1、第2章 集成门电路,主要内容： 2.1 概述 2.2 TTL集成门电路 2.3 CMOS门电路,2.1 概 述,门电路：逻辑门电路是够实现各种基本逻辑关系的电路，简称“门电路”或逻辑元件。最基本的门电路是与门、或门和非门。利用与、或、非门就可以构成各种逻辑门。 在逻辑电路中, 逻辑事件的是与否用电路电平的高、低来 表示。 若用1代表低电平、0代表高电平，则称为正逻辑。相 反为负逻辑。 集成门按内部有源器件的不同可分为两大类：一类为双极型晶体管集成电路，主要有晶体管TTL逻辑、射极耦合逻辑ECL和集成注入逻辑I2L等几种类型；另一类为单极型MOS集成电路，包括NMOS、 PMOS和CMOS等几种
2、类型。常用的是TTL和CMOS集成电路。 集成门电路按其集成度又可分为：小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。,2.2 TTL集成门电路,主要内容： 2.2.1 TTL与非门的工作原理 2.2.2 TTL与非门的外特性与参数 2.2.3 TTL与非门产品介绍 2.2.4 TTL与非门的改进电路 2.2.5.TTL门电路的其他类型 2.2.6 TTL集成门电路使用注意事项,2.2 TTL集成门电路,TTL集成与非门电路在实际中应用非常广泛。 举例：图是一个由与非门构成的多数表决器,多路表决器真值表,1.电路组成 如图所示，它由
3、输入级、中间级和输出级三部分组成。,2.2.1 TTL与非门的工作原理,TTL集成与非门电路图及逻辑符号,(2) 中间级。 中间级由T2、 R2和R3组成。T2的集电极和发射极输出两个相位相反的信号，作为T3和T5的驱动信号。(3) 输出级。 输出级由T3、T4、T5和R4、R5组成，这种电路形式称为推拉式电路。,2. 工作原理(1) 输入全部为高电平。当输入A、 B、 C均为高电平，即UIH = 3.6 V时，T1的基极电位足以使T1的集电结和T2、T5的发射结导通。而T2的集电极压降可以使T3导通， 但它不能使T4导通。T5由T2提供足够的基极电流而处于饱和状态。因此输出为低电平:,A=0
4、时TTL与非门各点电压 ,UO=UOL=UCE50.3 V (2) 输入至少有一个为低电平。当输入至少有一（A端）为低电平，即UIL = 0.3V时，T1与A端连接的发射结正向导通，从图中可知，T1集电极电位UC1使T2、T5均截止，而T2的集电极电压足以使T3，T4导通。因此输出为高电平：UO=UOHUCC-UBE3-UBE4=5-0.7-0.7=3.6 V,A=B=C=1时TTL与非门各点电压 ,2.2.2 TTL与非门的外特性与参数,1. 电压传输特性 TTL与非门电压传输特性是表示输出电压UO随输入电压UI变化的一条曲线， 电压传输特性曲线大致分为四段：如图所示。 ,TTL与非门电压传
5、输特性 （a） 测试电路示意图（b） 曲线,AB段称截止区0UI0.6V，U03.6V BC段称线性区0.6UI1.3V，U0线性下降 CD段称转折区1.3VUI1.4V，U0急剧下降 DE段称饱和区UI1.4V，U00.3V,2. 主要参数, （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL。电压传输特性曲线截止区的输出电压为UOH，饱和区的输出电压为UOL。一般产品规定UOH2.4V，UOL0.4 V。 ,（2） 阈值电压Uth。电压传输特性曲线转折区中点所 对应的输入电压为Uth，也称门槛电压。一般TTL与非门的Uth 1.4V。 ,（3）关门电平UOFF和开门电平UON。保证输出电平为额定高电
6、平（2.7V左右）时，允许输入低电平的最大值，称为关门电平UOFF。通常UOFF1V , 一般产品要求UOFF0.8 V。保证输出电平达到额定低电平（0.3V）时，允许输入高电平的最小值，称为开门电平UON。通常UON1.4V，一般产品要求UON1.8 V,（4） 噪声容限UNL、UNH。在实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。它是用来说明门电路抗干扰能力的参数。 ,低电平噪声容限是指在保证输出为高电平的前提下，允许叠加在输入低电平UIL上的最大正向干扰（或噪声）电压。用UNL表示: UNL = U
7、OFF - UIL高电平噪声容限是指在保证输出为低电平的前提下，允许叠加在输入高电平UIH上的最大负向干扰（或噪声）电压。用UNH表示： UNH = UIH - UON ,(5) 输入短路电流IIS。当UI=0时，流经这个输入端的 电流称为输入短路电流IIS。在如图所示电路中 IIS= -1.4 mA输入短路电流的典型值约为-1.5mA。 ,(6) 输入漏电流IIH。当UIUth时, 流经输入端的电流称为输入漏电流IIH， 即T1倒置工作时的反向漏电流。其值很小，约为10A。 (7) 扇出系数N。扇出系数是以同一型号的与非门作为负载时，一个与非门能够驱动同类与非门的最大数目，通常N8。 （8）
8、平均延迟时间tpd。平均延迟时间指输出信号滞后于输入信号的时间，它是表示开关速度的参数， 如图所示,IIS的计算图 延迟时间,从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿中点之间的时间称为导通延迟时间 tPHL；从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点之间的时间称为截止延迟时间tPLH, 所以TTL与非门平均延迟时间为 tpd= ( tPHL+ tPLH) 一般, TTL与非门tpd为340ns。,2.2.3 TTL与非门产品介绍,常用TTL门电路型号,74LS00、 74LS20管脚图,TTL器件型号组成的符号及意义,2.2.4TTL与非门的改进电路,各种系列的TTL门电路,LS系列TTL门t
9、pd5ns，而功耗2mW，因而得到广泛 应用。 我国TTL集成电路目前有CT54/74(普通) 、CT54/74H (高速) 、 CT54/74S（肖特基）和CT54/74LS(低功耗）等 四个系列国家标准的集成门电路。它们的主要性能指如 表2.4所示。在TTL门电路中，无论是哪一种系列，只器 件品名相同, 那么器件功能就相同，只是性能不同。,TTL各系列集成门电路主要性能指标,2.2.5TTL门电路的其他类型,TTL门电路除与非门之外， 还有许多种门电路， 1. 集电极开路门（OC门）在实际使用中，可直接将几个逻辑门的输出端相连，这种输出直接相连，实现输出与功能的方式称为线与。图所示为实现线
10、与功能的电路。即 Y=Y1Y2 但是普通TTL与非门的输出端是不允许直接相连的， 因为当一个门的输出为高电平（Y1），另一个为低电平（Y2）时， 将有一个很大的电流从UCC经Y1到Y2，到导通门的T5管，因功耗过大而损坏该门电路。如图所示。,T5的集电极是断开的，必须经外接电阻RL接通电源后，电路才能实现与非逻辑及线与功能。图是实现线与逻辑的OC门， 其逻辑表达式为 ,外接电阻RL的选取。假设有n个OC门接成线与的形式，其输出负载为m个TTL与非门，如图所示。 ,当所有OC门都为截止状态时，输出电压UO为高电平，为保证输出的高电平不低于规定值，RL不能太大。根据上图（a）所示的情况，RL的最大
11、值为,式中, n为OC门并联的个数，m为并联负载门的个数，IOH为OC门输出管截止时的漏电流，IIH为负载门输入端为高电平时的输入漏电流。,当有一个OC门处于导通状态时，输出电压UO为低电平。而且应保证在最不利的情况下，所有负载电流全部流入唯一的一个导通门时，输出低电平仍低于规定值。根据上图所示的情况，RL的最小值为 ,式中, ILmax是导通OC门所允许的最大漏电流，IIS为负载门的输入短路电流。 综合以上两种情况，RL的选取应满足： RLminRLRLmax 为了减少负载电流的影响，RL值应选接近RLmin的值。,2. 三态门（TSL门）三态门，是指逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还
12、有第三种状态高阻状态（或称禁止状态）的门电路，简称TSL(Tristate Logic)门。电路如图所示。,三态门电路、 符号图,E为控制端或称使能端。 当E1时，二极管D截止，TSL门与TTL门功能一样： 当E0时，T1处于正向工作状态，促使T2、T5截止，同时, 通过二极管D使T3基极电位钳制在V左右，致使T4 也截止。这样T4、T5都截止，输出端呈现高阻状态。 TSL门中控制端E除高电平有效外，还有为低电平有效 的，这时的电路符号上图(c)所示。,表2.5 一种TSL门的真值表,三态门的主要用途是实现多个数据或控制信号的总线传输，如图所示。,2.2.6TTL集成门电路使用注意事项在使用T
13、TL集成门电路时， 应注意以下事项：(1) 电源电压（UCC）应满足在标准值5V+10%的范围内。 (2) TTL电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数。 (3) 注意TTL门多余输入端的处理方法。1. 与非门与非门多余输入端的三种处理方法如图所示。,2. 或非门或非门多余输入端的三种处理方法如图所示。,或非门多余输入端的处理方法 (a) 接地; (b) 通过R接地; （c） 与使用输入端并联,主要内容： 2.3.1 CMOS门电路 2.3.2 CMOS门电路系列及型号的命名法 2.3.3 CMOS门集成电路使用注意事项 2.3.4 CMOS门电路的连接,2.3 CMOS集成门电路,2.
14、3CMOS集成门电路, MOS集成逻辑门是采用MOS管作为开关元件的数字 集成电路。 它具有工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低等优点，MOS门有PMOS、 NMOS和CMOS三种 类型， CMOS电路又称互补MOS电路，它突出的优点是 静态功耗低、抗干扰能力强、工作稳定性好、开关速度 高，是性能较好且应用较广泛的一种电路。 ,与TTL集成电路相比，CMOS电路具有如下特点：制造工艺较简单，集成度和成品率较高。 功耗低。 电源电压范围宽。 输入阻抗高，扇出系数大。 抗干扰能力强。 当配备适当的缓冲器后，能与现有的大多数逻辑电路兼容,2.3.1CMOS门电路1. 与非门图是一个两输入的CMO
15、S与非门电路。 当A、B两个输入端均为高电平时，T1、T2导通，T3、T4截止，输出为低电平。 当A、B两个输入端中只要有一个为低电平时，T1、T2中必有一个截止，T3、T4中必有一个导通， 输出为高电平。 电路的逻辑关系为 ,2. 或非门CMOS或非门电路如图所示。当A、B两个输入端均为低电平时，T1、T2截止，T3、T4导通，输出Y为高 电平；当A、B两个输入中有一个为高电平时，T1、T2中 必有一个导通，T3、T4中必有一个截止，输出为低电平。电路的逻辑关系为,3. CMOS传输门传输门是数字电路用来传输信号的一种基本单元电路。 其电路和符号如图所示，,当控制信号C=1（UDD）( =0
16、)时， 输入信号UI接近 于UDD，则UGS1-UDD，故T1截止，T2导通；如输入信号 UI接近0，则T1导通，T2截止；如果UI接近UDD/2，则T1、 T2同时导通。所以，传输门相当于接通的开关，通过不同 的管子连续向输出端传送信号。 反之，当C=0（ =1）时，只要UI在0UDD之间，则 T1、T2都截止，传输门相当于断开的开关。 因为MOS管的结构是对称的，源极和漏极可以互换使 用，所以CMOS传输门具有双向性，又称双向开关，用TG 表示。 ,2.3.2CMOS门电路系列及型号的命名法, CMOS逻辑门器件有三大系列: 4000系列、74C系列和硅氧化铝系列。1. 4000系列表2.
17、5列出了4000系列CMOS器件型号组成符号及意义。,表2.6 CMOS器件型号组成符号及意义, ,几家国外公司CMOS产品代号,2. 74C系列74C系列有：普通74C系列、高速CMOS74HC/HCT系列及先进的CMOS74AC/ACT系列。,2.3.3 CMOS集成电路使用注意事项 TTL电路的使用注意事项， 一般对CMOS电路也适用。因CMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下几点： (1) 避免静电损失。 存放CMOS电路不能用塑料袋，要用金属将管脚短接起来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金属材料覆盖并应良好接地。焊接时，电烙铁壳应接地。 ,(2) 多余输入端的处理方法。 CM
18、OS电路的输入阻抗 高，易受外界干扰的影响，所以CMOS电路的多余输入端 不允许悬空。多余输入端应根据逻辑要求或接电源DD(与 非门、 与门），或接地（或非门、或门），或与其他输 入端连接。 ,2.3.4CMOS电路与TTL电路的连接 1. TTL电路驱动CMOS电路(1) 当TTL电路驱动4000系列和HC系列CMOS时，如 电源电压UCC与UDD均为5V时，TTL与CMOS电路的连接 如图所示。,UCC与UDD不同时，TTL与CMOS电路的连接方法如图（b）所示。还可采用专用的CMOS电平转移器（如CC4502、CC40109等）完成TTL对CMOS电路的接口，电路如图（c）所示。 (2)
19、 当TTL电路驱动HCT系列和ACT系列的CMOS门电路时，因两类电路性能兼容，故可以直接相连，不需要外加元件和器件。 ,2. CMOS电路驱动TTL电路为了实现CMOS和TTL电路的连接，可经过CMOS “接口”电路，如图所示。 ,【思考题】1. CMOS门电路有什么优、 缺点？2. TTL与CMOS逻辑如何解决“接口”问题？,本章小结,1. 目前普遍使用的数字集成电路基本上有两大类： 一类是双极型数字集成电路, TTL、HTL、IL、ECT都属 于此类电路；另一类是金属氧化物半导体（MOS）数字 集成电路。 2. 在双极型数字集成电路中，TTL与非门电路在工业 控制上应用最广泛，是本章介绍的重点。对该电路要着 重了解其外部特性和参数，以及使用时的注意事项。 3. 在MOS数字集成电路中，CMOS电路是重点。由 于MOS管具有功耗小、输入阻抗高、 集成度高等优点，在数字集成电路中逐渐被广泛采用。 ,
