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1、第2章 集成门电路,本章在介绍三极管反相器的结构和参数特点的基础上，详细讨论了TTL反相器的结构、工作原理、主要性能参数、TTL的不同逻辑门，并简单介绍了TTL各种系列的特点。另外，讲述了CMOS门电路的结构、工作原理、主要参数、应用特点及与TTL门电路的接口。,本章要点,2.1 三极管反相器,开关电路,开关电路,高低电平,BJT、FET或二极管,2.1.1 三极管的开关特性,三极管开关电路,BJT作为开关,vI=VIL,三极管截止,vI=VIH,三极管饱和导通,输出高电平,输出低电平,2.1.2 三极管反相器的工作原理,实用的三极管反相器电路,逻辑符号,逻辑表达式,保证三极管可靠截止,2.1
2、.3 三极管的开关时间,三极管开关的动态特性,三极管电路的有关知识可知，当输入信号由高电平变为低电平或由低电平变为高电平时，三极管不可能立即实现从饱和到截止或从截止到饱和的转换。的变化总是落后于的变化，从而的变化也落后于的变化,开启时间,关断时间,2.1.4 三极管反相器的负载能力,三极管反相器的负载能力：指反相器输出端接其他电路时输出电流的能力。负载分为灌电流负载和拉电流负载,灌电流负载,vI为高电平， vO输出低电平时，三极管饱和导通，从负载流入三极管的电流。,拉电流负载,vI为低电平， vO输出高电平时，三极管截止，从三极管流入负载的电流。,三极管饱和程度下降,输出高电平的最小值,推拉式
3、输出,为了提高带负载能力，即,矛盾,推拉式输出,改进,T2是射极输出器，输出电阻很低,2.2 TTL集成反相器,2.2.1 TTL反相器的工作原理,1.电路结构,组成：输入级、倒相级、输出级及输入保护电路,输入级,T1和R1,倒相级,T2和R2、 R3,输出级,T3、 T4、T5及R5、 R3构成推拉式输出,输入保护电路,D1,2.工作原理,设电源电压VCC=5V，输入信号的高、低电平分别为VOH=3.4V 、 VOL=0.2V ，PN结的特性用折线等效模型代替，开启电压和工作电压VON=0.7V，三极管的饱和压降为VCES=0.2V。,（1）当输入为低电平A0（ VIL=0.2V ),0.2
4、V,0.9V,0.2V, T2、 T5截止, T1深度饱和，VCES10, T3、 T4导通,5V,3.4V,Y1,（2）当输入为高电平A1（ VIH=3.4V ),3.4V,2.1V,1.4V,0.7V, T1倒置状态（发射结反偏，集电结正偏）, T2、 T5饱和导通, T3导通， T4截止,0.9V,0.2V,Y0,则,2.2.2 TTL反相器的外特性及主要电气参数,1.电压传输特性,电压传输特性,电压传输特性是指输出电压随输入电压变化的关系曲线。,TTL反相器电路,（1）AB段（截止区）：,输入电压vI0.6V, vB11.3V, T2、T5截止， T3、T4导通，输出vO为高电平3.4
5、V,（2）BC段（线性区）：,输入电压0.7VvI1.4V, vB11.4V, vB1=2.1V, T2、 T5饱和， T3、T4截止，输出vO为低电平0.2V,对于典型的TTL反相器，阀值电压VTH一般约为1.4V。可以粗略地认为，当vI VTH 时，反相器导通，输出低电平；当vI VTH 时，反相器截止，输出高电平；当在附近时，反相器工作不稳定。一般应尽量避免门电路工作在阀值电压附近,2.重要参数,（1）输出高电平VOH,电压传输特性上截止区（AB段）对应的输出电压为输出高电平，典型值3.4V,VOH,（2）输出低电平VOL,电压传输特性上饱和区（DE段）对应的输出电压为输出低电平，典型值
6、0.2V,标准输出高电平VOHmin： 输出高电平的下限，74系列TTL门VOHmin=2.4V,标准输出低电平VOLmax： 输出低电平的上限，74系列TTL门VOHmin=0.4V,（3）输入高电平VIH,VOL,输入为逻辑1的电平，典型值为3.4V，标准输入高电平为VIHmin，称为开门电平VON，典型值为2.0V,（4）输入低电平VIL,输入为逻辑0的电平，典型值为0.2V，标准输入低电平为VILmax，称为关门电平VOFF，典型值为0.8V,（5）输入噪声容限,在保证输出高、低电平不变（变化的范围不允许超过规定的允许限度）的条件下，允许输入高、低电平有一个波动范围，这个范围称为输入噪
7、声容限,输入高电平噪声容限VNH,输入低电平噪声容限VNH,3. TTL反相器的静态特性,门电路输出处于高电平或低电平的稳定工作状态时，称为静态。当输出从高电平跳转为低电平或从低电平跳转为高电平时的工作状态称为动态。静态时主要讨论输入和输出端的电流、带负载能力、静态功耗等；动态时主要讨论延时时间、动态功耗、尖峰电流等,（1）输入低电平电流I IL和输入短路电流I IS,输入端等效电路,当输入VI为低电平VIL时，T2、T5截止， T1导通且工作在饱和状态。电源电压通过R1向T1的发射极提供电流，这一电流称为输入低电平电流，用IIL表示。当输入端接地，即VIL=0时，称为输入短路电流，用I IS
8、表示 ，则,（2）输入高电平电流IIH,当输入端接高电平3.4V时，流入输入端的电流为输入高电平电流，也称为输入漏电流，用IIH表示 。此时T1截止，为反向截止漏电流，数值比较小，一般有为几十微安,输入端等效电路,（3）输入端负载特性,输入端接负载时电路,a. 在输入端与地之间或者输入端与信号的低电平之间接入电阻RI。其大小影响输入电压的值,相当于输入低电平,相当于输入高电平,反相器工作不稳定,b. 输入端悬空,电源VCC通过T1集电结为T2、T5供电，并使之饱和，输出为低电平，故输入端悬空可以看成输入端加高电平,c.两个串联的TTL反相器中间串接电阻,反相器之间接电阻,RP的选择要满足,G1
9、门输出高低电平,G2门输入标准高低电平,当输出电压为低电平时，对应于T2、T5饱和导通， T3 、 T4截止，输出电流的实际方向是从负载流向T5 ，也称灌电流负载,（4）输出高电平电流IOH,TTL反相器高电平输出端等效电路,当输出电压为高电平时，对应于T2、T5截止， T3 、 T4导通，输出电流的实际方向是从T3 、 T4流出，流向负载，也称拉电流负载,与实际方向相反,T4将进入饱和，失去跟随作用,拉电流不能超过IOHmax，一般为零点几mA,T5的导通电阻,（5）输出低电平电流IOL,TTL反相器低电平输出端等效电路,拉电流不能超过IOLmax，一般为十几mA,反相器输出电阻,（6）扇出
10、系数NO,扇出系数是指集成门电路带同类门的个数,a. 输出低电平时，所能带的同类门最大个数为,G1门输出低电平电流的最大值,G2门输入低电平电流的最大值,b. 输出高电平时，所能带的同类门最大个数为,G1门输出高电平电流的最大值,G2门输入高电平电流的最大值,扇出系数取NOL和NOH中取小的一个。一般的TTL门约为 810,（7）空载导通电源电流ICCL和空载截止电源电流ICCH,ICCL：是指输入端悬空（相当于输入接高电平），T2、T5饱和导通，输出低电平时，电源提供的电流, ICCH：是指输入端接低电平，输出端开路时，电源提供的电流,74H系列的反相器,（8）静态空载功耗PO,门电路不接负
11、载时所消耗的功率为空载功耗 PON,分为空载导通功耗和空载截止功耗POFF，分别为空载导通电源电流ICCL、空载截止电源电流ICCH与电源电压VCC的乘积，即,在输出高、低电平时的功耗为静态功耗；在高低电平转换过程中的功耗为动态功耗,4. TTL反相器的动态参数,传输延时时间,（1）平均传输延迟时间tpd,输出由高电平转换到低电平的延迟时间tPHL与低电平转换到高电平的延迟时间tPLH的平均值称为平均延迟时间时间，即：, tpd越大，门的开关速度越低，故其值越小越好，决定了门电路的开关速度。一般的TTL门的tpd约为几个纳秒，74H系列的门电路为610ns,（2）速度功耗积（积）,在TTL电路
12、中，速度与功耗是一对矛盾，提高速度必然增大功耗，减小功耗也会降低速度。为评价器件的品质，用两者的乘积即速度功耗积来度量,2.2.3 其它类型的TTL门,1.其它逻辑功能的门电路,（1）与非门,T1管的等效电路,与非门逻辑电路,在计算与非门每个输入端的电流时，应根据工作状态区别对待。当输入高电平时，每个输入端具有一个输入高电平电流；当输入低电平时，不管T1有多少个发射极，一个门只有一个输入低电平电流,（2）或非门,计算或非门输入端电流时，不管输入是高电平还是低电平，每个输入端都具有一个输入电流，即在输入高电平时，每个输入端有一个IIH；当输入低电平时，每个输入端有一个输入低电平电流IIL,（3）
13、与或非门,不管是哪种逻辑关系，在计算输入端电流时，输入高电平电流，每个管脚都有一个IIH。输入低电平电流：当输入端为“与”逻辑时，则一个门只有一个IIL；当输入端为“或”逻辑时，一个管脚有一个IIL,2.集电极开路门（OC门）,线与：将两个以上门电路的输出端直接相连，用于实现某种组合逻辑关系的方法,注意：具有推拉式输出级的TTL门（一般的TTL）是不能直接线与的, 当一门输出为高电平，一门输出为低电平时，会有很大的电流通过两个门，从而烧坏门电路,推拉式输出结构的门电路中，电源一般是固定的5V，输出的高电平也是固定的，不能满足对不同输出高电平的的需要,推拉式输出与非门,集电极开路与非门,OC门逻
14、辑符号,OC门实现线与,上拉电阻,上拉电阻的计算,（1）输出低电平,当有一个或者多个OC门为低电平时，输出vO为低电平。为确保在最不利的情况下（即全部负载电流都流入一个导通管），流入导通管的电流不大于OC门的最大允许电流值IOL（max），RL不能取得太小，需满足,（2）输出高电平,输出高电平时，所有OC门截止，这时要确保输出高电平不低于高电平的最小值VOHmin，RL不能过大，需满足,RL取值为：,3.三态门（TS门）,三态门除了输出高电平、低电平外，还有输出高阻抗的第三个状态，称为高阻态或禁止态。其除了正常的数据输入端外，还有一个控制端也称使能端,推拉式输出与非门，输出两个状态：高电平和低
15、电平,三态输出与非门，输出三个状态：高电平、低电平和高阻态,TS门逻辑符号,使能端，高电平有效,低电平有效地三态输出与非门,低电平有效地三态门的逻辑符号,小圆圈代表低电平有效,三态门的应用,三态门可以接成总线结构：只要使各个门的控制端EN轮流为1，而且仅有一个为1，就可把各个门的输出轮流送到公共总线上而又互不干扰,三态门可实现数据的双向传递 ：当EN=1，数据D0经G1门输送到总线；当EN=0，数据D0由总线经G2门取出；,2.2.4 TTL数字集成电路的各种系列,1. 74系列 : 标准、中速系列,3. 74S系列：为肖特基系列，采用了抗饱和三极管（肖特基三极管）和有源泄放电路，提高工作速度,4. 74LS系列：为低功耗肖特基系列，除使用抗饱和三极管、二极管和增加有源泄放电路外，还大幅度地提高了各电阻的阻值，降低了功耗，pd积综合指标较小的电路,2. 74H系列：为高速系列，相对标准74系列，其电阻值普遍减小，且输出采用复合管结构，减少了输出电阻，提高了对负载电容的充、放电速度，也缩短了三极管的开关时间,
