數(shù)字電子技術集成門電路

1、 2.1 概述 2.2 TTL 集成門電路 2.3 CMOS集成門電路 本章小結 習題返回主目錄第2章 集成門電路第2 章 集 成 門 電 路 集電路是構成數(shù)字電路的根本單元。 2.1概述 邏輯門電路是指能夠實現(xiàn)各種根本邏輯關系的電路， 簡稱“門電路或邏輯元件。 最根本的門電路是與門、或門和非門。利用與、或、非門就可以構成各種邏輯門。在邏輯電路中, 邏輯事件的是與否用電路電平的高、低來表示。 假設用1代表低電平、0代表高電平，那么稱為負邏輯。 集成門按內(nèi)部有源器件的不同可分為兩大類：一類為雙極型晶體管集成電路，主要有晶體管TTL邏輯、射極耦合邏輯ECL和集成注入邏輯I2L等幾種類型；另一類為單

2、極型MOS集成電路，包括NMOS、 PMOS和CMOS等幾種類型。常用的是TTL和CMOS集成電路。 集成門電路按其集成度又可分為：小規(guī)模集成電路(SSI)、中規(guī)模集成電路MSI、大規(guī)模集成電路LSI和超大規(guī)模集成電路VLSI。 【思考題】 1. 在數(shù)字電路中，用什么符號來表示對立的兩個狀態(tài)？何為正邏輯? 何為負邏輯？ 2. 什么是邏輯門？ 根本邏輯門指哪幾種邏輯門？2.2 TTL 集成門電路2.2.1 TTL與非門的工作原理2.2.2 TTL與非門的外特性與參數(shù)2.2.3 TTL與非門產(chǎn)品介紹2.2.4 TTL與非門的改進電路2.2.5 TTL門電路的其他類型2.2.6 TTL集成門電路使用

3、本卷須知2.2 TTL集成門電路圖2.1是一個由與非門構成的多數(shù)表決器。 圖21 多路表決器邏輯圖表21 多路表決器真值表 電路輸入輸出間邏輯關系如表21所示 A B CY 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 00010111 2.2.1TTL與非門的工作原理 1 電路組成 如圖2.2所示由輸入級、 中間級和輸出級三局部組成的。 圖 2.2 TTL集成與非門電路圖及邏輯符號 (a) 電路； (b) 符號圖 2.3 多發(fā)射極晶體管及其等效形式(a) 多發(fā)射極晶體管； (b) 等效形式 (1) 輸入級。 輸入級由多發(fā)射極管T1和電阻R1組

4、成。其作用是對輸入變量A、B、C實現(xiàn)邏輯與，從邏輯功能上看，圖2.3a所示的多發(fā)射極三極管可以等效為圖2.3b所示的形式。 (2) 中間級。 中間級由T2、 R2和R3組成。T2的集電極和發(fā)射極輸出兩個相位相反的信號，作為T3和T5的驅動信號。 (3) 輸出級。 輸出級由T3、T4、T5和R4、R5組成，這種電路形式稱為推拉式電路。 2. 工作原理 (1) 輸入全部為高電平。當輸入A、 B、 C均為高電平，即UIH = 3.6 V時，T1的基極電位足以使T1的集電結和T2、T5的發(fā)射結導通。而T2的集電極壓降可以使T3導通， 但它不能使T4導通。T5由T2提供足夠的基極電流而處于飽和狀態(tài)。 因

5、此輸出為低電平: UO=UOL=UCE50.3 V(2) 輸入至少有一個為低電平。當輸入至少有一個A端為低電平，即UIL = 0.3V時，T1與A端連接的發(fā)射結正向導通，從圖2.3(b)中可知，T1集電極電位UC1使T2、T5均截止，而T2的集電極電壓足以使T3，T4導通。因此輸出為高電平： UO=UOHUCC-UBE3-UBE4=5-0.7-0.7=3.6 V 綜上所述，當輸入全為高電平時，輸出為低電平，這時T5飽和，電路處于開門狀態(tài)；當輸入端至少有一個為低電平時，輸出為高電平，這時T5截止，電路處于關門狀態(tài)。即輸入全為時， 輸出為；輸入有時，輸出為。由此可見，電路的輸出與輸入之間滿足與非邏

6、輯關系，即 1. 電壓傳輸特性 TTL與非門電壓傳輸特性是表示輸出電壓UO隨輸入電壓UI變化的一條曲線， 電壓傳輸特性曲線大致分為四段：如圖2.4所示。 2.2.2 TTL與非門的外特性與參數(shù)圖 2.4TTL與非門電壓傳輸特性a 測試電路示意圖; b 曲線 1 AB段。 輸入電壓UI0.6 V時，T1工作在深度飽和狀態(tài)，UCES10.1V, UB20.7V,故T2、T5截止，T3、T4導通，UO3.6 V為高電平。與非門處于截止狀態(tài)，所以把AB段稱截止區(qū)。 2BC段。輸入電壓 0.6VUI1.3 V時，0.7VUB21.4V ，T2開始導通，T5仍未導通，T3、T4處于射極輸出狀態(tài)。隨UI的增

7、加，UB2增加， UC2下降，并通過T3、 T4使UO也下降。因為UO根本上隨UI的增加而線性減小， 故把BC段稱線性區(qū)。 3 CD段。輸入電壓1.3VUI1.4V時，T5開始導通，并隨UI的增加趨于飽和。使輸出UO為低電平。所以把CD段稱轉折區(qū)或過渡區(qū)。 (4) DE段。當UI1.4V時, T2、T5飽和，T4截止，輸出為低電平。與非門處于飽和狀態(tài)。 所以把DE段稱飽和區(qū)。 2. 主要參數(shù) 1輸出高電平UOH和輸出低電平UOL。電壓傳輸特性曲線截止區(qū)的輸出電壓為UOH，飽和區(qū)的輸出電壓為UOL。一般產(chǎn)品規(guī)定UOH2.4V，UOL0.4 V。 2 閾值電壓Uth。電壓傳輸特性曲線轉折區(qū)中點所對

8、應的輸入電壓為Uth，也稱門檻電壓。一般TTL與非門的Uth 1.4V。 3關門電平UOFF和開門電平UON。保證輸出電平為額定高電平2.7V左右時，允許輸入低電平的最大值， 稱為關門電平UOFF。通常UOFF1V , 一般產(chǎn)品要求UOFF0.8 V。 保證輸出電平到達額定低電平0.3V時，允許輸入高電平的最小值，稱為開門電平UON。通常UON1.4V，一般產(chǎn)品要求UON1.8 V。 4 噪聲容限UNL、UNH。在實際應用中，由于外界干擾、電源波動等原因，可能使輸入電平UI偏離規(guī)定值。為了保證電路可靠工作，應對干擾的幅度有一定限制，稱為噪聲容限。它是用來說明門電路抗干擾能力的參數(shù)。 低電平噪聲

9、容限是指在保證輸出為高電平的前提下，允許疊加在輸入低電平UIL上的最大正向干擾或噪聲電壓。用UNL表示: UNL = UOFF - UIL 高電平噪聲容限是指在保證輸出為低電平的前提下，允許疊加在輸入高電平UIH上的最大負向干擾或噪聲電壓。 用UNH表示： UNH = UIH - UON (5) 輸入短路電流IIS。當UI=0時，流經(jīng)這個輸入端的電流稱為輸入短路電流IIS。在如圖2.5所示電路中， IIS= -1.4 mA輸入短路電流的典型值約為-1.5mA。 圖 2.5 IIS的計算 (6) 輸入漏電流IIH。當UIUth時, 流經(jīng)輸入端的電流稱為輸入漏電流IIH， 即T1倒置工作時的反向漏

10、電流。其值很小，約為10A。 (7) 扇出系數(shù)N。扇出系數(shù)是以同一型號的與非門作為負載時，一個與非門能夠驅動同類與非門的最大數(shù)目，通常N8。 8平均延遲時間tpd。平均延遲時間指輸出信號滯后于輸入信號的時間，它是表示開關速度的參數(shù)， 如圖2.6所示 從輸入波形上升沿的中點到輸出波形下降沿中點之間的時間稱為導通延遲時間 tPHL；從輸入波形下降沿的中點到輸出波形上升沿的中點之間的時間稱為截止延遲時間tPLH, 所以TTL與非門平均延遲時間為tpd= (tPHL+tPLH) 一般, TTL與非門tpd為340ns。表 2.2 常用TTL門電路型號 2.2.3 TTL與非門產(chǎn)品介紹 局部常用中小規(guī)模

11、TTL門電路的型號及功能如表2.2所示。 型 號 邏 輯 功 能 74LS00 74LS10 74LS20 74LS30四-2輸入與非門三-3輸入與非門二-4輸入與非門8輸入與非門圖 2.774LS00、 74LS20管腳圖 圖2. 7所示是74LS00及74LS20管腳排列示意圖。 表 2.3 TTL器件型號組成的符號及意義 TTL器件型號由五局部組成， 其符號和意義如表2.3所示。 第 1 部 分 第 2 部 分第 3 部 分第4 部 分 第5部分型號前級工作溫度符號范圍器件系列器件品種封裝形式符號意義符號意義符號意義符號意義符號意義CT SN中國制造的TTL類美國TEXAS公司5474-

12、55+125V 0+70 HSLSASALSFAS標準高速肖特基低功能肖特基先進肖特基先進低功能肖特基快捷肖特基阿拉伯數(shù)字器件功能WBFDPJ陶瓷扁平封裝扁平全密封扁平陶瓷雙列直播塑料雙列直播黑陶瓷雙列直播例如:CT 74 H 10 F 封裝形式： 全密封扁平封裝 器件品名： 三3輸入與非門 器件系列： 高速 溫度范圍： 0+70 中國制造: TTL器件_ 2.2.4TTL與非門的改進電路 改進型TTL與非門, 如圖 2.8 所示。 圖 2.8 各種系列的TTL門電路 LS系列TTL門tpd5ns，而功耗2mW，因而得到廣泛應用。 我國TTL集成電路目前有CT54/74普通、T54/74H高速

13、、 CT54/74S肖特基和CT54/74LS(低功耗等四個系列國家標準的集成門電路。它們的主要性能指標如表2.4所示。在TTL門電路中，無論是哪一種系列，只要器件品名相同, 那么器件功能就相同，只是性能不同。 表2.4 TTL各系列集成門電路主要性能指標 電路型號參數(shù)名稱CT74系列CT74H系列CT745系列CT74LS系列電源電壓/V5555UOH(MIN)/V2.42.42.52.5UOL(MAX)/V0.40.40.50.5邏輯擺幅3.33.33.43.4每門功耗1022192每門傳輸延時10639.5最高工作頻率355012545扇出系數(shù)10101020抗干擾能力一般一般好好 2.

14、2.5TTL門電路的其他類型 TTL門電路除與非門之外， 還有許多種門電路， 1. 集電極開路門OC門 在實際使用中，可直接將幾個邏輯門的輸出端相連，這種輸出直接相連，實現(xiàn)輸出與功能的方式稱為線與。圖2.9所示為實現(xiàn)線與功能的電路。即 Y=Y1Y2 但是普通TTL與非門的輸出端是不允許直接相連的， 因為當一個門的輸出為高電平Y1，另一個為低電平Y2時， 將有一個很大的電流從UCC經(jīng)Y1到Y2，到導通門的T5管，如圖2.10所示。圖2.9 與非門的線與連接圖 2.10TTL與非門直接線與的情況圖 2.11OC門電路 OC(Open Collector)門， 其電路及符號如圖2.11所示。 圖 2

15、.12OC門線與邏輯 T5的集電極是斷開的，必須經(jīng)外接電阻RL接通電源后，電路才能實現(xiàn)與非邏輯及線與功能。 圖2.12是實現(xiàn)線與邏輯的OC門， 其邏輯表達式為圖 2.13 RL的選取 外接電阻RL的選取。 假設有n個OC門接成線與的形式，其輸出負載為m個TTL與非門，如圖2.13所示。 當所有OC門都為截止狀態(tài)時，輸出電壓UO為高電平，為保證輸出的高電平不低于規(guī)定值，RL不能太大。根據(jù)圖2.13a所示的情況，RL的最大值為式中, n為OC門并聯(lián)的個數(shù)，m為并聯(lián)負載門的個數(shù)，IOH為OC門輸出管截止時的漏電流，IIH為負載門輸入端為高電平時的輸入漏電流。 式中, ILmax是導通OC門所允許的最

16、大漏電流，IIS為負載門的輸入短路電流。 綜合以上兩種情況，RL的選取應滿足： RLminRLRLmax為了減少負載電流的影響，RL值應選接近RLmin的值。圖 2.14 三態(tài)門電路、 符號 2. 三態(tài)門TSL門 三態(tài)門，是指邏輯門的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)高阻狀態(tài)或稱禁止狀態(tài)的門電路，簡稱TSL(Tristate Logic)門。電路如圖2.14(a)所示。 E為控制端或稱使能端。 當E1時，二極管D截止，TSL門與TTL門功能一樣： 當E0時，T1處于正向工作狀態(tài)，促使T2、T5截止， 同時, 通過二極管D使T3基極電位鉗制在V左右，致使T4也截止。這樣T4、T5都截止

17、，輸出端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。 TSL門中控制端E除高電平有效外，還有為低電平有效的，這時的電路符號如圖2.14(c)所示。 圖 2.15 三態(tài)門的應用舉例 三態(tài)門的主要用途是實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)或控制信號的總線傳輸，如圖2.15所示。 2.2.6TTL集成門電路使用本卷須知 在使用TTL集成門電路時， 應注意以下事項： (1) 電源電壓UCC應滿足在標準值5V+10%的范圍內(nèi)。 (2) TTL電路的輸出端所接負載，不能超過規(guī)定的扇出系數(shù)。 (3) 注意TTL門多余輸入端的處理方法。 1. 與非門 與非門多余輸入端的三種處理方法如圖2.16所示。圖 2.16與非門多余輸入端的處理方法(a) 接電源; (b)

18、通過R接電源; c 與使用輸入端并聯(lián)圖 2.17或非門多余輸入端的處理方法(a) 接地; (b) 通過R接地; c 與使用輸入端并聯(lián) 2. 或非門 或非門多余輸入端的三種處理方法如圖2.17所示。 【思考題】 1. TTL與非門多余輸入端應如何處理？或門、或非門、與或非門多余輸入端應如何處理？ 2. 什么是“線與？普通TTL門電路為什么不能進行“線與？ 3. 三態(tài)門輸出有哪三種狀態(tài)？ 為保證接至同一母線上的許多三態(tài)門電路能夠正常工作的必要條件是什么？2.3.1 CMOS門電路2.3.2 CMOS門電路系列及型號的命名法2.3.3 CMOS集成電路使用本卷須知2.3.4 CMOS電路與TTL電路

19、的連接2.3 CMOS集成門電路2.3CMOS集成門電路 MOS集成邏輯門是采用MOS管作為開關元件的數(shù)字集成電路。 它具有工藝簡單、集成度高、抗干擾能力強、 功耗低等優(yōu)點，MOS門有PMOS、 NMOS和CMOS三種類型， CMOS電路又稱互補MOS電路，它突出的優(yōu)點是靜態(tài)功耗低、抗干擾能力強、工作穩(wěn)定性好、開關速度高，是性能較好且應用較廣泛的一種電路。 2.3.1CMOS門電路 1. 與非門 圖2.18是一個兩輸入的CMOS與非門電路。 當A、B兩個輸入端均為高電平時，T1、T2導通，T3、 T4截止，輸出為低電平。 當A、B兩個輸入端中只要有一個為低電平時，T1、T2中必有一個截止，T3

20、、T4中必有一個導通， 輸出為高電平。 電路的邏輯關系為圖 2.18 CMOS與非門 2. 或非門 CMOS或非門電路如圖2.19所示。當A、B兩個輸入端均為低電平時，T1、T2截止，T3、T4導通，輸出Y為高電平；當A、B兩個輸入中有一個為高電平時，T1、T2中必有一個導通，T3、T4中必有一個截止，輸出為低電平。 電路的邏輯關系為圖 2.19CMOS或非門圖 2.20CMOS傳輸門 3. CMOS傳輸門 傳輸門是數(shù)字電路用來傳輸信號的一種根本單元電路。其電路和符號如圖2.20所示， 當控制信號C=1UDD( =0)時， 輸入信號UI接近于UDD，那么UGS1-UDD，故T1截止，T2導通；

21、如輸入信號UI接近0，那么T1導通，T2截止；如果UI接近UDD/2，那么T1、T2同時導通。所以，傳輸門相當于接通的開關，通過不同的管子連續(xù)向輸出端傳送信號。 反之，當C=0 =1時，只要UI在0UDD之間，那么T1、T2都截止，傳輸門相當于斷開的開關。 因為MOS管的結構是對稱的，源極和漏極可以互換使用，所以CMOS傳輸門具有雙向性，又稱雙向開關，用TG表示。 2.3.2CMOS門電路系列及型號的命名法 CMOS邏輯門器件有三大系列: 4000系列、74C系列和硅氧化鋁系列。 1. 4000系列 表2.5列出了4000系列CMOS器件型號組成符號及意義。表2.5 CMOS器件型號組成符號及

22、意義第1部分第2部分第3部分第4部分產(chǎn)品制造單位器件系列器件品種工作溫度范圍符號意義符號意義符號意義符號意義CCCDTC中國制造的類型美國無線電公司產(chǎn)品日本東芝公司產(chǎn)品4045145系列符號阿拉伯數(shù)字器件功能CERM070-4085-5585-55125表2.6 幾家國外公司CMOS產(chǎn)品代號表2.6列出了國外主要生產(chǎn)公司的產(chǎn)品代號。 國別公司名稱 簡 稱型號前綴美國美國無線電公司摩托羅拉公司國家半導體公司德克薩斯儀器公司RCAMOTANSCTICDMCCDTP日本東芝公司日立公司富士通公司TOSJTCHDMB荷蘭飛利浦公司HFE加拿大密特爾公司MD 例如： CC 40 30 R 表示溫度范圍：

23、 -55 85 表示器件品種： 四- 2輸入異或門 表示器件系列代號 表示中國制造的CMOS器件 2. 74C系列 74C系列有：普通74C系列、高速MOS74HC/HCT系列及先進的CMOS74AC/ACT系列。_ 2.3.3 CMOS集成電路使用本卷須知 TTL電路的使用本卷須知， 一般對CMOS電路也適用。因CMOS電路容易產(chǎn)生柵極擊穿問題，所以要特別注意以下幾點： (1) 防止靜電損失。 存放CMOS電路不能用塑料袋，要用金屬將管腳短接起來或用金屬盒屏蔽。工作臺應當用金屬材料覆蓋并應良好接地。焊接時，電烙鐵殼應接地。 (2) 多余輸入端的處理方法。 CMOS電路的輸入阻抗高，易受外界干

24、擾的影響，所以CMOS電路的多余輸入端不允許懸空。多余輸入端應根據(jù)邏輯要求或接電源DD(與非門、 與門，或接地或非門、或門，或與其他輸入端連接。 2.3.4CMOS電路與TTL電路的連接 1. TTL電路驅動CMOS電路 (1) 當TTL電路驅動4000系列和HC系列CMOS時，如電源電壓UCC與UDD均為5V時，TTL與CMOS電路的連接如圖2.21a所示。2 2 1圖 TTL-CMOS電路的接 UCC與UDD不同時，TTL與CMOS電路的連接方法如圖2.21b所示。還可采用專用的CMOS電平轉移器如CC4502、CC40109等完成TTL對CMOS電路的接口，電路如圖2.21c所示。 (2) 當TTL電路驅動HCT系列和ACT系列的CMOS門電路時，因兩類電路性能兼容，故可以直接相連，不需要外加元件和器件。 圖 2.22CMOSTTL電路的接口 2. CMOS電路驅動TTL電路 CMOS和TTL電路的連接，如圖2.22所示。 【思考題】 1. CMOS門電路有什么優(yōu)、 缺點？ 2. TTL與CMOS邏輯如何解決“接口問題？本章小結 1. 目前普遍使