下篇課題2集成門電路

下篇-課題二集成門電路電子工業(yè)出版社

《電子技術(shù)基礎(chǔ)》2.1半導(dǎo)體元件的開關(guān)特性2.2基本邏輯門2.3TTL集成門電路2.4CMOS集成門電路2.5不同類型集成門電路的接口返回課程總目錄2.1半導(dǎo)體元件的開關(guān)特性2.1.1晶體二極管的開關(guān)特性

1.導(dǎo)通條件及導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn)

在數(shù)字電路中，常常把UD≥0.7V視為硅二極管導(dǎo)通的條件。而且二極管一旦導(dǎo)通，就近似認(rèn)為如同一個(gè)閉合的開關(guān),如圖2.2(a)所示。

2.截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn)在數(shù)字電路中常把UD≤0.5V視為硅二極管的截止條件，而且一旦截止，就近似UD≈0認(rèn)為，如同斷開的開關(guān)，如圖2.2(b)所示。（a）（b）圖2.2硅二極管的導(dǎo)通與截止

UD≧0.7VVD導(dǎo)通UD＜0.5VVD截止

2.1.2晶體管的開關(guān)特性

在數(shù)字電路中，晶體管是最基本的開關(guān)器件，通常工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。

1.飽和導(dǎo)通條件及飽和時(shí)的特點(diǎn)

晶體管的飽和條件是：

IB≥IBS=

晶體管的飽和時(shí)的特點(diǎn)是：UCE=UCES≤0.3V，如同一個(gè)閉合開關(guān)。

2.截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn)晶體管的發(fā)射結(jié)偏置電壓為0V，其基極電流IB=0A，集電極電流為IC=0，UCE=UCC，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，即集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于斷路。2.2基本邏輯門

邏輯門電路是指能實(shí)現(xiàn)一些基本邏輯關(guān)系的電路，簡(jiǎn)稱為“門電路”或“邏輯元件”，是數(shù)字電路的最基本單元。門電路通常有一個(gè)或多個(gè)輸入端，輸入與輸出之間滿足一定的邏輯關(guān)系。實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算的電路稱為基本門電路?；鹃T電路有與門、或門、非門。門電路可以由二極管、晶體管及阻容等分立元器件構(gòu)成，也可由TTL型或CMOS型集成電路構(gòu)成。目前所使用的門電路一般是集成門電路。邏輯關(guān)系邏輯表達(dá)式電路邏輯功能簡(jiǎn)述邏輯符號(hào)與全1出1見0出0或全0出0見1出1非全0出1見1出0

在實(shí)際中可以將上述基本邏輯門電路組合起來(lái)，構(gòu)成常用的復(fù)合邏輯門電路，以實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。覺的復(fù)合門電路有：與非、或非、與或非、異或、同或門等。與非門、或非門、與或非門電路分別是與、或、非3種門電路的串聯(lián)組合。其復(fù)合邏輯電路如圖所示。異或門邏輯電路同或門邏輯電路

邏輯關(guān)系邏輯表達(dá)式邏輯功能簡(jiǎn)述邏輯符號(hào)與非全1出0見0出1或非全0出1見1出0與或非異或相同出0相異出1同或相同出1相異出02.3TTL集成門電路2.3.1TTL集成門電路型號(hào)

TTL電路，即晶體管-晶體管邏輯（Transistor-transistorLogic）電路，該電路的內(nèi)部各級(jí)均由晶體管構(gòu)成。

1.CT54系列和CT74系列根據(jù)工作溫度的不同和電源電壓允許工作范圍的不同，我國(guó)TTL數(shù)字集成電路分為CT54系列和CT74系列兩大類。它們的工作條件如表所示。參數(shù)CT54CT74最小一般最大最小一般最大電源電壓/V4.55.05.54.7555.25工作溫度/℃-552512502570

2.TTL數(shù)字集成電路的子系列

CT54系列和CT74系列的幾個(gè)子系列的主要區(qū)別在它們的平均傳輸延遲時(shí)間tpd和平均功耗這兩個(gè)參數(shù)上。下面以CT74系列為例說明它的各子系列的主要區(qū)別。（1）CT74標(biāo)準(zhǔn)系列。它和CT1000系列相對(duì)應(yīng)，又稱TTL系列，為TTL集成電路的早期產(chǎn)品，屬中速TTL器件。（2）CT74H高速系列。它和CT2000系列相對(duì)應(yīng)，又稱HTTL系列，它為CT74標(biāo)準(zhǔn)系列的改進(jìn)型產(chǎn)品。提高了工作速度和負(fù)載能力。但電路的平均功耗增加了。（3）CT74S肖特基系列。它和CT3000系列相對(duì)應(yīng)，又稱STTL系列，在TTL各子系列中，它的工作速度是很高的，但電路的平均功耗較大。

（4）CT74LS低功耗肖特基系列。它和CT4000系列相對(duì)應(yīng)，又稱LSTTL系列，電路既具有較高的工作速度，又有較低的平均功耗。（5）CT74AS先進(jìn)肖特基系列。又稱ASTTL系列，它是CT74S系列的后繼產(chǎn)品，其電路結(jié)構(gòu)和CT74S系列基本相同。由于電路中的電阻阻值很低，因此，提高了工作速度，其平均傳輸延遲時(shí)間為3ns/門，但平均功耗較大，約為8mW/門。（6）CT74ALS先進(jìn)低功耗肖特基系列又稱ALSTTL系列，它是CT74LS系列的后繼產(chǎn)品。電路中采用了較高的電阻阻值，并通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝和縮小內(nèi)部器件的尺寸，從而降低了電路的平均功耗、提高了工作速度，其平均傳輸延遲時(shí)間約為3.5ns/門，平均功耗約為1.2mW/門。CT74（CT1000）CT74H（CT2000）CT74S（CT3000）CT74LS（CT4000）CT74ASVT74ALStpd平均延遲時(shí)間/每門（ns）10639.533.5P平均功耗/每門（mW）102219281.2Fmax最高工作頻率（MHz）355012545230100系列參數(shù)2.3.2常用TTL集成門

1.TTL與非門

（1）74LS00。74LS00內(nèi)含4個(gè)2輸入與非門。74LS00的邏輯表達(dá)式為：（2）74LS20。74LS20內(nèi)含2個(gè)4輸入與非門。74LS20的邏輯表達(dá)式為：

2.TTL與門（74LS08）

74LS08內(nèi)含4個(gè)2輸入與門。74LS08的邏輯表達(dá)式為：

3.TTL非門

74LS04內(nèi)含6個(gè)非門。74LS04的邏輯表達(dá)式為：

4.TTL或非門

74LS02內(nèi)含4個(gè)2輸入或非門。74LS02的邏輯表達(dá)式為：

5.TTL異或門

74LS86內(nèi)含4個(gè)2輸入異或門。74LS86的邏輯表達(dá)式為：

6.TTLOC門

74LS03內(nèi)含4個(gè)2輸入TTLOC門。74LS86的邏輯表達(dá)式為：

OC門的邏輯符號(hào)如圖2.14所示，其主要用途有：（1）實(shí)現(xiàn)“線與”，如圖2.15所示；（2）驅(qū)動(dòng)顯示；（3）電平轉(zhuǎn)換。

7.三態(tài)輸出門（TSL門）

三態(tài)輸出門的輸出有高阻態(tài)、高電平和低電平3種狀態(tài)，簡(jiǎn)稱三態(tài)門。三態(tài)門有一個(gè)控制端（又稱使能端）EN，三態(tài)門的控制端分高電平有效和低電平有效。EN（控制端）Y（輸出端）EN=1（正常）EN=0Y呈高阻（懸空）（控制端）Y（輸出端）=0（正常）=1Y呈高阻（懸空）2.3.3TTL集成門電路參數(shù)

在使用TTL集成邏輯門時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)主要參數(shù)：

1.輸出高電平UOH和輸出低電平UOH是指輸入端有一個(gè)或幾個(gè)是低電平時(shí)的輸出高電平,典型值是3.6V。UOL是指輸入端全為高電平且輸出端接有額定負(fù)載時(shí)的輸出低電平。典型值是0.3V。對(duì)通用的TTL與非門，UOH≥2.4V，UOL≤0.4V。

2.閾值電壓UTHUTH是理想特性曲線上規(guī)定的一個(gè)特殊界限電壓值，如圖2.17所示。當(dāng)Ui＜UTH時(shí)，輸出高電平UOH保持不變;當(dāng)Ui＞UTH后，輸出很快下降為低電平UOL并保持不變。

3.扇出系數(shù)N0N0是指一個(gè)與非門能帶同類門的最大數(shù)目，它表示與非門帶負(fù)載能力。對(duì)TTL與非門，N0≥8。

4.平均傳輸延遲時(shí)間tpd

與非門工作時(shí)，其輸出脈沖相對(duì)于輸入脈沖將有一定的時(shí)間延遲，如圖2.18所示。從輸入脈沖上升沿的50%處起到輸出脈沖下降沿的50%處止的時(shí)間稱為導(dǎo)通延遲時(shí)間tpd1；從輸入脈沖下降沿的50%處起到輸出脈沖上升沿的50%處止的時(shí)間稱截止延遲時(shí)間tpd2。tpd1和tpd2的平均值稱為平均傳輸延遲時(shí)間tpd。它是表示門電路開關(guān)速度的一個(gè)參數(shù)。tpd愈小，開關(guān)速度就愈快，所以此值愈小愈好。在集成與非門中，TTL與非門的開關(guān)速度比較高。典型值是3～4ns。

5.輸出低電平時(shí)電源電流ICCL和輸出高電平時(shí)電源電流ICCH

ICCL是指輸出為低電平時(shí)，該電路從直流電源吸取的直流電流。

ICCH是指輸出為高電平時(shí)，該電路從直流電源吸取的直流電流，通常ICCH＜ICCL。小知識(shí)

用T400（74LS00）四2輸入與非門構(gòu)成一個(gè)二輸入或門。小問答：

如何用T400（74LS00）四2輸入與非門構(gòu)成一個(gè)二輸入與門和一個(gè)非門？2.3.4TTL集成門電路使用注意事項(xiàng)

（1）TTL輸出端。TTL電路（三態(tài)門除外）的輸出端不允許并聯(lián)使用，也不允許直接與+5V電源或地線相連。否則，將會(huì)使電路的邏輯混亂并損壞器件。（2）TTL輸入端。TTL電路的輸入端外接電阻要慎重，對(duì)外接電阻的阻值有特別要求，否則會(huì)影響電路的正常工作。（3）多余輸入端的處理?；蜷T、或非門等TTL電路的多余輸入端不能懸空，只能接地。與門、與非門等TTL電路的多余輸入端可以做如下處理：①懸空：相當(dāng)于接高電平；②與其他輸入端并聯(lián)使用：可增加電路的可靠性；

③直接或通過電阻（100Ω～10KΩ）與電源相接以獲得高電平輸入，與地相接以獲得低電平輸入。（4）電源濾波電路。一般可在電源的輸入端并接一個(gè)100μF的電容作為低頻濾波用，在每塊集成電路電源輸入端接一個(gè)0.01F～0.1μF的電容作為高頻濾波用，如圖2.20所示。（5）嚴(yán)禁帶電操作。要在電路切斷電源以后，插拔和焊接集成電路電路方塊，否則容易引起電路塊的損壞。2.4CMOS集成門電路2.4.1常見集成門電路型號(hào)

CMOS數(shù)字電路有三個(gè)系列產(chǎn)品：（1）4000B系列。其特點(diǎn)是功耗很小，價(jià)格低,但工作速度較低。（2）40H××系列。其特點(diǎn)是工作速度較高，但品種較少，使用不多（3）74HC××系列。該系列數(shù)字電路是CMOS產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的品種之一。其特點(diǎn)是性能比較優(yōu)越，功耗低，速度高。2.4.2常用CMOS集成門

1.CMOS與非門

CD4011是一種常用的四2輸入CMOS與非門，

2.CMOS與非門反相器

3.CMOS傳輸門

CD4016是一種常用的四2輸4雙向模擬開關(guān)CMOS傳輸門.2.4.3CMOS門電路的特點(diǎn)

CMOS門電路的主要特點(diǎn)是：（1）靜態(tài)功耗低。CMOS門電路工作時(shí)，幾乎不吸取靜態(tài)電流，所以功耗極低。（2）電源電壓范圍寬。從3～18V均可正常工作。（3）抗干擾能力強(qiáng)。輸出高、低電平的差值大。因此CMOS門電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力，工作穩(wěn)定性好。（4）制造工藝較簡(jiǎn)單。（5）集成度高，宜于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。（6）它的缺點(diǎn)是速度比74LS系列低2.4.4CMOS集成門電路使用注意事項(xiàng)

使用CMOS集成門電路應(yīng)注意如下事項(xiàng)。（1）防靜電。應(yīng)注意存放的環(huán)境，防止外來(lái)感應(yīng)電勢(shì)將柵極擊穿。（2）焊接。焊接時(shí)不能使用25W以上的電烙鐵，焊接時(shí)間不宜過長(zhǎng)，焊接量不宜過大。（3）輸入、輸出端。CMOS電路不用的輸入端，不允許懸空,而且容易損壞器件。輸出端不允許直接與UDD或USS連接，否則將導(dǎo)致器件損壞。（4）電源。UDD電源正極，USS接電源負(fù)極（通常接地），不允許反接，在接裝電路、插拔電路器件時(shí)，必須切斷電源，嚴(yán)禁帶電操作。（5）輸入信號(hào)。器件的輸入信號(hào)不允許超出電壓范圍，若不能保證這一點(diǎn)，必須在輸入端串聯(lián)限流電阻起保護(hù)作用。（6）接地。所有測(cè)試儀器，外殼必須良好接地。2.5

不同類型集成門電路的接口

不同類型集成門電路在同一個(gè)數(shù)字電路系統(tǒng)中使用時(shí)，考慮門電路之間的連接問題。門電路在連接時(shí)，前者稱為驅(qū)動(dòng)門，后者稱為負(fù)載門。驅(qū)動(dòng)門必須能為負(fù)載門提供符合要求的高、低電平和足夠的輸入電流，具體條件是：驅(qū)動(dòng)管負(fù)載管

UOH

＞UIHUOL

＜

UILIOH

＞

IIHIOL

＞

IIL2.5.1TTL集成門電路驅(qū)動(dòng)CMOS集成門電路

通過比較TTL系列和CMOS系列