.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)第2章集成門電路

1、數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)第數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)第2 2章集章集成門電路成門電路 概概 述述2.1TTLTTL與非門與非門2.2 CMOS CMOS集成電路集成電路2.3 邏輯門電路按其內(nèi)部有源器件的不同可以分為邏輯門電路按其內(nèi)部有源器件的不同可以分為三大類：三大類：1第一類雙極型晶體管邏輯門電路，包括第一類雙極型晶體管邏輯門電路，包括TTL、ECL電路和電路和I2L電路等幾種類型。電路等幾種類型。2第二類單極型第二類單極型MOS邏輯門電路，包括邏輯門電路，包括NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS、VVMOS、IGT等幾種類型。等幾種類型。3第三類那么是二者的組合第三類那么是二者的組合BICMOS

2、門電門電路。常用的是路。常用的是CMOS邏輯門電路。邏輯門電路。COMS邏輯門電路邏輯門電路 CMOS邏輯門電路功耗極低，本邏輯門電路功耗極低，本錢低，電源電壓范圍寬，邏輯度高，抗錢低，電源電壓范圍寬，邏輯度高，抗干擾能力強(qiáng)，輸入阻抗高扇出能力指干擾能力強(qiáng)，輸入阻抗高扇出能力指與非門輸出端連接同類門的最多個(gè)數(shù)與非門輸出端連接同類門的最多個(gè)數(shù)強(qiáng)。邏輯門電路按其集成度又可分為：強(qiáng)。邏輯門電路按其集成度又可分為：SSI(小規(guī)模集成電路，每片組件包含小規(guī)模集成電路，每片組件包含1020個(gè)等效門個(gè)等效門)。MAI(中規(guī)模集成電路，每中規(guī)模集成電路，每個(gè)組件包含個(gè)組件包含20100個(gè)等效門個(gè)等效門)。 L

3、AI(大規(guī)模集成電路，每組件內(nèi)含大規(guī)模集成電路，每組件內(nèi)含1001000個(gè)個(gè)等效門等效門)。VLSI(超大規(guī)模集成電路，每片組件超大規(guī)模集成電路，每片組件內(nèi)含內(nèi)含1000個(gè)以上等效門個(gè)以上等效門)。常用的。常用的MOS門電路有門電路有NMOS，PMOS，CMOS，LDMOS，VDMOS等等5種。用種。用N溝通增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯電溝通增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯電路稱為路稱為NMOS電路；用電路；用P溝通場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏溝通場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯電路稱為輯電路稱為PMOS電路；電路；CMOS電路那么是電路那么是NMOS和和PMOS的互補(bǔ)型電路，用橫向雙擴(kuò)散的互補(bǔ)型電路，用橫向雙擴(kuò)散 MOS管構(gòu)成的

4、邏輯電路稱為管構(gòu)成的邏輯電路稱為L(zhǎng)DMOS電路；用電路；用垂直雙擴(kuò)散垂直雙擴(kuò)散MOS管構(gòu)成二邏輯電路稱為管構(gòu)成二邏輯電路稱為VDMOS電路。電路。 TTLTTL邏輯門電路邏輯門電路 TTL TTLTransistor-Transistor Transistor-Transistor LogicLogic即即BJT-BJTBJT-BJT邏輯門電路，是數(shù)字邏輯門電路，是數(shù)字電子技術(shù)中常用的一種邏輯門電路，應(yīng)電子技術(shù)中常用的一種邏輯門電路，應(yīng)用較早，技術(shù)已比較成熟。用較早，技術(shù)已比較成熟。TTLTTL主要有主要有BJTBJTBipolar Junction Transistor Bipolar Ju

5、nction Transistor 即雙極結(jié)型晶體管，晶體三極管和電即雙極結(jié)型晶體管，晶體三極管和電阻構(gòu)成，具有速度快的特點(diǎn)。最早的阻構(gòu)成，具有速度快的特點(diǎn)。最早的TTLTTL門電路是門電路是7474系列，后來(lái)出現(xiàn)了系列，后來(lái)出現(xiàn)了74H74H系系列，列，74L74L系列，系列，74LS,74AS,74ALS74LS,74AS,74ALS等系列等系列。 但是由于但是由于TTL功耗大等缺點(diǎn)，正逐漸被功耗大等缺點(diǎn)，正逐漸被CMOS電路取代。電路取代。 TTL門電路有門電路有74商用商用和和54軍用兩個(gè)系列，每個(gè)系列又有軍用兩個(gè)系列，每個(gè)系列又有假設(shè)干個(gè)子系列。假設(shè)干個(gè)子系列。TTL電平信號(hào)被利用的

6、電平信號(hào)被利用的最多是因?yàn)橥ǔ?shù)據(jù)表示采用二進(jìn)制規(guī)定最多是因?yàn)橥ǔ?shù)據(jù)表示采用二進(jìn)制規(guī)定，+5V等價(jià)于邏輯等價(jià)于邏輯“1，0V等價(jià)于邏輯等價(jià)于邏輯“0，這被稱做，這被稱做TTL晶體管晶體管-晶體管邏輯晶體管邏輯電平信號(hào)系統(tǒng)，這是計(jì)算機(jī)處理器控制電平信號(hào)系統(tǒng)，這是計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各局部之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。的設(shè)備內(nèi)部各局部之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。 TTL電平信號(hào)對(duì)于計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)電平信號(hào)對(duì)于計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，首先計(jì)算機(jī)處備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，首先計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于電源的要理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于電源的要求不高以及熱損耗也

7、較低，另外求不高以及熱損耗也較低，另外TTL電平信號(hào)電平信號(hào)直接與集成電路連接而不需要價(jià)格昂貴的線路直接與集成電路連接而不需要價(jià)格昂貴的線路驅(qū)動(dòng)器以及接收器電路；再者，計(jì)算機(jī)處理器驅(qū)動(dòng)器以及接收器電路；再者，計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是在高速下進(jìn)行的控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是在高速下進(jìn)行的，而，而TTL接口的操作恰能滿足這個(gè)要求。接口的操作恰能滿足這個(gè)要求。TTL型通信大多數(shù)情況下，是采用并行數(shù)據(jù)傳輸方型通信大多數(shù)情況下，是采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，而并行數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于超過(guò)式，而并行數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于超過(guò)10英尺的距離就英尺的距離就不適合了。這是由于可靠性和本錢兩面的原因不適合了。這是由于可靠性

8、和本錢兩面的原因。因?yàn)樵诓⑿薪涌谥写嬖谥嗪筒粚?duì)稱的問(wèn)。因?yàn)樵诓⑿薪涌谥写嬖谥嗪筒粚?duì)稱的問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)可靠性均有影響。題，這些問(wèn)題對(duì)可靠性均有影響。 ECL邏輯門電路邏輯門電路 ECL(Emitter Coupled Logic)即發(fā)射即發(fā)射極耦合邏輯電路，也稱電流開(kāi)關(guān)型邏輯電路。極耦合邏輯電路，也稱電流開(kāi)關(guān)型邏輯電路。它是利用運(yùn)放原理通過(guò)晶體管射極耦合實(shí)現(xiàn)的它是利用運(yùn)放原理通過(guò)晶體管射極耦合實(shí)現(xiàn)的門電路。在所有數(shù)字電路中，它工作速度最高門電路。在所有數(shù)字電路中，它工作速度最高，其平均延遲時(shí)間，其平均延遲時(shí)間tpd可小至可小至1ns。ECL電路是電路是由一個(gè)差分對(duì)管和一對(duì)射隨器組成的，

9、所以輸由一個(gè)差分對(duì)管和一對(duì)射隨器組成的，所以輸入阻抗大，輸出阻抗小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，信號(hào)檢入阻抗大，輸出阻抗小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，信號(hào)檢測(cè)能力高，差分輸出，抗共模干擾能力強(qiáng)。但測(cè)能力高，差分輸出，抗共模干擾能力強(qiáng)。但是由于單元門的開(kāi)關(guān)管對(duì)是輪流導(dǎo)通的，對(duì)整是由于單元門的開(kāi)關(guān)管對(duì)是輪流導(dǎo)通的，對(duì)整個(gè)電路來(lái)講沒(méi)有個(gè)電路來(lái)講沒(méi)有“截止?fàn)顟B(tài)，所以電路的功截止?fàn)顟B(tài)，所以電路的功耗較大。耗較大。 1電源要求電源要求 電源電壓有兩個(gè)電壓：額定電源電壓電源電壓有兩個(gè)電壓：額定電源電壓和極限電源電壓，額定電源電壓指正常工和極限電源電壓，額定電源電壓指正常工作時(shí)電源電壓的允許大?。鹤鲿r(shí)電源電壓的允許大小：TTL電路為電路為

10、5V5%(54系列系列5V10%)；CMOS電路電路為為315V(4000B系列系列318V)。極限工作。極限工作電源電壓指超過(guò)該電源電壓器件將永久損電源電壓指超過(guò)該電源電壓器件將永久損壞。壞。 2. 輸入電壓要求輸入電壓要求 輸入高電平電壓應(yīng)大于輸入高電平電壓應(yīng)大于 輸入高電平輸入高電平的下限值而小于電源電壓；輸入低電平電壓的下限值而小于電源電壓；輸入低電平電壓應(yīng)大于應(yīng)大于0V而小于而小于 輸入高電平的上限值輸入高電平的上限值。輸入電壓小于。輸入電壓小于0V或大于電源電壓將有可能或大于電源電壓將有可能損壞邏輯電路。損壞邏輯電路。1minHV1maxHV輸出負(fù)載要求輸出負(fù)載要求 除除OC門和三

11、態(tài)門外普通門電路輸出門和三態(tài)門外普通門電路輸出不能并接，否那么可能燒壞器件；門電路的不能并接，否那么可能燒壞器件；門電路的輸出帶同類門的個(gè)數(shù)不得超過(guò)扇出系數(shù)，輸出帶同類門的個(gè)數(shù)不得超過(guò)扇出系數(shù)， 否那么可能造成狀態(tài)不穩(wěn)定；在速度高時(shí)帶否那么可能造成狀態(tài)不穩(wěn)定；在速度高時(shí)帶負(fù)載數(shù)盡可能少；門電路輸出接普通負(fù)載時(shí)負(fù)載數(shù)盡可能少；門電路輸出接普通負(fù)載時(shí)，其輸出電流就小于，其輸出電流就小于 (輸出高電平電流輸出高電平電流)和和 輸出高電平電流。輸出高電平電流。maxOLImaxOHImaxOLI4. 4. 工作及運(yùn)行環(huán)境工作及運(yùn)行環(huán)境 溫度、濕度、靜電會(huì)影響器件的正常工作。溫度、濕度、靜電會(huì)影響器件的

12、正常工作。7474系列系列TTLTTL可工作在可工作在0 07070而而5454系列為系列為-40-40125125，這就是通常的軍品工作溫度和民品工作，這就是通常的軍品工作溫度和民品工作溫度的區(qū)別；在工作時(shí)應(yīng)注意靜電對(duì)器件的影溫度的區(qū)別；在工作時(shí)應(yīng)注意靜電對(duì)器件的影響，一般通過(guò)下面方法克服其影響：在運(yùn)輸時(shí)響，一般通過(guò)下面方法克服其影響：在運(yùn)輸時(shí)采用防靜電包裝；使用時(shí)保證設(shè)備接地良好；采用防靜電包裝；使用時(shí)保證設(shè)備接地良好；測(cè)試器件是應(yīng)先開(kāi)機(jī)再加信號(hào)、關(guān)機(jī)時(shí)先斷開(kāi)測(cè)試器件是應(yīng)先開(kāi)機(jī)再加信號(hào)、關(guān)機(jī)時(shí)先斷開(kāi)信號(hào)后關(guān)電源。信號(hào)后關(guān)電源。2.2 TTL2.2 TTL集成門電路集成門電路 TTL集成門電

13、路是由雙極型三極管構(gòu)集成門電路是由雙極型三極管構(gòu)成，它的特點(diǎn)是速度快，抗靜電能力強(qiáng)，成，它的特點(diǎn)是速度快，抗靜電能力強(qiáng)，集成度低，功耗大，目前廣泛應(yīng)用于中、集成度低，功耗大，目前廣泛應(yīng)用于中、小規(guī)模集成電路中。在小規(guī)模集成電路中。在TTL集成邏輯門電集成邏輯門電路中根本門是與非門，不是與門、或門和路中根本門是與非門，不是與門、或門和非門。與非門不僅是非門。與非門不僅是TTL集成邏輯電路中集成邏輯電路中的根本部件，而且也是的根本部件，而且也是TTL觸發(fā)器的根本觸發(fā)器的根本部件。部件。 TTL與非門電路的結(jié)構(gòu)與非門電路的結(jié)構(gòu) 圖圖2-1是典型的是典型的TTL與非門電路，與非門電路，它屬于國(guó)產(chǎn)信號(hào)中

14、的它屬于國(guó)產(chǎn)信號(hào)中的74T1000系列產(chǎn)系列產(chǎn)品。品。A、B為輸入端，為輸入端，Y為輸出端，輸入為輸出端，輸入信號(hào)高電平為信號(hào)高電平為3.6V，低電平為，低電平為0.3V。2. TTL與非門電路的工作原理與非門電路的工作原理 1輸入全部是高電平時(shí)，當(dāng)輸入輸入全部是高電平時(shí)，當(dāng)輸入A、B、C都為高電平時(shí)即都為高電平時(shí)即 , 基極電位升高，從圖基極電位升高，從圖2-2b中可知，中可知， 電位足以使電位足以使 的集電極和的集電極和 的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。而的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。而 的集電極電壓可以使的集電極電壓可以使 導(dǎo)導(dǎo)通，但它不能使通，但它不能使 導(dǎo)通。導(dǎo)通。 由由 提供足夠的基提供足夠的基極電流而處于飽和狀態(tài)

15、。因此輸出為低電平。極電流而處于飽和狀態(tài)。因此輸出為低電平。 3.6IHUV1VT1VT1VT25VTVT和2VT3VT4V5V2V50.3OOLCEUUUV2 輸入至少有一個(gè)為低電平。當(dāng)輸入至少有輸入至少有一個(gè)為低電平。當(dāng)輸入至少有一個(gè)是低電平假設(shè)一個(gè)是低電平假設(shè)A是低電平，即是低電平，即 時(shí)時(shí)， 端連接的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。從圖端連接的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。從圖2-2b中可中可知，知， 集電極電位集電極電位 使使 、 均截止，而均截止，而 的集電的集電極電壓足以使極電壓足以使 、 導(dǎo)通。因此輸出為：導(dǎo)通。因此輸出為：0.3ILUV1VA與1VT1CU2VT5VT2VT3VT4VT03450.70.73.6O

16、LCCBEBEUUUUUV 綜上所述，當(dāng)輸入全為高電平時(shí)，輸綜上所述，當(dāng)輸入全為高電平時(shí)，輸出為低電平，這時(shí)出為低電平，這時(shí) 飽和，電路處于開(kāi)門飽和，電路處于開(kāi)門狀態(tài)；當(dāng)輸入至少有一個(gè)為低電平時(shí)，那狀態(tài)；當(dāng)輸入至少有一個(gè)為低電平時(shí)，那么輸出為高電平，這時(shí)么輸出為高電平，這時(shí) 截止，電路處于截止，電路處于關(guān)門狀態(tài)。即輸入全為關(guān)門狀態(tài)。即輸入全為“1時(shí)輸出為時(shí)輸出為“0；輸入有；輸入有“0時(shí)，輸出就為時(shí)，輸出就為“1。 由此可見(jiàn)，電路輸出與輸入之間滿足與由此可見(jiàn)，電路輸出與輸入之間滿足與非的邏輯關(guān)系，即非的邏輯關(guān)系，即YA B a (b) 圖圖2-2 TTL與非門原理圖與非門原理圖 TTL TTL

17、與非門電壓傳輸特性是表示輸出電壓與非門電壓傳輸特性是表示輸出電壓 隨輸入電壓隨輸入電壓 變化的一條變化的一條 線，其測(cè)試電路線，其測(cè)試電路及電壓傳輸特性曲線如圖及電壓傳輸特性曲線如圖2-32-3所示。所示。 電壓傳輸特性曲線大致分為四段：電壓傳輸特性曲線大致分為四段： (1) AB段：當(dāng)輸入電壓段：當(dāng)輸入電壓 時(shí)，時(shí)， 工工 作在飽和狀態(tài)，作在飽和狀態(tài)， ， 故故 截止截止, 導(dǎo)通導(dǎo)通 ， 為高電平。與非門處為高電平。與非門處于截止?fàn)顟B(tài)，所以把于截止?fàn)顟B(tài)，所以把AB段稱為截止區(qū)。段稱為截止區(qū)。 0U1U10.6uV1V10.1CESUV20.7 ,BUV12,V V34,V V3.6oUV(2

18、) BC(2) BC段：輸入電壓段：輸入電壓 時(shí)，時(shí)， 開(kāi)始導(dǎo)通，開(kāi)始導(dǎo)通， 仍為導(dǎo)通，仍為導(dǎo)通， 處于射極輸出處于射極輸出 狀態(tài)。隨狀態(tài)。隨 的增加，的增加， 增加，增加， 下降，并通下降，并通過(guò)過(guò) 使使 也下降。因?yàn)橐蚕陆?。因?yàn)?根本是隨根本是隨 的增加的增加而線性減小，故把而線性減小，故把BCBC段稱為線性區(qū)。段稱為線性區(qū)。 3 3 CD CD段：輸入電壓段：輸入電壓 時(shí)，時(shí)， 開(kāi)始導(dǎo)通，并隨開(kāi)始導(dǎo)通，并隨 的增加趨于飽和的增加趨于飽和。使輸出。使輸出 為低電平。所以把為低電平。所以把CDCD段稱為轉(zhuǎn)段稱為轉(zhuǎn)折區(qū)或過(guò)渡區(qū)。折區(qū)或過(guò)渡區(qū)。10.61.3VUV20.71.4BVUV2V5V3

19、4,V V1U2BU2CU34,V V0U0U1U11.31.4VUV5V0U1U 4 DE段：當(dāng)段：當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 飽和，飽和， 截止，輸出截止，輸出為低電平。與非門處于飽和狀態(tài)。所以把為低電平。與非門處于飽和狀態(tài)。所以把DE段段稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。11.4UV25,V V4V圖圖2-3 TTL2-3 TTL與非門電壓傳輸特性曲線與非門電壓傳輸特性曲線 1 1輸出高電平輸出高電平 和輸出低電平和輸出低電平 。電壓傳輸特性曲。電壓傳輸特性曲線截止區(qū)的輸出電壓為線截止區(qū)的輸出電壓為 ，飽和區(qū)的電壓為，飽和區(qū)的電壓為 。一。一般產(chǎn)品規(guī)定般產(chǎn)品規(guī)定 。2 2閥值電壓閥值電壓 。電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折

20、區(qū)中點(diǎn)所對(duì)。電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓為應(yīng)的輸入電壓為 也稱門檻電壓。一般也稱門檻電壓。一般TTLTTL與非門的與非門的 。 (3) (3) 關(guān)門電平關(guān)門電平 和開(kāi)門電平和開(kāi)門電平 。保證輸出電平為額。保證輸出電平為額定高電平定高電平2.7V2.7V左右時(shí)，允許輸入低電平的最大值左右時(shí)，允許輸入低電平的最大值，稱為關(guān)門電平，稱為關(guān)門電平 。通常。通常 一般產(chǎn)品要求一般產(chǎn)品要求 。 OHUOLU2.4 ,0.4OHOLUV UVthU1.4thUVOHUOLUthUOFFUONUOFFU1OFFUV0.8OFFUV4 4噪聲容限噪聲容限 。在實(shí)際應(yīng)用中，由于受。在實(shí)際應(yīng)用中，由于

21、受外界干擾、電源波動(dòng)等因素影響可能使輸入電外界干擾、電源波動(dòng)等因素影響可能使輸入電平平 偏離規(guī)定值。為了保證電路可靠工作應(yīng)偏離規(guī)定值。為了保證電路可靠工作應(yīng)對(duì)干擾的幅度有一定的限制，稱為噪聲容限。對(duì)干擾的幅度有一定的限制，稱為噪聲容限。它是用來(lái)說(shuō)明電路抗干擾能力的參數(shù)。它是用來(lái)說(shuō)明電路抗干擾能力的參數(shù)。 低電平噪聲容限是指在保證輸出為高電平低電平噪聲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的前提下，允許疊加在輸入低電平 上的最上的最大正向干擾或噪聲電壓。用大正向干擾或噪聲電壓。用 表示：表示：,NLNHUU1UILUNLUNLOFFILUUU高電平噪聲容限是指在保證輸出為低電平

22、的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前提下，允許疊加在輸入高電平 上的最大上的最大負(fù)向干擾或噪聲電壓。用負(fù)向干擾或噪聲電壓。用 表示：表示： 輸入短路電流輸入短路電流 。當(dāng)。當(dāng) 時(shí)，流經(jīng)這個(gè)輸入時(shí)，流經(jīng)這個(gè)輸入端的電流稱為輸入短路電流。在如圖端的電流稱為輸入短路電流。在如圖2-4所示所示電路中電路中 輸入電路電流的典型值約為輸入電路電流的典型值約為-1.5mA。IHUNHUNHIHONUUUISI10U 1150.71.43CCBEISUUImAR 圖圖 2-4 圖圖 2-5 (6) (6) 輸入漏電流輸入漏電流 。當(dāng)。當(dāng) 時(shí)時(shí), , 流經(jīng)輸入流經(jīng)輸入端的電流稱

23、為輸入漏電流端的電流稱為輸入漏電流 ，即，即 倒置工作倒置工作時(shí)的反向漏電流。其值很小，約為時(shí)的反向漏電流。其值很小，約為10A10A。IHIIHIIthUUIHI1V (7) 扇出系數(shù)扇出系數(shù)N。扇出系數(shù)是以同一型號(hào)的與非。扇出系數(shù)是以同一型號(hào)的與非門作為負(fù)載時(shí)，一個(gè)與非門能夠驅(qū)動(dòng)同類與非門門作為負(fù)載時(shí)，一個(gè)與非門能夠驅(qū)動(dòng)同類與非門的最大數(shù)目，通常的最大數(shù)目，通常N8。 8平均延遲時(shí)間平均延遲時(shí)間 。平均延遲時(shí)間指輸出信。平均延遲時(shí)間指輸出信號(hào)滯后于輸入信號(hào)的時(shí)間，它是表示開(kāi)關(guān)速度的號(hào)滯后于輸入信號(hào)的時(shí)間，它是表示開(kāi)關(guān)速度的參數(shù)，參數(shù)， 如圖如圖2-5所示。從輸入波形上升沿的中點(diǎn)所示。從輸入

24、波形上升沿的中點(diǎn)到輸出波形下降沿中點(diǎn)之間的時(shí)間稱為導(dǎo)通延遲到輸出波形下降沿中點(diǎn)之間的時(shí)間稱為導(dǎo)通延遲時(shí)間時(shí)間 從輸入波形下降沿的中點(diǎn)到輸出波形上從輸入波形下降沿的中點(diǎn)到輸出波形上升沿的中點(diǎn)之間的時(shí)間稱為截止延遲時(shí)間升沿的中點(diǎn)之間的時(shí)間稱為截止延遲時(shí)間 , 所以所以TTL與非門平均延遲時(shí)間為與非門平均延遲時(shí)間為pdtPHLtPLHt 一般，一般，TTL與非門與非門 為為320ns。1()2pdPHLPLHtttpdtTTL與非門的產(chǎn)品介紹與非門的產(chǎn)品介紹 將假設(shè)干個(gè)門電路，經(jīng)過(guò)集成將假設(shè)干個(gè)門電路，經(jīng)過(guò)集成工藝制作在同一芯片上，加上封裝，引工藝制作在同一芯片上，加上封裝，引出管腳，便可以構(gòu)成出管

25、腳，便可以構(gòu)成TTL集成門電路組集成門電路組件。根據(jù)其內(nèi)部包含門電路的個(gè)數(shù)、同件。根據(jù)其內(nèi)部包含門電路的個(gè)數(shù)、同一門輸入的個(gè)數(shù)、電路的工作速度、功一門輸入的個(gè)數(shù)、電路的工作速度、功耗等，有可以分為多種型號(hào)。耗等，有可以分為多種型號(hào)。 常用中小規(guī)模的常用中小規(guī)模的TTL與非門電路型與非門電路型號(hào)及功能如表號(hào)及功能如表2-1所示。所示。表表2-1 2-1 常用常用TTLTTL與非門與非門 在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)電路需要選用不同在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)電路需要選用不同的型號(hào)。如圖的型號(hào)。如圖2-32-3所示，是所示，是74LS0074LS00和和74LS2074LS20管管腳排列示意圖。腳排列示意圖。 7

26、4LS00 74LS00有四個(gè)有四個(gè)2 2輸入與非門構(gòu)輸入與非門構(gòu)成，成，它有它有14個(gè)管腳，其中個(gè)管腳，其中GND、 管腳為管腳為 ccV接地端和電源端；接地端和電源端； 管腳管腳 分別為四個(gè)與非門分別為四個(gè)與非門的輸入端；管腳的輸入端；管腳 ， 分別為它們的輸分別為它們的輸出端。出端。74LS2074LS20由兩個(gè)由兩個(gè)4 4輸入的與非門構(gòu)成的。輸入的與非門構(gòu)成的。 在我國(guó)在我國(guó)TTLTTL門電路產(chǎn)品的型號(hào)命名和國(guó)際門電路產(chǎn)品的型號(hào)命名和國(guó)際通用的美國(guó)德克薩斯通用的美國(guó)德克薩斯TEXASTEXAS所規(guī)定的電路所規(guī)定的電路產(chǎn)品中、電參數(shù)、封裝等方面是相同的，以便產(chǎn)品中、電參數(shù)、封裝等方面是相

27、同的，以便于互換使用。于互換使用。 TTL TTL器件型號(hào)由五局部組成，其符號(hào)和意器件型號(hào)由五局部組成，其符號(hào)和意義如表義如表2-22-2所示。所示。1 ,1 ;2 ,2 ;3 ,34 ,4A BABABAB和1Y2 ,34YYY和例如：一個(gè)例如：一個(gè)TTLTTL與非門器件上的標(biāo)志為：與非門器件上的標(biāo)志為： CH74H10FCH74H10FCT CT 中國(guó)制造：中國(guó)制造：TTLTTL器件器件74 74 溫度范圍：溫度范圍：0 07070H H 器件系列：高速器件系列：高速10 10 器件品名：三器件品名：三33輸入與非門輸入與非門F F 封裝形式：全密封扁平封裝封裝形式：全密封扁平封裝TTLT

28、TL門的改進(jìn)電路門的改進(jìn)電路 在現(xiàn)實(shí)的生活生產(chǎn)過(guò)程中，我們通過(guò)在現(xiàn)實(shí)的生活生產(chǎn)過(guò)程中，我們通過(guò)對(duì)對(duì)TTLTTL門電路的工作速度、功耗及抗干擾能力門電路的工作速度、功耗及抗干擾能力進(jìn)行一系列的改進(jìn)，以得到更好的性能來(lái)滿進(jìn)行一系列的改進(jìn)，以得到更好的性能來(lái)滿足我們要求，使足我們要求，使TTLTTL門電路能夠更加可靠地工門電路能夠更加可靠地工作。由此便產(chǎn)生了一系列改進(jìn)型作。由此便產(chǎn)生了一系列改進(jìn)型TTLTTL門。目前門。目前我國(guó)我國(guó)TTLTTL集成電路有集成電路有CT54/74(CT54/74(普通、典型普通、典型) )、CT54/74(CT54/74(高速高速) )、CT54/74SCT54/74

29、S肖特基和肖特基和CT54/74LS(CT54/74LS(低功耗低功耗) )等四個(gè)系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的等四個(gè)系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的集成門電路。它們的主要性能指標(biāo)如表集成門電路。它們的主要性能指標(biāo)如表2-42-4示示： TTL TTL門電路除了與非門之外還有許多其他的門電路除了與非門之外還有許多其他的類型的門電路，其中常用的有與門、或門、或非類型的門電路，其中常用的有與門、或門、或非門、與或非門、異或門、集電極開(kāi)路門和三態(tài)門門、與或非門、異或門、集電極開(kāi)路門和三態(tài)門等。在這一節(jié)我們介紹集電極開(kāi)路門和三態(tài)門。等。在這一節(jié)我們介紹集電極開(kāi)路門和三態(tài)門。 1. 1.集電極開(kāi)路門集電極開(kāi)路門OCOC門門 可直接將幾個(gè)

30、邏輯門的輸出端相連，實(shí)現(xiàn)輸可直接將幾個(gè)邏輯門的輸出端相連，實(shí)現(xiàn)輸出出“與與“功能的方式稱為線與。如圖功能的方式稱為線與。如圖2-72-7所示所示 是為實(shí)現(xiàn)線與功能的電路，在電路中當(dāng)是為實(shí)現(xiàn)線與功能的電路，在電路中當(dāng) 或或 只要有一個(gè)是低電平時(shí)，只要有一個(gè)是低電平時(shí)， 就輸出就輸出為低電平；當(dāng)為低電平；當(dāng) 、 均為高電平時(shí)，均為高電平時(shí)， 才輸才輸出高電平。出高電平。 1Y2YY1Y2Y12YYY 圖圖2-72-7 是普通的是普通的TTL與非門的輸出端是不能線與與非門的輸出端是不能線與的，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)門的輸出為高電平的，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)門的輸出為高電平 ，另，另一個(gè)為低電平一個(gè)為低電平 時(shí)，將會(huì)有一個(gè)很

31、大的電時(shí)，將會(huì)有一個(gè)很大的電流從流從 經(jīng)經(jīng) 到到 導(dǎo)通門的導(dǎo)通門的 管，如圖管，如圖2-8所示所示。這個(gè)電流不僅會(huì)使導(dǎo)通門的輸出電平太高而。這個(gè)電流不僅會(huì)使導(dǎo)通門的輸出電平太高而破壞電路的邏輯關(guān)系，還會(huì)因?yàn)楣墓创疃鴵p破壞電路的邏輯關(guān)系，還會(huì)因?yàn)楣墓创疃鴵p壞電路。壞電路。 為了使為了使TTL門直接相連實(shí)現(xiàn)線與，制成集門直接相連實(shí)現(xiàn)線與，制成集電極開(kāi)路的電極開(kāi)路的TTL與非門簡(jiǎn)稱與非門簡(jiǎn)稱OC門。其電路及門。其電路及符號(hào)如圖符號(hào)如圖2-9所示。它與普通的所示。它與普通的TTL與非門不與非門不同的是：同的是： 的集電極是斷開(kāi)的，必須經(jīng)外接電的集電極是斷開(kāi)的，必須經(jīng)外接電 1Y2YccU5VT1Y

32、2Y5VT 阻阻 接通電源后，路才能實(shí)現(xiàn)與非邏輯及線與功能。接通電源后，路才能實(shí)現(xiàn)與非邏輯及線與功能。LR 圖圖2-8 2-8 普通普通TTLTTL集成與非門集成與非門 圖圖2-9 OC2-9 OC門電路的機(jī)構(gòu)和邏輯符號(hào)門電路的機(jī)構(gòu)和邏輯符號(hào) a a電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) b b邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)圖圖2-102-10是實(shí)現(xiàn)線與功能的是實(shí)現(xiàn)線與功能的OCOC門，其邏輯函數(shù)表達(dá)式為：門，其邏輯函數(shù)表達(dá)式為：YAB CD EF圖圖2-10 實(shí)現(xiàn)線與功能的實(shí)現(xiàn)線與功能的OC門門 由于輸出級(jí)電源和集電極負(fù)載電阻都是外接的由于輸出級(jí)電源和集電極負(fù)載電阻都是外接的，因此恰當(dāng)?shù)剡x擇電源電壓，因此恰當(dāng)?shù)剡x擇電源電壓 和

33、負(fù)載電阻和負(fù)載電阻 就可以，保證線與電路正常工作。外界電阻就可以，保證線與電路正常工作。外界電阻 的選取：假設(shè)有的選取：假設(shè)有n n個(gè)個(gè)OCOC門接成了線與的形式，其門接成了線與的形式，其輸出負(fù)載為輸出負(fù)載為m m個(gè)個(gè)TTLTTL與非門，如圖與非門，如圖2-112-11所示，所所示，所有有OCOC門都為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，輸出電壓門都為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，輸出電壓 為高電為高電平，為保證輸出的高電平不低于規(guī)定值，平，為保證輸出的高電平不低于規(guī)定值， 不不宜太大。根據(jù)圖宜太大。根據(jù)圖2-11(a)2-11(a)所示情況，所示情況， 的最大值的最大值為：為：ccULRLRoULRLRminmaxCCOHLOHIH

34、UURnImIn-并聯(lián)并聯(lián)OC門的個(gè)數(shù)；門的個(gè)數(shù)；m-并聯(lián)負(fù)載的個(gè)數(shù)；并聯(lián)負(fù)載的個(gè)數(shù)；圖圖2-11 - 導(dǎo)通導(dǎo)通OC門所允許的最大漏電流；門所允許的最大漏電流； - 負(fù)載門的輸入短路電流；負(fù)載門的輸入短路電流；oULRminminmaxCCOLLLISUURImImaxLIISI綜合以上兩種情況，綜合以上兩種情況， 的選取應(yīng)滿足：的選取應(yīng)滿足：為了減少負(fù)載電流的影響，為了減少負(fù)載電流的影響， 值應(yīng)該選接近值應(yīng)該選接近 的值。的值。三態(tài)門電路的結(jié)構(gòu)及工作原理三態(tài)門電路的結(jié)構(gòu)及工作原理1TTL三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)如圖三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)如圖2-12所示。所示。A、B為輸入端，為輸入端，

35、 為使能端，為使能端，Y為輸出端。為輸出端。 LRminmaxLLLRRRm inLRLR()E NE N 工作原理：當(dāng)工作原理：當(dāng) ，二極管，二極管V截止，電路處于截止，電路處于正常工作狀態(tài)，即正常工作狀態(tài)，即 當(dāng)當(dāng) 低電平不僅使低電平不僅使 截止，同時(shí)它還經(jīng)截止，同時(shí)它還經(jīng)過(guò)二極管的過(guò)二極管的 的基極電位鉗制在的基極電位鉗制在1V左右，左右，使其截止，從輸出端看進(jìn)去，電路處于高阻態(tài)使其截止，從輸出端看進(jìn)去，電路處于高阻態(tài)。這樣的輸出端。這樣的輸出端Y共有是那種可能的狀態(tài)：高共有是那種可能的狀態(tài)：高阻、高電平、低電平故而稱為阻、高電平、低電平故而稱為“三態(tài)門。三態(tài)門。1EN YAB0EN25

36、VV和4VV和2 2三態(tài)門電路的應(yīng)用：由于三態(tài)門可以構(gòu)成三態(tài)門電路的應(yīng)用：由于三態(tài)門可以構(gòu)成單向傳輸數(shù)據(jù)的總線電路，如圖單向傳輸數(shù)據(jù)的總線電路，如圖2-132-13所示所示a a, ,這個(gè)單向總線是分時(shí)傳輸?shù)目偩€，每次只這個(gè)單向總線是分時(shí)傳輸?shù)目偩€，每次只能傳輸能傳輸 中的一個(gè)信號(hào)。當(dāng)某個(gè)三態(tài)門的中的一個(gè)信號(hào)。當(dāng)某個(gè)三態(tài)門的使能端為使能端為 時(shí)其對(duì)應(yīng)輸入的數(shù)據(jù)傳送到總時(shí)其對(duì)應(yīng)輸入的數(shù)據(jù)傳送到總線上數(shù)據(jù)的非，當(dāng)三態(tài)門的能使端為線上數(shù)據(jù)的非，當(dāng)三態(tài)門的能使端為 時(shí)，不傳送信號(hào)，總線與各三態(tài)門呈高阻態(tài)。時(shí)，不傳送信號(hào)，總線與各三態(tài)門呈高阻態(tài)。此電路常用語(yǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的、各部件的輸出此電路常用語(yǔ)計(jì)算機(jī)

37、系統(tǒng)中的、各部件的輸出級(jí)。圖級(jí)。圖2-132-13b b為三態(tài)門構(gòu)成的雙向總線。為三態(tài)門構(gòu)成的雙向總線。該電路可以實(shí)現(xiàn)總線上三態(tài)門之間的數(shù)據(jù)分時(shí)該電路可以實(shí)現(xiàn)總線上三態(tài)門之間的數(shù)據(jù)分時(shí)雙向傳輸，雙向傳輸， 傳送到總線上，總線上數(shù)據(jù)的邏傳送到總線上，總線上數(shù)據(jù)的邏輯非傳送給輯非傳送給 。13AA1EN 0E N 1D2D 圖圖 2-13 2-13 三態(tài)門的應(yīng)用三態(tài)門的應(yīng)用a a單向總線電路單向總線電路b b雙向總線電路雙向總線電路2.3 CM0S2.3 CM0S集成門電路集成門電路 CMOS門電路具有功耗低、電源電壓范圍寬門電路具有功耗低、電源電壓范圍寬、輸出幅度大、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好、

38、輸出幅度大、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好、集成度高等特點(diǎn)。因此，它特別適用于大規(guī)、集成度高等特點(diǎn)。因此，它特別適用于大規(guī)模的集成。模的集成。 如圖如圖2-14所示為所示為CMOS非門非門CC4069電路，電路，它由一個(gè)增強(qiáng)型它由一個(gè)增強(qiáng)型PCMOS管管 ，一個(gè)增強(qiáng)型，一個(gè)增強(qiáng)型NCMOS管管 和輸入保護(hù)電路和輸入保護(hù)電路 構(gòu)成構(gòu)成。一般選。一般選pVNV123VVVR和( )( )( )( )()DDGS th PGS th NGS th PGS th NPNVUUUUVV和分別為 和 的開(kāi)啟電壓 當(dāng)輸入當(dāng)輸入 導(dǎo)通、導(dǎo)通、 截止，輸出為高截止，輸出為高電平電平 。當(dāng)輸入。當(dāng)輸入 ，輸出為低電平

39、，輸出為低電平 。所以這個(gè)電路可以。所以這個(gè)電路可以 NV0APUVV時(shí)，OHDDUVADDNPUVVV時(shí)，導(dǎo)通，截止0OLUVYA 1. COMS與非門與非門 圖圖2-15是一個(gè)兩輸入的是一個(gè)兩輸入的CMOS管與非門電路管與非門電路，它由兩個(gè)串聯(lián)，它由兩個(gè)串聯(lián)NMOS管管 和兩個(gè)并聯(lián)的和兩個(gè)并聯(lián)的PMOS管管 構(gòu)成的。每個(gè)輸入分別控構(gòu)成的。每個(gè)輸入分別控制一對(duì)制一對(duì)PMOS管和管和NMOS管。當(dāng)輸入管。當(dāng)輸入A、B中至中至少有一個(gè)為低電平時(shí)，與之相連的少有一個(gè)為低電平時(shí)，與之相連的NMOS管截管截止、止、PMOS管導(dǎo)通，輸出為高電平。只有當(dāng)管導(dǎo)通，輸出為高電平。只有當(dāng)A、B輸入都為高電平時(shí)，

40、才會(huì)使串聯(lián)的兩個(gè)輸入都為高電平時(shí)，才會(huì)使串聯(lián)的兩個(gè)NCMOS管全導(dǎo)通，并聯(lián)的兩個(gè)管全導(dǎo)通，并聯(lián)的兩個(gè)PMOS管全部截管全部截止，輸出為低電平。所以該電路完成了與非的止，輸出為低電平。所以該電路完成了與非的邏輯功能，即邏輯功能，即12NNVV、12PPVV、 可通過(guò)串聯(lián)可通過(guò)串聯(lián)PMOS管，并接管，并接PMOS管來(lái)管來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入的與非門。實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入的與非門。 圖圖 2-15 量輸入的量輸入的COMS與與非門與與非門CC4011電路電路YAB2. COMS或非門電路或非門電路 圖圖2-162-16是來(lái)兩輸入的是來(lái)兩輸入的CMOSCMOS或非門電路。去或非門電路。去電路構(gòu)成正好與電路構(gòu)成正好與C

41、MOSCMOS與非門相反，由兩個(gè)與非門相反，由兩個(gè)NMOSNMOS管并聯(lián)，兩個(gè)管并聯(lián)，兩個(gè)PMOS PMOS 管串聯(lián)所構(gòu)成的。當(dāng)輸入管串聯(lián)所構(gòu)成的。當(dāng)輸入A A、B B中有一個(gè)為高電平時(shí)，與其相連的中有一個(gè)為高電平時(shí)，與其相連的NMOSNMOS管管就會(huì)導(dǎo)通，就會(huì)導(dǎo)通， PMOS PMOS管截止，輸出為低電平。只管截止，輸出為低電平。只有當(dāng)有當(dāng)A A、B B都為低電平時(shí)，才會(huì)使并聯(lián)的兩個(gè)都為低電平時(shí)，才會(huì)使并聯(lián)的兩個(gè)NMOSNMOS管全部截止，串聯(lián)的兩個(gè)管全部截止，串聯(lián)的兩個(gè)PMOSPMOS管全部導(dǎo)通管全部導(dǎo)通，輸出為高電平，因此該電路實(shí)現(xiàn)了或非門的，輸出為高電平，因此該電路實(shí)現(xiàn)了或非門的邏輯功

42、能，即邏輯功能，即YAB3. COMS 傳輸門和模擬開(kāi)關(guān)傳輸門和模擬開(kāi)關(guān) 圖圖2-17為為CMOS傳輸門電路和邏輯符號(hào)。它傳輸門電路和邏輯符號(hào)。它是由一個(gè)是由一個(gè)NMOS管和一個(gè)管和一個(gè)PMOS管并聯(lián)構(gòu)成的。管并聯(lián)構(gòu)成的。兩個(gè)管的源極連在一起作為輸入端兩個(gè)管的源極連在一起作為輸入端 ，漏極相，漏極相連作為輸出端連作為輸出端 ，柵極作為控制端，柵極作為控制端 ，信號(hào)，信號(hào)電平變化范圍為電平變化范圍為0 。當(dāng)控制端。當(dāng)控制端 時(shí)，時(shí)，輸入信號(hào)電平變化范圍輸入信號(hào)電平變化范圍0 ，那么，那么 少有少有一個(gè)導(dǎo)通，這樣，一個(gè)導(dǎo)通，這樣， ，信號(hào)由輸入端傳送到輸，信號(hào)由輸入端傳送到輸出端。當(dāng)控制端出端。當(dāng)控制端 時(shí)，時(shí)， 都截止，相當(dāng)都截止，相當(dāng)于輸入端和輸出端斷開(kāi)信號(hào)不傳送。于輸入端和輸出端斷開(kāi)信號(hào)不傳送。iuouCC和DDVoiuuDDVoiuuNpVV和0,1CCNpVV和 由以上分析可知，由以上分析可知，CMOS傳輸門是一種控傳輸門是一種控制信號(hào)是否通過(guò)電子開(kāi)關(guān)。制信號(hào)是否通過(guò)電子開(kāi)關(guān)。CMOS傳輸門可以傳輸門可以單向傳送，也可以雙向傳送即可以由輸入端向單向傳送，也可以雙向傳送即可以由輸入端向輸出端傳送信號(hào)；也可以在輸入端和輸出端之輸出端傳送信號(hào)；也可以在輸入端和輸出端之間相互傳送信號(hào)。間相互傳送信號(hào)。 由以上分析可以知道，由以上分析可以