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1、2024/8/241半导体半导体集成电路集成电路学校：西安理工大学学校：西安理工大学学校：西安理工大学学校：西安理工大学院系：自动化学院电子工程系院系：自动化学院电子工程系院系：自动化学院电子工程系院系：自动化学院电子工程系专业：电子、微电专业：电子、微电专业：电子、微电专业：电子、微电 时间：秋季学期时间：秋季学期时间：秋季学期时间：秋季学期2024/8/2421.1.简易简易TTLTTL逻辑门逻辑门2.2.四管四管单元单元TTL逻辑门逻辑门3.3.五管单元五管单元TTL逻辑门逻辑门2024/8/243VBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区( (正偏正偏
2、) )( (反偏反偏) )( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )CBEnpn正向工作区正向工作区正向工作区正向工作区IBICIEIE=IB+IC反向工作区反向工作区反向工作区反向工作区IBICIEIC=IB+IE饱和工作区饱和工作区饱和工作区饱和工作区CBEVCES截止区截止区截止区截止区CBE2024/8/244简易简易TTL与非门与非门与非门与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2A AB BC COO0 00 00 01 10 00 01 11 10 01 10 01 10 01 11 11 11 10 00 01 11 10 01 11 11 11 10 01 11 11 11
3、 10 0两管单元两管单元TTL与非门与非门2024/8/245简易简易TTL与非门与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2 两管单元两管单元TTL与非门工作原理与非门工作原理R1R2VCCB1ABC4K4K4K4K几个假设：几个假设：1.发射极正向压降，当晶体管正向工作时，取发射极正向压降，当晶体管正向工作时，取VbeF=0.7V，而当晶体管饱和时，而当晶体管饱和时， 取取VbeS=0.7V.2.集电结正向饱和压降，取集电结正向饱和压降，取VbcF=0.60.7V。3.晶体管饱和压降，当晶体管饱和压降，当T1管深饱和时，因管深饱和时，因Ic几乎为零，取几乎为零，取VceS0.1V，其余
4、管子取，其余管子取 VceS0.3V2024/8/246简易简易TTL与非门与非门1. 1. 输入信号中至少有一个为低电平的情况输入信号中至少有一个为低电平的情况R1R2VCCB1ABC1VVOL=0.3VVOL=0.3VVB1 =VBE1+VOL =0.3V+0.7V =1VVB1被嵌位在被嵌位在1VIB1=(VCC-1V)/R1 =5V-1V/4K=1mA4K4KIC1B2T2管截止管截止,VOH=VCC-IOHR2输出高电平时电路供给负载门的电流输出高电平时电路供给负载门的电流0.4VIOHT2管的集电结反偏，管的集电结反偏，Ic1很小，很小，满足满足IB1 Ic1，T1管深饱和，管深饱
5、和，VOCS1=0.1V，VB2=0.4V2024/8/247简易简易TTL与非门与非门2. 2. 输入信号全为高电平输入信号全为高电平R1R2VCCB1ABC1.4VVOH=5VVB1 =VBC1+VBE2 =0.7V+0.7V =1.4VVB1被嵌位在被嵌位在1.4V4K4KIC1B2VOH=5VT1T1管的发射结反偏管的发射结反偏, ,集电结正偏集电结正偏, ,工作在反向有源区工作在反向有源区, ,集电极电流集电极电流是流出的是流出的,T2管的基极电流为管的基极电流为: : IB2=-=-IC1= =IB1+ +b bIB1IB1（b b0.01)IB1=(VCC-VB1)/R1 =5V
6、-1.4V/4K=0.9mA IB20.9mAT2T2管饱和，管饱和，T2T2管的饱和电压管的饱和电压VCES= =0.3V VOL=0.3V2024/8/248ABCR1R2VCCVOB1B2T1T20.7VT1管工作在反向放大区管工作在反向放大区假设假设:F=20, R=0.02IB1=(VCC-VB1)/R1 =5V-1.4V/4K=0.9mA-IE1=RIB1=0.02*0.9=0.018mA-IC1=(R+1)IB1=0.918=IB2假设假设T2管工作在正向放大区管工作在正向放大区在R2上产生的压降为18mA*4K=72V4K4K不成立不成立2024/8/249 两管单元两管单元T
7、TL与非门的静态特性与非门的静态特性1.电压传输特性电压传输特性VO(V)VOHVOLQ1Vi(V)Q2Q1,Q2n 截止区截止区n 过渡区过渡区n 导通区导通区VOH: :输出电平为逻辑输出电平为逻辑”1 1”时的最大输出电压时的最大输出电压VOL: :输出电平为逻辑输出电平为逻辑”0 0”时的最小输出电压时的最小输出电压VIL: :仍能维持输出为逻辑仍能维持输出为逻辑”1 1”的最大输入电压的最大输入电压VIH: :仍能维持输出为逻辑仍能维持输出为逻辑”0 0”的最小输入电压的最小输入电压VILVIH2024/8/2410VOHVOLVILVOHVIHVOL噪声噪声最大允许最大允许电压电压
8、噪声噪声最小允许最小允许电压电压2024/8/2411高噪声容限低噪声容限不定区不定区VIHVIL10VOHVOLVNMHVNMLGate OutputGate InputVNML=VIL-VOLVNMH=VOH-VIH2024/8/2412有效低电平输出有效低电平输出Vin输入低电平输入低电平有效范围有效范围0VIL有效高电平输出有效高电平输出Vout输入高电平输入高电平有效范围有效范围VIHVDD过渡区过渡区VOHVOL噪声噪声幅值VOLVIL噪声幅值 VIL-VOL高电平高电平噪声噪声幅值VIHVOH噪声幅值0.6V;0.6VVNMH=VOH-VIHVNML=VIL-VOLVNML=0.
9、6V-0.3V=0.3V两管单元非门的噪声容限AR1R2VCCVOB1B2T1T22024/8/2416简易简易TTL与非门与非门R1R2VCCB1ABC1VVOL=0.3VVOL=0.3VVB1 =VBE1+VOL =0.3V+0.7V =1VVB1被嵌位在被嵌位在1VIB1=(VCC-1V)/R1 =5V-1V/4K=1mA4K4KIC1B2T2管截止管截止,VOH=VCC-IOHR2输出高电平时电路供给负载门的电流输出高电平时电路供给负载门的电流0.4VIOH2. 负载能力负载能力2024/8/2417 两管单元两管单元TTL与非门的静态特性与非门的静态特性- -负载能力负载能力.能够驱
10、动多少个能够驱动多少个同类负载门正常工作同类负载门正常工作NN扇出2024/8/2418ABCR1R2VCCB1B2T1T24K4K1. 求低电平输出时的扇出求低电平输出时的扇出解：负载电流IC=NNIILVCCVOT1T24K4KVCCVOT1T24K4K。IILN个ICIILIIL=(VCC-VBES)/R1=(5V-0.7V)/4K1.1mA解得：NN32024/8/2419ABCR1R2VCCB1B2T1T24K4K2. 求高电平输出时的扇出求高电平输出时的扇出要求保证输出高电平要求保证输出高电平3V3V解：负载电流IC=NNIIHVCCVOT1T24K4KVCCVOT1T24K4K。
11、IIHN个ICIIHIIH=-IE=0.018mAVOH=VCC-ICR2 3VNN=25252024/8/2420ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2 两管单元两管单元TTL与非门的静态特性与非门的静态特性3. 直流功耗直流功耗P=ICC*VCC静态功耗：电路导通和截止时的功耗1.空载导通电源电流 ICCL :2.空载截止电源电流 ICCH :3.电路 平均静态功耗：4K4K2024/8/2421ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2 两管单元两管单元TTL与非门的瞬态特性与非门的瞬态特性1.延迟时间延迟时间2.下降时间下降时间3.存储时间存储时间4.上升时间上升时间V Vi it0V
12、 Vi it0t0t1t2t3t4t5td=t1-t0tf=t2-t1ts=t4-t3tr=t5-t42024/8/2422 平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd导导通通延延迟迟时时间间t tPHPHL L ：输输入入波波形形上上升升沿沿的的50%50%幅幅值值处处到到输出波形下降沿输出波形下降沿50% 50% 幅值处所需要的时间，幅值处所需要的时间，截截止止延延迟迟时时间间t tPLHPLH：从从输输入入波波形形下下降降沿沿50% 50% 幅幅值值处处到到输输出出波波形形上上升升沿沿50% 50% 幅幅值值处处所所需需要要的的时时间，间，平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdp
13、d：通通常常t tPLHPLHt tPHLPHL，t tpdpd越越小小，电路的开关速度越高。电路的开关速度越高。输入信号输入信号VI输出信号输出信号V0返回返回2024/8/2423简易简易TTL与非门的版图与非门的版图接触孔集电区基区发射区电阻电源线VCCVSS2024/8/2424ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2简易简易TTLTTL与非门的缺点与非门的缺点1.1.输入抗干扰能力小输入抗干扰能力小2.2.电路输出端负载能力弱电路输出端负载能力弱3.I3.IB2B2太小，导通延迟改善小太小，导通延迟改善小四管单元与非门四管单元与非门2024/8/2425 典型四管单元典型四管单元TT
14、L与非门与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T3T5R3ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2R52024/8/2426 典型四管单元典型四管单元TTL与非门与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T3T51.T2管使电路低电平噪声容限管使电路低电平噪声容限VNML提高了一个结压降，因此电提高了一个结压降，因此电路抗干扰能力增强。路抗干扰能力增强。2.T3、T5构成推挽输出（又称图腾柱输出），使电路负载能力增构成推挽输出（又称图腾柱输出），使电路负载能力增强。强。3.T5基极驱动电流增大，电路导通延迟得到改善。基极驱动电流增大，电路导通延迟得到改善。ABCR1R2VCCVOB
15、1B2T1T2电平移位作用电平移位作用R3R41802024/8/2427ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2两管单元两管单元TTL与非门与非门u 电路抗干扰能力小电路抗干扰能力小u 电路输出端负载能力弱电路输出端负载能力弱u IB2小，导通延迟较大小，导通延迟较大四管单元四管单元TTL与非门与非门T2管的引入提高管的引入提高了抗干扰能力了抗干扰能力有源负载的引入有源负载的引入提高了电路的负提高了电路的负载能力载能力ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T52024/8/2428ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T5电路导通时，T2、T5饱和VO=VOL 这时，T2管的集电极和输出
16、之间的电位差为：VC2-VO=VCES2+VBES5-VCES5VBES5=0.8VT5和D不能同时导通D起了电平移位的作用R5T32024/8/2429ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T5R5T3R1R2VCCVOB1B2T1T2T5R5T4ABT3T3、T4管构成达林顿管，管构成达林顿管，T4管不会进入饱和区管不会进入饱和区反向时反向时T4管的基极有泄放电阻，使电路的平均管的基极有泄放电阻，使电路的平均延迟时间下降延迟时间下降四管单元四管单元TTL与非门与非门五管单元五管单元TTL与非门与非门2024/8/24305 5管单元管单元TTLTTL与非门电路与非门电路输输入入级级由由多
17、多发发射射极极晶晶体体管管T1和和基基极极电电组组R1组组成成，它它实实现现了了输输入入变变量量A、B、C的与运算的与运算输出级：由输出级：由T3、T4、T5和和R4、R5组成组成其中其中T3、T4构成复合管，与构成复合管，与T5组成推组成推拉式输出结构。具有较强的负载能力拉式输出结构。具有较强的负载能力中间级是放大级，由中间级是放大级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极的集电极C2和和发射极发射极E2可以分提供两个相可以分提供两个相位相反的电压信号位相反的电压信号2024/8/2431TTLTTL与非门工作原理与非门工作原理 输输入入端端至至少少有有一一个个接接低低电平电平0 .3
18、V3 .6V3 .6V1V3 .6VT T1 1管管:A:A端端发发射射结结导导通通，V Vb1b1 = V= VA A + V + Vbe1be1 = 1V = 1V，其其它它发发射射结结均均因因反反偏偏而而截截止止. . 5-0.7-0.7=3.6VV Vb1b1 =1V,=1V,所所以以T T2 2、T T5 5截截止止, , V VC2C2Vcc=5V, Vcc=5V, T T3 3：微饱和状态。微饱和状态。 T T4 4：放大状态。放大状态。电路输出高电平为：电路输出高电平为：5V2024/8/2432 输入端全为高电平输入端全为高电平3 .6V3 .6V2.1V0 .3VT T1
19、1:V:Vb1b1= = V Vbc1bc1+V+Vbe2be2+V+Vbe5 be5 = = 0.7V0.7V3 = 2.1V3 = 2.1V因因此此输输出出为为逻逻辑辑低低电电平平V VOLOL=0.3V=0.3V3 .6V发射结反偏而集电发射结反偏而集电极正偏正偏. .处于反向放大状态处于反向放大状态T T2 2：饱和状态：饱和状态T T3 3：V Vc2c2=V=Vces2ces2+Vbe51V+Vbe51V，使使T3T3导通，导通，V Ve3e3=V=Vc2c2-V-Vbe3be3=1-0.70.3V=1-0.70.3V，使使T4T4截止截止。T T5 5：饱和状态，：饱和状态，TT
20、LTTL与非门工作原理与非门工作原理2024/8/2433 输输入入端端全全为为高高电电平平，输出为低电平输出为低电平 输输入入至至少少有有一一个个为为低低电电平平时时，输输出出为为高高电平电平由由此此可可见见电电路路的的输输出出和和输输入入之之间间满满足足与非逻辑关系与非逻辑关系T T1 1：反向放大状态反向放大状态T T2 2：饱和状态：饱和状态T T3 3：导通状态：导通状态T T4 4：截止状态：截止状态T T5 5：深饱和状态：深饱和状态T T2 2：截止状态：截止状态T T3 3：微饱和状态：微饱和状态T T4 4：放大状态：放大状态T T5 5：截止状态：截止状态TTLTTL与非
21、门工作原理与非门工作原理2024/8/2434TTLTTL与非门工作速度与非门工作速度存存在在问问题题：TTL门门电电路路工工作作速速度度相相对对于于MOSMOS较较快快，但但由由于于当当输输出出为为低低电电平平时时T T5 5工工作作在在深深度度饱饱和和状状态态，当当输输出出由由低低转转为为高高电电平平，由由于于在在基基区区和和集集电电区区有有存存储储电电荷荷不不能能马上消散，而影响工作速度马上消散，而影响工作速度。改进型改进型TTLTTL与非门与非门 可可能能工工作作在在饱饱和和状状态态下下的的晶晶体体管管T1、T2、T3、T5都都用用带带有有肖肖特特基基 势势 垒垒 二二 极极 管管（S
22、BD）的的三三极极管管代代替替，以以限限制制其其饱饱和和深深度，提高工作速度度，提高工作速度2024/8/2435n-epiP-SiP+P+Sn+Epn+Bn+-BLCB2024/8/2436返回返回改进型改进型TTLTTL与非门与非门 增加增加有源泄放电路有源泄放电路1、提高工作速度、提高工作速度由由T6、R6和和R3构成构成的有源泄放电路来的有源泄放电路来代替代替T2射极电阻射极电阻R3减少了电路的开启时间减少了电路的开启时间缩短了电路关闭时间缩短了电路关闭时间2、提高抗干扰能力提高抗干扰能力T2、T5同同时时导导通通，因因此此电电压压传传输输特特性性曲曲线线过过渡渡区区变变窄窄，曲曲线线
23、变变陡陡，输输入入低低电电平平噪噪声声容容限限VNL提提高高了了0.7V左左右右2024/8/2437TTLTTL“与非与非”门的静态特性及主要参数门的静态特性及主要参数 电压传输特性电压传输特性TTLTTL“与与非非”门门输输入入电电压压V VI I与与输输出出电电压压V VO O之之间间的的关关系系曲曲线线，即即 V VO O = f= f（V VI I）截截 止止 区区 当当 V VI I0.6V0.6V，V Vb1b11.3V1.3V时时，T T2 2、T T5 5截截止止，输出高电平输出高电平V VOH OH = 3.6V= 3.6V线性区当线性区当0.6VV0.6VVI I1.3V
24、1.3V，0.7VV0.7VV b2 b21.4V1.4V时，时，T T2 2导通，导通，T T5 5仍截止，仍截止，V VC2C2随随V Vb2b2升高而下降，经升高而下降，经T T3 3、T T4 4两级射随器使两级射随器使V VO O下降下降转折区转折区饱和区饱和区返回返回2024/8/2438VILVOHVIHVOLTTLTTL“与非与非”门的静门的静态特性及主要参数态特性及主要参数 抗干扰能力（噪声容限）抗干扰能力（噪声容限）V IL：保证输出为标准高电平保证输出为标准高电平VOH的的最大最大输入输入低低电平值电平值VIH：保证输出为标准低电平保证输出为标准低电平VOL的的最小最小输
25、入高电平值输入高电平值低电平噪声容限低电平噪声容限V NL：V NL= V IL - VOL高电平噪声容限高电平噪声容限V NH：V NH= V IH - VOH2024/8/2439 输入特性输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II = f（VI）假假定定输输入入电电流流II流流入入T1发发射射极极时时方方向向为正，反之为负为正，反之为负1. 1. 输入短路电流输入短路电流ISD（也叫输入低电平电流（也叫输入低电平电流IIL）当当VIL = 0V时由输入端流出的电流时由输入端流出的电流前级驱动门导通时，前级驱动门导通时，IIL将灌将灌入前级门，称为
26、灌电流负载入前级门，称为灌电流负载2. 2. 输入漏电流输入漏电流IIH（输入高电平电流）（输入高电平电流）指指一一个个输输入入端端接接高高电电平平，其其余余输输入入端端接接低低电电平平，经经该该输输入端流入的电流。约入端流入的电流。约10AA左右左右返回返回2024/8/2440 扇入系数扇入系数N Ni i和扇出系数和扇出系数N NO O1. 1. 扇入系数扇入系数N Ni i是指合格的输入端的个数是指合格的输入端的个数2. 2. 扇出系数扇出系数N NO O是指在灌电流（输出低电平）状态是指在灌电流（输出低电平）状态下驱动同类门的个数。下驱动同类门的个数。其其中中I IOLmaxOLma
27、x为为最最大大允允许许灌灌电电流流，,I,IILIL是是一一个个负负载载门门灌灌入入本本级级的的电电流流（1.4mA1.4mA）。NoNo越越大大，说说明门的负载能力越强明门的负载能力越强返回返回2024/8/2441 平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd导导通通延延迟迟时时间间t tPHPH：L L输输入入波波形形上上升升沿沿的的50%50%幅幅值值处处到到输出波形下降沿输出波形下降沿50% 50% 幅值处所需要的时间，幅值处所需要的时间，截截止止延延迟迟时时间间t tPLHPLH：从从输输入入波波形形下下降降沿沿50% 50% 幅幅值值处处到到输输出出波波形形上上升升沿沿50%
28、50% 幅幅值值处处所所需需要要的的时时间，间，平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd：通通常常t tPLHPLHt tPHLPHL，t tpdpd越越小小，电路的开关速度越高。电路的开关速度越高。一般一般t tpdpd = 10ns = 10ns40ns40ns输入信号输入信号VI输出信号输出信号V0返回返回2024/8/2442三态逻辑门（三态逻辑门（TSL）集电极开路集电极开路TTLTTL“与非与非”门（门（OCOC门）门）2024/8/244310该该与与非非门门输输出出低低电平，电平，T5导通导通 TTL门输出端并联问题门输出端并联问题当当 将将 两两 个个 TTLTTL“与
29、与非非”门门输输出出端端直接并联时：直接并联时：V VccccRR5 5门门1 1的的T T4 4门门2 2的的T T5 5产生产生一个很大的电流一个很大的电流产生一个大电流产生一个大电流1 1、抬抬高高门门2 2输输出出低电平低电平2 2、会会因因功功耗耗过过大大损坏门器件损坏门器件注：注：TTLTTL输出端输出端不能直接并联不能直接并联该该与与非非门门输输出出高高电平，电平，T5截止截止2024/8/2444TTL与非门电路与非门电路 OCOC门的结构门的结构RLVC集电极开路与非门（集电极开路与非门（OC门）门）当当输输入入端端全全为为高高电电平平时时，T2、T5导导通通，输出输出F为低
30、电平；为低电平；输输入入端端有有一一个个为为低低电电平平时时，T2、T5截截止止，输输出出F高高电电平平接接近近电电源源电电压压VC。 OC门完成门完成“与非与非”逻辑功能逻辑功能逻辑符号：逻辑符号：输出逻辑电平：输出逻辑电平：低电平低电平0.3V高电平为高电平为VC（5-30V）ABF 2024/8/2445 OC门实现门实现“线与线与”逻逻辑辑FRLVC相当于相当于“与门与门”逻辑等效符号逻辑等效符号 负载电阻负载电阻RL的选择的选择2024/8/2446 OC门应用门应用-电平转换器电平转换器OC门门需需外外接接电电阻阻，所所以以电电源源VC可可以以选选5V30V，因因此此OC门门作作为
31、为TTL电电路路可可以以和和其其它它不不同同类类型型不不同同电电平平的的逻逻辑电路进行连接辑电路进行连接TTL电电路路驱驱动动CMOS电路图电路图CMOS电电 路路 的的 VDD = 5V18V， 特特 别别 是是VDD VCC时时，必必须须选选用用集集电电极极开开路路（OC门门）TTL电路电路CMOS电电源源电电压压VDD = 5V时时，一一般般的的TTL门门可可以直接驱动以直接驱动CMOS门门2024/8/2447三态逻辑门（三态逻辑门（TSLTSL） 三态门三态门工作原理工作原理除除具具有有TTL“与与非非”门门输输出出高高、低低电电平平状状态态外外，还还有有第第三三种种输输出出状状态态
32、 高阻状态高阻状态，又称，又称禁止态或失效态禁止态或失效态非门，是三态门的非门，是三态门的状态控制部分状态控制部分E使能端使能端六管六管TTL与非门与非门增加部分增加部分当当 E= 0时时，T4输输出出高高电电平平VC = 1，D2截截止止，此此时时后后面面电路执行正常与非功能电路执行正常与非功能F=AB10.31V1V输出输出F端处于高阻状态记为端处于高阻状态记为ZT6、T7、 T9、 T10均截止均截止Z当当 =1时，时，2024/8/2448使使能能端端的的两两种种控控制制方方式式低电平使能低电平使能高电平使能高电平使能三态门的逻辑符号三态门的逻辑符号ABF EFAB E2024/8/2
33、449 三态门的应用三态门的应用1. 三态门广泛用于数据总线结构三态门广泛用于数据总线结构任何时刻只能有一个任何时刻只能有一个控制端有效，即只有控制端有效，即只有一个门处于数据传输，一个门处于数据传输，其它门处于禁止状态其它门处于禁止状态2. 双向传输双向传输当当E=0时时，门门1工工作作，门门2禁禁止止，数数据据从从A送到送到B；E=1时时，门门1禁禁止止，门门2工工作作，数数据据从从B送到送到A。三态逻辑门（三态逻辑门（T Threehree S Statetate L Logic, ogic, TSLTSL）总线总线2024/8/2450TTL或非门或非门ABCR1R2VCCFB1B2T1T2F=ABCF=A+B+CVCCVOR2AT1BT22024/8/2451TTL与或非门与或非门ABCR1VCCFR2T1T2DEFR1F=ABC+DEFABCDEFF速度不够快防止管子进入饱和状态2024/8/2452作作 业业1.P84-85, 4.10 4.12（b）
