數字電路第3章

3.1數字集成電路的分類3.2TTL與非門工作原理3.3CMOS門電路第三章集成門電路各種系列門電路的性能比較數字集成電路型號的命名法TTL與非門的特性與參數集電極開路（OC）門三態(tài)門3.1數字集成電路的分類(一)按工藝結構區(qū)分：1.按工藝區(qū)分IIL電路54/74系列54H/74H系列54LS/74LS系列54AS/74AS系列54ALS/74ALS系列CMOS電路NMOS電路PMOS電路ECL電路HTL電路TTL電路54HC/74HC系列54HTC/74HTC系列4000系列Bi-CMOS型MOS型雙極型2.按輸出結構區(qū)分推拉式輸出或CMOS反向器輸出OC輸出或OD輸出三態(tài)輸出(二)按集成度分類小規(guī)模集成電路(SSI-SmallScaleIntegration)，每片組件內包含10-100個元件(或10-20個等效門)。中規(guī)模集成電路(MSI-MediumScaleIntegration)，每片組件內含100-1000個元件(或20-100個等效門)。大規(guī)模集成電路(LSI-LargeScaleIntegration)，每片組件內含1000-100000個元件(或100-1000個等效門)。超大規(guī)模集成電路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)，每片組件內含100000個元件(或1000個以上等效門)。邏輯門觸發(fā)器譯碼器、數據選擇器加法器、計數器、移位寄存器只讀存儲器、隨機存取存儲器、微處理器、專用數字信號處理器(三)按數字系統(tǒng)設計方法分類1.通用型中規(guī)模（MSI），小規(guī)模（SSI）集成邏輯件。2.由軟件組態(tài)的大規(guī)模（LSI），超大規(guī)模（VLSI）集成邏輯器件，如微處理器、單片機、通用和專用數字信號處理器等。3.專用集成電路ASIC。***全定制半定制PLDPROMPLAPALGALCPLDFPGA3.2.0（回顧）基本邏輯門電路3.2TTL集成邏輯門一、二極管與門和或門電路1．與門電路LAB+VDD3kΩ(+5V)RCC21ABL=AB2．或門電路ABLDD12R3kΩABL=A+B二、三極管非門電路+VALT13RRbCCC(+5V)AL=A開關控制VI控制開關S的斷、通情況。S斷開，VO為高電平；S接通，VO為低電平。

103.6V0V0.8V2V高電平下限低電平上限實際開關為晶體二極管、三極管以及場效應管等電子器件uccV1VoS二極管與門和或門電路的缺點：（1）在多個門串接使用時，會出現低電平偏離標準數值的情況。（2）負載能力差解決辦法：將二極管與門（或門）電路和三極管非門電路組合起來。早期的雙極型集成邏輯門采用的是二極管-三極管的電路(DTL)形式。由于其速度較低，以后發(fā)展成晶體管-晶體管電路(TTL)形式。DTL與非門電路工作原理：（略）（1）當A、B、C全接為高電平5V時，二極管D1～D3都截止，而D4、D5和T導通，且T為飽和導通，VL=0.3V，即輸出低電平。（2）A、B、C中只要有一個為低電平0.3V時，則VP≈1V，從而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即輸出高電平。所以該電路滿足與非邏輯關系，即：一．TTL與非門的基本結構3.2.1TTL與非門的工作原理典型TTL與非門電路3.2.1TTL與非門的工作原理R1V1V2V3e1e2e3cABCV4P1bUCC輸入級中間級輸出級“與”運算輸入級由多發(fā)射極晶體管V1和電阻R1組成，通過V1的各個發(fā)射極實現與邏輯功能。3.2.1TTL與非門的工作原理R1V1V2V3e1e2e3cABCV4P1bUCC中間級由V2、R2、R3組成，其主要作用是從V2管的集電極c2和發(fā)射極e2同時輸出兩個相位相反的信號，分別驅動V3和V5管，來保證V4和V5管有一個導通時，另一個就截止。3.2.1TTL與非門的工作原理輸出級由R4、R5、V3、V4、V5組成，V5是反相器，V3、V4組成復合管構成一個射隨器，作為V5管的有源負載，并與V5組成推拉式電路，使輸出無論是高電平或是低電平，輸出電阻都很小，提高了帶負載能力。3.2.1TTL與非門的工作原理多發(fā)射極晶體管T1

的等效電路1.TTL與非門電路3.2.1TTL與非門的工作原理工作原理設：A=0

B=C=1

0.3V3.6V3.6V

則：VA=0.3V

VB1=0.3+0.7=1VVB2=0.3V所以：T2T5

截止

T3T4

導通結果：VF

=5－UBE3－UBE4

5－0.7－0.7=3.6V

拉電流1V0.3V

DA導通F=1BACABC3.6V3.6V3.6V設：A=B=C=1

即：VA=VB=

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

導通，T4

截止

灌電流則：T2T5飽和DA、DB、DC截止T1集電結正偏VB1=+UBE5=2.1V0.7

UBE2+輸入懸空時相當于1工作原理

綜上所述，當輸入端全部為高電位(3.6V)時，輸出為低電位(0.3V)，這時V5飽和，電路處于開門狀態(tài)；當輸入端至少有一個為低電位(0.3V)時，輸出為高電位(3.6V)，這時V5截止，電路處于關門狀態(tài)。由此可見，電路的輸出和輸入之間滿足與非邏輯關系：TTL與非門各級工作狀態(tài)：輸入V1V2V3V4V5輸出與非門狀態(tài)全部為高電位倒置工作飽和導通截止飽和低電位UOL

開門至少有一個為低電位深飽和截止微飽和導通截止高電位UOH

關門工作原理TTL與非門具有較高的開關速度，主要原因有兩點：

一是由于采用了多射極管V1，它縮短了V2和V5的開關時間，提高了開關速度。二是由于采用了推拉式輸出電路，加速了V5管存儲電荷的消散過程。當V2由飽和轉為截止時，V3和V4導通。由于V3、V4是復合射隨，相當于V5集電極只有很小電阻，此時瞬間電流很大，從而加速了V5管脫離飽和的速度，使V5迅速截止。帶負載能力：由于采用推拉式輸出級，與非門輸出低電平時V5處于深飽和狀態(tài)，輸出電阻很低；而輸出高電平時V3、V4導通，組成射極跟隨器，其輸出電阻也很低，因此無論哪種狀態(tài)輸出電阻都很低，都有很強的帶負載能力。3.2.2TTL與非門的特性與參數BC接高電平UiBCUiUo(V)3.6AB0V≤Ui<0.6VAB段截止區(qū)C0.6V<Ui<1.3VIc2Uc2BC段線形區(qū)2.40.81.3V≤Ui<1.4VCD段轉折區(qū)D1.4V≤UiEDE段飽和區(qū)20.4UoffUoff----關門電平UonUon---開門電平UT---閾值電壓(1.3V)UT1、電壓傳輸特性Uo(V)3.6ABCUoH:2.40.8DE2UoL:0.4UoffUoff----關門電平UonUon---開門電平1輸出0輸出1輸入0輸入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL5V2.4V0.4V0V5V2V0.8V0VUi1、電壓傳輸特性UOUI2、輸入特性&11UiF～I＋I－①輸入短路電流IiS

典型值約為-1.5mA。

②輸入漏電流IiH

Ui＞UT時的Ii

典型值為10μAUi＞7V后T1的ce結將發(fā)生擊穿當Ui<-1V時T1的be結可能燒毀3、輸入負載特性&11Ui≤UoffRoff=0.7kΩRon=2kΩUi≥Uon11RF4、輸出特性①與非門處于開態(tài)時，輸出低電平T5飽和IL灌電流灌電流增大，使V5脫離飽和UOL將很快增加為了保證UOL≤0.35V應使IL≤25mA4、輸出特性②與非門處于關態(tài)時，輸出高電平由于IR5≈ILUOH=UCC-Uces3-Ube4-ILR5T5截止，T3微飽和，T4導通IL拉電流IL＜5mA時T3、V4處于射隨器狀態(tài)當IL＞5mA時，T3進入深飽和負載電流IL≤14mA，允許的最小負載電阻RL約為170Ω

5.扇入系數和扇出系數扇出系數NO是指一個門能驅動同類型門的個數。當TTL門的某個輸入端為低電平時，其輸入電流約等于IIS(輸入短路電流)；當輸入端為高電平時，輸入電流為IIH(輸入漏電流)。而IIS比IIH大得多，因此按最壞的情況考慮，當測出輸出端為低電平時允許灌入的最大負載電流ILmax后，則可求出驅動門的扇出系數NO：6.平均延遲時間tpd輸出電壓由高電平跳變?yōu)榈碗娖降膫鬏斞舆t時間稱為導通延遲時間tPHL，由低電平跳變?yōu)楦唠娖降膫鬏斞舆t時間稱為截止延遲時間tPLH74S系列肖特基系列*將Ubc限制在0.3V左右肖特基抗飽和三極管有源泄放網絡Uo(V)3.6ABC2.70.8DE1.80.3UT普通與非門輸出接地V5截止輸出端接地電流過大燒壞V5普通與非門輸出直接相接門1門2輸出高電平V5截止輸出低電平V4截止ILUoIL從截止門的V4管流到導通門的V5管3.2.4集電極開路門和三態(tài)門一般的TTL門電路：輸出端不能直接和地線或電源線（+5V）相連。兩個TTL門的輸出端不能直接并接在一起。

集電極開路門和三態(tài)門是允許輸出端直接并聯在一起的兩種TTL門，還可以構成線與邏輯和線或邏輯。

集電極開路門又稱OC(OpenCollector)門圖3-13OC門電路集電極開路門集電極開路門線與功能UccRLF上拉電阻RL的選取輸出高電平時，不低于輸出高電平的最小值UOHmin；輸出低電平時，不高于輸出低電平的最大值UOLmaxF=AB·CDILIoHIoH1100IoLIoLUccIRLIoH

IoH

IoH

UoIiH

IiH

IiH

上拉電阻RL的選取輸出高電平時，Oc門截止；不低于輸出高電平的最小值UOHmin；UccIRLIoL

UoIiL

IiL

IiL

3.6V上拉電阻RL的選取IRL=IOLmax-mIiLRLmin=(Ucc-UOLmax)/IRL一個門導通，輸出低電平時，不高于輸出低電平的最大值UOLmaxTTL三態(tài)與非門DF：第三狀態(tài)高阻1V1VT2T5截止二極管D截止VB1=1VVB3=1V二極管D導通EN

=0時

EN=1時T3導通，T4截止0.3VF=ABTTL三態(tài)門三態(tài)非門三態(tài)與門三態(tài)與非門三態(tài)門eF0b1a

線或（Wired-OR）

F=ae+beQuestionF=?ENEND0D1ENG1G2EN=1時G1工作G2高阻數據從D0D1EN=0時G2工作G1高阻數據從D1D0用三態(tài)門實現雙向傳輸三態(tài)門應用于總線DisplayPrinterkeysCPU110Bus三態(tài)門接于總線，可實現數據或信號的輪流傳送00

TTL門電路由晶體管組成，屬雙極型門電路，MOS門電路由場效應管組成，屬單極型門電路，MOS門電路是目前大規(guī)模和超大規(guī)模數字集成電路中應用最廣泛的一種。

MOS門電路分類NMOS電路

PMOS電路

CMOS電路3.3CMOS門電路P溝道N溝道互補對稱結構設：A=0則：T2

導通

T1

截止0F=11設：A=1則：T1

導通

T2

截止F=0F=A1.CMOS反相器*該電路具有反相器的功能。10CMOS門電路是一種互補對稱場效應管集成電路(略）2.CMOS“與非”門電路*P溝道負載管并聯N溝道驅動管串聯設：A=1，B=1則：T1T2

導通

T3T4

截止F=00設：A=0，B=1（不全為1）則：T2T3

導通T1T4截止F=1F=AB負載管和驅動管串聯110113.CMOS“或非”門電路*P溝道負載管串聯N溝道驅動管并聯設：A=0，B=0

0

0則：T3T4導通，T1T2截止

驅動管與負載管串聯F=1設：A=0，B=1

（輸入不全為零時）則：T2T3導通

T1T4截止

F=0F=A+B10注意*：上述分析表明，MOS“與非”門的輸入端越多，串聯的驅動管越多，導通時的總電阻就愈大，輸出低電平值將會因輸入端的增多而提高，對于MOS“或非”門因驅動管并聯，不存在這個問題，因此，MOS門電路中“或非”門用的較多。CMOS電路有以下特點：①靜態(tài)功耗低。②抗干擾能力強。③電源電壓工作范圍寬，電源利用率高（3~18V）。CMOS邏輯門器件有三大系列：①4000系列。②74C××系列。③硅-氧化鋁系列。各種系列門電路的性能比較TTL集成電路：工作速度高、驅動能力強，但功耗大、集成度低；MOS集成電路：集成度高、功耗低。超大規(guī)模集成電路基本上都是MOS集成電路，其缺點是工作速度略低。BiCMOS器件：它由雙極型晶體管電路和MOS型集成電路構成，能夠充分發(fā)揮兩種電路的優(yōu)勢，缺點是制造工藝復雜。各種系列門電路的性能比較*3.4集成門電路使用中的實際問題（了解）1.TTL電路與CMOS電路的接口TTL電路和CMOS電路接口時，無論是用TTL電路驅動CMOS電路還是用CMOS電路驅動TTL電路，驅動門都必須為負載門提供合乎標準的高、低電平和足夠的驅動電流。

1)用TTL電路驅動CMOS電路*①當用TTL電路驅動4000系列和HC系列CMOS電路時，必須設法將TTL電路的輸出高電平提升到3.5V以上。此時可以在TTL電路的輸出端接一個上拉電阻(例如3.3kΩ)至電源UCC(+5V)。此時，CMOS電路相當于一個同類TTL電路的負載。如果CMOS電路的電源較高，TTL的輸出端仍可接一上拉電阻，但需使用集電極開路門(如T1006)電路，如圖3-28(a)所示。應注意，上拉電阻的大小對工作速度有一定的影響，這是由于門電路的輸入和輸出端均存在雜散電容的緣故。上拉電阻的計算與OC門外接上拉電阻的計算方法相同。

*另一種方案是采用一個專用的CMOS電平移動器(例如40109)，它由兩種直流電源UCC和UDD供電，電平移動器接收TTL電平(對應于UCC)，而輸出CMOS電平(對應于UDD)，電路如圖3-28(b)所示。圖3-28TTL與CMOS之間的電平移動(a)采用TTLOC門；(b)采用專用電平移動器TTL1≥1CMOSR110k+UCC(5V)+UDD(3～18V)(a)UCCUDD&