数电 第一节 标准TTL与非门.ppt

内容概述 双极型集成逻辑门 mos集成逻辑门 集 成 逻 辑 门 按器件类型分 按集成度分 ssi：100个等效门 msi：103个等效门 lsi ：104个等效门 vlsi：104个以上等效门 本章内容： 集成逻辑门的基本结构、工作原理； 集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。 ttl、ecl i2l、htl pmos nmos cmos 第一节第一节 标准标准ttlttl与非门与非门 ttl与非门电路组成 ttl与非门工作原理 ttl与非门工作速度 ttl与非门外特性及主要参数 ttl标准与非门的改进型 ttl集成电路产品 ttl与非门电路组成 输出级由d3、t4、t5和电阻 r4组成。t4与t5组成推拉式输出 结构，具有较强的负载能力。 输入级由多发射 极晶体管t1、二极管 d1、d2和电阻r1组成 。实现输入变量a、b 的与运算。 中间级由t2、r2和r3组成 。t2的集电极c2和发射极e2分 别提供两个相位相反的电压信 号。 ttl与非门工作原理 输入端至少有一个（ 设a端）接低电平： 0.3v 3.6v 1v 3.6v t1管:a端发射结导通 ，ub1 = ua + ube1 = 1v，其它发射结反偏 截止。 （5-0.7-0.7）v = 3.6v 因为ub1 =1v, 所以 t2、 t5截止, uc2ucc=5v。 t4：工作在放大状态 5v 电路输出高电平： 输入端全接高电平： 3.6v 2.1v 0.3v t1:ub1= ubc1+ube2+ube5 = 0.7v3 = 2.1v 电路输出低电平： uol = 0.3v 3.6v t1：发射结反偏，集电 极正偏，工作在倒置放 大状态且t2 、t5导通。 t2：工作在饱和状态 t4：uc2 = uces2 + ube5 1v，t4截止。 t5：处于深饱和状态 ttl与非门工作原理 输入端全接高电平 ，输出为低电平。 输入端至少有一个接 低电平时，输出为高 电平。 由此可见，电路的 输出与输入之间满足 与非逻辑关系： ttl与非门工作原理 t1：倒置放大状态 t2：饱和状态 t4：截止状态 t5：深度饱和状态 t1：深度饱和状态 t2：截止状态 t4：放大状态 t5：截止状态 ttl与非门的外特性及主要参数 外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。 掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护 和设计电路的重要依据。 介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。 ttl与非门的外特性及主要参数 （一）电压传输特性 ttl与非门输入电压ui与输出电压uo之间的关系曲线， 即 uo = f（ui）。 截止区：当ui0.6v， ub11.3v时，t2、t5截止， 输出高电平uoh = 3.6v。 饱和区：ui1.4v，t1进入倒置 工作状态ub1=2.1v，此时t2、t5 饱和，t4截止，输出低电平uol = 0.3v ，且uo不随ui的增大而 变化。 线性区：当0.6vui1.3v， 0.7vu b21.4v时，t2导通，t5 仍截止，uc2随ub2升高而下降， 经t4射随器使uo下降。 转折区：当ui1.3v时， 输入电压略微升高，输出 电压急剧下降，因为t2、 t4、t5均处于放大状态。 ttl与非门的外特性及主要参数 根据电压传输特性，可以求出ttl与非门几个重要参数： 输出高电平uoh和输出低电平uol 、阈值电压uth、开门电平 uon和关门电平uoff 、噪声容限等。 1.输出高电平uoh和输出低电平uol ： ab段所对应的输出电压为uoh 。de段所 对应的输出电压为uol。 一般要求uoh3v，uol0.4v 。 3. 开门电平uon： 开门电平uon也称输入高电平电压uih，指 的是输出电平uo =0.3v时，允许输入高电 平的最小值。uon典型值为1.4v，一般产 品要求uon1.8v。 4. 关门电平uoff ： 关门电平uoff也称输入低电平电压uil， 指的是在保证输出电压为额定高电平uoh 的90%时，允许输入低电平的最大值。一 般产品要求uoff0.8v。 2. 阈值电压uth： cd段中点所对应的输入电压称为阈值电 压uth，也称门槛电压。 uth=1.31.4v。 低电平噪声容限u nl： 高电平噪声容限u nh： 5. 噪声容限 ttl与非门的外特性及主要参数 噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。 （二）输入特性 输入电流与输入电压之间的关系曲线，即ii = f（ui）。 1. 输入短路电流iis（输入低电平电流iil） 当uil = 0v时由输入端流出的电流。 2. 输入漏电流iih（输入高电平电流） 指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，流入 该输入端的电流，约10a左右。 ttl与非门的外特性及主要参数 假定输入电流ii流入t1发射极 时方向为正，反之为负。 前级驱动门导通时，iis将灌入 前级门，称为灌电流负载。 前级驱动门截止时， iih从前级 门流出，称为拉电流负载。 1.扇出系数no表示门电路带负载能力的大小，no表示可 驱动同类门的个数。no分为两种情况，一是灌电流负载nol， 二是拉电流负载noh。no=min（nol，noh）。 iolmax为驱动门的最大允许灌电流，iil是一个负载门灌 入本级的电流。 iohmax为驱动门的最大允许拉电流，iih是负 载门高电平输入电流。 （三）扇入系数ni和扇出系数no ttl与非门的外特性及主要参数 2.扇入系数ni是指合格输入端的个数。 ttl与非门的外特性及主要参数 （四）输入负载特性 ui在一定范围内会随着ri的增加而升高，形成ui = f（ri） 变化曲线，称为输入负载特性。 若要使与非门稳定在 截止状态，输出高电平， 应选择riroff。 若要保证与非门可靠 导通，输出低电平，应选 择riron。 ttl与非门的外特性及主要参数 （五）功耗 功耗有静态功耗和动态功耗之分。 动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。 静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有 空载导通功耗pon和空载截止功耗poff两个参数。 1. 空载导通功耗pon指的是输出端开路、输入端全部悬空、 与非门导通时的功耗。标准ttl芯片pon 50mw。 2. 空载截止功耗poff指的是输出端开路、输入端接地、与 非门截止时的功耗。标准ttl芯片poff25mw。 （六）平均传输延迟时间 平均传输延迟时间tpd： ttl与非门的外特性及主要参数 平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指 门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延 迟了多少时间。 导通延迟时间tphl ：输 入波形上升沿的50%幅值处 到输出波形下降沿50% 幅值 处所需要的时间。 截止延迟时间tplh：从输 入波形下降沿50% 幅值处到 输出波形上升沿50% 幅值处 所需要的时间。 通常tplhtphl，tpd越 小，电路的开关速度越高 。一般tpd=10ns40ns。 ttl与非门工作速度 存在的问题：一是与非门内部晶体管工作在饱和状态对 电路开关速度产生影响，二是与非门输出端接容性负载 时对工作速度产生影响。 采取的措施： 1. 采用多发射极晶体管t1，加速t2管脱离饱和状态。 2. t4和t5同时导通，加速t5管脱离饱和状态。 3. 降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间 。 ttl标准与非门的改进型 （一）高速系列（74h系列） 高速74h系列电路对标准74系列电路进行了两项改进： 一是在输出级采用了达林顿结构，将输出级的 t4用复合管 t3和t4代替，减小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对容 性负载的充电速度。 二是降低电路中所有电 阻的阻值，加速三极管的开 关速度。 74h系列门电路的传输 时间比74系列减小了一半， 但是由于电源电流的增大， 电路的功耗变大。 ttl标准与非门的改进型 （二）肖特基系列（74s系列） 肖特基74s系列与标准74系列相比有两点改进。 一是增加了有源泄放电路代替t2射极电阻r3。 二是将标准门电路中所 有可能工作在饱和区的晶体 管都用肖特基三极管代替。 由t6、r6和r3构成的有源 泄放电路来代替原t2射极电阻 r3。一是提高工作速度，二是 提高抗干扰能力。 工作速度和抗干扰能力提 高。一般74s系列电路的tpd小于 10ns。 ttl标准与非门的改进型 （三）低功耗肖特基系列（74ls系列） 74ls系列与标准74系列相比，电路有多项改进措施,以达到 缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。 74ls系列具有较小的延 迟-功耗积，具有较好的综合性能。 为降低功耗，提高电路 各电阻的阻值,将电阻r5原接 地端改接到输出端，减小t3 导通时电阻r5上的功耗。 为缩短传输延迟时间， 用肖特基管和有源泄放电路 ；还将输入级的多发射极管 改用sbd代替。 ttl集成电路产品 系 列名 称特 点 54/74系列ttl通用标准系列ttl最早产品，中速器件，目前仍使用。 54h/74h系列ttl快速系列74系列改进型，速度较74系列高，功耗大。 54s/74s系列ttl肖特基系列 采用肖特基晶体管和有源泄放回路，速度高， 品种较74ls系列少。 54l