[工学]第3章 集成逻辑门电路.ppt

第3章 集成逻辑门电路,3.1 概述 3.2 TTL与非门 3.3 ECL电路及I2L电路的特点 3.4 CMOS电路 3.5 集成逻辑门电路的使用,3.1 概述,集成电路(Integrated Circuit)就是将所有的元件和连线都制作在同一块半导体基片(芯片)上集成电路分模拟和数字两大类 在数字集成逻辑电路中，常以“门”为最小单位我们可按其“集成度”(一定大小的芯片上所含门的数量多少)分成：,小规模集成电路(SSI：Small Scale Integrating)，一块芯片上含1~50个门 中规模集成电路(MSI：Medium Scale Integrating),一块芯片上含50~100个门 大规模集成电路(LSI：Large Scale Integrating),一块芯片上含100~10000个门 超大规模集成电路(VLSI：Very Large Scale Integrating),一块芯片上含10+4~10+6个门如果集成逻辑门是以双极型晶体管(电子和空穴两种载流子均参与导电)为基础的，则称为双极型集成逻辑门电路它主要有下列几种类型： E晶体管—晶体管逻辑(TTL：Transistor-Transistor Logic)； 高阈值逻辑(HTL：High Threshold Logic)； 射极耦合逻辑(ECL：Emitter Coupled Logic)； 集成注入逻辑(I+2L：Integrated Injection Logic)。

如果集成逻辑门是以单极型晶体管(只有一种极性的载流子：电子或空穴)为基础的，则称为单极型集成逻辑门电路目前应用得最广泛的是金属—氧化物—半导体场效应管逻辑 电路(MOS：Metal Oxide Semiconductor) MOS电路又可分为： PMOS(P沟道MOS)； NMOS(N沟道MOS)； CMOS(PMOS—NMOS互补)3.2 TTL与非门,3.2.1 TTL与非门的典型电路及工作原理 1. TTL与非门的典型电路 图3.2.1是TTL与非门的典型电路，它由三部分组成 输入级：由多发射极管V1和电阻R1组成，完成逻辑上的“与” 中间级：由V2,R2,R3组成由于V2的集电极和发射极为V3,V5提供了两个相位相反的信号，所以这级又称倒相级输出级：由V3,V4,V5,R4,R5组成其中，V5为反相器，V3,V4组成的复合管是V5的有源负载，完成逻辑上的“非”由中间级提供的两个相位相反的信号，使V4、V5总处于一管导通而另一管截止的工作状态这种形式的输出电路称为“推拉式输出”电路，或称“图腾输出” 输出级的特点是：无论输出是高电平还是低电平，输出电阻都比较低这是因为当输出为低电平时，V5饱和，V4截止，输出电阻rO=rCES5，值很小。

当输出为高电平时，V5截止，V3、V4导通，V3、V4工作在射极跟随器状态，输出电阻rO的阻值很小由于电阻rO值很小使得电路带负载的能力增强图3.2.1 TTL与非门的典型电路,2.工作原理 (1)当输入端中任一端为低电平(0.3V)，例如，UA=0.3V(A=0),UB=UC=3.6V(B=C=1)时，V1的B1eA发射结优先导通，V1基极电压Ub1被钳位在 Ub1=UA+UBe1=0.3+0.7=1V 该电压不足以使V1集电结、V2、V5导通，所以V1集电结,V2、V5截止，如图3.2.2所示图3.2.2 A=0时TTL与非门各点电压,因为UR5=Ie3R5UR2=Ib3R2 UR2被忽略，所以V3基极电压为 Ub3≈UCC=5V 为此可求得输出电压UF为 UF=Ub3-Ube3-Ube4=5-0.7-0.7=3.6V 这时电路输出为高电平3.6V(F=1)，符合与非门“有0出1”的逻辑关系输出高电平表明与非门这时可带拉流负载(详见3.2.2节)2)当输入端全部接高电平(3.6V)或悬空时，即UA=UB=UC=3.6V(A=B=C=1)粗看似乎V1的三个e结都正偏，Ub1=4.3V，但因为V1的c结、V2、V5导通饱和的电压是2.1V，故V1的Ub1被钳位在2.1V上，于是V1的三个e结都反偏截止。

电源UCC通过R1,V1的c结向V2、V5提供基流，使V2、V5导通饱和，输出电压UF为 UF=UCES5=0.3V,这时电路输出为低电平0.3V(F=0)，符合与非门“全1出0”的逻辑关系因为 Uc2=UCES2+Ub5=0.3+0.7=1V Ub4=Ue3=Uc2-Ube3=1-0.7=0.3V Ue4=UCES5=0.3V 所以，Ub4=Ue4，V4处于零偏截止状态，致使Ic5≈0，意味着V5处于深饱和状态，允许灌入的负载电流较大，约在十几mA以上输出低电平表明与非门这时可带灌流负载(详见3.2.2节)图3.2.3 A=B=C=1时TTL与非门各点电压,3.2.2 TTL与非门的特性与主要参数 1.电压传输特性及主要参数 1)电压传输特性 电压传输特性是指与非门输出电压uO随输入电压uI变化的关系曲线在图3.2.4(a)的测试电路中，输入端A接可调直流电压UI，其余输入端均接高电平当uI由0渐增时，可测出相应的输出电压uO的值，绘成的曲线就是与非门的电压传输特性曲线，如图3.2.4(B)所示电压传输特性曲线可分成四段： ①ab段(截止区) 0≤uI0.6V,uO=3.6V ②bc段(线性区)。

0.6V≤uI1.3V,uO线性下降 ③cd段(转折区) 1.3V≤uI1.5V, uO急剧下降 ④de段(饱和区) uI≥1.5V, uO =0.3V图3.2.4TTL与非门的电压传输特性(a)测试电路；(B)电压传输特性,2) 主要参数 由电压传输特性可得以下主要参数： (1) 输出高电平UOH和输出低电平UOL我们已经知道，当输入端任一端接低电平时，输出均应为高电平UOH；当输入全为高电平时，输出应为低电平UOL反映在电压传输特性曲线上，UOH就是ab段所对应的输出电压，UOL就是de段所对应的输出电压UOH的典型值为3.6V，UOL的典型值为0.3V考虑到元件参数的差异及实际使用时的情况，手册中规定高、低电平的额定值为UOH=3V,UOL=0.35V有时手册中还对标准高电平(输出高电平的下限值)USH及标准低电平(输出低电平的上限值)USL作出一些规定例如：CT54/74和CT54/74H系列，USH≥2.4V，USL≤0.4VCT54/74S和CT54/74LS系列，USH≥2.7V,USL≤0.5V2)关门电平UOFF和开门电平UON在保证输出电压UOH=2.7V(即额定高电平的90%)的条件下，将允许的最大输入低电平，称为关门电平UOFF。

在保证输出电压UOL=0.35V(额定低电平)的条件下，将允许的最小输入高电平，称为开门电平UONUOFF与UON是很重要的参数，它们反映了电路的抗干扰能力一般 UOFF≥0.8V,UON≤1.8V 另外，为分析方便起见，引入一个阈值电压或称门槛电压UT(Threshold)，UT约为1.4V具体为： 当uIUT时，与非门开门(V5管导通)，输出为低电平图3.2.5 理想电压传输特性,为此，可将电压传输特性曲线理想化，如图3.2.5所示 (3) 抗干扰能力(又称噪声容限Noise Margin) 抗干扰能力是保证与非门在输出状态不变的情况下，允许输入电压偏离规定值的极限，一般以噪声容限值来定量说明 ① 低电平噪声容限UNL当输入UI为低电平时，输出uO应该为高电平如果此时输入端引入了一个正向干扰电压，使uIUOFF，就不能保证输出为高电平了UNL就是为保证与非门输出仍为高电平时，输入端所允许叠加的一个“最大正向干扰电压”由电压传输特性曲线可得： UNL=UOFF-UIL=0.8-0.3=0.5V ②高电平噪声容限UNH同理，UNH就是为保证与非门输出仍为低电平时，输入端所允许叠加的一个“最大负向干扰电压”。

由电压传输特性可得： UNH=UIH-UON=3.6-1.8=1.8V 显然，高电平抗干扰能力比低电平抗干扰能力强为了提高器件的抗干扰能力，要求UNL与UNH尽可能地接近，即尽可能地提高UNL2.输入特性及主要参数 1) 输入特性 输入特性是指与非门输入电压UI和输入电流iI的关系曲线，也称输入伏安特性典型的输入特性曲线如图3.2.6(B)所示其测试电路如图3.2.6(a)所示图3.2.6 TTL与非门的输入特性 (a)测试电路；(b)输入特性,2) 主要参数 由输入特性可得如下主要参数： (1)输入短路电流IIS(Shor-circUit)IIS表示当任何一个输入端接地时流经这个输入端的电流，如图3.2.7所示在输入特性曲线上，它对应于uI=0的输入电流因为这个电流是从输入端流出的，所以在特性曲线上为负值由图3.2.7得：,图 3.2.7,当此与非门是由前级门驱动时，IIS就是流入前级与非门V5管的灌流之一，是前级门的灌流负载 IIS的大小将直接影响前级与非门的工作情况，因此对IIS要有一个限制，例如IIS UT(即输入为高电平)部分的电流值因为此电流是流入门电路的，所以为正值当此与非门是由前级门驱动，且前级门的输出为高电平时，IIH就是前级门的拉流负载，见图3.2.8。

显然， IIH越大，前级门输出级的负载就越重为此对IIH要有一个限制，例如， IIH 50μA IIH是TTL与非门特有的参数 IIS和IIH都是TTL与非门的重要参数，它们是估算前级门带负载能力的依据之一3.负载特性及主要参数 TTL与非门在实际应用时后面总要与其它门电路相连，也即后面总要带负载的TTL与非门带的负载有拉流负载和灌流负载两种 1)输出高电平时的负载特性(拉电流负载特性) 当TTL与非门输出为高电平时，它向负载提供电流，相当于负载从与非门中拉出电流，此负载就称为拉电流负载，如图3.2.8所示图中拉流IOH=NIIH,式中N为所带同类型负载门的个数显然负载RL越小，拉流IOH就越大，前级门输出的高电平UOH也就越低(见注1)为了保证前级门的输出仍为高电平，IOH不能太大一般将输出高电平降到UOH=2.7V时的拉电流定为最大拉流IOHMAX实际应用时拉流约取3mA 注1 IOH↑→UOH↓的原因简述如下： IOH↑→UR4↑→Uc3↓→V3饱和 →β3↓→V3、V4射极跟随器的输出电阻 rO↑→UOH↓ 注2拉流负载可能有两种情况：,图3.2.8 拉电流负载,(1) 当与非门输入端A接高电平，B、C接地时，如图3.2.9(a)所示。

A相对于B、C来讲，分别组成NPN寄生三极管，这时，流过A端的电流IIH就是来自前级的拉流IOH (2)当与非门输入全为高电平时，如图3.2.9(B)所示这时多发射极管工作在倒置放大状态，Ic1=Ib1+Ie1Ie1就是来自前级的IOH，它是流过后级各输入端的IIH之和图3.2.9 IIH的产生 (a)输入端有低电平；(b)输入端全为高电平,2) 输出低电平时的负载特性(灌电流负载特性)当TTL与非门输出为低电平时，负载电流可以灌入TTL与非门的V5管，此负载就称为灌电流负载，如图3.2.10所示图中灌流IOL=NIIS，式中N为所带同类型负载门的个数显然，负载RL越小，灌入前级V5管的灌电流IOL就越大，V5管饱和的程度就会变浅，前级门输出的低电平UOL也就越高为了保证前级门的输出仍为低电平，对IOL也有一个限制一般将输出低电平UOL=0.35V时的灌电流定为最大灌流IOLMAX由于TTL与非门采用推拉式输出，当输出为低电平时，V4的截止使Ic5≈0，V5处于深饱和状态，允许灌入的负载电流较大，约在十几mA以上，所以TTL与非门带灌流负载的能力要比带拉流负载的能力强图3.2.10 灌电流负载,3)主要参数：扇出系数。