數(shù)字電子技術(shù)集成門電路

1、 2.1 概述 2.2 TTL 集成門電路 2.3 CMOS集成門電路 本章小結(jié) 習(xí)題返回主目錄第2章 集成門電路第2 章 集 成 門 電 路 集電路是構(gòu)成數(shù)字電路的根本單元。 2.1概述 邏輯門電路是指能夠?qū)崿F(xiàn)各種根本邏輯關(guān)系的電路， 簡(jiǎn)稱“門電路或邏輯元件。 最根本的門電路是與門、或門和非門。利用與、或、非門就可以構(gòu)成各種邏輯門。在邏輯電路中, 邏輯事件的是與否用電路電平的高、低來(lái)表示。 假設(shè)用1代表低電平、0代表高電平，那么稱為負(fù)邏輯。 集成門按內(nèi)部有源器件的不同可分為兩大類：一類為雙極型晶體管集成電路，主要有晶體管TTL邏輯、射極耦合邏輯ECL和集成注入邏輯I2L等幾種類型；另一類為單

2、極型MOS集成電路，包括NMOS、 PMOS和CMOS等幾種類型。常用的是TTL和CMOS集成電路。 集成門電路按其集成度又可分為：小規(guī)模集成電路(SSI)、中規(guī)模集成電路MSI、大規(guī)模集成電路LSI和超大規(guī)模集成電路VLSI。 【思考題】 1. 在數(shù)字電路中，用什么符號(hào)來(lái)表示對(duì)立的兩個(gè)狀態(tài)？何為正邏輯? 何為負(fù)邏輯？ 2. 什么是邏輯門？ 根本邏輯門指哪幾種邏輯門？2.2 TTL 集成門電路2.2.1 TTL與非門的工作原理2.2.2 TTL與非門的外特性與參數(shù)2.2.3 TTL與非門產(chǎn)品介紹2.2.4 TTL與非門的改進(jìn)電路2.2.5 TTL門電路的其他類型2.2.6 TTL集成門電路使用

3、本卷須知2.2 TTL集成門電路圖2.1是一個(gè)由與非門構(gòu)成的多數(shù)表決器。 圖21 多路表決器邏輯圖表21 多路表決器真值表 電路輸入輸出間邏輯關(guān)系如表21所示 A B CY 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 00010111 2.2.1TTL與非門的工作原理 1 電路組成 如圖2.2所示由輸入級(jí)、 中間級(jí)和輸出級(jí)三局部組成的。 圖 2.2 TTL集成與非門電路圖及邏輯符號(hào) (a) 電路； (b) 符號(hào)圖 2.3 多發(fā)射極晶體管及其等效形式(a) 多發(fā)射極晶體管； (b) 等效形式 (1) 輸入級(jí)。 輸入級(jí)由多發(fā)射極管T1和電阻R1組

4、成。其作用是對(duì)輸入變量A、B、C實(shí)現(xiàn)邏輯與，從邏輯功能上看，圖2.3a所示的多發(fā)射極三極管可以等效為圖2.3b所示的形式。 (2) 中間級(jí)。 中間級(jí)由T2、 R2和R3組成。T2的集電極和發(fā)射極輸出兩個(gè)相位相反的信號(hào)，作為T3和T5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 (3) 輸出級(jí)。 輸出級(jí)由T3、T4、T5和R4、R5組成，這種電路形式稱為推拉式電路。 2. 工作原理 (1) 輸入全部為高電平。當(dāng)輸入A、 B、 C均為高電平，即UIH = 3.6 V時(shí)，T1的基極電位足以使T1的集電結(jié)和T2、T5的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。而T2的集電極壓降可以使T3導(dǎo)通， 但它不能使T4導(dǎo)通。T5由T2提供足夠的基極電流而處于飽和狀態(tài)。 因

5、此輸出為低電平: UO=UOL=UCE50.3 V(2) 輸入至少有一個(gè)為低電平。當(dāng)輸入至少有一個(gè)A端為低電平，即UIL = 0.3V時(shí)，T1與A端連接的發(fā)射結(jié)正向?qū)ǎ瑥膱D2.3(b)中可知，T1集電極電位UC1使T2、T5均截止，而T2的集電極電壓足以使T3，T4導(dǎo)通。因此輸出為高電平： UO=UOHUCC-UBE3-UBE4=5-0.7-0.7=3.6 V 綜上所述，當(dāng)輸入全為高電平時(shí)，輸出為低電平，這時(shí)T5飽和，電路處于開門狀態(tài)；當(dāng)輸入端至少有一個(gè)為低電平時(shí)，輸出為高電平，這時(shí)T5截止，電路處于關(guān)門狀態(tài)。即輸入全為時(shí)， 輸出為；輸入有時(shí)，輸出為。由此可見，電路的輸出與輸入之間滿足與非邏

6、輯關(guān)系，即 1. 電壓傳輸特性 TTL與非門電壓傳輸特性是表示輸出電壓UO隨輸入電壓UI變化的一條曲線， 電壓傳輸特性曲線大致分為四段：如圖2.4所示。 2.2.2 TTL與非門的外特性與參數(shù)圖 2.4TTL與非門電壓傳輸特性a 測(cè)試電路示意圖; b 曲線 1 AB段。 輸入電壓UI0.6 V時(shí)，T1工作在深度飽和狀態(tài)，UCES10.1V, UB20.7V,故T2、T5截止，T3、T4導(dǎo)通，UO3.6 V為高電平。與非門處于截止?fàn)顟B(tài)，所以把AB段稱截止區(qū)。 2BC段。輸入電壓 0.6VUI1.3 V時(shí)，0.7VUB21.4V ，T2開始導(dǎo)通，T5仍未導(dǎo)通，T3、T4處于射極輸出狀態(tài)。隨UI的增

7、加，UB2增加， UC2下降，并通過T3、 T4使UO也下降。因?yàn)閁O根本上隨UI的增加而線性減小， 故把BC段稱線性區(qū)。 3 CD段。輸入電壓1.3VUI1.4V時(shí)，T5開始導(dǎo)通，并隨UI的增加趨于飽和。使輸出UO為低電平。所以把CD段稱轉(zhuǎn)折區(qū)或過渡區(qū)。 (4) DE段。當(dāng)UI1.4V時(shí), T2、T5飽和，T4截止，輸出為低電平。與非門處于飽和狀態(tài)。 所以把DE段稱飽和區(qū)。 2. 主要參數(shù) 1輸出高電平UOH和輸出低電平UOL。電壓傳輸特性曲線截止區(qū)的輸出電壓為UOH，飽和區(qū)的輸出電壓為UOL。一般產(chǎn)品規(guī)定UOH2.4V，UOL0.4 V。 2 閾值電壓Uth。電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對(duì)

8、應(yīng)的輸入電壓為Uth，也稱門檻電壓。一般TTL與非門的Uth 1.4V。 3關(guān)門電平UOFF和開門電平UON。保證輸出電平為額定高電平2.7V左右時(shí)，允許輸入低電平的最大值， 稱為關(guān)門電平UOFF。通常UOFF1V , 一般產(chǎn)品要求UOFF0.8 V。 保證輸出電平到達(dá)額定低電平0.3V時(shí)，允許輸入高電平的最小值，稱為開門電平UON。通常UON1.4V，一般產(chǎn)品要求UON1.8 V。 4 噪聲容限UNL、UNH。在實(shí)際應(yīng)用中，由于外界干擾、電源波動(dòng)等原因，可能使輸入電平UI偏離規(guī)定值。為了保證電路可靠工作，應(yīng)對(duì)干擾的幅度有一定限制，稱為噪聲容限。它是用來(lái)說明門電路抗干擾能力的參數(shù)。 低電平噪聲

9、容限是指在保證輸出為高電平的前提下，允許疊加在輸入低電平UIL上的最大正向干擾或噪聲電壓。用UNL表示: UNL = UOFF - UIL 高電平噪聲容限是指在保證輸出為低電平的前提下，允許疊加在輸入高電平UIH上的最大負(fù)向干擾或噪聲電壓。 用UNH表示： UNH = UIH - UON (5) 輸入短路電流IIS。當(dāng)UI=0時(shí)，流經(jīng)這個(gè)輸入端的電流稱為輸入短路電流IIS。在如圖2.5所示電路中， IIS= -1.4 mA輸入短路電流的典型值約為-1.5mA。 圖 2.5 IIS的計(jì)算 (6) 輸入漏電流IIH。當(dāng)UIUth時(shí), 流經(jīng)輸入端的電流稱為輸入漏電流IIH， 即T1倒置工作時(shí)的反向漏

10、電流。其值很小，約為10A。 (7) 扇出系數(shù)N。扇出系數(shù)是以同一型號(hào)的與非門作為負(fù)載時(shí)，一個(gè)與非門能夠驅(qū)動(dòng)同類與非門的最大數(shù)目，通常N8。 8平均延遲時(shí)間tpd。平均延遲時(shí)間指輸出信號(hào)滯后于輸入信號(hào)的時(shí)間，它是表示開關(guān)速度的參數(shù)， 如圖2.6所示 從輸入波形上升沿的中點(diǎn)到輸出波形下降沿中點(diǎn)之間的時(shí)間稱為導(dǎo)通延遲時(shí)間 tPHL；從輸入波形下降沿的中點(diǎn)到輸出波形上升沿的中點(diǎn)之間的時(shí)間稱為截止延遲時(shí)間tPLH, 所以TTL與非門平均延遲時(shí)間為tpd= (tPHL+tPLH) 一般, TTL與非門tpd為340ns。表 2.2 常用TTL門電路型號(hào) 2.2.3 TTL與非門產(chǎn)品介紹 局部常用中小規(guī)模

11、TTL門電路的型號(hào)及功能如表2.2所示。 型 號(hào) 邏 輯 功 能 74LS00 74LS10 74LS20 74LS30四-2輸入與非門三-3輸入與非門二-4輸入與非門8輸入與非門圖 2.774LS00、 74LS20管腳圖 圖2. 7所示是74LS00及74LS20管腳排列示意圖。 表 2.3 TTL器件型號(hào)組成的符號(hào)及意義 TTL器件型號(hào)由五局部組成， 其符號(hào)和意義如表2.3所示。 第 1 部 分 第 2 部 分第 3 部 分第4 部 分 第5部分型號(hào)前級(jí)工作溫度符號(hào)范圍器件系列器件品種封裝形式符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義CT SN中國(guó)制造的TTL類美國(guó)TEXAS公司5474-

12、55+125V 0+70 HSLSASALSFAS標(biāo)準(zhǔn)高速肖特基低功能肖特基先進(jìn)肖特基先進(jìn)低功能肖特基快捷肖特基阿拉伯?dāng)?shù)字器件功能WBFDPJ陶瓷扁平封裝扁平全密封扁平陶瓷雙列直播塑料雙列直播黑陶瓷雙列直播例如:CT 74 H 10 F 封裝形式： 全密封扁平封裝 器件品名： 三3輸入與非門 器件系列： 高速 溫度范圍： 0+70 中國(guó)制造: TTL器件_ 2.2.4TTL與非門的改進(jìn)電路 改進(jìn)型TTL與非門, 如圖 2.8 所示。 圖 2.8 各種系列的TTL門電路 LS系列TTL門tpd5ns，而功耗2mW，因而得到廣泛應(yīng)用。 我國(guó)TTL集成電路目前有CT54/74普通、T54/74H高速

13、、 CT54/74S肖特基和CT54/74LS(低功耗等四個(gè)系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的集成門電路。它們的主要性能指標(biāo)如表2.4所示。在TTL門電路中，無(wú)論是哪一種系列，只要器件品名相同, 那么器件功能就相同，只是性能不同。 表2.4 TTL各系列集成門電路主要性能指標(biāo) 電路型號(hào)參數(shù)名稱CT74系列CT74H系列CT745系列CT74LS系列電源電壓/V5555UOH(MIN)/V2.42.42.52.5UOL(MAX)/V0.40.40.50.5邏輯擺幅3.33.33.43.4每門功耗1022192每門傳輸延時(shí)10639.5最高工作頻率355012545扇出系數(shù)10101020抗干擾能力一般一般好好 2.

14、2.5TTL門電路的其他類型 TTL門電路除與非門之外， 還有許多種門電路， 1. 集電極開路門OC門 在實(shí)際使用中，可直接將幾個(gè)邏輯門的輸出端相連，這種輸出直接相連，實(shí)現(xiàn)輸出與功能的方式稱為線與。圖2.9所示為實(shí)現(xiàn)線與功能的電路。即 Y=Y1Y2 但是普通TTL與非門的輸出端是不允許直接相連的， 因?yàn)楫?dāng)一個(gè)門的輸出為高電平Y(jié)1，另一個(gè)為低電平Y(jié)2時(shí)， 將有一個(gè)很大的電流從UCC經(jīng)Y1到Y(jié)2，到導(dǎo)通門的T5管，如圖2.10所示。圖2.9 與非門的線與連接圖 2.10TTL與非門直接線與的情況圖 2.11OC門電路 OC(Open Collector)門， 其電路及符號(hào)如圖2.11所示。 圖 2

15、.12OC門線與邏輯 T5的集電極是斷開的，必須經(jīng)外接電阻RL接通電源后，電路才能實(shí)現(xiàn)與非邏輯及線與功能。 圖2.12是實(shí)現(xiàn)線與邏輯的OC門， 其邏輯表達(dá)式為圖 2.13 RL的選取 外接電阻RL的選取。 假設(shè)有n個(gè)OC門接成線與的形式，其輸出負(fù)載為m個(gè)TTL與非門，如圖2.13所示。 當(dāng)所有OC門都為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，輸出電壓UO為高電平，為保證輸出的高電平不低于規(guī)定值，RL不能太大。根據(jù)圖2.13a所示的情況，RL的最大值為式中, n為OC門并聯(lián)的個(gè)數(shù)，m為并聯(lián)負(fù)載門的個(gè)數(shù)，IOH為OC門輸出管截止時(shí)的漏電流，IIH為負(fù)載門輸入端為高電平時(shí)的輸入漏電流。 式中, ILmax是導(dǎo)通OC門所允許的最

16、大漏電流，IIS為負(fù)載門的輸入短路電流。 綜合以上兩種情況，RL的選取應(yīng)滿足： RLminRLRLmax為了減少負(fù)載電流的影響，RL值應(yīng)選接近RLmin的值。圖 2.14 三態(tài)門電路、 符號(hào) 2. 三態(tài)門TSL門 三態(tài)門，是指邏輯門的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)高阻狀態(tài)或稱禁止?fàn)顟B(tài)的門電路，簡(jiǎn)稱TSL(Tristate Logic)門。電路如圖2.14(a)所示。 E為控制端或稱使能端。 當(dāng)E1時(shí)，二極管D截止，TSL門與TTL門功能一樣： 當(dāng)E0時(shí)，T1處于正向工作狀態(tài)，促使T2、T5截止， 同時(shí), 通過二極管D使T3基極電位鉗制在V左右，致使T4也截止。這樣T4、T5都截止

17、，輸出端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。 TSL門中控制端E除高電平有效外，還有為低電平有效的，這時(shí)的電路符號(hào)如圖2.14(c)所示。 圖 2.15 三態(tài)門的應(yīng)用舉例 三態(tài)門的主要用途是實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)或控制信號(hào)的總線傳輸，如圖2.15所示。 2.2.6TTL集成門電路使用本卷須知 在使用TTL集成門電路時(shí)， 應(yīng)注意以下事項(xiàng)： (1) 電源電壓UCC應(yīng)滿足在標(biāo)準(zhǔn)值5V+10%的范圍內(nèi)。 (2) TTL電路的輸出端所接負(fù)載，不能超過規(guī)定的扇出系數(shù)。 (3) 注意TTL門多余輸入端的處理方法。 1. 與非門 與非門多余輸入端的三種處理方法如圖2.16所示。圖 2.16與非門多余輸入端的處理方法(a) 接電源; (b)

18、通過R接電源; c 與使用輸入端并聯(lián)圖 2.17或非門多余輸入端的處理方法(a) 接地; (b) 通過R接地; c 與使用輸入端并聯(lián) 2. 或非門 或非門多余輸入端的三種處理方法如圖2.17所示。 【思考題】 1. TTL與非門多余輸入端應(yīng)如何處理？或門、或非門、與或非門多余輸入端應(yīng)如何處理？ 2. 什么是“線與？普通TTL門電路為什么不能進(jìn)行“線與？ 3. 三態(tài)門輸出有哪三種狀態(tài)？ 為保證接至同一母線上的許多三態(tài)門電路能夠正常工作的必要條件是什么？2.3.1 CMOS門電路2.3.2 CMOS門電路系列及型號(hào)的命名法2.3.3 CMOS集成電路使用本卷須知2.3.4 CMOS電路與TTL電路

19、的連接2.3 CMOS集成門電路2.3CMOS集成門電路 MOS集成邏輯門是采用MOS管作為開關(guān)元件的數(shù)字集成電路。 它具有工藝簡(jiǎn)單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、 功耗低等優(yōu)點(diǎn)，MOS門有PMOS、 NMOS和CMOS三種類型， CMOS電路又稱互補(bǔ)MOS電路，它突出的優(yōu)點(diǎn)是靜態(tài)功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好、開關(guān)速度高，是性能較好且應(yīng)用較廣泛的一種電路。 2.3.1CMOS門電路 1. 與非門 圖2.18是一個(gè)兩輸入的CMOS與非門電路。 當(dāng)A、B兩個(gè)輸入端均為高電平時(shí)，T1、T2導(dǎo)通，T3、 T4截止，輸出為低電平。 當(dāng)A、B兩個(gè)輸入端中只要有一個(gè)為低電平時(shí)，T1、T2中必有一個(gè)截止，T3

20、、T4中必有一個(gè)導(dǎo)通， 輸出為高電平。 電路的邏輯關(guān)系為圖 2.18 CMOS與非門 2. 或非門 CMOS或非門電路如圖2.19所示。當(dāng)A、B兩個(gè)輸入端均為低電平時(shí)，T1、T2截止，T3、T4導(dǎo)通，輸出Y為高電平；當(dāng)A、B兩個(gè)輸入中有一個(gè)為高電平時(shí)，T1、T2中必有一個(gè)導(dǎo)通，T3、T4中必有一個(gè)截止，輸出為低電平。 電路的邏輯關(guān)系為圖 2.19CMOS或非門圖 2.20CMOS傳輸門 3. CMOS傳輸門 傳輸門是數(shù)字電路用來(lái)傳輸信號(hào)的一種根本單元電路。其電路和符號(hào)如圖2.20所示， 當(dāng)控制信號(hào)C=1UDD( =0)時(shí)， 輸入信號(hào)UI接近于UDD，那么UGS1-UDD，故T1截止，T2導(dǎo)通；

21、如輸入信號(hào)UI接近0，那么T1導(dǎo)通，T2截止；如果UI接近UDD/2，那么T1、T2同時(shí)導(dǎo)通。所以，傳輸門相當(dāng)于接通的開關(guān)，通過不同的管子連續(xù)向輸出端傳送信號(hào)。 反之，當(dāng)C=0 =1時(shí)，只要UI在0UDD之間，那么T1、T2都截止，傳輸門相當(dāng)于斷開的開關(guān)。 因?yàn)镸OS管的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，源極和漏極可以互換使用，所以CMOS傳輸門具有雙向性，又稱雙向開關(guān)，用TG表示。 2.3.2CMOS門電路系列及型號(hào)的命名法 CMOS邏輯門器件有三大系列: 4000系列、74C系列和硅氧化鋁系列。 1. 4000系列 表2.5列出了4000系列CMOS器件型號(hào)組成符號(hào)及意義。表2.5 CMOS器件型號(hào)組成符號(hào)及

22、意義第1部分第2部分第3部分第4部分產(chǎn)品制造單位器件系列器件品種工作溫度范圍符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義CCCDTC中國(guó)制造的類型美國(guó)無(wú)線電公司產(chǎn)品日本東芝公司產(chǎn)品4045145系列符號(hào)阿拉伯?dāng)?shù)字器件功能CERM070-4085-5585-55125表2.6 幾家國(guó)外公司CMOS產(chǎn)品代號(hào)表2.6列出了國(guó)外主要生產(chǎn)公司的產(chǎn)品代號(hào)。 國(guó)別公司名稱 簡(jiǎn) 稱型號(hào)前綴美國(guó)美國(guó)無(wú)線電公司摩托羅拉公司國(guó)家半導(dǎo)體公司德克薩斯儀器公司RCAMOTANSCTICDMCCDTP日本東芝公司日立公司富士通公司TOSJTCHDMB荷蘭飛利浦公司HFE加拿大密特爾公司MD 例如： CC 40 30 R 表示溫度范圍：

23、 -55 85 表示器件品種： 四- 2輸入異或門 表示器件系列代號(hào) 表示中國(guó)制造的CMOS器件 2. 74C系列 74C系列有：普通74C系列、高速M(fèi)OS74HC/HCT系列及先進(jìn)的CMOS74AC/ACT系列。_ 2.3.3 CMOS集成電路使用本卷須知 TTL電路的使用本卷須知， 一般對(duì)CMOS電路也適用。因CMOS電路容易產(chǎn)生柵極擊穿問題，所以要特別注意以下幾點(diǎn)： (1) 防止靜電損失。 存放CMOS電路不能用塑料袋，要用金屬將管腳短接起來(lái)或用金屬盒屏蔽。工作臺(tái)應(yīng)當(dāng)用金屬材料覆蓋并應(yīng)良好接地。焊接時(shí)，電烙鐵殼應(yīng)接地。 (2) 多余輸入端的處理方法。 CMOS電路的輸入阻抗高，易受外界干

24、擾的影響，所以CMOS電路的多余輸入端不允許懸空。多余輸入端應(yīng)根據(jù)邏輯要求或接電源DD(與非門、 與門，或接地或非門、或門，或與其他輸入端連接。 2.3.4CMOS電路與TTL電路的連接 1. TTL電路驅(qū)動(dòng)CMOS電路 (1) 當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)4000系列和HC系列CMOS時(shí)，如電源電壓UCC與UDD均為5V時(shí)，TTL與CMOS電路的連接如圖2.21a所示。2 2 1圖 TTL-CMOS電路的接 UCC與UDD不同時(shí)，TTL與CMOS電路的連接方法如圖2.21b所示。還可采用專用的CMOS電平轉(zhuǎn)移器如CC4502、CC40109等完成TTL對(duì)CMOS電路的接口，電路如圖2.21c所示。 (2) 當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)HCT系列和ACT系列的CMOS門電路時(shí)，因兩類電路性能兼容，故可以直接相連，不需要外加元件和器件。 圖 2.22CMOSTTL電路的接口 2. CMOS電路驅(qū)動(dòng)TTL電路 CMOS和TTL電路的連接，如圖2.22所示。 【思考題】 1. CMOS門電路有什么優(yōu)、 缺點(diǎn)？ 2. TTL與CMOS邏輯如何解決“接口問題？本章小結(jié) 1. 目前普遍使