第三章 集成门电路

集成门电路第三章154/74系列54H/74H系列54LS/74LS系列54AS/74AS系列54ALS/74ALS系列ECL电路HTL电路TTL电路54HC/74HC系列54HTC/74HTC系列4000系列双极型集成门电路IIL电路CMOS电路NMOS电路PMOS电路MOS型★Bi-CMOS型3.1集成门电路分类一.按工艺结构区分双极型集成电路

bipolarintegratedcircuit

在半导体内，多数载流子和少数载流子两种极性的载流子（空穴和电子）都参与有源元件的导电，如通常的NPN或PNP双极型晶体管。以这类晶体管为基础的单片集成电路，称为双极型集成电路。它是1958年世界上最早制成的集成电路。双极型集成电路主要以硅材料为衬底，在平面工艺基础上采用埋层工艺和隔离技术，以双极型晶体管为基础元件。在数字集成电路的发展过程中，曾出现了多种不同类型的电路形式，典型的双极型数字集成电路主要有TTL，ECL，I2L。3TTL—晶体管-晶体管逻辑集成电路

(Transistor-TransistorLogicIntegratedCircuit,TTL)

ECL—射极耦合集成电路

(EmitterCoupledLogic)I2L—集成注入逻辑电路（IntegratedInjectionLogic,I2L）TTL电路形式发展较早，工艺比较成熟。ECL电路速度快，但功耗大。I2L电路速度较慢，但集成密度高。

4双极型数字集成门

TTL电路是晶体管-晶体管逻辑电路的英文缩写（Transister-Transister-Logic

），TTL信号是一个电平标准。

TTL门电路工作速度高，驱动能力强，有高速度和品种多等特点是目前应用最广泛的集成门电路。它的主要缺点是功耗大，集成度低。

TTL数字集成电路约有400多个品种，大致可以分为以下几类：门电路、译码器/驱动器、触发器、计数器、移位寄存器、单稳、双稳电路和多谐振荡器、加法器、乘法器、奇偶校验器、码制转换器、线驱动器/线接收器多路开关、存储器、特性曲线电压传输特性*TTL门电路*

发射极耦合逻辑电路，也称电流开关型逻辑电路。它是利用运放原理通过晶体管射极耦合实现的门电路。工作速度最高，其平均延迟时间tpd可小至1ns。①开关速度快（1纳秒左右）。比通常的晶体管-晶体管逻辑电路开关速度快几倍。②可以很方便地组成、扩充电路的逻辑功能，节省元件数。缺点是电路功耗大、电平阈值电压随温度而漂移等。

ECL电路主要用于构成超高速集成电路，如高速、大型、巨型计算机等。

这种门电路输出阻抗低，负载能力强，能实现或非及或两种逻辑功能。它的主要缺点是抗干扰能力差，电路功耗大。射极耦合逻辑ECL电路6MOS集成门

MOS逻辑电路是以金属一氧化物一半导体场效应管为基础的集成电路。因管内有一种载流子运动，因而它属于单极型数字集成电路。目前广泛应用的是CMOS电路，它有以下特点：*1.CMOS电路由NMOS和PMOS组成，由于MOS管导通内阻比半导体导通内阻大，所以CMOS门比TTL门工作速度低一些。2.由于CMOS电路的互补特性，其高低电平输出阻抗都很低（同NMOS和PMOS比）。CMOS电路的输入阻抗只取决于输入端保护二极管的漏电流，其输入阻抗极高，可达10W以上。在频率不太高的情况下，

CMOS电路的扇出能力几乎不受限制。当频率升高时，扇出系数有所降低。83.CMOS电路主要有两个产品系列---CC4000和C000（与国外CD和MC系列相当）。它们的电源电压允许范围大，CC4000系列为3~18V；C000系列为5~15V。因此它们输出高低电平摆幅大，抗干扰能力强，其噪声容限可达30%VDD，而TTL门的噪声容限只有0.4V。4.CMOS门工作时总是一管导通另一管截止，因而几乎不由电源吸取电流，其功耗极小。当VDD=5V时，CMOS电路的静态功耗分别是：门电路类为2.5~5uW；缓冲器和触发器类为5~20uW；中规模集成电路类为25~100uW。5.CMOS集成电路功耗低，内部发热量小，集成度可大大提高。又由于其电路本身的互补对称结构，当环境温度变化时，其参数有互相补偿作用，因而其温度稳定性好。6.抗辐射能力强，MOS管是多数载流子受控导电器件，射线辐射对多数载流子浓度影响不大。因此CMOS电路特别适用于航天，卫星和核试验条件下工作的装置。7.由于CMOS电路输入阻抗高，容易受静电感应发生击穿，除其电路内部设置保护电路外，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好。CMOS门多余不用输出端不能悬空，应根据需要接电源或接地。二.按集成度（单个芯片所含门的个数）区分：1.小规模集成电路（SmallScaleIntegration，SSI，100门以下/片）2.中规模集成电路（MediumScaleIntegration，MSI，1000门以下/片）3.大规模集成电路（LargeScaleIntegration，LSI，10000门以下/片）4.超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegration:VLSI,100000门以上/片)非用户定制(Non-customDesignIC)全用户定制(Full-customDesignIC)半用户定制(Semi-customDesignIC)三.根据设计方法和功能定义分类PLDPROMPLAPALGALCPLDFPGA11一、晶体二极管的开关特性

1、静态特性：

正相导通，相当于开关闭合（外加电压VD〉门限电压VTH，锗管0.3V，硅管0.7V）

反向截至，相当于开关断开（外加电压VD〈反相击穿电压VBR）

2、动态开关特性：反向恢复时间：从正向导通到反向截止的时间

开通时间：从反向截止到正向导通的时间

3.2半导体器件的开关特性12二极管伏安特性曲线131、正向特性当加在二极管两端的正向电压（P为正、N为负）很小时（锗管小于0.1伏，硅管小于0.5伏），管子不导通，处于“截止”状态，当正向电压超过一定数值后，管子才导通，电压再稍微增大，电流急剧暗加（见曲线I段）。不同材料的二极管，起始电压不同，硅管为0.5-.7伏左右，锗管为0.1-0.3左右。2、反向特性二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，当反向电压逐渐增加时，反向电流基本保持不变，这时的电流称为反向饱和电流（见曲线II段)。不同材料的二极管，反向电流大小不同，硅管约为1微安到几十微安，锗管则可高达数百微安，另外，反向电流受温度变化的影响很大，锗管的稳定性比硅管差。3、击穿特性当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子，其反向击穿电压值差异很大，可由1伏到几百伏，甚至高达数千伏。

14在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。K开------VO输出高电平，对应“1”。K合------VO输出低电平，对应“0”。VOKVccR100VVccVV15ViVoKVccR可用二极管代替ViVoKVccRK开---Vo=1,输出高电平K合---Vo=0,输出低电平Vi为高电平时，Vo为高电平Vi为低电平时，Vo为低电平半导体二极管器件的开关特性16二、晶体三极管的开关特性1、静态特性：截止、饱和、放大三种工作状态2、动态开关特性：开通时间：关闭时间;

17三极管伏安特性曲线18ViVoKVccRK开------Vo=1,输出高电平K合------Vo=0,输出低电平可用三极管代替半导体三极管器件的开关特性R1R2VAVO+VccVA=0------Vo=1,输出高电平VA=1

------Vo=0,输出低电平19门(电子开关)满足一定条件时，电路允许信号通过开关接通。开门状态：关门状态：条件不满足时，信号通不过

开关断开。20开关作用二极管反向截止：开关接通开关断开三极管（C,E)饱和区：截止区：开关接通CEB开关断开正向导通：CEB21uAtuOt+ucc0.3V三极管的开关特性：R1R2VAVO+Vcc22上升时间tr下降时间tf幅值A脉冲宽度tpA/223

获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。

逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。

逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。

基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。3.3

基本逻辑门电路

24二极管与门FD1D2AB+3V逻辑变量逻辑函数(uD=0.3V)25000010

ABF100111逻辑式：F=A•B逻辑符号：&ABF26二极管或门FD1D2AB27000011

ABF101111逻辑式：F=A+B逻辑符号：1ABF28R1DR2AF+12V+3V三极管非门（反相器）嵌位二极管2930逻辑式：逻辑符号：1AF31与非门逻辑符号与非门真值表＆ABF3233或非门逻辑符号或非门真值表≥1ABF3435异或门逻辑符号异或门真值表＝1ABF真值表特点:

相同则0,

不同则136同或门逻辑符号同或门真值表＝ABF真值表特点:

相同则1,

不同则0371.体积大、工作不可靠。2.需要不同电源。3.各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点38与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为TTL、MOS管集成门电路等。集成逻辑门电路39数字集成电路：

在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。TTL型电路：

输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为:Transistor-TransistorLogic。403.3.2TTL集成逻辑门电路TTL与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k75010041一、电压传输特性uo(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)传输特性曲线uo(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值UT=1.4V理想的传输特性输出高电平输出低电平421.输出高电平UOH、输出低电平UOL

UOH2.4VUOL

0.4V便认为合格。

典型值UOH=3.4VUOL=0.3V。

2.阈值电压UTui<UT时，认为ui是低电平。ui>UT时，认为ui是高电平。UT=1.4V43二、扇出系数与非门电路输出能驱动同类门的个数，与非门的扇出系数一般是10。三、TTL与非门在使用时多余输入端处理：1.接+5V。2.若悬空，UI=“1”。为了防止干扰，一般将悬空的输入端接高电平。3.输入端并联使用。44四平均传输延迟时间tui0tuo050%50%输出下降延迟时间tpd1输出上升延迟时间tpd2典型值：310ns45如：TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00)地GND外形&&&1413121110

9

8123456

7&管脚电源VCC（+5V）46RLUCC集电极悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符号应用时输出端要接一上拉负载电阻RL。特点：RL和UCC可以外接。F=ABC3.3.4

其它类型的TTL门电路集电极开路的与非门（OC门）47

OC门可以实现“线与”功能。&&&UCCF1F2F3F分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。F1、F2、F3全截止，则F=1。输出级RLUCCRLT5T5T5F=F1F2F348&ABF符号功能表三态门的符号及功能表&ABF符号功能表使能端高电平起作用使能端低电平起作用49E1E2E3公用总线０１０三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。三态门的用途工作时，E1、E2、E3分时接入高电平。50TTL数字集成电路型号的命名法示例：（1）

(2)

(3)(4)(5)

CT74LS00P塑料双列直插封装器件系列：低功耗肖特基温度范围：0℃~+70℃中国制造的TTL类器件品种：四2输入与非门SN74S195J黑陶瓷双列直插封装器件系列：肖特基温度范围：0℃-+70℃美国TEXAS公司（1）(2)

(3)(4)(5)器件品种：4位并行移位寄存器523.3.4MOS门电路MOS电路的特点：2.是电压控制元件，静态功耗小。3.允许电源电压范围宽（318V）。4.扇出系数大，抗噪声容限大。优点1.工艺简单，集成度高。缺点：工作速度比TTL低。53CMOS，ECL器件型号组成符号意义CC4025M

温度范围：-55℃~+125℃器件品种：3输入与非门器件系列中国制造CMOS器件示例：CE10131器件品种:双主从D触发器器件系列中国制造ECL器件(1)(2)(3)(4)

(1)