第三章 双极型逻辑集成电路

集成电路设计原理
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第三章 双极型逻辑集成电路
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§3-1 TTL与非门电路
TTL（Transistor Transistor
Logic）——晶体管晶体管逻辑集成电
路是双极型集成电路的基础，是集成
电路产生最早的产品。
(P67~78)
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SN54S/74S系列
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3.1.7 LSTTL与非门 SN54LS/74S系列 1.基本结构 在STTL单元基础上改进：
1.将多射极晶体管改为肖特 基二极管(响应快)，提高速 R5 R1 R2 度，减小IIH。但是抗干扰能 T3 力下降。 T4 2.将电阻R4由接地改为接输 R4 F 出，降低功耗。 3.将所有电阻阻值加大，降 T2 T5 低功耗。牺牲一定速度。 Rb Rc 4.增加两个反馈二极管，加 T6 快负载电容放电，并加快T5 管导通，提高速度。
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3.2.2 TTL与门/缓冲器
VCC
R1 A B T2 R
4
and /buffer
VCC
R2
R
5
T3
R4 T4 F A T
5
R6 T5 T4 D F
R1
R2
D
C
T1
T2
T2
T1 R3 T3 T6 R5
Rb
6
Rc T
22
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3.2.3 TTL与或非门/或非门
VCC R11 A1 B1 C1 A2 B2 R2 R5 T3 R4 T4 F A1 T5 Rb Rc T6 A2 R11
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3.1.5 六管单元TTL与非门
VCC R1 R2 R5 T3 A B C T1 Rb T2 R4 T5 Rc T4
T6 网络(T6 Rb Rc)
1.缩短导通时间和截止时间， 提高了速度。 2.同时使电压传输特性曲线 矩形化，增强抗干扰能力。
Vo
三、四、五管单元 R2 斜率=
（b）
（c）
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3.1.3 四管单元TTL与非门
VCC R1 R2 R4
T3 A B
C T1 T2 D F T4
R3
开态：输入全为高电 T3 、T4： 平或浮空 构成推挽输出，负载 T1 反向有源 能力加强 T 、 T4饱和 2： 二极管 D T3截止 防止T3 、T4同时导通 输出低电平 电阻R4： 关态：输入有低电平 起限流作用 T1 深饱和 SN54/74和 SN54L/74L 系列 T 2 、 T4截止 T3正向导通 内部驱动门时，可以取 输出高电平 R4=0, 以便加快速度
3.2.6 TTL OC门（Open Collector） 1.基本结构
VCC R1 R2 VCC R1 F A B T2 T5 Rb Rc T6
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VCC R2
R1
F A B C
F
A B C
T1
T2
T1
T2 R3
T1
T3
C
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3.2.6 TTL OC门（Open Collector） 2.基本应用 V
VCC
VCC
VCC
（ a）
（b）
（c）
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A B C
3.1.2 三管单元TTL与非门 1. 结构、工作原理及特性 T2的作用： 开态：输入全为高电 提高抗干扰能力； VCC 平或浮空 加快导通速度。 T1 反向有源 D 的作用： R 2 R1 D F T 2 、 T3饱和 加快T3退饱和； 输出低电平 控制T3饱和度。 T2 关态：输入有低电平 R 3 的作用： T 3 T1 T1 深饱和 为T3提供泄放通路 R3 T2 、 T3截止 负载能力仍差（尤 输出高电平 其容性负载）
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3.3.3 单管逻辑门的逻辑扩展 2. C1-C2 ―线与”
VCC RL F
F = A1 · B1 · C1 + A2 · B2 · C2
C1 B1 A1
A2 B2 C2
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A1 B1 C1 C2 B2
A2
F
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3.3.3 单管逻辑门的逻辑扩展
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3.1.4 五管单元TTL与非门
VCC R1 A B C R2 T3 T1 T2 R4 R5 T4 F T5
R3
开态：输入全为高电 T 3 、T4：达林顿结构， 平或浮空 与T5构成推挽输出，进 T1 反向有源，T2 、 一步加强驱动能力； T5饱和，T3正向导 电阻 R4T ：为 T 提供泄放 通， 4截止4 电荷通路； 输出低电平 关态：输入有低电平 电阻 R5：起限流作用。 T1 深饱和，T2 、 T5 SN54H/74H 系列 截止， T3 、 T4正向 做内部驱动门时，可以 导通 取R5=0,输出高电平 以便加快速度
VCC RL A T F
A为0时，禁止B信号 B为1时，禁止A信号 A B A B
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F
F = A· B
B
F
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3.3.2 单管串级与非门
VCC RL A F
与单管禁止门相比较：由 单发射极改为多发射极，多发 射级的输入信号之间是“与” 的关系。
T
A B C
F = A· B· C
思考题
1.各种结构的TTL与非门单元电路各自的 特点是什么？ 2.各种结构的TTL与非门单元电路中各个
元器件的作用是什么？
3
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3.1.1 两管单元TTL与非门 1. 结构和工作原理 开态：输入全为高电 VCC 平或浮空 T1 反向有源 R2 F R1 T2 饱和 输出低电平 A T2 关态：输入有低电平 B T1 T1 深饱和 C T2 截止 F=A.B .C 输出高电平
3.1.8 习题
P83: 4.2 四管单元TTL影响速度、功耗、高 电平、低电平的因素 4.3 两管单元TTL的电源电流
4.7 LSTTL驱动同类负载问题
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§3-2 TTL与非门的 逻辑扩展
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思考题
1. 各种TTL基本门的功能是如何实现的？ 2. 什么是OC门？它解决了什么问题？应用 时应注意什么？
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§3-3 单管逻辑门电路
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思考题
1. 单管逻辑门的工作原理是什么？
2.单管逻辑门运用特点是什么？级连时
应注意什么？
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3.3.1 单管禁止门
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 1 1 0 1
A B C
VCC R1 R2 F
T1
T2
Vo
VOH
4
3
VW
单位:V
VIH=Vbe2+Vbc1–Vbe1 0.7V 2 VOHmin VW = VIHV - NMHmax VIL 0.15V V 1 IHmin V ILmax VOL V 0.25V NML = VIL - VOL 0 VOLmax VNMLmax
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VCC
A
B C
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3.1.7 LSTTL与非门 2. 输入端改进
VCC R1 A 提高抗干 扰能力 T2
SN54ALS/74ALS系列 极大地减小 了输入端路 R1 电流IIL A B C VCC T2
B C
提高泄 放速度
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aoxxx /or
VCCwenku.baidu.comR2’ R2 R
5
T3
T11
R12
T2 T22
R4
T11 A1
R12
T21
R
T2
4
T4 F
T12
T12
D
T22 Rb Rc
T5
T6
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3.2.5 TTL异或门/异或非门
VCC
xor /nxor
VCC
A B
F
A B
F
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VNMH = VOH - VIH
VL
Vi
0.4 0.8
VSS
2.9V
VOLVILVIH VOH VNML VNMH
6
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3.1.1 两管单元TTL与非门 4. 负载能力 NO≈3 输出低电平时： βIR1=S(IR2+ NOL.IIL ) 输出高电平时： V = V OH CC . . N I R
aoixxx /nor
VCC
R2 R5 T3
T11
R12
T21
T11
R12
T21
R4
T4
F
T12
T22
T12
T22 Rb Rc T6
T5
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3.2.4 TTL与或门/或门
VCC R11 A1 B1 C1 A2 B2 R2’ T21 R2 R5 T3 T4 F T5 Rb D Rc T6 A2 R11
OH IH 2
VCC
R1 R2
A B C T1
F
T2
VCC R1 R2 F T2
VCC
VCC – Vbes1 IIL = R1 IIH 值较小 (μA) 影响因素多
A B C
R1 R2 A B C
T1
F T2
T1
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3.1.1 两管单元TTL与非门 5. 瞬态特性 截止过程： 由于多射极晶体管T1的反抽作 用，T2迅速截止，输出电平上 升速度主要取决于IR2和负载电 容的大小。容性负载能力差。 A 导通过程: B 导通速度取决于输出晶体管 C T2基极驱动电流和负载电容 大小。前者一般较小，导通 速度慢。
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3.1.2 三管单元TTL与非门 2. 常用单元电路形式
用到市场，而是常以单元电路形式被应用在中大 R=0时, T3不饱和，速度快，但低电平驱动差。 规模集成电路中。 R=∞时，属于OC门，速度慢，低电平驱动强。 一般可取R=100（抗饱和与非门）
VCC F VCC F T1 （ a） VCC F T3 R 图(b) 输出高电平被箝位 降低输出的逻辑摆幅 三管单元仍没能被以单块集成电路形式应 图(c)将二极管D改为电阻R。
VCC
CC
VCC
RL
VCC
VCC
Y
VCC
Y
VCC
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3.2.7 TTL 三态门 输出有三种状态：0, 1, Z
VCC
BUS VCC A B G1 G M F A B C
D G2 E
F G3
控制门
基本门
应用示例
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3.2.8 习题
P84~88: 4.9 、 4.10 、 4.11 、 4.12 、 4.13(b) 、 4.15 、 4.16 逻辑扩展 4.14 应用问题
3. E1-E2连结
VCC
F’ A’
F = A· OP
F
B
C
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3.3.3 单管逻辑门的逻辑扩展 1. C1-E2 连接
VCC RL
A2 B2 A1
F1 = A1 · B1 · C1
F2 F1
F2 = A2 · B2 · F1 = A 2 A1 · B1 · C1 + A2 · B2
B2 A2 A1 B1 C1 F2
B1 C1
3.什么是三态门？它解决了什么问题？与
OC门有何不同？
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3.2.1 TTL与非门/非门（倒向器） nand/inv
VCC VCC
R1
R2
R5 T3
R1 T4
T5 F A
R2
R5 T3
A B C
T4
T5
T1
Rb
T2 R4
T1
Rb
T2 R4
F
Rc T6
Rc T6
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VCC R1 R2 F T2 T1
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3.1.1 两管单元TTL与非门 6. 常用单元电路形式
图(b) 由于上述缺点，该两管单元没能被以单块 提高了本级门低电平抗干扰能力，同时也 集成电路形式应用到市场。 使输出低电平抬高。因此对后级门有一定要求。 图(c)但是，由于此单元简单的特点，常以单元 输出高电平被箝位，使输出逻辑摆幅变低， 电路形式被应用在中大规模集成电路中。 提高电平转换速度。静态功耗将增大。
F
R3
T6
0 0.6v 1.3v Vi
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3.1.6 STTL与非门
R1
R2
VCC
R5
T3 T4 T5
A B C
T1 Rb
T2 R4
F
Rc T6
在六管单元基础 上，将进入饱和区工 作的晶体管都加上肖 特基二极管箝位（采 用抗饱和晶体管）， 减少存储电荷，提高 速度。但VOL略有上升。
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3.1.1 两管单元TTL与非门 2. 电压传输特性
VCC R1 A B C R2 Vo
4
单位:V
F
T2
3 2
T1
1
Vi
0 0.4
0.8
5
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3.1.1 两管单元TTL与非门 3. 抗干扰能力
VOH=VCC-IOH.R2 VOL= VCES2 VL= VOH – VOL VIL=Vbe2 –V V ces1 DD 3.6V 0.3V 3.3V 0.55V