节集成逻辑门
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小 规 模 集 成 电 路 (SSI-Small Scale Integration) ， 每 片 组 件 内 包 含 10~100个元件(或10~20个等效门)。
中 规 模 集 成 电 路 (MSI-Medium Scale Integration) ， 每 片 组 件 内 含 100~1000个元件(或20~100个等效门)。
目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集成电路。 TTL集成电路工作速 度高、 驱动能力强，但功耗大、集成度低； MOS集成电路集成度高、功耗 低。超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路，其缺点是工作速度略低。 目前已生产了BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构 成，能够充分发挥两种电路的优势， 缺点是制造工艺复杂。
第17页/共83页
从电压传输特性可以得出以下几个重要参数： ① 输出高电平UOH和输出低电平UOL 。 电压传输特性的截止区的输出电压UOH=3.6V，饱和区的输出电压UOL=0.3V。 一般产品规定UOH≥2.4V、UOL＜0.4V时即为合格。 ② 阈值电压UT。 阈值电压也称门槛电压。电压传输特性上转折区中点所对应的输入电压 UT≈1.3V，可以将UT看成与非门导通(输出低电平)和截止(输出高电平)的分界线。
第18页/共83页
③ 开门电平UON和关门电平UOFF。 开门电平UON是保证输出电平达到额定低电平(0.3V )时，所允许输入高 电平的最低值，即只有当UI＞UON时，输出才为低电平。通常UON=1.4V，一 般产品规定UON≤1.8V。 关门电平UOFF是保证输出电平为额定高电平(2.7V左右)时，允许输入低电 平的最大值，即只有当UI≤UOFF时， 输出才是高电平。通常UOFF≈1V，一般产 品要求UOFF≥0.8V。
大 规 模 集 成 电 路 (LSI-Large Scale Integration) ， 每 片 组 件 内 含 1000~100 000个元件(或100~1000个等效门)。
超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale Integration)， 每片组件内 含100 000个元件(或1000个以上等效门)。
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与非门的特性与参数
1. 电压传输特性 电压传输特性是指输出电压跟随输入电压变化的关系曲线，即UO=f(uI)函 数关系，它可以用图3-3所示的曲线表示。由图可见， AB段(截止区)：当UI≤0.6V时，V1工作在深饱和状态，Uces1＜0.1V，Ube2 ＜0.7V，故V2、 V5截止，V3、V4均导通， 输出高电平UOH=3.6V 。
F ABC
表 3-1 TTL与非门各级工作状态
输入
V1
全部为高电位 倒置工作 至少有一个为低电位 深饱和
V2 饱和 截止
V3 导通 微饱和
V4 截止 导通
V5 饱和 截止
输出
低电位UOL 高电位UOH
与非门 状态
开门
关门
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TTL与非门具有较高的开关速度，主要原因有两点： 一是由于采用了 多射极管V1,它缩短了V2和V5的开关时间。当输入端全部为高电位时，V1处于 倒置工作状态。此时V1向V2提供了较大的基极电流，使V2、V5迅速导通饱和； 当某一输入端突然从高电位变到低电位时，Ib1转而流向V1低电位输入端，即为 V1正向工作的基流，该瞬间将产生一股很大的集电极电流Ic1，正好为V2和V5提 供了很大的反向基极电流，使V2和V5基区的存储电荷迅速消散，因而加快了V2 和V5的截止过程，提高了开关速度。
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3. 输入负载特性
＋UCC
R1
Ib1
UB1
＋
I1
－UI
RI
V2
V5
R3
图 3-5 TTL与非门输入负载
第24页/共83页
UI(V) 1. 4 UOFF
0 ROFF RON
图 3-6 TTL与非门输
第25页/共83页
RI(kΩ)
由图可见，当RI较小时，UI随RI增加而升高，此时V5截止， 忽略V2基极 电流的影响，可近似认为
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e1
e2
e3
b
c
NNN
P N P型 衬底
(a)
UCC
UCC
R1
b
A e1 V1
e1 e2 e3 A BC
c
B e2 C e3
V2 V3
R1 b V4 c
P1
(b)
图 3-2 多射极晶体管第的7页结/共构8及3页其等效电路
② 中间级。由V2、R2、R3组成，在V2的集电极与发射极分别可以得 到两个相位相反的电压，以满足输出级的需要。
当 RI 较 大时 ， UI 进 一 步增 加 ， 但 它不能 一 直 随 RI 增加 而 升 高 。因为 当 UI=1.4 V时，Ub1=2.1V，此时V5已经导通，由于受V1集电结和V2、V5发射结的 钳位作用，Ub1将保持在2.1V，致使UI也不能超过1.4V，见图3-6。
第13页/共83页
二是由于采用了推拉式输出电路，加速了V5管存储电荷的消散过程。当V2 由饱和转为截止时，V3和V4导通。由于V3、 V4是复合射随，相当于V5集电极只 有很小电阻，此时瞬间电流很大，从而加速了V5管脱离饱和的速度，使V5迅速 截止。
此外，由于采用推拉式输出级，与非门输出低电平时V5处于深饱和状态， 输出电阻很低；而输出高电平时V3、V4导通，组成射极跟随器，其输出电阻也 很低，因此无论哪种状态输出电阻都很低，都有很强的带负载能力。
Uces1 0,Uc1 0.3V
因而V2、V5均截止。此时V2的集电极电位Uc2≈UCC=5V， 足以使V3、V4导通， 因此输出为高电位：
UO UOH Uc2 Ube3 Ube4 5 0.7 0.7 3.6V
第11页/共83页
综上所述，当输入端全部为高电位(3.6V)时，输出为低电位(0.3V)，这时V5 饱和，电路处于开门状态；当输入端至少有一个为低电位(0.3 V)时，输出为高 电位(3.6 V)，这时V5截止，电路处于关门状态。 由此可见，电路的输出和输入 之间满足与非逻辑关系：
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3.2 TTL集成逻辑门
与非门的工作原理
图 3-1 典第型5页T/T共L8与3页非门电路
① 输入级。由多发射极管V1和电阻R1组成，其作用是对输入变量A、B、 C实现逻辑与，所以它相当一个与门。
多射极管V1的结构如图3-2(a)所示，其等效电路如图3-2(b)所示。设二极 管V1~V4 的正向管压降为0.7 V，当输入信号A、B、C中有一个或一个以上为 低电平(0.3V)时， UP1=1V，Uc=0.3V； 当A、B、C全部为高电平(3.6V)时， UP1=4.3V，Uc=3.6V。可见，仅当所有输入都为高时，输出才为高，只要有 一个输入为低，输出便是低，所以起到了与门的作用。
CD段(转折区)：1.3V≤UI＜1.4V，当UI略大于1.3V时，V5开始导通，此时V2
发射极到地的等效电阻为R3∥Rbe5，比V5截止时的R3小得多，因而V2放大倍数增
加，近似为-R2/(R3∥Rbe5)， 因此Uc2迅速下降，输出电压UO也迅速下降，最后V3、
V4截止， V5
。
DE段(饱和区)：当UI≥1.4V时，随着UI增加V1进入倒置工作状态，V3导通， V4截止，V2、V5饱和，因而输出低电平UOL=0.3V。
UI
UCC Ube1 R1 RI
RI
当RI很小时UI很小，相当于输入低电平，输出高电平。为了保持电路稳定
地输出高电平，必须使UI≤UOFF，即
UI
UCC R1
Ube1 RI
RI
UOFF
故
RI
U CC
UOFF R1 Ube1 UOFF
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若UOFF=0.8V，R1=3kΩ，可求得RI≤0.7kΩ，这个电阻值称为关门电阻ROFF。 可见，要使与非门稳定地工作在截止状态，必须选取RI＜ROFF。
③ 输出级。由V3、V4、V5和R4、R5组成，这种电路形式称推拉式电 路，它不仅输出阻抗低，带负载能力强， 而且可以提高工作速度。
第8页/共83页
1. 输入全部为高电位(3.6 V)
当输入端全部为高电位3.6V时，由于V1
Ub1最多不能超过
2.1V(Ub1=Ubc1+Ube2+Ube5)，所以V1所有的发射结反偏；这时V1的集电结正
2. 输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f(uI)的函数关系。 典型的输入特性如图3-4所示。
图 3-4第T2T1L页与/共非8门3页输入特性
设输入电流II由信号源流入V1发射极时方向为正，反之为负。从图3- 4看 出，当UI＜UT时II为负，即II流入信号源，对信号源形成灌电流负载。当UI＞ UT时II为正，II流入TTL门，对信号源形成拉电流负载。
UNL=UOFF-UIL 若UOFF=0.8V, UIL=0.3V，则UNL=0.5V。 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平 上的最大噪声电压(负向干扰)， 用UNH表示：
U NH U IH UON
若UON=1.8V，UIH=3V，则UNH=1.2V。
第20页/共83页
第19页/共83页
④ 噪声容限UNL、UNH 。 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。 低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平 上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示：
Uc2 Uces2 Ube5 0.3 0.7 1V
这个电压加至V3管基极，可以使V3导通。此时V3射极电位Ue3=Uc2-Ube3≈0.3V， 它不能驱动V4，所以V4截止。V5由V2提供足够的基流，处于饱和状态，因此输 出为低电位：
UO UOL Uces5 0.3V
第10页/共83页
第3页/共83页
目前常用的逻辑门和触发器属于SSI， 常用的译码器、 数据选择器、 加法器、 计数器、 移位寄存器等组件属于MSI。 常见的LSI、 VLSI有只读 存储器、 随机存取存储器、 微处理器、 单片微处理机、 位片式微处理器、 高速乘法累加器、 通用和专用数字信号处理器等。 此外还有专用集成电路 ASIC， 它分标准单元、 门阵列和可编程逻辑器件PLD。 PLD是近十几年 来迅速发展的新型数字器件， 目前应用十分广泛，
第15页/共83页
UO(V) UOH A B 2. 7 C
0. 3 UOL
D
E
UOFFUT UON
图 3-3 TTL与非门的电压传输特性
第16页/共83页
UI(V)
BC段(线性区)：当0.6V≤UI＜1.3V时，0.7V≤Ub2＜1.4V， V2开始导通，V5 尚未导通。此时V2处于放大状态，其集电极电压Uc2随着UI的增加而下降，并通过 V3、V4射极跟随器使输出电压UO也下降 ，下降斜率近似等于-R2/R3。
① 输入短路电流IIS 。 当UI=0时的输入电流称为输入短路电流，典型值约为-1.5mA。
第22页/共83页
② 输入漏电流IIH。 当UI＞UT时的输入电流称为输入漏电流，即V1倒置工作时的反向漏电流， 其电流值很小，约为10 μA。 应注意，当UI＞7V以后V1的ce结将发生击穿，使II猛增。此外当UI≤-1V 时，V1的be结也可能烧毁。这两种情况下都会使与非门损坏，因此在使用时， 尤其是混合使用电源电压不同的集成电路时，应采取相应的措施，使输入电 位钳制在安全工作区内。
2. 输入端至少有一个为低电位(0.3 V) 当输入端至少有一个为低电位(0.3V)时，相应低电位的发射结正偏，V1的 基极电位Ub1被钳在1V，因而使V1其余的发射结反偏截止。此时V1的基极电流 Ib1经过导通的发射结流向低电位输入端，而V2的基极只可能有很小的反向基 极电流进入V1的集电极，所以Ic1≈0，但V1的基流Ib1很大， 因此这时V1处于深 饱和状态：
偏，V1
Ec
Ub1 R1
5 2.1 3
1mA
第9页/共83页
此时的V1是处于倒置(反向)运用状态(把实际的集电极用作发射极，而实际 的发射极用作集电极)，其电流放大系数β反很小(β反＜0.05)，因此Ib2=Ic1=(1+β 反)Ib1≈Ib1，由于Ib1较大足以使V2管饱和，且V2管发射极向V5管提供基流， 使V5 也饱和，这时V2的集电极压降为
小 规 模 集 成 电 路 (SSI-Small Scale Integration) ， 每 片 组 件 内 包 含 10~100个元件(或10~20个等效门)。
中 规 模 集 成 电 路 (MSI-Medium Scale Integration) ， 每 片 组 件 内 含 100~1000个元件(或20~100个等效门)。
目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集成电路。 TTL集成电路工作速 度高、 驱动能力强，但功耗大、集成度低； MOS集成电路集成度高、功耗 低。超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路，其缺点是工作速度略低。 目前已生产了BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构 成，能够充分发挥两种电路的优势， 缺点是制造工艺复杂。
第17页/共83页
从电压传输特性可以得出以下几个重要参数： ① 输出高电平UOH和输出低电平UOL 。 电压传输特性的截止区的输出电压UOH=3.6V，饱和区的输出电压UOL=0.3V。 一般产品规定UOH≥2.4V、UOL＜0.4V时即为合格。 ② 阈值电压UT。 阈值电压也称门槛电压。电压传输特性上转折区中点所对应的输入电压 UT≈1.3V，可以将UT看成与非门导通(输出低电平)和截止(输出高电平)的分界线。
第18页/共83页
③ 开门电平UON和关门电平UOFF。 开门电平UON是保证输出电平达到额定低电平(0.3V )时，所允许输入高 电平的最低值，即只有当UI＞UON时，输出才为低电平。通常UON=1.4V，一 般产品规定UON≤1.8V。 关门电平UOFF是保证输出电平为额定高电平(2.7V左右)时，允许输入低电 平的最大值，即只有当UI≤UOFF时， 输出才是高电平。通常UOFF≈1V，一般产 品要求UOFF≥0.8V。
大 规 模 集 成 电 路 (LSI-Large Scale Integration) ， 每 片 组 件 内 含 1000~100 000个元件(或100~1000个等效门)。
超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale Integration)， 每片组件内 含100 000个元件(或1000个以上等效门)。
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与非门的特性与参数
1. 电压传输特性 电压传输特性是指输出电压跟随输入电压变化的关系曲线，即UO=f(uI)函 数关系，它可以用图3-3所示的曲线表示。由图可见， AB段(截止区)：当UI≤0.6V时，V1工作在深饱和状态，Uces1＜0.1V，Ube2 ＜0.7V，故V2、 V5截止，V3、V4均导通， 输出高电平UOH=3.6V 。
F ABC
表 3-1 TTL与非门各级工作状态
输入
V1
全部为高电位 倒置工作 至少有一个为低电位 深饱和
V2 饱和 截止
V3 导通 微饱和
V4 截止 导通
V5 饱和 截止
输出
低电位UOL 高电位UOH
与非门 状态
开门
关门
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TTL与非门具有较高的开关速度，主要原因有两点： 一是由于采用了 多射极管V1,它缩短了V2和V5的开关时间。当输入端全部为高电位时，V1处于 倒置工作状态。此时V1向V2提供了较大的基极电流，使V2、V5迅速导通饱和； 当某一输入端突然从高电位变到低电位时，Ib1转而流向V1低电位输入端，即为 V1正向工作的基流，该瞬间将产生一股很大的集电极电流Ic1，正好为V2和V5提 供了很大的反向基极电流，使V2和V5基区的存储电荷迅速消散，因而加快了V2 和V5的截止过程，提高了开关速度。
第23页/共83页
3. 输入负载特性
＋UCC
R1
Ib1
UB1
＋
I1
－UI
RI
V2
V5
R3
图 3-5 TTL与非门输入负载
第24页/共83页
UI(V) 1. 4 UOFF
0 ROFF RON
图 3-6 TTL与非门输
第25页/共83页
RI(kΩ)
由图可见，当RI较小时，UI随RI增加而升高，此时V5截止， 忽略V2基极 电流的影响，可近似认为
第6页/共83页
e1
e2
e3
b
c
NNN
P N P型 衬底
(a)
UCC
UCC
R1
b
A e1 V1
e1 e2 e3 A BC
c
B e2 C e3
V2 V3
R1 b V4 c
P1
(b)
图 3-2 多射极晶体管第的7页结/共构8及3页其等效电路
② 中间级。由V2、R2、R3组成，在V2的集电极与发射极分别可以得 到两个相位相反的电压，以满足输出级的需要。
当 RI 较 大时 ， UI 进 一 步增 加 ， 但 它不能 一 直 随 RI 增加 而 升 高 。因为 当 UI=1.4 V时，Ub1=2.1V，此时V5已经导通，由于受V1集电结和V2、V5发射结的 钳位作用，Ub1将保持在2.1V，致使UI也不能超过1.4V，见图3-6。
第13页/共83页
二是由于采用了推拉式输出电路，加速了V5管存储电荷的消散过程。当V2 由饱和转为截止时，V3和V4导通。由于V3、 V4是复合射随，相当于V5集电极只 有很小电阻，此时瞬间电流很大，从而加速了V5管脱离饱和的速度，使V5迅速 截止。
此外，由于采用推拉式输出级，与非门输出低电平时V5处于深饱和状态， 输出电阻很低；而输出高电平时V3、V4导通，组成射极跟随器，其输出电阻也 很低，因此无论哪种状态输出电阻都很低，都有很强的带负载能力。
Uces1 0,Uc1 0.3V
因而V2、V5均截止。此时V2的集电极电位Uc2≈UCC=5V， 足以使V3、V4导通， 因此输出为高电位：
UO UOH Uc2 Ube3 Ube4 5 0.7 0.7 3.6V
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综上所述，当输入端全部为高电位(3.6V)时，输出为低电位(0.3V)，这时V5 饱和，电路处于开门状态；当输入端至少有一个为低电位(0.3 V)时，输出为高 电位(3.6 V)，这时V5截止，电路处于关门状态。 由此可见，电路的输出和输入 之间满足与非逻辑关系：
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3.2 TTL集成逻辑门
与非门的工作原理
图 3-1 典第型5页T/T共L8与3页非门电路
① 输入级。由多发射极管V1和电阻R1组成，其作用是对输入变量A、B、 C实现逻辑与，所以它相当一个与门。
多射极管V1的结构如图3-2(a)所示，其等效电路如图3-2(b)所示。设二极 管V1~V4 的正向管压降为0.7 V，当输入信号A、B、C中有一个或一个以上为 低电平(0.3V)时， UP1=1V，Uc=0.3V； 当A、B、C全部为高电平(3.6V)时， UP1=4.3V，Uc=3.6V。可见，仅当所有输入都为高时，输出才为高，只要有 一个输入为低，输出便是低，所以起到了与门的作用。
CD段(转折区)：1.3V≤UI＜1.4V，当UI略大于1.3V时，V5开始导通，此时V2
发射极到地的等效电阻为R3∥Rbe5，比V5截止时的R3小得多，因而V2放大倍数增
加，近似为-R2/(R3∥Rbe5)， 因此Uc2迅速下降，输出电压UO也迅速下降，最后V3、
V4截止， V5
。
DE段(饱和区)：当UI≥1.4V时，随着UI增加V1进入倒置工作状态，V3导通， V4截止，V2、V5饱和，因而输出低电平UOL=0.3V。
UI
UCC Ube1 R1 RI
RI
当RI很小时UI很小，相当于输入低电平，输出高电平。为了保持电路稳定
地输出高电平，必须使UI≤UOFF，即
UI
UCC R1
Ube1 RI
RI
UOFF
故
RI
U CC
UOFF R1 Ube1 UOFF
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若UOFF=0.8V，R1=3kΩ，可求得RI≤0.7kΩ，这个电阻值称为关门电阻ROFF。 可见，要使与非门稳定地工作在截止状态，必须选取RI＜ROFF。
③ 输出级。由V3、V4、V5和R4、R5组成，这种电路形式称推拉式电 路，它不仅输出阻抗低，带负载能力强， 而且可以提高工作速度。
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1. 输入全部为高电位(3.6 V)
当输入端全部为高电位3.6V时，由于V1
Ub1最多不能超过
2.1V(Ub1=Ubc1+Ube2+Ube5)，所以V1所有的发射结反偏；这时V1的集电结正
2. 输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f(uI)的函数关系。 典型的输入特性如图3-4所示。
图 3-4第T2T1L页与/共非8门3页输入特性
设输入电流II由信号源流入V1发射极时方向为正，反之为负。从图3- 4看 出，当UI＜UT时II为负，即II流入信号源，对信号源形成灌电流负载。当UI＞ UT时II为正，II流入TTL门，对信号源形成拉电流负载。
UNL=UOFF-UIL 若UOFF=0.8V, UIL=0.3V，则UNL=0.5V。 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平 上的最大噪声电压(负向干扰)， 用UNH表示：
U NH U IH UON
若UON=1.8V，UIH=3V，则UNH=1.2V。
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④ 噪声容限UNL、UNH 。 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。 低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平 上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示：
Uc2 Uces2 Ube5 0.3 0.7 1V
这个电压加至V3管基极，可以使V3导通。此时V3射极电位Ue3=Uc2-Ube3≈0.3V， 它不能驱动V4，所以V4截止。V5由V2提供足够的基流，处于饱和状态，因此输 出为低电位：
UO UOL Uces5 0.3V
第10页/共83页
第3页/共83页
目前常用的逻辑门和触发器属于SSI， 常用的译码器、 数据选择器、 加法器、 计数器、 移位寄存器等组件属于MSI。 常见的LSI、 VLSI有只读 存储器、 随机存取存储器、 微处理器、 单片微处理机、 位片式微处理器、 高速乘法累加器、 通用和专用数字信号处理器等。 此外还有专用集成电路 ASIC， 它分标准单元、 门阵列和可编程逻辑器件PLD。 PLD是近十几年 来迅速发展的新型数字器件， 目前应用十分广泛，
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UO(V) UOH A B 2. 7 C
0. 3 UOL
D
E
UOFFUT UON
图 3-3 TTL与非门的电压传输特性
第16页/共83页
UI(V)
BC段(线性区)：当0.6V≤UI＜1.3V时，0.7V≤Ub2＜1.4V， V2开始导通，V5 尚未导通。此时V2处于放大状态，其集电极电压Uc2随着UI的增加而下降，并通过 V3、V4射极跟随器使输出电压UO也下降 ，下降斜率近似等于-R2/R3。
① 输入短路电流IIS 。 当UI=0时的输入电流称为输入短路电流，典型值约为-1.5mA。
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② 输入漏电流IIH。 当UI＞UT时的输入电流称为输入漏电流，即V1倒置工作时的反向漏电流， 其电流值很小，约为10 μA。 应注意，当UI＞7V以后V1的ce结将发生击穿，使II猛增。此外当UI≤-1V 时，V1的be结也可能烧毁。这两种情况下都会使与非门损坏，因此在使用时， 尤其是混合使用电源电压不同的集成电路时，应采取相应的措施，使输入电 位钳制在安全工作区内。
2. 输入端至少有一个为低电位(0.3 V) 当输入端至少有一个为低电位(0.3V)时，相应低电位的发射结正偏，V1的 基极电位Ub1被钳在1V，因而使V1其余的发射结反偏截止。此时V1的基极电流 Ib1经过导通的发射结流向低电位输入端，而V2的基极只可能有很小的反向基 极电流进入V1的集电极，所以Ic1≈0，但V1的基流Ib1很大， 因此这时V1处于深 饱和状态：
偏，V1
Ec
Ub1 R1
5 2.1 3
1mA
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此时的V1是处于倒置(反向)运用状态(把实际的集电极用作发射极，而实际 的发射极用作集电极)，其电流放大系数β反很小(β反＜0.05)，因此Ib2=Ic1=(1+β 反)Ib1≈Ib1，由于Ib1较大足以使V2管饱和，且V2管发射极向V5管提供基流， 使V5 也饱和，这时V2的集电极压降为