第2章數(shù)字邏輯基礎(chǔ)(2)

TTL電路分類:

中速TTL、高速TTL(HTTL)、肖特基TTL(STTL)、低功耗TTL(LTTL)、低功耗肖特基TTL(LSTTL)、先進(jìn)低功耗肖特基TTL(ALSTTL)等。

2.3

TTL門電路

三極管—三極管邏輯門電路(TTL),是指輸入端和輸出端都用三極管的電路,簡稱TTL電路,是雙極型數(shù)字集成電路。2.3.1

TTL與非門典型電路及其工作原理(1)電路組成電路分三個(gè)部分:輸入級、中間級、輸出級。①輸入級：R1、T1、D1、D2T1為多發(fā)射極晶體管ABbcebcABe1e2R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5輸入級中間級輸出級D3D1、D2

為鉗位二極管，起保護(hù)T1管的作用。②中間級:R2、T2、R3分相、放大作用③輸出級:R4、T4、T5、D3

輸出級特點(diǎn)：靜態(tài)功耗低，開關(guān)速度快，這種電路結(jié)構(gòu)稱為推拉式電路。(2)工作原理R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5輸入極中間極輸出極D3設(shè)輸入信號高低電平分別為ViH=3.4V;ViL=0.2VPN結(jié)正向?qū)妷簽?.7V;三極管電流放大倍數(shù)β=20。(一)輸入中有低電平T1管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通,T1管飽和。R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5D30.2V0.9V1mA0mA0.3V5V3.6V由于T2基極電壓僅為0.3V,故T2、T5均截止。T4、D3導(dǎo)通，輸出約為3.6V(5-0.7-0.7=3.6).輸出高電平1。(二)輸入均為高電平T1管處于倒置工作狀態(tài)(be結(jié)反偏,bc結(jié)正偏.);R4R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩD2ABT1T2T4T5D33.4V2.1V0.7mA0.78mA1.4V1V0.1V3.4V(40μA)(40μA)2.5mA0.7mA0.7V2.6mAT2管處于飽和工作狀態(tài);T4D3管處于截止工作狀態(tài);T5管處于飽和工作狀態(tài);F輸出為“0”。綜合上面兩種情況,該電路實(shí)現(xiàn)與非功能。F=AB2.3.2

TTL與非門的電壓傳輸特性電壓傳輸特性是指輸出電壓VO隨輸入電壓VI的變化規(guī)律。

VO=f(VI)1.特性曲線分析V0(V)VI(V)32100.511.5截止區(qū),T5管截止.線性區(qū),T5管截止,T4管處于放大區(qū)(射極跟隨輸出).轉(zhuǎn)折區(qū),T2、T5由放大進(jìn)入飽和,T4進(jìn)入截止.飽和區(qū),T5管飽和.VOHVOLVTH2.主要參數(shù)(1)輸出高電平VOH,

低電平VOL。(2)閾值電壓VTH:轉(zhuǎn)折區(qū)中間點(diǎn)對應(yīng)的輸入電壓,約為

1.4V。(3)輸入端噪聲容限

VNH、VNL1輸出0輸出1輸入1輸入VOHminVIHminVNHVILmaxVOLmaxVNLVOVI11VOVI2.3.3

TTL與非門的靜態(tài)輸入與輸出特性1.輸入特性1)輸入伏安特性(II=f(Vi))定義：電流流入T1的發(fā)射極方向?yàn)檎较颉?.51.01.5VI(V)II(mA)-0.5-1.0-1.5高電平輸入低電平輸入040μA2)反映出的主要參數(shù)(1)IIL(輸入低電平電流)(2)IIH(輸入高電平電流)IIH約在40μA以下。(作為前級門的拉電流負(fù)載.)(作為前級門的灌電流負(fù)載.)2.輸入端負(fù)載特性

在門輸入端和地之間接電阻Ri,當(dāng)電阻從0Ω逐步增加時(shí)，由于電阻內(nèi)部有電流流過,會使電阻兩端電壓Vi逐步增加。R14kΩViT1RiVCC當(dāng)T1管飽和導(dǎo)通時(shí):Roff≈0.9kΩ,Ron≈3kΩ。Vi(V)Ri(kΩ)12012當(dāng)Ri小于R0ff時(shí),輸入為低電平;當(dāng)Ri高于Ron時(shí),輸入為高電平。3.輸出特性1拉電流拉電流負(fù)載0灌電流灌電流負(fù)載Vo(V)1.02.03.0051015-5-10-15I0(mA)拉電流情況灌電流情況&&1AB驅(qū)動(dòng)門負(fù)載門Vo1)灌電流工作情況

驅(qū)動(dòng)門輸出為低電平（T5管飽和，T4管截止）,負(fù)載門電流流入驅(qū)動(dòng)門，流入驅(qū)動(dòng)門的電流值IL取決于和驅(qū)動(dòng)門相連接的負(fù)載門個(gè)數(shù),即IL=NIIL(IIL為負(fù)載門低電平輸入電流,約為1mA左右)Vo(V)1.02.03.0051015-5-10-15I0(mA)拉電流情況灌電流情況由曲線可見,對所分析的電路,當(dāng)灌電流不超過16mA時(shí),VO不超過VOLmax=0.4V。稱帶灌電流負(fù)載能力IOLmax=16mA一個(gè)門在低電平時(shí)能驅(qū)動(dòng)同類門的最大個(gè)數(shù)為:

NOL=IOLmax/IIS=16/1.1≈14(這里的IIS為輸入短路電流)2)拉電流工作情況

驅(qū)動(dòng)門輸出為高電平（T5管截止）,負(fù)載門輸入電流由驅(qū)動(dòng)門提供,流出驅(qū)動(dòng)門的電流值IH取決于和驅(qū)動(dòng)門相連接的負(fù)載門的管腳的個(gè)數(shù),即

Vo(V)1.02.03.0051015-5-10-15I0(mA)拉電流情況灌電流情況從曲線上看，當(dāng)IO大于5mA時(shí)，VO才開始出現(xiàn)下降趨勢，但決定IOHmax值的并不是VOHmin,而是器件的功耗。在上面討論的電路中,IOHmax約為400μA。NOH=IOHmax/IIH=400/40=10

IH=NIIH(IIH為負(fù)載門高電平輸入電流,約為40μA左右)取min(NOL,NOH)=N

定義為扇出系數(shù)則

min(14,10)=102.3.4

TTL與非門的動(dòng)態(tài)特性1.傳輸延遲時(shí)間tpd

傳輸延遲時(shí)間指門電路的輸出信號相對于輸入信號的延遲時(shí)間。定義:

tpd=12(tPHL+tPLH)050%50%VIVO0tPHLtPLH延遲時(shí)間導(dǎo)通截止一般

tPLH>tPHL2.電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流

TTL門電路的功耗等于電源電壓VCC和電源電流ICC的乘積,由于VCC=5V為定值,所以ICC的大小就能反映功耗的大小.對于上述電路,穩(wěn)態(tài)時(shí),輸出為高電平時(shí)的電流ICCH≈1.1mA,輸出為低電平時(shí)的電流ICCL≈3.4mA。在動(dòng)態(tài)情況下,特別是當(dāng)輸出電平由低突然變?yōu)楦叩倪^渡過程中,在某個(gè)瞬間,會使門電路中的所有管子均導(dǎo)通,使電源電流出現(xiàn)尖峰脈沖.尖峰電流有時(shí)可達(dá)40mA。電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流引起的后果:使電源的平均電流加大.而且,工作頻率越高,平均電流增加越多;2)電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流通過電源和地線的內(nèi)阻,形成系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲源。2.3.5

改進(jìn)型TTL門電路主要改進(jìn)1）傳輸延遲時(shí)間；2）功耗；3）轉(zhuǎn)換特性。TTL集成電路系列型號及性能表系列標(biāo)準(zhǔn)系列低功耗肖特基系列肖特基系列先進(jìn)低功耗肖特基系列高速系列先進(jìn)肖特基系列快速系列低功耗系列型號舉例740074LS0074S0074ALS0074F0074AS0074H0074l00功耗/門P(mW)102191410221傳輸時(shí)延

tpd(ns)10

103431.5635時(shí)延功耗積

Ptpd(PJ)10020574121513235電源電壓VCC=5V

邏輯擺幅

3.5V2.3.6

其它類型的TTL門電路除與非門外,TTL電路產(chǎn)品中還有各種功能的門,如或非門、異或門等。這里介紹兩種具有不同輸入輸出結(jié)構(gòu)的TTL門,較為重要。1.集電極開路門(OC門)(以與非門為例說明)R1D1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩR31kΩD2ABT1T2T5輸入級中間級輸出級&ABF邏輯符號OC門的特點(diǎn):1)實(shí)現(xiàn)線與功能&&VCCRABCDF=ABCD=AB+CD說明:①普通的TTL電路不能將輸出端連在一起,輸出端連在一起,可能使電路形成低阻通道,使電路因電流過大而燒毀;②由于OC門的集電極是開路的,要實(shí)現(xiàn)正常的邏輯功能,需外加上拉電阻。上拉電阻上拉電阻R的選?。篒LmaxOLmaxOLCCminLPIIVVR--=n:OC門輸出端并接的個(gè)數(shù)m:負(fù)載門的輸入端總數(shù)P:負(fù)載門的總數(shù)2)作電平轉(zhuǎn)換器

改變和上拉電阻相連的電源值，可改變輸出高電平的值。&ABF10V高電平輸出電壓為10VRL3)作驅(qū)動(dòng)器

OC門能輸出較大的電壓和電流，可直接作為驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管、脈沖變壓器等。OC門的缺點(diǎn)：工作速度慢。

原因：推拉式輸出結(jié)構(gòu)被破壞，使輸出端負(fù)載電容的充電要經(jīng)過RL。2.三態(tài)輸出門(TSL門)三態(tài)門(TSL門)的輸出有三個(gè)狀態(tài),即:

0,1和高阻,在使用中,由控制端(稱使能控制端)來控制電路的輸出狀態(tài)。R4R1FVcc(5V)1.6kΩR24kΩ130ΩR31kΩDABT1T2T4T5D311PENABENFEN&當(dāng)EN=1時(shí),P=1,二極管截止,電路等效為普通與非門。2)當(dāng)EN=0時(shí),P=0,T4

和T5均截止,輸出高阻態(tài)。三態(tài)門的基本用途為實(shí)現(xiàn)用一根導(dǎo)線輪流傳輸幾個(gè)不同的數(shù)據(jù)或控制信號,通常將接受多個(gè)門的輸出信號的線稱為總線。A1EN1FEN1A2EN2FEN1A3EN3FEN1總線單向總線結(jié)構(gòu)D1ENENEN11總線

D2雙向總線結(jié)構(gòu)注意：在總線結(jié)構(gòu)中，任一時(shí)刻僅允許一個(gè)門工作。2.4

ECL門電路(EmitterCoupledLogic)

ECL門電路（發(fā)射極耦合邏輯電路）是一種新型高速邏輯電路,內(nèi)部采用高速電流開關(guān)型電路,內(nèi)部放大器工作在放大區(qū)或截止區(qū),從根本上克服了因飽和而產(chǎn)生的存儲電荷對速度的影響。

ECL門電路是目前各類集成電路中速度最快的電路.2.4.1ECL門電路的工作原理1.ECL門的核心電路-VEE(-5V)Re500ΩRc2135ΩRc1120ΩViVR-1.2VVO1VO2T1T2ECL門的核心電路是電流開關(guān)電路.電流開關(guān)電路實(shí)際上是一個(gè)差分放大器。設(shè):VR=－1.2V;ViL=－1.6V;

ViH=－0.8V;α=0.95-VEE(-5V)Re500ΩRc2135ΩRc1120ΩViVR-1.2VVO1VO2T1T2-1.6V-0.8V-0.8V0V-0.8V0V當(dāng)Vi=ViL時(shí):

由于:VR=－1.2V

所以T2導(dǎo)通,T1截止.

Ve=VR－0.7=－1.9V

流過Re的電流為

Ie=[－1.9－(－5)]/0.5=6.2mA

該電流全部流過T2管的集電極,VO2為

VO2=－αIeRC2≈－0.8V

顯然,T2工作在放大區(qū).由于T1截止,所以

VO1=0V2)當(dāng)Vi=ViH時(shí):由于

VR=－1.2V,所以T1導(dǎo)通,T2截止,Ve=－0.8－0.7=－1.5V

-VEE(-5V)Re500ΩRc2135ΩRc1120ΩViVR-1.2VVO1VO2T1T2-1.6V