第2章 集成逻辑门电路

1第2章集成逻辑门电路基本要求了解集成逻辑门电路的分类方法及不同类型逻辑门的特点。了解TTL与非门、三态门的工作原理及其应用。熟悉TTL与非门的传输特性和主要技术参数。了解CMOS与非门、或非门、传输门等集成逻辑门的工作原理和使用规则。2第2章集成逻辑门电路---分类1、集成逻辑门电路的分类

以晶体管为开关元件（双极型逻辑门电路）。常见的有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。

以MOS管为开关元件（单极型逻辑门电路）。常见的有CMOS、NMOS、PMOS等类型。其中，使用最为广泛的是TTL电路和CMOS电路。3第2章集成逻辑门电路---分类①TTL门电路●构成：晶体管—晶体管逻辑（Transistor-TransistorLogic），由双极型三极管构成。●特点：速度高（导电性强）驱动能力强（容易驱动）功耗大（易发热）集成度低（电流型）主要应用于中、小规模集成电路中4第2章集成逻辑门电路---分类●分类：74（商用）和54（军用）两大系列

74系列：

74系列：标准TTL（StandardTTL）。

74H系列：高速TTL（High-speedTTL）。

74S系列：肖特基TTL（SchottkyTTL）。

74LS系列：低功耗肖特基TTL（Low-powerSchottkyTTL）。具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。

54系列：功能编号相同的54系列芯片与74系列芯片的功能完全相同，只是电源和温度的适应范围军用系列要优于商用系列。5第2章集成逻辑门电路---分类②CMOS门电路●构成：互补型，金属—氧化物—半导体场效应管（ComplementaryMetal-OxideSemiconductorFET）●特点：集成度高功耗低制作工艺简单速度慢、抗静电能力差主要应用于大规模集成电路中6第2章集成逻辑门电路---分类●分类：4000系列、74C系列和硅—氧化铝系列等三大类

4000系列：7第2章集成逻辑门电路---分类

74C系列：

74C（5V）：

74HC和74HCT：高速CMOS（High-speedCMOS），T表示与TTL直接兼容。

74AC和74ACT：先进CMOS（AdvancedCMOS）。

74AHC和74AHCT：先进高速CMOS（AdvancedHigh-speedCMOS）。

74C（3V）：

74LVC：低压CMOS（Low-voltageCMOS）。

74ALVC：先进低压CMOS（AdvancedLow-voltageCMOS）。8第2章集成逻辑门电路---TTL2、TTL集成逻辑门电路①晶体二极管及其单方向导电特性●物体划分成导体和绝缘体两大类。●半导体：同时具备导体和绝缘体两种特性，其特性取决于在物体两端所施加电压的方向。当在一个方向上有正的电压（例如0.7V）存在时，可以允许电流流过（如上图所示），此时该物体表现出导体的特性；而在相反的方向上施加一定大小的电压时，该物体中不会产生电流，表现出绝缘体的特性，制作出的器件被称为二极管。

9第2章集成逻辑门电路---TTL②晶体三极管和反相器电路●三极管：集电极（c）、基极（b）和发射极（e）。工作原理：

输入高电平>0.7V，三极管饱和导通，使输出电平≈

0V，饱和压降Vces≈0.3v。输入低电平=0V,三级管截止，使输出电平≈

5V。这已经构成了反相器线路，完成逻辑取反功能。10第2章集成逻辑门电路---TTL●TTL与非门（反相器电路）

TTL与非门的基本结构cebbcebcebce都为高电平反向截止101011第2章集成逻辑门电路---TTL

TTL与非门工作原理假设3V为高电平输入，0V为低电平输入，T1-T4，D1和D的正向导通电压均为0.7V。

输入全为高电平3V（Ua=Ub=3V)

►加上高电平Vcc，T1（集电极），T2和T4导通，

Ub1=UD1+Ube2+Ube4=0.7+0.7+0.7=2.1V<3V►T1截止（发射极），T2和T4导通，Uo=Uces4=0.3V

►T3和D截止，Ue2=Ube4=0.7VUc2=Ube4+Uces2=0.7+0.3=1V

输入至少有一个低电平0V

►Ub1=0.7,T2和T4截止，Uc2≈5V，T3和D导通，Uo=5-0.7-0.7=3.6V12第2章集成逻辑门电路---TTL③与非门电压传输特13第2章集成逻辑门电路---TTL④主要技术参数●输出高电平UOHTTL与非门的一个或几个输入端为低电平时的输出电平。对应于电压传输特性曲线AB段（截止区）的输出电压。●标准高电平USH=2.4V：UOH≥USH（2.4V）。●输出低电平UOLTTL与非门的输入端全为高电平时的输出电平。对应于电压传输特性曲线DE段（饱和区）的输出电压。●标准低电平USL=0.4V：UOL≤USL

（0.4V）。14第2章集成逻辑门电路---TTL●阈值电压UT：又称门槛电压。指电压传输特性上转折区中点C所对应的输入电压，可以将UT看成是输出低电平和输出高电平的分界线。通常UT≈1.3V。●开门电平UON

为保证输出电平达到标准低电平USL时所允许输入高电平的最低值，即只有当UI＞UON时，输出才为低电平。通常UON=1.4V，产品规范值UON≤1.8V。●关门电平UOFF

为保证输出电平达到标准高电平USH时所允许输入低电平的最大值，即只有当UI≤UOFF时，输出才是高电平。通常UOFF≈1V，产品规范值UOFF≥0.8V。15第2章集成逻辑门电路---TTL●低电平噪声容限UNL

在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压（正向干扰），UNL=UOFF-UIL。●高电平噪声容限UNH

在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压（负向干扰），UNH=UIH-UON。16第2章集成逻辑门电路---TTL●扇入系数NI

扇入系数是指门的输入端数，一般NI≤5，最多不超过8。●扇出系数NO

是指在保证门电路输出正确的逻辑电平和不出现过功耗的前提下，一个门能驱动同类型门的个数。输出低电平（灌电流）时的扇出系数：NOL=IOL/IIL

输出高电平（拉电流）时的扇出系数：NOH=IOH/IIH

一般情况下，NOL≠NOH

，在工程设计中应取两者中的较小值。17第2章集成逻辑门电路---TTL●灌电流负载输出低电平时的扇出系数NOL=IOL/IIL18第2章集成逻辑门电路---TTL●拉电流负载输出高电平时的扇出系数NOH=IOH/IIH19第2章集成逻辑门电路---TTL●传输延迟时间由于门电路中晶体管的状态转换需要花费一定的时间，门电路的输出信号的变化通常滞后于输入信号的变化，如图所示。传输延迟时间是衡量门电路开关速度的重要指标，它表征输出信号滞后于输入信号的时间。一般TTL与非门的tpd约为6—15ns。导通延迟时间tPHL：输出电压由高电平跳变为低电平的传输延迟时间。截止延迟时间tPLH：输出电压由低电平跳变为高电平的传输延迟时间。传输延迟时间tpd：

tPLH和tPHL的平均值，即：

20第2章集成逻辑门电路---TTL⑤TTL集成与非门74LS0074LS2021第2章集成逻辑门电路---TTL3、TTL三态门

构成：TTL三态门(Three-StateLogic)简称TSL门，它是在普通门的基础上，增加使能控制信号和控制电路构成的。

工作原理：当E=1时，电路的输出状态完全取决于输入变量A、B，实现与非逻辑关系，输出高电平或低电平。当控制端E=0时，输出端开路，电路处于高阻状态。22第2章集成逻辑门电路---TTL应用：实现数据双向传输构成数据总线用作多路开关23第2章集成逻辑门电路---TTL4、TTL逻辑门多余输入端的处理问题目的：避免干扰信号

与门和与非门：将多余的输入端固定在一高电平上，例如都接到电源的正端，如图（b）。或者与信号输入端并联在一起，如图（a）。

或门、或非门：将多余的输入端固定在一低电平上，例如都接地，如图（c）。或者与信号输入端并联在一起，如图（d）。24第2章集成逻辑门电路---CMOS5、MOS场效应管回顾25第2章集成逻辑门电路---CMOS6、CMOS反相门工作原理：（假设开启电压UTN和UTP为2~5V，UDD>UTN+UTP）当Ui=0V时，TN管截止，TP导通，UY=≈UDD，即输出为高电平，等效电路如图（b）所示。当Ui=UDD时，TN导通，TP截止。UY=≈0，即输出为低电平，等效电路如图（c）所示。26第2章集成逻辑门电路---CMOS7、CMOS与非门

工作原理：当输入A、B中有一个或全为高电平时，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出UL≈0为低电平。当输入A、B全为低电平时，TP1和TP2均导通，TN1和TN2均截止，输出UL=≈UDD为高电平。00127第2章集成逻辑门电路---CMOS8、CMOS传输门

工作原理：当C＝0、C=1时，即C端为低电平0V、C端为高电平VDD时，TN和TP截止，输入端和输出端之间相当于开关断开。当C＝1、C=0时，即C端为高电平VDD、C端为低电平0V时，TN和TP至少有一个导通，输入和输出之间相当于开关接通，输出UO＝Ui28第2章集成逻辑门电路---CMOS9、CMOS门电路的使用规则①对电源的要求：

CMOS电路的工作电压范围一般在8～12V之间，通常取VDD=12V。

VDD与VSS绝对不允许接反，否则内部电路可能因过流而损坏。②对输入端的要求：为保护输入级MOS管氧化层不被击穿，一般CMOS电路输入端都应设二极管保护网络。多余输入端不允许悬空，可以并联使用，或根据逻辑关系的要求把多余的输入端接地或接高电平。③对输出端的