《电子技术基础苏丽萍集成逻辑门电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子技术基础苏丽萍集成逻辑门电路（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第9章 集成逻辑门电路第9章 集成逻辑门电路9.1 TTL与非门 9.2 其它集成门电路简介 9.3 CMOS门电路第9章 集成逻辑门电路9.1 TTL与非门 这种集成逻辑门的输入级和输出级都是由晶体管构成，并实现与非功能，所以称为晶体管晶体管逻辑与非门，简称TTL与非门。第9章 集成逻辑门电路9.1.1 典型TTL与非门电路1. 电路组成 图9.1是典型TTL与非门电路，它由三部分组成：输入级由多发射极管V1和电阻R1组成,完成与逻辑功能；中间级由V2、R2、R3组成，其作用是将输入级送来的信号分成两个相位相反的信号来驱动V3和V5管；输出级由V3、V4、V5、R4和R5组成，其中V5为反相
2、管，V3、V4组成的复合管是V5的有源负载，完成逻辑上的“非”。第9章 集成逻辑门电路图9.1 典型TTL与非门 第9章 集成逻辑门电路由于中间级提供了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。第9章 集成逻辑门电路2.工作原理1）当输入端有低电平时（UiL=0.3V）在图9.1所示电路中，假如，输入信号A为低电平，即UA=0.3V，UB=UC=3.6V（A=0，B=C=1），则对应于A端的V1管的发射结导通，V1管基极电压UB1被钳位在UB1=UA+UbeA=0.3+0.7=1V。该电压不足以使V1管集电结、V2及V5管
3、导通，所以V2及V5管截止。由于V2管截止，UC2约为5V。此时，输出电压Uo为：Uo=UoHUC2-Ube3-Ube4=5-0.7-0.7=3.6V，即输入有低电平时，输出为高电平。第9章 集成逻辑门电路2）当输入端全为高电平时(UiH=3.6V)假如，输入信号A=B=C=1，即：UA=UB=UC=3.6V，V1管的基极电位升高，使V2及V5管导通，这时V1管的基极电压钳位在Ub1=Ubc1+Ube2+Ube5=0.7+0.7+0.7=2.1V。于是V1的三个发射结均反偏截止，电源UCC经过R1、V1的集电结向V2、V5提供基流，使V2、V5管饱和，输出电压Uo为Uo=UoL=UCES5=0
4、.3V，故输入全为高电平时，输出为低电平。 第9章 集成逻辑门电路由以上分析可知，当电路输入有低电平时，输出为高电平；而输入全为高电平时，输出为低电平。电路的输出和输入之间符合与非逻辑，即 第9章 集成逻辑门电路9.1.2 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。图9.2(a)、(b)分别为电压传输特性的测试电路和电压传输特性曲线。 第9章 集成逻辑门电路图9.2 TTL与非门的电压传输特性(a)测试电路； (b)电压传输特性 第9章 集成逻辑门电路图9.2 TTL与非门的电压传输特性(a)测试电路
5、； (b)电压传输特性 第9章 集成逻辑门电路图9.2（b）所示电压传输特性曲线可分成下列四段：ab段(截止区)0ui0.6V,uo=3.6V。bc段(线性区)0.6Vui1.3V,uo线性下降。cd段(转折区)1.3Vui1.5V,uo急剧下降。de段(饱和区)ui1.5V,uo=0.3V。 第9章 集成逻辑门电路2)主要参数从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。UoH是指输入端有一个或一个以上为低电平时的输出高电平值；UoL是指输入端全部接高电平时的输出低电平值。UoH的典型值为3.6V，UoL的典型值为0.3V。但是，实际门电路的UoH和UoL并不是恒
6、定值，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。有的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规定：USH2.7V,USL=0.5V。 第9章 集成逻辑门电路（2）阈值电压UTH。UTH是电压传输特性的转折区中点所对应的ui值，是V5管截止与导通的分界线，也是输出高、低电平的分界线。它的含义是：当uiUTH时，与非门开门（V5管导通），输出为低电平。实际上，阈值电压有一定范围，通常取 UTH=1.4V。第9章 集成逻辑门电路（3）关门电平Uoff和开门电平Uon。在保证输出电压为标准高
7、电平USH（即额定高电平的90%）的条件下，所允许的最大输入低电平，称为关门电平Uoff。在保证输出电压为标准低电平USL（额定低电平）的条件下，所允许的最小输入高电平，称为开门电平Uon。Uoff和Uon是与非门电路的重要参数，表明正常工作情况下输入信号电平变化的极限值，同时也反映了电路的抗干扰能力。一般为：Uoff0.8V，Uon1.8V。第9章 集成逻辑门电路（4）噪声容限。低电平噪声容限是指与非门截止，保证输出高电平不低于高电平下限值时，在输入低 电平基础上所允许叠加的最大正向干扰电压，用UNL表示。由图9.2可知，UNL=Uoff-UiH。高电平噪声容限是指与非门导通，保证输出低电平
8、不高于低电平上限值时，在输入高电平基础上所允许叠加的最大负向干扰电 压，用UNH表示。由图9.2可知,UNH=UiH-Uon。显然，为了提高器件的抗干扰能力，要求UNL与UNH尽可能地接近。第9章 集成逻辑门电路2.输入特性及主要参数1)输入伏安特性及主要参数输入伏安特性是指与非门输入电流随输入电压变化的关系曲线。图9.3(a)为测试电路,图9.3（b）为TTL与非门的输入伏安特性曲线。一般规定输入电流以流 入输入端为正。 第9章 集成逻辑门电路图9.3TTL与非门的输入伏安特性（a）测试电路； （b）输入伏安特性 第9章 集成逻辑门电路图9.3TTL与非门的输入伏安特性（a）测试电路； （b
9、）输入伏安特性 第9章 集成逻辑门电路由图9.3可以得到以下几个主要参数：（1）输入短路电流IiS为当输入端有一个接地时,流经这个输入端的电流，如图9.4所示。由图9.3得当Ui=0时, 第9章 集成逻辑门电路图9.4 IiS的定义 第9章 集成逻辑门电路式中，负号表示电流是流出的，当与非门是由前级门驱动时，IiS就是流入（灌入）前级与非门V5的负载电流，因此，它是一个和电路负载能力有关的参数，它的大小直接影响前级门的工作情况。一般情况下 ，IiS2mA。第9章 集成逻辑门电路（2）输入漏电流IiH为当任何一个输入端接高电平时，流经这个输入端的电流，如图9.5所示。由于此电流是流入与非门的，因
10、而是正值。当与非门的前级驱 动门输出为高电平时，IiH就是前级门的流出(拉)电流，因此，它也是一个和电路负载能力有关的参数。显然 ，IiH越大,前级门输出级的负载就越重。一般情况下，IiHRon时，TTL与非门导通，输出低电平。在TTL与非门典型电路中，一般选Roff=0.9k，Ron2.5k。 第9章 集成逻辑门电路3. 输出特性及主要参数TTL与非门的输出特性是指它的输出电压与输出电流（负载电流）的关系。 在实际应用中，TTL与非门的输出端总是要与其它门电路连接，也就是它要带 负载。TTL与非门带的负载分为灌电流负载和拉电流负载两种。 第9章 集成逻辑门电路1）输入为高电平时的输出特性（灌
11、电流负载特性） 当输入全为高电平时，TTL与非门导通，输出为低电平。此时，V5管饱和，负载电流为灌电流，如图9.7（a）所示。负载RL越小，灌入V5管的电流IoL越大，V5管饱和程度变浅，输出低电平值增大，如图9.7（b）所示。为了保证TTL与非门的输出为低电平，对IoL要有一个限制。一般将输出低电平UoL=0.35V时灌电流定为最大灌电流IoLmax。 第9章 集成逻辑门电路图9.7输入高电平时的输出特性（a）测试电路; （b）特性曲线 第9章 集成逻辑门电路2）输入为低电平时的输出特性（拉电流负载特性） 当输入端有一个低电平时，TTL与非门截止，输出为高电平。此时V5管截止，负载为拉电流，
12、如图9.8（a）所示。V3、V4管工作于射极跟随器状态，其输出电阻很小。负载RL越小，从TTL与非门拉出的电流IoH越大，门电路的输出高电平UoH将下降，如图9.8（b）所示。为了保证TTL与非门的输出为高电平，IoH不能太大，一般将输出高电平UoH=2.7V时的拉电流定为最大拉电流IoHmax。 第9章 集成逻辑门电路图9.8输入低电平时的输出特性（a）测试电路; （b）特性曲线 第9章 集成逻辑门电路3）主要参数TTL与非门在保证输出为额定电平的前提下，所能驱动同类型与非门的最大数目,称为扇出系数No。它是衡量门电路带负载能力的一个重要参数。因为驱动同类型与非门时最大电流是发生在输出低电平
13、带灌电流负载的情况下，因此，No=IoL/IiS一般,扇出系数No8 。第9章 集成逻辑门电路4.其它参数1）平均传输延迟时间tpd平均传输延迟时间tpd是指TTL与非门电路导通传输延迟时间tp1和截止延迟时间tp2的平均值，即tpd=(tp1+tp2)/2，如图9.9所示。tpd是衡量门电路开关速度的一个重要参数。一般，tpd=1040ns。 第9章 集成逻辑门电路图9.9 tpd的定义 第9章 集成逻辑门电路2）空载功耗空载功耗是指TTL与非门空载时电源总电流IC与电源电压UCC的乘积。(1)空载导通功耗Pon是指与非门输出为低电平时的功耗。(2)空载截止功耗Poff是指与非门输出为高电平
14、时的功耗。TTL与非门电路的空载功耗一般为几十毫瓦，且PonPoff。 第9章 集成逻辑门电路9.1.3 改进型TTL与非门前面介绍的TTL与非门电路具有结构简单、抗干扰能力强、使用方便等优点，所以它是应用最为普遍的一种数字集成电路。但是，为了使它更加广泛地应用于各个领域，满足各种需要以及实际应用对于电路不断提出 的新要求(其中主要是工作速度的不断提高和功耗的逐步下降)，因此必须在电路的结构形式和工艺方面进行改进。这样，就出现了各具特色的不同系列的TTL门电路。第9章 集成逻辑门电路1.CT1000系列CT1000系列相当于国际型号74通用系列（即标准系列）。它是二输入端与非门的典型电路。每门
15、功耗 约为10mW，平均传输延迟时间约为10ns。2. CT2000系列CT2000系列相当于国际型号74H高速度系列，电路简称HTTL。它的特点是工作速度较标准系列高，tpd约为6ns，但每门功耗比较大，约为20mW。 第9章 集成逻辑门电路3. CT3000系列CT3000系列相当于国际型号74S肖特基系列，电路简称STTL。它在电路结构上进行了改进，采用抗饱和三极管和有源泄放电路，这样，既提高了电路的工 作速度，也提高了电路的抗干扰能力。STTL与非门的tpd约为3ns，每门功耗约为19mW。 第9章 集成逻辑门电路4.CT4000系列CT4000系列相当于国际74LS低功耗肖特基系列，电路简称LSTTL，它是在STTL的基础上加大了电阻阻值，这样，在提高工作速度的同时，也降低了功耗。 LSTTL与非门的每门功耗约为2mW，平均传输延迟时间tpd约为5ns，这是TTL门电路中速度功耗积（平均传输延迟时间与每门功耗的
