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第四章 晶体管-晶体管逻辑(TTL)电路,4.1 一般的TTL与非门,4.1.1 标准TTL与非门(四管单元) 特点: 输入级多发射极晶体管,在电路的截止瞬态(由输出低电平转向高电平时),Q1管可反抽Q 2管基区中的过剩少子,使电路的平均传输延迟时间下降,从而提高了电路的工作速度。 输出级采用图腾柱结构(Q3D和Q5轮流导通),使电路的功耗下降。 版图设计上,可以把Q5和D设计成一个复合管,共用一个隔离岛。,标准54/74(T1000)系列TTL与非门,Q5和D复合版图和剖面图,简易TTL与非门,一、简易TTL与非门存在的问题,1、电路输入端抗干扰能力太小它的低电平噪声容限VNML。只有0.20.3V,噪声稍微大一点,电路逻辑功能就要错乱。 2、电路输出端负载能力太弱,它的扇出N0大约为2到3。这是因为它的输出管基极驱动电流太小,虽然可以减小R1以增大IB2,但R1减小后,IIL也将增大,负载能力并不能得到明显的改善而且电阻减小后,电路功耗还将增加。 3、由于多射极管的反抽作用,电路截止延迟时间有了改善,但因IB2太小,电路导通延迟时间改善不大。 总结:虽然它不能作为单块电路使用,但它线路简单,所占版图面积小,在TTL中大规模集成电路中有着重要应用。,二、四管单元的优势,1、电路抗干扰能力增强 因为在Q1、Q5之间增加的Q2管,它的发射结相当于一个起电平位移作用的二极管,它使电路低电平噪声容限VNML提高了一个结压降。,2、电路负载能力增强 (1)Q2管的作用,它把Q1管的基流先放大再驱动输出管Q5 (2)有源负载的作用。因为Q5和Q3构成推挽输出(又称图腾柱输出): 电路导通时:V0为低,Q5导通,Q3截止; 电路截止时,V0为高,Q5截止,电源通过R5和导通的Q3驱动负载。 (3)Q5基极驱动电路增大了,电路的导通延迟得到了改善。,3、二极管D的作用 电路导通时:Q2,Q5饱和,输出V0VOL,这时Q2的集电极和输出之间的电位差为 这使Q3和D不能同时导通,所以D是一个电平位移二极管,确保Q2,Q5饱和时,Q3截止。,4.1.2 54H/74H五管单元与非门,四管单元的劣势,输出端从低电平向高电乎转换的瞬间,从电源经R5,Q3,D到Q5有瞬态大电流流过,因而在二极管D的PN结有大量的存储电荷,由于在线路上没有泄放回路,这些电荷只能靠管子本身的复合而消失,这必将影响到电路的开关速度。,五管单元可以提高电路的速度和增强电路的负载能力,1、采用达林顿管作为高电平输出级。 2、电路中各个电阻的阻值比四管单元电路的电阻阻值小,所以工作电流增大,使tpd下降。,1、采用达林顿管作为高电平输出级。即以Q3,Q4构成的达林顿管来代替四管单元电路中的Q3和D。Q4的VBE同样起到了电平位移作用,但由于此时VCB4VCE30,Q4不会进入饱和,所以Q4导通时基区的存储电荷大大减少,而且Q4的基极有R4泄放电阻。可在倒相时泄放存储电荷,使电路的平均传输延迟时间tpd下降,因而提高了电路的工作速度。而且,达林顿管射随器的电流增益大,输出电阻小,有利于对负载电容的充电,从而提高了电路速度,也增大了电路高电平输出时的负载能力。 2、电路中各个电阻的阻值比四管单元电路的电阻阻值小,所以工作电流增大。使tpd下降。此电路功耗较大,为22mw左右,约为四管单元电路的两倍以上,电路优值为132pJ。,总结:无论是四管单元还是五管单元,Q5的基极回路由电阻R3构成,由于R3的存在给电路的特性带来了两方面的问题 (1)电路的抗干扰能力较差,(2) 对提高电路速度不利,在电路截止瞬态,R3提供了Q5管存贮电荷的泄放通路,加速了截止过程。但在导通瞬态,它分走了部分Q5管的基极驱动电流,使下降时间延长;因而从改善电路的瞬态特性考虑,希望Q5管的基极泄放回路是个有源网络,它的等效阻抗是可变的。在截止瞬态它呈现低阻;在导通瞬态,它表现为高阻。,Vi0.6V时,VB20.7V,Q2,Q5截止,输出高电平,对应曲线上的AB段; Vi0.6V时,Q2开始导通,VC2下降,V0跟随VC2的下降线性下降,对应线段BC,BC斜率为1.3VVi1.4V时,Q5导通并达到饱和,输出电平下降很快,直到低电平VOL对应曲线上CDE段, Vi1.4V后,输出为低电平。 由于存在BC段电路的低电平噪声容限降低了,用一个管子来代替R3,Vi必须1.3V时,Q2Q5才能同时导通,这就避免了传输曲线上的BC段,R3的存在,分走了部分Q5的基极驱动电流,使下降时间延长。,上述的四管单元与非门电路,在输出端从低电平向高电平转换的瞬间,从电源经R5,Q3,D到Q5有瞬态大电流流过,因而在二极管D的PN结有大量的存储电荷,由于在线路上没有泄故回路,这些电荷只能靠管子本身的复合而消失,这必将影响到电路的开关速度。,在上述的四管单元和五管单元与非门电路中,输出管Q5的基极回路由电阻R3构成。 当输入电压Vi0.55V时,Q2管开始导通,VC2开始下降,而此时Q5管尚未导通,由于电压传输特性曲线上出现了线性区BC段,使电路的抗干扰能力下降。 在电路导通的瞬态,由于R3的存在,分走了部分Q5管的基极驱动电流,使下降时间延长。,为了解决这些问题,在六管单元与非门电路中,用RB,RC,Q6泄放网络代替R3。 由于RB的存在,使Q6管比Q5管晚导通,所以Q2管的发射极电流IE2全部灌人Q5管的基极,使Q2管和Q5管几乎同时导通,改善了电压传输特性的矩形性提高了电路的抗干扰能力; 当Q5管导通饱和后,Q6管也逐渐导通并进入饱和,对Q5管进行分流,使Q5管的饱和度变浅(所以这种电路又称为浅饱和电路或抗饱和电路)。由于Q5管浅饱和,超量存储电荷减小,因而Q5管退出饱和的速度得到提高。,4.1.3 六管单元与非门,六管单元的优点,1、改善了电路的传输特性,提高了电路的抗干扰能力。 电压传输特性曲线接近矩形,过渡区很窄,低电平噪声容限显著提高。 2、电路的瞬态特性好,速度快,功率延迟时间乘积小。 3、电路温度特性好,工艺离散性影响小。,六管单元TTL与非门的电压传输特性,4.2 STTL和LSTTL电路,4.2.1 六管单元STTL与非门电路 采用SBD箝位晶体管的54S/74S系列六管单元与非门电路。 以SBD箝位晶体管代替除Q4管以外的可能进入饱和或反向工作的晶体管,从而减少这些管子的超额存储电荷,使电路速度大大提高。 采用高电阻值和合理电路设计,可以实现低功耗STTL电路,LSTTL电路的每门功耗仅为2mW,门延时为9.5ns。实现了低功耗和高速度的良好结合。,一、STTL,1、进一步提高TTL电路速度的关键 增加基极驱动电流和降低饱和深度之间的矛盾 缩短电路的导通延迟时间增大基极驱动电流,使输出管迅速饱和驱动电流增大使晶体管的饱和深度增加,超量存储电荷增加电路的截止延迟时间增大。 两个措施: (1)掺金工艺减小空穴寿命加快存储电荷复合,以减小存储时间,但下降,漏电流增加。 (2)有源泄放网络,降低饱和度增大抽出电路。,2、肖特基二极管的抗饱和作用 肖特基二极管(SBD)利用金属半导体接触势垒的整流特性制成。 特点: 正向压降低, 开关时间短, 反向特性可看成单边突变结。,加SBD速度提高了延迟时间下降了,(1)两个附带的好处 有效地克服了多射极管的反向漏电流。 减小了寄生PNP管效应。 (2)SBD箝位存在的一些不利影响 电路输出低电平VOL升高,低电平抗干扰能力下降 SBD漏电流较大 增大了集电结电容 SBD工艺对硅片表面制备和金属化的工艺要求较高,这使STTL电路的成品率比一般TTL电路稍低,成本较高。,54S/74S(T3000)系列STTL与非门,4.2.2 低功耗肖特基TTL(LSTTL)电路,一、与TTL与非门不同之处,1、用肖待基势垒二极管(SBD管Dl,D2)代替多发射极晶体管Ql,作为输入管。 优点: 第一、SBD是多子器件,没有少子存储,而且SBD导通电压比一般PN结二极管低,因此,这种输入结构可以提高电路的速度。 第二、SBD反向饱和电流要比多射极管的输入漏电流小得多,采用SBD作输入极,电路的输入漏电流很小,典型值仅为1A。 第三、SBD的反向击穿电压一般在10V以上,比多射极管BE结反向击穿电压高得多,不用的输入端可直接练到VCC上,这就减少了使用上的麻烦。 2、将Q4的基极泄放电阻R4由接地改为接输出端V0,并加上SBD管的D5和D6。,二、LSTTL电路的基本特点,1、采用高阻值电阻使功耗PD下降为标准TTL们的15左右。 2、用R1,D1,D2组成以SBD为输入管的DTL电路。 DTL输入方式有一下优点: 高电平时输入电流IIH变小; 由于SBD是多子器件,所以速度快; 因为SBD的击穿电压较高(BVSBD)1015V),所以可将不用的输入端直接与VCC相接,而不用通过电阻接VCC,方便了用户。,3、Q4的基极泄放电阻,R4由接地改为接输出端V0,并加上SBD管的D5和D6。提高高电平输出时的负载能力。 4、增加二极管D6、D5使电路速度得到提高。 5、采用离子注入,薄层外延等新技术和对通隔离,深N集电极接触等工艺减小了器件的尺寸和寄生效应,提高了电路速度和集成密度。 三、不足之处 电路的阈值电压VTH较低,使低电平噪声容限下降。,4.3 LSTTL门电路的逻辑扩展,一方面在TTL与非门中增加扩展器,用以增加输入端(“与”扩展器)和实现逻辑功能扩展(“与或”扩展器); 另一方面生产其他逻辑功能的TTL门电路(如或非门、与或非门、与门、异或门、异或非门等)。 同一种门又可按照输出结构的不同而分为基本门、集成极开路(OC)三态(3S)门等。,非门,与门,与或非,或非门,或门,异或门,4.3.1 输出管集电极开路门(OC门),与非门的线与使用 (a) 一般与非门,(b) OC与非门,2019/4/19,39,可编辑,OC门 (a)电路图;(b)逻辑符号,具有图腾柱输出的电路不能将几个TTL门电路并联使用,获得“线与”功能。 原因:这些并联的门中,有的输出为VOL,其余的输出为VOH门的有源负载灌入输出为VOL门的输出管Q5,这将造成VOL上升,甚至破坏逻辑关系或烧毁输出管。 多级与非门串联使用可实现这种逻辑功能,但使用的门电路多,而且延迟时间长。 把TTL门的有源负载去掉,就得到集电极开路门,即OC门。把标准系列与非门中的高电平输出驱动级去掉,直接由输出管Q5的集电极输出,任何一个或全部的输出管Q5饱和时,输出电压被下拉到低电平,得到高电平输出的唯一方法是所有门的输出管Q5都截止。,多个OC门关在同一根总线上进行数据传输,当某OC门的控制电平A(或B)为低电平时,该OC门的输出管Q5处于截止状态,不传输数据,相当于此极对母线不起作用。仅当控制电平为高电平时,才将本级输入信息发送至总线上。 OC门的缺点:没有有源负载,所以它的tpd(平均传输延迟时间)较大,驱动容性负载的能力降低,要外接负载电阻到电源,给使用带来不便。,4.3.2 三态逻辑(TSL)门,为了保持一般图腾柱输出的优点,又能作“线与”连接,人们创造了三态逻辑(TSL)门,它由一个基本门和一个控制门(选通门)组合而成。 三种状态:高电平输出,低电平输出,禁止态(高阻态),相当于输出端悬空。 特点:允许把多个三态门的输出端连在一条公共母线(BUS)上,使总线结构分时多路通信得以实现。,总线结构示意图,典型LS三态输出控制门(1选通),三态输出缓冲器电路1/4的T4125,4.4 ASTTL和ALSTTL电路,随着双极型集成电路工艺技术的发展,采用介质隔离、离子注入等新技术及电路设计技术,从而出现了许多改进的STTL(ASTTL)和LSTTL(ALSTTL)电路,使电路的性能有进一步的提高,其速度更好,功耗更低。 AS/ALS电路与S/LS电路比较: 直流特性不同。 AS/ALS电路的速度更高,功耗更低,负载能力更强。 工艺不同。 AS/ALS电路采用介质隔离、离子注入等新技术,从而器件尺寸更小,寄生效应也大大减小。 电路结构和参数不同,STTL电路图,ASTTL电路图,LSTTL电路图,ALSTTL电路图,4.5 中、大规模集成电路中的简化逻辑门,4.5.1 简化逻辑门 中、大规模集成电路中的逻辑门可分为三类:输入门、内部门和输出门。 输入门与输入端直接相连,直接感受外部的干扰,它的输出与内部门相连,所以负载是固定的、且受到的干扰也较小。 要求:输入阻抗要高,抗干扰能力要强。 输出门与输出端相连,直接驱动外部负载, 要求:负载能力要强。 内部门的特点数量大、功耗小、电路简单。由于它不去驱动外部负载,所以不受外部干扰因而允许噪声容限低。,4.5.2 单管逻辑门,一、二管单元简化与非门 单管逻辑门的特点线路简单,逻辑功能强,功耗低,但其负载能力差,互连不当会造成逻辑错误。,两管单元简化与非门(a)低阈值;(b)高阈值,三管单元与非门,二、三管单元简化与非门,增加了T5管,因而增强了该电路输出低电平的驱动能力。由于没有有源负载,因而驱动电容负载的能力比普通与非门要弱。 二极管D的两个作用: 提高电路速度,当电路在截止瞬态时,电源通过R2就能先向T5提供退饱和集电极电流,然后再向负载电容提充电电流,因此,流经二极管的电流IF加速了T5管的退饱和CL的充电使电路的截止延迟tPLH下降,从而提高了电路的速度; 控制输出管T5的饱和深度,当负载电流IOL较小时,输出低电平VOL降低,二极管D的正向压降及其电流将随之增大,使输出管T5的基极减小,这就减轻了输出管的饱和深度,反之,在负载电流IOL增大时,二极管的压降减小,对T2的反流作用减弱,使输出管基流增大,而不致脱离饱和。,三、抗饱和简化与非门,前提:输出负载不重,要求电路的速度较快。 办法:设法使T5工作于非饱和区的抗饱和电路。,四、强驱动内部与非门,特点:不设置限流电阻R5,电路的瞬态大电流增强了,因而对容性负载的驱动能力强,N0大,tPLH小,速度快,但瞬态功耗增加了,有时为了求得驱动容性负载能力和瞬态功耗的折衷,取RC20进行限流。,4.5.2 单管逻辑门 1、单管禁止门,单管禁止门(a)电路图;(b)逻辑符号,2、单管串接与非门,单管串接与非门(a)电路图;(b)逻辑符号,3、单管逻辑门的逻辑扩展,(1)由单管禁止门组成简化异或非门。,简化异或非门的线路图和逻辑图,简化异或门,(2)两个单管禁止门的发射极并联可代替三个与非门,两个单管禁止门发射极并联及其逻辑图,(3)将几个单管串接与非门的三个端点作不同连接时,可构成许多复杂的逻

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