片组件内含100-1000个元件(或20-100个等效门)。大规模集成电路(LSI-LargeScaleIntegration)，每片组件内含1000-100000个元件(或100-1000个等效门)。超大规模集成电路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)，每片组件内含100000个元件(或1000个以上等效门)。逻辑门触发器译码器、数据选择器加法器、计数器、移位寄存器只读存储器、随机存取存储器、微处理器、专用数字信号处理器(三)按数字系统设计方法分类1.通用型中规模（MSI），小规模（SSI）集成逻辑件。2.由软件组态的大规模（LSI），超大规模（VLSI）集成逻辑器件，如微处理器、单片机、通用和专用数字信号处理器等。3.专用集成电路ASIC。***全定制半定制PLDPROMPLAPALGALCPLDFPGA3.2.0（回顾）基本逻辑门电路3.2TTL集成逻辑门一、二极管与门和或门电路1．与门电路LAB+VDD3kΩ(+5V)RCC21ABL=AB2．或门电路ABLDD12R3kΩABL=A+B二、三极管非门电路+VALT13RRbCCC(+5V)AL=A开关控制VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。

103.6V0V0.8V2V高电平下限低电平上限实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件uccV1VoS二极管与门和或门电路的缺点：（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。（2）负载能力差解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。早期的双极型集成逻辑门采用的是二极管-三极管的电路(DTL)形式。由于其速度较低，以后发展成晶体管-晶体管电路(TTL)形式。DTL与非门电路工作原理：（略）（1）当A、B、C全接为高电平5V时，二极管D1～D3都截止，而D4、D5和T导通，且T为饱和导通，VL=0.3V，即输出低电平。（2）A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP≈1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：一．TTL与非门的基本结构3.2.1TTL与非门的工作原理典型TTL与非门电路3.2.1TTL与非门的工作原理R1V1V2V3e1e2e3cABCV4P1bUCC输入级中间级输出级“与”运算输入级由多发射极晶体管V1和电阻R1组成，通过V1的各个发射极实现与逻辑功能。3.2.1TTL与非门的工作原理R1V1V2V3e1e2e3cABCV4P1bUCC中间级由V2、R2、R3组成，其主要作用是从V2管的集电极c2和发射极e2同时输出两个相位相反的信号，分别驱动V3和V5管，来保证V4和V5管有一个导通时，另一个就截止。3.2.1TTL与非门的工作原理输出级由R4、R5、V3、V4、V5组成，V5是反相器，V3、V4组成复合管构成一个射随器，作为V5管的有源负载，并与V5组成推拉式电路，使输出无论是高电平或是低电平，输出电阻都很小，提高了带负载能力。3.2.1TTL与非门的工作原理多发射极晶体管T1

的等效电路1.TTL与非门电路3.2.1TTL与非门的工作原理工作原理设：A=0

B=C=1

0.3V3.6V3.6V

则：VA=0.3V

VB1=0.3+0.7=1VVB2=0.3V所以：T2T5

截止

T3T4

导通结果：VF

=5－UBE3－UBE4

5－0.7－0.7=3.6V

拉电流1V0.3V

DA导通F=1BACABC3.6V3.6V3.6V设：A=B=C=1

即：VA=VB=

VC=3.6VVF=0.3V，F=0VF=0.3V2.1VVB3=UCE2+UBE5=0.3+0.7=1V1VT3

导通，T4

截止

灌电流则：T2T5饱和DA、DB、DC截止T1集电结正偏VB1=+UBE5=2.1V0.7

UBE2+输入悬空时相当于1工作原理

综上所述，当输入端全部为高电位(3.6V)时，输出为低电位(0.3V)，这时V5饱和，电路处于开门状态；当输入端至少有一个为低电位(0.3V)时，输出为高电位(3.6V)，这时V5截止，电路处于关门状态。由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系：TTL与非门各级工作状态：输入V1V2V3V4V5输出与非门状态全部为高电位倒置工作饱和导通截止饱和低电位UOL

开门至少有一个为低电位深饱和截止微饱和导通截止高电位UOH

关门工作原理TTL与非门具有较高的开关速度，主要原因有两点：

一是由于采用了多射极管V1，它缩短了V2和V5的开关时间，提高了开关速度。二是由于采用了推拉式输出电路，加速了V5管存储电荷的消散过程。当V2由饱和转为截止时，V3和V4导通。由于V3、V4是复合射随，相当于V5集电极只有很小电阻，此时瞬间电流很大，从而加速了V5管脱离饱和的速度，使V5迅速截止。带负载能力：由于采用推拉式输出级，与非门输出低电平时V5处于深饱和状态，输出电阻很低；而输出高电平时V3、V4导通，组成射极跟随器，其输出电阻也很低，因此无论哪种状态输出电阻都很低，都有很强的带负载能力。3.2.2TTL与非门的特性与参数BC接高电平UiBCUiUo(V)3.6AB0V≤Ui<0.6VAB段截止区C0.6V<Ui<1.3VIc2Uc2BC段线形区2.40.81.3V≤Ui<1.4VCD段转折区D1.4V≤UiEDE段饱和区20.4UoffUoff----关门电平UonUon---开门电平UT---阈值电压(1.3V)UT1、电压传输特性Uo(V)3.6ABCUoH:2.40.8DE2UoL:0.4UoffUoff----关门电平UonUon---开门电平1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL5V2.4V0.4V0V5V2V0.8V0VUi1、电压传输特性UOUI2、输入特性&11UiF～I＋I－①输入短路电流IiS

典型值约为-1.5mA。

②输入漏电流IiH

Ui＞UT时的Ii

典型值为10μAUi＞7V后T1的ce结将发生击穿当Ui<-1V时T1的be结可能烧毁3、输入负载特性&11Ui≤UoffRoff=0.7kΩRon=2kΩUi≥Uon11RF4、输出特性①与非门处于开态时，输出低电平T5饱和IL灌电流灌电流增大，使V5脱离饱和UOL将很快增加为了保证UOL≤0.35V应使IL≤25mA4、输出特性②与非门处于关态时，输出高电平由于IR5≈ILUOH=UCC-Uces3-Ube4-ILR5T5截止，T3微饱和，T4导通IL拉电流IL＜5mA时T3、V4处于射随器状态当IL＞5mA时，T3进入深饱和负载电流IL≤14mA，允许的最小负载电阻RL约为170Ω

5.扇入系数和扇出系数扇出系数NO是指一个门能驱动同类型门的个数。当TTL门的某个输入端为低电平时，其输入电流约等于IIS(输入短路电流)；当输入端为高电平时，输入电流为IIH(输入漏电流)。而IIS比IIH大得多，因此按最坏的情况考虑，当测出输出端为低电平时允许灌入的最大负载电流ILmax后，则可求出驱动门的扇出系数NO：6.平均延迟时间tpd输出电压由高电平跳变为低电平的传输延迟时间称为导通延迟时间tPHL，由低电平跳变为高电平的传输延迟时间称为截止延迟时间tPLH74S系列肖特基系列*将Ubc限制在0.3V左右肖特基抗饱和三极管有源泄放网络Uo(V)3.6ABC2.70.8DE1.80.3UT普通与非门输出接地V5截止输出端接地电流过大烧坏V5普通与非门输出直接相接门1门2输出高电平V5截止输出低电平V4截止ILUoIL从截止门的V4管流到导通门的V5管3.2.4集电极开路门和三态门一般的TTL门电路：输出端不能直接和地线或电源线（+5V）相连。两个TTL门的输出端不能直接并接在一起。

集电极开路门和三态门是允许输出端直接并联在一起的两种TTL门，还可以构成线与逻辑和线或逻辑。

集电极开路门又称OC(OpenCollector)门图3-13OC门电路集电极开路门集电极开路门线与功能UccRLF上拉电阻RL的选取输出高电平时，不低于输出高电平的最小值UOHmin；输出低电平时，不高于输出低电平的最大值UOLmaxF=AB·CDILIoHIoH1100IoLIoLUccIRLIoH

IoH

IoH

UoIiH

IiH

IiH

上拉电阻RL的选取输出高电平时，Oc门截止；不低于输出高电平的最小值UOHmin；UccIRLIoL

UoIiL

IiL

IiL

3.6V上拉电阻RL的选取IRL=IOLmax-mIiLRLmin=(Ucc-UOLmax)/IRL一个门导通，输出低电平时，不高于输出低电平的最大值UOLmaxTTL三态与非门DF：第三状态高阻1V1VT2T5截止二极管D截止VB1=1VVB3=1V二极管D导通EN

=0时

EN=1时T3导通，T4截止0.3VF=ABTTL三态门三态非门三态与门三态与非门三态门eF0b1a

线或（Wired-OR）

F=ae+beQuestionF=?ENEND0D1ENG1G2EN=1时G1工作G2高阻数据从D0D1EN=0时G2工作G1高阻数据从D1D0用三态门实现双向传输三态门应用于总线DisplayPrinterkeysCPU110Bus三态门接于总线，可实现数据或信号的轮流传送00

TTL门电路由晶体管组成，属双极型门电路，MOS门电路由场效应管组成，属单极型门电路，MOS门电路是目前大规模和超大规模数字集成电路中应用最广泛的一种。

MOS门电路分类NMOS电路

PMOS电路

CMOS电路3.3CMOS门电路P沟道N沟道互补对称结构设：A=0则：T2

导通

T1

截止0F=11设：A=1则：T1

导通

T2

截止F=0F=A1.CMOS反相器*该电路具有反相器的功能。10CMOS门电路是一种互补对称场效应管集成电路(略）2.CMOS“与非”门电路*P沟道负载管并联N沟道驱动管串联设：A=1，B=1则：T1T2

导通

T3T4

截止F=00设：A=0，B=1（不全为1）则：T2T3

导通T1T4截止F=1F=AB负载管和驱动管串联110113.CMOS“或非”门电路*P沟道负载管串联N沟道驱动管并联设：A=0，B=0

0

0则：T3T4导通，T1T2截止

驱动管与负载管串联F=1设：A=0，B=1

（输入不全为零时）则：T2T3导通

T1T4截止

F=0F=A+B10注意*：上述分析表明，MOS“与非”门的输入端越多，串联的驱动管越多，导通时的总电阻就愈大，输出低电平值将会因输入端的增多而提高，对于MOS“或非”门因驱动管并联，不存在这个问题，因此，MOS门电路中“或非”门用的较多。CMOS电路有以下特点：①静态功耗低。②抗干扰能力强。③电源电压工作范围宽，电源利用率高（3~18V）。CMOS逻辑门器件有三大系列：①4000系列。②74C××系列。③硅-氧化铝系列。各种系列门电路的性能比较TTL集成电路：工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低；MOS集成电路：集成度高、功耗低。超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路，其缺点是工作速度略低。BiCMOS器件：它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优势，缺点是制造工艺复杂。各种系列门电路的性能比较*3.4集成门电路使用中的实际问题（了解）1.TTL电路与CMOS电路的接口TTL电路和CMOS电路接口时，无论是用TTL电路驱动CMOS电路还是用CMOS电路驱动TTL电路，驱动门都必须为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流。

1)用TTL电路驱动CMOS电路*①当用TTL电路驱动4000系列和HC系列CMOS电路时，必须设法将TTL电路的输出高电平提升到3.5V以上。此时可以在TTL电路的输出端接一个上拉电阻(例如3.3kΩ)至电源UCC(+5V)。此时，CMOS电路相当于一个同类TTL电路的负载。如果CMOS电路的电源较高，TTL的输出端仍可接一上拉电阻，但需使用集电极开路门(如T1006)电路，如图3-28(a)所示。应注意，上拉电阻的大小对工作速度有一定的影响，这是由于门电路的输入和输出端均存在杂散电容的缘故。上拉电阻的计算与OC门外接上拉电阻的计算方法相同。

*另一种方案是采用一个专用的CMOS电平移动器(例如40109)，它由两种直流电源UCC和UDD供电，电平移动器接收TTL电平(对应于UCC)，而输出CMOS电平(对应于UDD)，电路如图3-28(b)所示。图3-28TTL与CMOS之间的电平移动(a)采用TTLOC门；(b)采用专用电平移动器TTL1≥1CMOSR110k+UCC(5V)+UDD(3～18V)(a)UCCUDD&