第05讲 TTL集成门电路

1、数字逻辑设计TTL集成门电路集成门电路半导体器件的开关特性l数字系统需要泾渭分明的两种状态。数字系统需要泾渭分明的两种状态。l两种稳定的电的状态：开与关两种稳定的电的状态：开与关l为了表示这两种状态，我们需要具有开关状态的电为了表示这两种状态，我们需要具有开关状态的电子元件子元件l直到目前的最佳选择：半导体器件直到目前的最佳选择：半导体器件数字集成电路元件组成。l晶体管：晶体管：l双极型晶体管（双极型晶体管（bipolar transistor） ；l金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（metal oxid semiconductor, MOS）场效应晶体管。）场效应晶体管。 l集成电路：

2、集成电路：l晶体管晶体管 - 晶体管逻辑（晶体管逻辑（transistor- transistor logic, TTL）电路）电路 ；lMOS 逻辑电路：其中逻辑电路：其中CMOS电路为主流產品。电路为主流產品。 二极管l二极管二极管（Diode），电），电子元件当中，子元件当中，一种具有两个一种具有两个电极的装置，电极的装置，只允许电流由只允许电流由单一方向流过。单一方向流过。半导体l半导体材料：硅和锗半导体材料：硅和锗l半导体特性：光敏性、热敏性和掺杂性半导体特性：光敏性、热敏性和掺杂性l半导体电路主要利用半导体材料的掺杂性，也半导体电路主要利用半导体材料的掺杂性，也有的器件会利用光、热

3、敏性。有的器件会利用光、热敏性。发光二极管l发光二极管（英语：发光二极管（英语：Light-Emitting Diode，简称，简称LED） 是一种能发光的半是一种能发光的半导体电子元件，被导体电子元件，被广泛的应用于显示广泛的应用于显示器、电视机采光装器、电视机采光装饰和照明。饰和照明。二极管的开关特性lPN结施加正向电压时，结施加正向电压时，在外电场作用下，耗在外电场作用下，耗尽层的宽度变窄，尽层的宽度变窄，N区中电子和区中电子和P区中的区中的空穴都能顺利通过空穴都能顺利通过PN结，形成扩散电流。结，形成扩散电流。lPN结施加反向电压时，结施加反向电压时，外电场与内电场一致，外电场与内电场

4、一致，PN结的耗尽层的宽度结的耗尽层的宽度大大增加，扩散电流大大增加，扩散电流大大减小，大大减小，PN结转化结转化为截止状态。为截止状态。二极管的伏安特性曲线l导通：导通：Ui死去电压死去电压（0.5V）,UD为二极管为二极管正向压降（正向压降（0.7V硅硅管）。管）。l截止：截止：Ui死去电压死去电压（0.5V）,ID=0。l反向击穿：反向电压反向击穿：反向电压较大时，反向电流急较大时，反向电流急剧增长。剧增长。二极管的简化特性曲线二极管的特性总结l二极管具有二极管具有“单向导电单向导电”特性。特性。l正向导通，钳位电压正向导通，钳位电压硅管硅管0.7V，锗管，锗管0.3V。l二极管的符号如

5、下：二极管的符号如下：用二极管实现的与门电路三极管l三极管（三极管（Triode ）是一）是一种固体半导体器件，可以种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和开关、稳压、信号调制和许多其它功能。许多其它功能。 三极管的原理及符号相当于两个相当于两个二极管做此二极管做此连接连接硅三极管的伏安特性示例 简单非门静态工作点分析l当当vi = 0V 时，晶体管截止，理想情况下，时，晶体管截止，理想情况下， vo = vce = VCC，由于漏电流的存在，由于漏电流的存在，vo = vce VCC。l ，本例通过适当选择，本例通过适当选择R b，使，使 i

6、b = 80 A。 l在在 i b = 80 A的情况下，适当选择的情况下，适当选择Rc的数值的数值(Rc = 1K)，使，使晶体管达到饱和。从图中看出，晶体管达到饱和。从图中看出， 。bibRvi/)7 .0(V3 . 0cevvo VCC (+5V) vi ic Rc Rb vo T vbe i b vce 截止工作状态l若若Ui钳位电压，三极钳位电压，三极都处于截止状态都处于截止状态放大工作状态发射结正偏，同发射结正偏，同时集电结反偏是时集电结反偏是三极管放大的先三极管放大的先决条件决条件饱和工作状态l三极管导通后，随着三极管导通后，随着Ui的增大，的增大，IB、 IC、 IE都增大，都

7、增大，VCE=UCC - iC RC不断不断下降，当下降，当VCE降到降到0.7V以下时，三极以下时，三极管集电结由反偏转向正偏。管集电结由反偏转向正偏。三极管的开关特性三极管特性总结l在数字电路中主要应用三极管的截止和饱和状在数字电路中主要应用三极管的截止和饱和状态。态。l饱和状态保证发射结正偏，集电结正偏饱和状态保证发射结正偏，集电结正偏l基极与发射极间电压基极与发射极间电压VBE钳位在钳位在0.7V（硅管）或（硅管）或0.3V（锗管）（锗管）l截止状态截止状态VBE0.7V,集电结反偏集电结反偏 输入输入 a b 输输出出级级 中间中间级级 输入级输入级 输出输出 f e d c TTL

8、与非门电路输入级等效电路实现与逻辑实现与逻辑l每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三极管进入放大或饱和区。极管进入放大或饱和区。多发射极三极管 有0.3V箝位于1.0V全为3.6V集电结导通输入级结构及工作原理与非门电路分析输入有低lC的发射结导通，的发射结导通，T1的基的基极电位钳位在极电位钳位在VB1=1V。lT2、T3都截止。都截止。l由于由于T2截止，流过截止，流过RC2的的电流仅为电流仅为T4的基极电流，的基极电流，相对比较小，在相对比较小，在RC2上产上产生的压降可以忽略，所生的压降可以忽略，所以以VB3VCC =

9、5V。使得。使得T4和和D导通，则有：导通，则有： VOVCC-VBE4-VD =5-0.7-0.7=3.6(V)与非门电路分析输入全为高lT1三个发射结都截止，三个发射结都截止，vB1 =2.1V。lT2、T3导通。导通。lT2的基极电流的基极电流iB2很大，很大，所以所以T2处于饱和状态。处于饱和状态。vC20.7+0.3=1V。因此，。因此，T4和和D截止。截止。l同样地，同样地，T3饱和导通，饱和导通，输出电压为：输出电压为：VO=VCES30.3V。三输入TTL与非门电路(a)电路 (b) 逻辑符号全全1 1输出输出0 0有有0 0输出输出1 11V 2.1VTTL与非门芯片l740

10、0，二输入四与非门芯片。，二输入四与非门芯片。l7420，四输入二与非门芯片。，四输入二与非门芯片。TTL电压传输特性驱动负载能力（扇出系数N） 驱动门输出级驱动门输出级 Vo VCC R1 VCC R1 负载负载门门 1 的输入级的输入级 负载负载门门 2 的输入级的输入级 ip1 ip2 ip VCC 截止截止 扇出系数分析l驱动门输出为低驱动门输出为低电平，电平， 灌入电流灌入电流 i p 过大将使输出过大将使输出电平电平v0抬高，负抬高，负载个数受限。载个数受限。l扇出系数扇出系数N 的典的典型值为型值为 8。 驱动门输出级驱动门输出级 Vo VCC R1 VCC R1 负载负载门门

11、1 的输入级的输入级 负载负载门门 2 的输入级的输入级 id1 id2 id VCC 截止截止 扇出系数分析l驱动门输出为高电平。驱驱动门输出为高电平。驱动门通过动门通过T4的发射极向负的发射极向负载门供给电流（载门供给电流（i d），负），负载增多将使拉出电流载增多将使拉出电流 i d 加加大，导致输出电平降低。大，导致输出电平降低。l拉电流与灌电流相比，扇拉电流与灌电流相比，扇出系数出系数N受灌电流受灌电流 影响更影响更大。大。 传输延迟ltpHL代表下降延迟，代表下降延迟，tpLH代表上升延迟。代表上升延迟。l通常用其平均值代表该门的传输延迟。通常用其平均值代表该门的传输延迟。 tpd

12、 = （tpHL + tpLH ）/ 2传输延迟分析l晶体管由截止到导通或由导通到截止所经历的时间，此延迟时间和晶体晶体管由截止到导通或由导通到截止所经历的时间，此延迟时间和晶体管自身特性有关。管自身特性有关。 l与非门输出电平变化时对负载电容（寄生电容）充放电所经历的时间与非门输出电平变化时对负载电容（寄生电容）充放电所经历的时间 。随着负载的增多，此延迟时间增大。随着负载的增多，此延迟时间增大。 驱动门输出级驱动门输出级 Vo ip VCC （a） Vo 由高变低时负载电容经 T5 放电 驱动门输出级驱动门输出级 Vo id （b） Vo 由低变高时经 T4 向负载电容充电 VCC 与非门输出级与非门输出级 功耗l空载功耗：空载功耗：l未带任何负载时的静态功耗称为空载功耗。未带任何负载时的静态功耗称为空载功耗。 l浪涌电流引起的功耗：浪涌电流引起的功耗：lTTL与非门的输出电平发生变化时，在一个短暂的时与非门的输出电平发生变化时，在一个短暂的时段里