3第三章 集成门电路

1. 体积大、工作不可靠。 2. 需要不同电源。 3. 各种门的输入、输出电平不匹配。
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集成逻辑门电路
与分立元件电路相比，集成电路具 有体积小、可靠性高、速度快的特点， 而且输入、输出电平匹配，所以早已广 泛采用。根据电路内部的结构，可分为 TTL、MOS管集成门电路等。
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数字集成电路：
在一块半导体基片上制作出一个完整 的逻辑电路所需要的全部元件和连线。 使用时接：电源、输入和输出。数字集 成电路具有体积小、可靠性高、速度快、 而且价格便宜的特点。
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OC门可以实现“线与”功能。
UCC
& RL F
UCC
RL
F1 &
F2 & F3
输出级
T5 T5 T5
分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。 F1、F2、F3全截止，则F=1 。
F=F1F2F3
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三态门的符号及功能表
符号 使能端 低电平 起作用 功能表
A B
&
F
E0
F AB
E 1 输出高阻
Y
电路图
逻辑符号
25
uA 3V 0V
uF 0.3 3.3
A 0 1
F 1 0
逻辑式： F A 逻辑符号： A
1 F
26
与非门逻辑符号
A ＆ B F
0 0 1 1
与非门真值表
A B 0 1 0 1 F 1 1 1 0
27
28
或非门逻辑符号
A F
或非门真值表
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 1 0 0 0
uA uB
0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V
UF
0.3V 0.3V 0.3V 3V
D1 D2 导通 导通 导通 截止 截止 导通 截止 截止
逻辑函数
( uD=0.3V )
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uA 0V 0V 3V 3V
uB 0V 3V 0V 3V
uF 0.3V 0.3V 0.3V 3V
A 0
B 0
F 0
逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算 的电子电路。简称门电路。
基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、 与非门、或非门、与或非门和异或门等。
逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。
获得高、低电平的基本方法：利用半导体开 关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。
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二极管与门
+3V 逻辑变量 A B D1 D2 F
集成门电路
MOS型
IIL电路
CMOS电路 NMOS电路
PMOS电路
★ Bi-CMOS型
TTL — 晶体管-晶体管逻辑集成电路 (Transistor-Transistor Logic Integrated Circuit , TTL) MOS — 金属氧化物半导体场效应管集成电路 （Metal-Oxide-Semiconductor, MOS） ECL — 射极耦合集成电路 (Emitter Coupled Logic)
*
MOS集成门
MOS逻辑电路是以金属一氧化物一半导体场效应管为 基础的集成电路。因管内有一种载流子运动，因而它属于 单极型数字集成电路。目前广泛应用的是CMOS电路，它 有以下特点： 1.CMOS电路由NMOS和PMOS组成，由于MOS管导通 内阻比半导体导通内阻大，所以CMOS门比TTL门工作 速度低一些。 2.由于CMOS电路的互补特性，其高低电平输出阻抗都很 低（同NMOS和PMOS比）。 CMOS电路的输入阻抗只取 决于输入端保护二极管的 漏电流，其输入阻抗极高，可 达10 W以上。在频率不太高的情况下， CMOS电路的扇 出能力几乎不受限制。当频率升高时，扇出系数有所降低。
E
符号 使能端 高电平 起作用
功能表 F
A B
&
E
E 1
F AB
输出高阻
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E0
三态门的用途
三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。
０
E1
公 用 总 线
工作时，E1、E2、E3 分时接入高电平。
１
E2
０
E3
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TTL数字集成电路型号的命名法
第 1 部分 型号前缀 符号 意义 第 2 部分 工作温度范围 符号 意义 符号 第 3 部分 器件系列 意义 标准 CT 中国制造的 TTL 类 54 -55℃ ℃ H S LS SN 美国 TEXAS 公司 74 0℃ ℃ AS 高速 肖特基 低功耗肖特基 先进肖特基 阿 拉 伯 数 字 第 4 部分 器件品种 符号 意义 符号 W B 器 件 功 能 F D P J 第 5 部分 封装形式 意义 陶瓷扁平 塑封扁平 全密封扁平 陶瓷双列直插 塑料双列直插 黑陶瓷双列直插
Vcc R
Vi
Vi
K
Vo
Vi 为高电平时，Vo为高电平
Vi 为低电平时，Vo为低电平
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K合---Vo=0, 输出低电平
二、晶体三极管的开关特性
1、静态特性：截止、饱和、放大三种工作状态
2、动态开关特性： 开通时间： 关闭时间;
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半导体三极管器件的开关特性 Vc
c
+Vcc
R
Vi K
Vo
R1 VA
3. 1 (t t ) pd pd 1 pd 2 2 ui 典型值：3 10 ns 50% 0 uo
t
50%
0
t
输出下降延迟时间tpd1 输出上升延迟时间tpd2
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如：TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00 )
电源VCC（+5V）
3.CMOS电路主要有两个产品系列---CC4000和 C000 （与国外CD和MC系列相当）。它们的电源电压允许 范围大，CC4000系列为3~18V；C000系列为5~15V。 8 因此它们输出高低电平摆幅大，抗干扰能力强，其噪 声容限可达30%VDD，而TTL门的噪声容限只有0.4V。
4.CMOS门工作时总是一管导通另一管截止，因而几 乎不由电源吸取电流，其功耗极小。当VDD=5V时， CMOS电路的静态功耗分别是：门电路类为2.5~5uW； 缓冲器和触发器类为5~20uW；中规模集成电路类为 25~100uW。
3
双极型数字集成门
* TTL门电路 TTL门电路工作速度高，驱动能力强，是目前应用最 广泛的集成门电路。它的主要缺点是功耗大，集成度低。 * 射极耦合逻辑ECL电路 发射极耦合逻辑电路，也称电流开关型逻辑电路。它 是利用运放原理通过晶体管射极耦合实现的门电路。工作 速度最高，其平均延迟时间tpd可小至1ns。 这种门电路输出阻抗低，负载能力强，能实现或非及或 两种逻辑功能。它的主要缺点是抗干扰能力差，电路功耗 大。
TTL型电路： 输入和输出端结构都采用了半导体晶 体管，称之为:Transistor-Transistor Logic。
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3.3.2 TTL集成逻辑门电路
R1 3k b1 A B C
+5V
R2 750 T2
R4 100 T4
c1
T3
3k R5
T1
R3
F
T5
360
F A B C
36
≥1 B
29
30
异或门逻辑符号
0 0 1 1
异或门真值表
A B 0 1 0 1 F 0 1 1 0
A ＝1 B
F
真值表特点: 相同则0, 不同则1
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同或门逻辑符号
A ＝ B
真值表特点: 相同则1, 不同则0
同或门真值表
A B 0 1 0 1 F 1 0 0 1
F
0 0 1 1
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分立元件门电路的缺点
7.由于CMOS电路输入阻抗高，容易受静电感应发生 击穿，除其电路内部设置保护电路外，在使用和存放 时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好。 CMOS门多余不用输出端不能悬空，应根据需要接电 源或接地。
二.按集成度（单个芯片所含门的个数）区分：
1.小规模集成电路
（Small Scale Integration，SSI，100门以下/片） 2.中规模集成电路 （Medium Scale Integration，MSI，1000门以下/片） 3.大规模集成电路
（Large Scale Integration，LSI，10000门以下/片）
4.超大规模集成电路 （Very Large Scale Integration :VLSI,100000门以上/片)
三. 根据设计方法和功能定义分类 非用户定制 (Non-custom Design IC) 全用户定制 (Full-custom Design IC) 半用户定制 (Semi-custom Design IC)
14 13 12 11 10
外形
9
& & 管脚 8
& &
1
2
3
4
5
6
7
地GND
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3.3.4 其它类型的TTL门电路
集电极开路的与非门（OC门）
R1 3k b1
+5V
R2
UCC RL
& F 符号
A B C
c1
T1
T2
T5
F = ABC
R3
集电极悬空
应用时输出端要接一上拉负载电阻 RL 。 特点：RL 和UCC 可以外接。
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开关接通
正向导通：
二极管 反向截止： 开关 作用 三极管 （C,E) 饱和区： B
E C 开关接通 C 开关断开
截止区： 开关断开 B
E
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三极管的开关特性：