第三章 集成門電路

集成門電路第三章154/74系列54H/74H系列54LS/74LS系列54AS/74AS系列54ALS/74ALS系列ECL電路HTL電路TTL電路54HC/74HC系列54HTC/74HTC系列4000系列雙極型集成門電路IIL電路CMOS電路NMOS電路PMOS電路MOS型★Bi-CMOS型3.1集成門電路分類一.按工藝結(jié)構(gòu)區(qū)分雙極型集成電路

bipolarintegratedcircuit

在半導(dǎo)體內(nèi)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子兩種極性的載流子（空穴和電子）都參與有源元件的導(dǎo)電，如通常的NPN或PNP雙極型晶體管。以這類晶體管為基礎(chǔ)的單片集成電路，稱為雙極型集成電路。它是1958年世界上最早制成的集成電路。雙極型集成電路主要以硅材料為襯底，在平面工藝基礎(chǔ)上采用埋層工藝和隔離技術(shù)，以雙極型晶體管為基礎(chǔ)元件。在數(shù)字集成電路的發(fā)展過程中，曾出現(xiàn)了多種不同類型的電路形式，典型的雙極型數(shù)字集成電路主要有TTL，ECL，I2L。3TTL—晶體管-晶體管邏輯集成電路

(Transistor-TransistorLogicIntegratedCircuit,TTL)

ECL—射極耦合集成電路

(EmitterCoupledLogic)I2L—集成注入邏輯電路（IntegratedInjectionLogic,I2L）TTL電路形式發(fā)展較早，工藝比較成熟。ECL電路速度快，但功耗大。I2L電路速度較慢，但集成密度高。

4雙極型數(shù)字集成門

TTL電路是晶體管-晶體管邏輯電路的英文縮寫（Transister-Transister-Logic

），TTL信號是一個電平標準。

TTL門電路工作速度高，驅(qū)動能力強，有高速度和品種多等特點是目前應(yīng)用最廣泛的集成門電路。它的主要缺點是功耗大，集成度低。

TTL數(shù)字集成電路約有400多個品種，大致可以分為以下幾類：門電路、譯碼器/驅(qū)動器、觸發(fā)器、計數(shù)器、移位寄存器、單穩(wěn)、雙穩(wěn)電路和多諧振蕩器、加法器、乘法器、奇偶校驗器、碼制轉(zhuǎn)換器、線驅(qū)動器/線接收器多路開關(guān)、存儲器、特性曲線電壓傳輸特性*TTL門電路*

發(fā)射極耦合邏輯電路，也稱電流開關(guān)型邏輯電路。它是利用運放原理通過晶體管射極耦合實現(xiàn)的門電路。工作速度最高，其平均延遲時間tpd可小至1ns。①開關(guān)速度快（1納秒左右）。比通常的晶體管-晶體管邏輯電路開關(guān)速度快幾倍。②可以很方便地組成、擴充電路的邏輯功能，節(jié)省元件數(shù)。缺點是電路功耗大、電平閾值電壓隨溫度而漂移等。

ECL電路主要用于構(gòu)成超高速集成電路，如高速、大型、巨型計算機等。

這種門電路輸出阻抗低，負載能力強，能實現(xiàn)或非及或兩種邏輯功能。它的主要缺點是抗干擾能力差，電路功耗大。射極耦合邏輯ECL電路6MOS集成門

MOS邏輯電路是以金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)管為基礎(chǔ)的集成電路。因管內(nèi)有一種載流子運動，因而它屬于單極型數(shù)字集成電路。目前廣泛應(yīng)用的是CMOS電路，它有以下特點：*1.CMOS電路由NMOS和PMOS組成，由于MOS管導(dǎo)通內(nèi)阻比半導(dǎo)體導(dǎo)通內(nèi)阻大，所以CMOS門比TTL門工作速度低一些。2.由于CMOS電路的互補特性，其高低電平輸出阻抗都很低（同NMOS和PMOS比）。CMOS電路的輸入阻抗只取決于輸入端保護二極管的漏電流，其輸入阻抗極高，可達10W以上。在頻率不太高的情況下，

CMOS電路的扇出能力幾乎不受限制。當頻率升高時，扇出系數(shù)有所降低。83.CMOS電路主要有兩個產(chǎn)品系列---CC4000和C000（與國外CD和MC系列相當）。它們的電源電壓允許范圍大，CC4000系列為3~18V；C000系列為5~15V。因此它們輸出高低電平擺幅大，抗干擾能力強，其噪聲容限可達30%VDD，而TTL門的噪聲容限只有0.4V。4.CMOS門工作時總是一管導(dǎo)通另一管截止，因而幾乎不由電源吸取電流，其功耗極小。當VDD=5V時，CMOS電路的靜態(tài)功耗分別是：門電路類為2.5~5uW；緩沖器和觸發(fā)器類為5~20uW；中規(guī)模集成電路類為25~100uW。5.CMOS集成電路功耗低，內(nèi)部發(fā)熱量小，集成度可大大提高。又由于其電路本身的互補對稱結(jié)構(gòu)，當環(huán)境溫度變化時，其參數(shù)有互相補償作用，因而其溫度穩(wěn)定性好。6.抗輻射能力強，MOS管是多數(shù)載流子受控導(dǎo)電器件，射線輻射對多數(shù)載流子濃度影響不大。因此CMOS電路特別適用于航天，衛(wèi)星和核試驗條件下工作的裝置。7.由于CMOS電路輸入阻抗高，容易受靜電感應(yīng)發(fā)生擊穿，除其電路內(nèi)部設(shè)置保護電路外，在使用和存放時應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時電烙鐵應(yīng)接地良好。CMOS門多余不用輸出端不能懸空，應(yīng)根據(jù)需要接電源或接地。二.按集成度（單個芯片所含門的個數(shù)）區(qū)分：1.小規(guī)模集成電路（SmallScaleIntegration，SSI，100門以下/片）2.中規(guī)模集成電路（MediumScaleIntegration，MSI，1000門以下/片）3.大規(guī)模集成電路（LargeScaleIntegration，LSI，10000門以下/片）4.超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScaleIntegration:VLSI,100000門以上/片)非用戶定制(Non-customDesignIC)全用戶定制(Full-customDesignIC)半用戶定制(Semi-customDesignIC)三.根據(jù)設(shè)計方法和功能定義分類PLDPROMPLAPALGALCPLDFPGA11一、晶體二極管的開關(guān)特性

1、靜態(tài)特性：

正相導(dǎo)通，相當于開關(guān)閉合（外加電壓VD〉門限電壓VTH，鍺管0.3V，硅管0.7V）

反向截至，相當于開關(guān)斷開（外加電壓VD〈反相擊穿電壓VBR）

2、動態(tài)開關(guān)特性：反向恢復(fù)時間：從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟臅r間

開通時間：從反向截止到正向?qū)ǖ臅r間

3.2半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性12二極管伏安特性曲線131、正向特性當加在二極管兩端的正向電壓（P為正、N為負）很小時（鍺管小于0.1伏，硅管小于0.5伏），管子不導(dǎo)通，處于“截止”狀態(tài)，當正向電壓超過一定數(shù)值后，管子才導(dǎo)通，電壓再稍微增大，電流急劇暗加（見曲線I段）。不同材料的二極管，起始電壓不同，硅管為0.5-.7伏左右，鍺管為0.1-0.3左右。2、反向特性二極管兩端加上反向電壓時，反向電流很小，當反向電壓逐漸增加時，反向電流基本保持不變，這時的電流稱為反向飽和電流（見曲線II段)。不同材料的二極管，反向電流大小不同，硅管約為1微安到幾十微安，鍺管則可高達數(shù)百微安，另外，反向電流受溫度變化的影響很大，鍺管的穩(wěn)定性比硅管差。3、擊穿特性當反向電壓增加到某一數(shù)值時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。這時的反向電壓稱為反向擊穿電壓，不同結(jié)構(gòu)、工藝和材料制成的管子，其反向擊穿電壓值差異很大，可由1伏到幾百伏，甚至高達數(shù)千伏。

14在數(shù)字電路中，對電壓值為多少并不重要，只要能判斷高低電平即可。K開------VO輸出高電平，對應(yīng)“1”。K合------VO輸出低電平，對應(yīng)“0”。VOKVccR100VVccVV15ViVoKVccR可用二極管代替ViVoKVccRK開---Vo=1,輸出高電平K合---Vo=0,輸出低電平Vi為高電平時，Vo為高電平Vi為低電平時，Vo為低電平半導(dǎo)體二極管器件的開關(guān)特性16二、晶體三極管的開關(guān)特性1、靜態(tài)特性：截止、飽和、放大三種工作狀態(tài)2、動態(tài)開關(guān)特性：開通時間：關(guān)閉時間;

17三極管伏安特性曲線18ViVoKVccRK開------Vo=1,輸出高電平K合------Vo=0,輸出低電平可用三極管代替半導(dǎo)體三極管器件的開關(guān)特性R1R2VAVO+VccVA=0------Vo=1,輸出高電平VA=1

------Vo=0,輸出低電平19門(電子開關(guān))滿足一定條件時，電路允許信號通過開關(guān)接通。開門狀態(tài)：關(guān)門狀態(tài)：條件不滿足時，信號通不過

開關(guān)斷開。20開關(guān)作用二極管反向截止：開關(guān)接通開關(guān)斷開三極管（C,E)飽和區(qū)：截止區(qū)：開關(guān)接通CEB開關(guān)斷開正向?qū)ǎ篊EB21uAtuOt+ucc0.3V三極管的開關(guān)特性：R1R2VAVO+Vcc22上升時間tr下降時間tf幅值A(chǔ)脈沖寬度tpA/223

獲得高、低電平的基本方法：利用半導(dǎo)體開關(guān)元件的導(dǎo)通、截止（即開、關(guān)）兩種工作狀態(tài)。

邏輯0和1：電子電路中用高、低電平來表示。

邏輯門電路：用以實現(xiàn)基本和常用邏輯運算的電子電路。簡稱門電路。

基本和常用門電路有與門、或門、非門（反相器）、與非門、或非門、與或非門和異或門等。3.3

基本邏輯門電路

24二極管與門FD1D2AB+3V邏輯變量邏輯函數(shù)(uD=0.3V)25000010

ABF100111邏輯式：F=A?B邏輯符號：&ABF26二極管或門FD1D2AB27000011

ABF101111邏輯式：F=A+B邏輯符號：1ABF28R1DR2AF+12V+3V三極管非門（反相器）嵌位二極管2930邏輯式：邏輯符號：1AF31與非門邏輯符號與非門真值表＆ABF3233或非門邏輯符號或非門真值表≥1ABF3435異或門邏輯符號異或門真值表＝1ABF真值表特點:

相同則0,

不同則136同或門邏輯符號同或門真值表＝ABF真值表特點:

相同則1,

不同則0371.體積大、工作不可靠。2.需要不同電源。3.各種門的輸入、輸出電平不匹配。分立元件門電路的缺點38與分立元件電路相比，集成電路具有體積小、可靠性高、速度快的特點，而且輸入、輸出電平匹配，所以早已廣泛采用。根據(jù)電路內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可分為TTL、MOS管集成門電路等。集成邏輯門電路39數(shù)字集成電路：

在一塊半導(dǎo)體基片上制作出一個完整的邏輯電路所需要的全部元件和連線。使用時接：電源、輸入和輸出。數(shù)字集成電路具有體積小、可靠性高、速度快、而且價格便宜的特點。TTL型電路：

輸入和輸出端結(jié)構(gòu)都采用了半導(dǎo)體晶體管，稱之為:Transistor-TransistorLogic。403.3.2TTL集成邏輯門電路TTL與非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k75010041一、電壓傳輸特性uo(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)傳輸特性曲線uo(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)閾值UT=1.4V理想的傳輸特性輸出高電平輸出低電平421.輸出高電平UOH、輸出低電平UOL

UOH2.4VUOL

0.4V便認為合格。

典型值UOH=3.4VUOL=0.3V。

2.閾值電壓UTui<UT時，認為ui是低電平。ui>UT時，認為ui是高電平。UT=1.4V43二、扇出系數(shù)與非門電路輸出能驅(qū)動同類門的個數(shù)，與非門的扇出系數(shù)一般是10。三、TTL與非門在使用時多余輸入端處理：1.接+5V。2.若懸空，UI=“1”。為了防止干擾，一般將懸空的輸入端接高電平。3.輸入端并聯(lián)使用。44四平均傳輸延遲時間tui0tuo050%50%輸出下降延遲時間tpd1輸出上升延遲時間tpd2典型值：310ns45如：TTL門電路芯片（四2輸入與非門，型號74LS00)地GND外形&&&1413121110

9

8123456

7&管腳電源VCC（+5V）46RLUCC集電極懸空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符號應(yīng)用時輸出端要接一上拉負載電阻RL。特點：RL和UCC可以外接。F=ABC3.3.4

其它類型的TTL門電路集電極開路的與非門（OC門）47

OC門可以實現(xiàn)“線與”功能。&&&UCCF1F2F3F分析：F1、F2、F3任一導(dǎo)通，則F=0。F1、F2、F3全截止，則F=1。輸出級RLUCCRLT5T5T5F=F1F2F348&ABF符號功能表三態(tài)門的符號及功能表&ABF符號功能表使能端高電平起作用使能端低電平起作用49E1E2E3公用總線０１０三態(tài)門主要作為TTL電路與總線間的接口電路。三態(tài)門的用途工作時，E1、E2、E3分時接入高電平。50TTL數(shù)字集成電路型號的命名法示例：（1）

(2)

(3)(4)(5)

CT74LS00P塑料雙列直插封裝器件系列：低功耗肖特基溫度范圍：0℃~+70℃中國制造的TTL類器件品種：四2輸入與非門SN74S195J黑陶瓷雙列直插封裝器件系列：肖特基溫度范圍：0℃-+70℃美國TEXAS公司（1）(2)

(3)(4)(5)器件品種：4位并行移位寄存器523.3.4MOS門電路MOS電路的特點：2.是電壓控制元件，靜態(tài)功耗小。3.允許電源電壓范圍寬（318V）。4.扇出系數(shù)大，抗噪聲容限大。優(yōu)點1.工藝簡單，集成度高。缺點：工作速度比TTL低。53CMOS，ECL器件型號組成符號意義CC4025M

溫度范圍：-55℃~+125℃器件品種：3輸入與非門器件系列中國制造CMOS器件示例：CE10131器件品種:雙主從D觸發(fā)器器件系列中國制造ECL器件(1)(2)(3)(4)

(1)