第三章逻辑门电路

第三章逻辑门电路第五讲教学内容：①TTL集成门电路的组成及工作原理；②TTL集成门电路的主要参数；③TTL集成门电路主要参数的测试。教学要求：①了解TTL与非门的工作原理；②掌握门电路的主要参数及测试方法；③掌握TTL集成门电路的使用注意事项。教学难点：TTL、CMOS集成门的电路结构、工作原理、逻辑功能和使用方法。在第一章里，我们初步认识了与、或、非三种基本逻辑运算和与非、或非、异或等常用逻辑运算，在那里，这些运算关系都是用逻辑符号来表示的。而在工程中每一个逻辑符号都对应着一种电路，并通过集成工艺作成一种集成器件，称为集成逻辑门电路，逻辑符号仅是这些集成逻辑门电路的“黑匣子”。本章将逐步揭开这些“黑匣子”的奥秘，介绍集成逻辑门电路的两种主要类型TTL和MOS门电路的工作原理、逻辑功能及外部特性，同时对内部结构也作一简要介绍。3.1基本逻辑门电路能够实现逻辑运算的电路称为逻辑门电路。在用电路实现逻辑运算时，用输入端的电压或电平表示自变量，用输出端的电压或电平表示因变量。一．二极管与门和或门电路1．与门电路LAB+VDD(a)(b)3kΩ（+5V）RCC2&ABL=A·B1图3.1.1二极管与门（a）电路（b）逻辑符号（1）VA=VB=0V。此时二极管D1和D2都导通，由于二极管正向导通时的钳位作用，VL≈0V。（2）VA=0V，VB=5V。此时二极管D1导通，由于钳位作用，VL≈0V，D2受反向电压而截止。（3）VA=5V，VB=0V。此时D2导通，VL≈0V，D1受反向电压而截止。（4）VA=VB=5V。此时二极管D1和D2都截止，VL=VCC=5V。把上述分析结果归纳起来列入表3.1.1中，如果采用正逻辑体制，很容易看出它实现逻辑运算：BAL增加一个输入端和一个二极管，就可变成三输入端与门。按此办法可构成更多输入端的与门。2．或门电路ABLDD12RABL=A+B≥1(b)(a)3kΩ图3.1.2二极管或门（a）电路（b）逻辑符号可见，它实现逻辑运算：L=A+B同样，可用增加输入端和二极管的方法，构成更多输入端的或门。二．三极管非门电路图3.1.3（a）是由三极管组成的非门电路，非门又称反相器。三极管的开关特性已在第一章中作过详细讨论，这里重点分析它的逻辑关系。仍设输入信号为+5V或0V。此电路只有以下两种工作情况：+VALT123RRbCCC（+5V）AL=AL=AA11(b)(a)图3.1.3三极管非门（a）电路（b）逻辑符号（1）VA=0V。此时三极管的发射结电压小于死区电压，满足截止条件，所以管子截止，VL=VCC=5V。（2）VA=5V。此时三极管的发射结正偏，管子导通，只要合理选择电路参数，使其满足饱和条件IB＞IBS，则管子工作于饱和状态，有VL=VCES≈0V（0.3V）。把上述分析结果列入表3.1.5中，此电路不管采用正逻辑体制还是负逻辑体制，都满足非运算的逻辑关系。三．DTL与非门电路前面介绍的二极管与门和或门电路虽然结构简单，逻辑关系明确，但却不实用。例如在图3.1.4所给出的两级二极管与门电路中，会出现低电平偏离标准数值的情况。为此，常将二极管与门和或门与三极管非门组合起来组成与非门和或非门电路，以消除在串接时产生的电平偏离，并提高带负载能力。0V5V+V+VL5VDDDD3kΩ（+5V）RCC211CCR2（+5V）0.7V1.4V3kΩ图3.1.4两级二极管与门串接使用的情况图3.1.5所示就是由三输入端的二极管与门和三极管非门组合而成的与非门电路。其中，作了两处必要的修正：（1）一将电阻Rb换成两个二极管D4、D5，作用是提高输入低电平的抗干扰能力，即当输入低电平有波动时，保证三极管可靠截止，以输出高电平。（2）二是增加了R1，目的是当三极管从饱和向截止转换时，给基区存储电荷提供一个泻放回路。ABCL+VDDD123DD1R23CC（+5V）R1RcT45P3kΩ1kΩ4.7kΩ图3.1.5DTL与非门电路该电路的逻辑关系为：（1）当三输入端都接高电平时（即VA=VB=VC=5V），二极管D1～D3都截止，而D4、D5和T导通。可以验证，此时三极管饱和，V0.3LCESVV，即输出低电平。（2）在三输入端中只要有一个为低电平0.3V时，则阴极接低电平的二极管导通，由于二极管正向导通时的钳位作用，VP≈1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。可见该电路满足与非逻辑关系，即：CBAL把一个电路中的所有元件，包括二极管、三极管、电阻及导线等都制作在一片半导体芯片上，封装在一个管壳内，就是集成电路。图3.1.5就是早期的简单集成与非门电路，称为二极管—三极管逻辑门电路，简称DTL电路。3.2TTL逻辑门电路DTL电路虽然结构简单，但因工作速度低而很少应用。由此改进而成的TTL电路，问世几十年来，经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善，至今仍广泛应用，几乎占据着数字集成电路领域的半壁江山。一．TTL与非门的基本结构及工作原理1．TTL与非门的基本结构我们以DTL与非门电路为基础，根据提高电路功能的需要，从以下几个方面加以改进，从而引出TTL与非门的电路结构。+VV123123D12313CC（+5V）R130ΩABCTTTRT4kΩRb11243c2c4Re2oVVc2e2输入级中间级输出级1.6kΩ1kΩ图3.2.1TTL与非门电路首先考虑输入级，DTL是用二极管与门做输入级，速度较低。仔细分析我们发现电路中的Dl、D2、D3、D4的P区是相连的。我们可用集成工艺将它们做成—个多发射极三极管。这样它既是四个PN结，不改变原来的逻辑关系，又具有三极管的特性。一旦满足了放大的外部条件，它就具有放大作用，为迅速消散T2饱和时的超量存储电荷提供足够大的反向基极电流，从而大大提高了关闭速度。详细情况后面再讲。图3.2.2TTL与非门输入级的由来（a）二极管与门（b）多发射极三极管第二，为提高输出管的开通速度，可将二极管D5改换成三极管T2，逻辑关系不变。同BAC+V+V13RPCC（+5V（（+5V（CCABCTPPPNNNNb1R1时在电路的开通过程中利用T2的放大作用，为输出管T3提供较大的基极电流，加速了输出管的导通。另外T2和电阻RC2、RE2组成的放大器有两个反相的输出端VC2和VE2，以产生两个互补的信号去驱动T3、T4组成的推拉式输出级。第三，再分析输出级。输出级应有较强的负载能力，为此将三极管的集电极负载电阻RC换成由三极管T4、二极管D和RC4组成的有源负载。由于T3和T4受两个互补信号Ve2和Vc2的驱动，所以在稳态时，它们总是一个导通，另一个截止。这种结构，称为推拉式输出级。2．TTL与非门的逻辑关系因为该电路的输出高低电平分别为3.6V和0.3V，所以在下面的分析中假设输入高低电平也分别为3.6V和0.3V。（1）输入全为高电平3.6V时。T2、T3导通，VB1=0.7×3=2.1（V），从而使T1的发射结因反偏而截止。此时T1的发射结反偏，而集电结正偏，称为倒置放大工作状态。由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES3≈0.3V这时VE2=VB3=0.7V，而VCE2=0.3V，故有VC2=VE2+VCE2=1V。1V的电压作用于T4的基极，使T4和二极管D都截止。可见实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。+VV3.6V13123123D123（+5V）CCRACBTTTRT1KRb11243c2c4e2Ro2.1V1.4V0.7V1V0.3V倒置状态饱和饱和截止截止4kΩ1.6kΩ130Ω图3.2.3输入全为高电平时的工作情况（2）输入有低电平0.3V时。+VV0.3V3.6V13123123D123Ro130Ω1c2c43BACCT2RCRRT4b1TT4kΩe21V5V3.6V饱和截止截止导通导通4.3V1.6kΩ1kΩ图3.2.4输入有低电平时的工作情况该发射结导通，T1的基极电位被钳位到VB1=1V。T2、T3都截止。由于T2截止，流过RC2的电流仅为T4的基极电流，这个电流较小，在RC2上产生的压降也较小，可以忽略，所以VB4≈VCC=5V，使T4和D导通，则有：VO≈VCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V）可见实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，是一个与非门。二．TTL与非门的开关速度1．TTL与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。设电路原来输出低电平，当电路的某一输入端突然由高电平变为低电平，T1的一个发射结导通，VB1变为1V。由于T2、T3原来是饱和的，基区中的超量存贮电荷还来不及消散，VB2仍维持1.4V。在这个瞬间，T1为发射结正偏，集电结反偏，工作于放大状态，其基极电流iB1=（VCC-VB1）/Rb1，+V0.3V3.6VV13123123R1c23BACCT2RCRTb1Te21V1.4V0.7VβiB1iB1o4kΩ1.6kΩ1kΩ图3.2.5多发射极三极管消散T2存储电荷的过程集电极电流iC1=β1iB1。这个iC1正好是T2的反向基极电流iB2，可将T2的存贮电荷迅速地拉走，促使T2管迅速截止。T2管迅速截止又使T4管迅速导通，而使T3管的集电极电流加大，使T3的超量存贮电荷从集电极消散而达到截止。（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。+VV+VV123123D123D123c4CC（+5V（o截止3T4T导通导通R充电CLo3LC截止Tc4放电R截止T4（+5V（CC导通（a）（b）2．TTL与非门传输延迟时间tpd当与非门输入一个脉冲波形时，其输出波形有一定的延迟，如图所示。定义了以下两个延迟时间：导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值。即2PHLPLHpdttt一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。图3.2.7TTL与非门的传输时间三．TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力1．电压传输特性曲线与非门的电压传输特性曲线是指与非门的输出电压与输入电压之间的对应关系曲线，即Vo=f（Vi），它反映了电路的静态特性。&VVVoVi0.50.51.01.01.51.52.02.02.52.53.03.03.53.54.04.0ABCDE2.4V0.4VOL（max）VOH（min）VVoViOFFVONV(V)(V)A(0V,3.6V)B(0.6V,3.6V)C(1.3V,2.48V)D(1.4V,0.3V)E(3.6V,0.3V)图3.2.8传输特性的测试方法图3.2.9TTL与非门的电压传输特性（1）AB段（截止区）。（2）BC段（线性区）。（3）CD段（过渡区）。（4）DE段（饱和区)。2．几个重要参数从TTL与非门的电压传输特性曲线上，我们可以定义几个重要的电路指标。（1）输出高电平电压VOH——VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V，即大于2.4V的输出电压就可称为输出高电压VOH。（2）输出低电平电压VOL——VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V，即小于0.4V的输出电压就可称为输出低电压VOL。由上述规定可以看出，TTL门电路的输出高低电压都不是一个值，而是一个范围。（3）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。显然只要Vi＜VOff，Vo就是高电压，所以VOFF就是输入低电压的最大值，在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。从电压传输特性曲线上看VIL（max）（VOFF）≈1.3V，产品规定VIL（max）=0.8V。（4）开门电平电压VON——是指输出电压下降到V