第23 集成逻辑门电路

1、第23讲 集成逻辑门电路 教学内容：4.2 集成逻辑门4.3TTL和CMOS反相器的电压传输特性4.4OC门、三态门、传输门的用法4.5不同逻辑门多余端的处理方法集成电路：把二极管、三极管、电阻和连线都制作 在一块半导体基片上构成具有一定功能的电路。集成电路分类： 为线性集成电路、数字集成电路、混合集成电路。数字集成电路可分为：SSI、MSI、LSI、VLSI。 SSI从功能可分为门电路、触发器 门电路从集成工艺可分为双极型、MOS型 双极型工艺可分为TTL、HTL、ECL、I2L MOS型工艺可分为NMOS、PMOS、CMOS4. 集成门电路.TTL反相器输入级中间级输出级（1）结构原理T1

2、R1+Vcc 设 uA= 0.3V 则 VB1= 0.3+0.7= 1V T2 、T5 截 止 T3、 T4导 通+5VAT1R1R2T2T4T5R3R4uo (Y)拉电流VB1=1Vuo=3.6Vuo= 5 ube3 ube4 uR2（小） = 5 0.7 0.7 = 3.6V Y= 1.TTL 反相器设 uA=3.6V VB1升高，足以使T2 ,T5导通，uo=0.3V，Y=0 且VB1=2.1V，T1发射结全部反偏。VC2=VCE2+VBE5=0.3+0.7=1V，使T3导通，T4截止。+5VAT1R1R2T2T4T5R3R4uo (Y)灌电流T1R1+VccVB1=2.1VVC2=1V

3、uo=0.3V.TTL 反相器输出高电平：VOH=3.4V输出低电平：VOL=0.2V阈值电压： VTH=1.4V（2）TTL反相器的电压传输特性VTHAB段： UI0.6伏，截止区；BC段：0.6伏UI1.3伏，线性区；CD段： UI1.4伏，转折区；DE段： UI1.4伏，饱和区。）输出高电平电压VOH 在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。 VOH的理论值为3.4V， 产品规定 VOH（min）=2.4V。2）输出低电平电压VOL正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。 VOL的理论值为0.3V， 产品规定 VOL（max）=0.4V。相关参数：3）关门电平电压VOFF 当输出电压下降到

4、VOH（min）时对应的输入电压。 即输入低电压的最大值。 产品规定 VIL（max）=0.8V。）开门电平电压VON当输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电平的最小值。 产品规定 VIH（min）=2V。Vth常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V1.V。5）阈值电压Vth 电压传输特性的过渡区所对应的输入电压， 是决定输出高、低电压的分界线。 近似地：VthVOFFVON 即 ViVth，与非门关门，输出高电平； ViVth，与非门开门，输出低电平。 高电平噪声容限VNH 低电平噪声容限VNLVNLVOFF -VOL（max） 0.8V-0.4V0.4V VNH

5、VOH（min）-VON 2.4V-2.0V0.4VVoVIVoH(min)VIH(min)VoL(max)VIL(max)VNHVNL6）噪声容限：标准TTL门的输入/输出逻辑电平1）输入伏安特性1IiIi=f(Vi)输入短路电流: IIL =1mA输入漏电流： IIH =40A+ViVi(V)Ii(mA)11.40拉电流灌电流（3）TTL反相器的静态输入和输出特性Vo=f(IL)输出为高电平：带拉电流负载输出为低电平：带灌电流负载1+VoHIL(max)IL(mA)Vo(V)3.60IL(mA)Vo(V)01+VoLVH(min) IL IL）输出特性+Vi_1Ri输入端短路接地相当于接低

6、电平输入端电阻小于0.7K时相当于接低电平输入端电阻大于1.5K时相当于接高电平输入端悬空时相当于接高电平1.4Ri(K)Vi(V)0VB1 2.1VVE1 1.4V3）输入负载特性 Vi=f（Ri）4）TTL非门的传输延迟时间tpd导通延迟时间tPHL 从输入波形上升沿中点到输出波形 下降沿的中点所经历的时间。截止延迟时间tPLH 从输入波形下降沿的中点到输出波形 上升沿的中点所经历的时间。一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。与非门的传输延迟时间：tPHLtPLH5) 集成逻辑电路的扇入和扇出系数 IOHLow输出高电平VOHVIHIIH驱动门负载门IOLHighHig

7、h输出低电平VOLVILIIL驱动门负载门.其他逻辑功能的TTL门 TTL门电路常见的类型有：与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等； TTL门电路输入端、端出端的电路结构形式与反相器基本相同； 反相器的特性同样适用所有的TTL门电路*由DTL门到TTL门T1R1+Vcc 设 uA= 0.3V 则 VB1= 0.3+0.7= 1V T2 、T5 截 止 T3、 T4导 通+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4uo (Y)拉电流VB1=1Vuo=3.6V*TTL与非门uo= 5 ube3 ube4 uR2（小） = 5 0.7 0.7 = 3.6V Y= 1设 uA=uB=

8、uC=3.6V VB1升高，足以使T2 ,T5导通，uo=0.3V，Y=0 且VB1=2.1V，T1发射结全部反偏。VC2=VCE2+VBE5=0.3+0.7=1V，使T3导通，T4截止。+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4uo (Y)灌电流T1R1+VccVB1=2.1VVC2=1Vuo=0.3V*TTL与非门*TTL与非门举例74LS0074LS00是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。集电极开路门（ OC门）将普通门的集电极开路OC门主要有以下几方面的应用：（2）实现电平转换（3）用做驱动器 （1）实现线与逻辑功能10V例如驱动发光二极

9、管电路OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：得：（1）当输出高电平时， RP不能太大。 RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由（2）当输出低电平时， RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由所以： RP（min）RPRP（max）得：EN=0时， 二极管D导通，输出端开路（高阻状态）+5VABT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4YDEN VB1=1VVB3=1V三态输出门EN=1时，二极管D截止， Y=AB三态输出门当EN=1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时输出端呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。当EN=0时，G输出为1，D1截止，相当于一个正常

10、的二输入端与非门，称为正常工作状态。使能端低电平有效使能端高电平有效（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。三态门的应用举例：（a）组成单向总线，实现信号的分时单向传送.三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。1. N沟道增强型绝缘栅场效应管SiO2结构示意图P型硅衬底源极S栅极G漏极D 衬底引线BN+N+DBSG符号4. CMOS集成门电路.CMOS非门CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。（1）逻辑关系：设VDD（VTN+|VTP|）且VTN = |VTP| ）（2）当Vi=VDD时：TN导通，TP截止，输出VO0V。（1）当Vi=0V时：TN截止，TP

11、导通。输出VOVDD。（2）电压传输特性：（设: VDD=10V， VTN=|VTP|=2V）1）当Vi2V：TN截止，TP导通，输出VoVDD=10V。2）当2VVi5V：TN工作在饱和区，TP工作在可变电阻区。 3）当Vi=5V：两管都工作在饱和区， Vo=（VDD/2）=5V。4）当5VVi8V： TP工作在饱和区，TN工作在可变电阻区。5）当Vi8V： TP截止，TN导通，输出Vo=0V。 可见： CMOS门电路的阈值电压 Vth=VDD/2（3）工作速度由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns

12、。VDD导通截止0VVDD0V截止导通CMOS三态门当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出:当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出为高阻状态。 所以，这是一个低电平有效的三态门。CMOS传输门（设两管的开启电压VTN=|VTP|）（1）当C接高电平VDD若Vi在0VVDD的范围变化，至少有一管导通，相当于一闭合开关，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2）当C接低电平0VVi在0VVDD的范围变化时，TN和TP都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开。6CMOS双向模拟开关（1）当C接高电平VDD若Vi在0VVDD的范围变化，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2）当C接低电平0V

13、Vi在0VVDD的范围变化时，输出呈高阻状态，相当于开关断开。4.多余输入端的处理 前级驱动能力允许时也可以与有用的输入端并联使用。（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平直接接电源正端，或通过上拉电阻接电源正端；直接接地与有用的输入端并联使用4.多余输入端的处理（3）CMOS 门接电阻时的情况*TTL集成电路逻辑门及同类CMOS器件系列 TTL门电路74（民用）系列54（军用）系列子系列子系列 74：标准TTL（Standard TTL）。 74L：低功耗TTL（Low-power TTL）。 74S：肖特基TTL（Schottky TTL）。

14、 74AS：先进肖特基TTL（Advanced Schottky TTL）。 74LS：低功耗肖特基TTL（Low-power Schottky TTL）。 74ALS：先进低功耗肖特基TTL（Advanced Low-power Schottky TTL） *TTL集成电路逻辑门及同类CMOS器件系列 74L 74ALS74LS74AS 7474S最小最大74AS 74S 74ALS 74LS7474L最快最慢TTL系列功耗TTL系列速度表2-13 TTL系列速度及功耗的比较表2-14 54系列与74系列的比较系列电源电压（V）环境温度（）544.5 5.555 +125744.75 5.250 702. 逻辑器件的输入/输出逻辑电平 标准TTL电路则有： 定义为逻辑0的低电平输入电压范围VIL ：00.8V。 定义为逻辑1的高电平输入电压范围VIH ：25V。 定义为逻辑0的低电平输出电压范围VOL ：不大于0.3V。 定义为逻辑1的高电平输出电压范围VOH ：不小于2.4