6逻辑门电路Word格式文档下载.docx
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第1-2节
授课对象
30队
教学地点
第24教室
教学目的
了解TTL门电路的组成和工作原理
教学内容要求
TTL门电路的组成
TTL门电路工作原理
教学重点难点
重点:
TTL门电路工作原理
教学器材设备
计算机、投影仪
课前检查
顺序
题目
学员姓名
成绩
1
晶体管和MOS管的开关特性
邵展
5
审批人（签字）:
年月日
教学进程安排
引言
同学们，大家好，上节课，我们学习了MOS集成逻辑门电路，电路结构及工作原理知道了逻辑电路是怎么样具体实现的。
今天，我们学习另外一种电路，TTL集成逻辑门。
一.TTL与非门的工作原理
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0.7V，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。
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。
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。
多射极晶体管的结构及其等效电路
二．TTL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，曲线大致分为四段：
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。
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。
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进入饱和状态。
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。
2.输入特性
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。
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。
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。
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10μA。
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。
3.输出特性
①与非门处于开态时，输出低电平，此时V5饱和，输出电流IL从负载流进V5，形成灌电流；
当灌电流增加时，V5饱和程度减轻，因而UOL随IL增加略有增加。
V5输出电阻约10~20Ω。
若灌电流很大，使V5脱离饱和进入放大状态，UOL将很快增加，这是不允许的。
通常为了保证UOL≤0.35V，应使IL≤25mA。
②与非门处于关态时，输出高电平。
此时V5截止，V3微饱和，V4导通，负载电流为拉电流，如图3-8（a）、（b）。
从特性曲线可见，当拉电流IL＜5mA时，V3、V4处于射随器状态，因而输出高电平UOH变化不大。
当IL＞5mA时，V3进入深饱和，由于IR5≈IL，UOH=UCC-Uces3-Ube4-ILR5，故UOH将随着IL的增加而降低。
因此，为了保证稳定地输出高电平，要求负载电流IL≤14mA，允许的最小负载电阻RL约为170Ω。
4.扇入系数和扇出系数
扇入系数是指门的输入端数。
扇出系数NO是指一个门能驱动同类型门的个数。
当TTL门的某个输入端为低电平时，其输入电流约等于IIS（输入短路电流）；
当输入端为高电平时，输入电流为IIH（输入漏电流）。
而IIS比IIH大得多，因此按最坏的情况考虑，当测出输出端为低电平时允许灌入的最大负载电流ILmax后，则可求出驱动门的扇出系数NO：
三．TTL门电路的改进
1.74S系列
74S系列又称肖特基系列。
①采用了肖特基抗饱和三极管。
肖特基抗饱和三极管由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管SBD（SchottkyBarrierDiode）组合而成，如图所示。
图（a）中SBD的正向压降约为0.3V，而且开关速度比一般PN结二极管高许多。
在晶体管的bc结上并联一个SBD便构成抗饱和晶体管，或称肖特基晶体管，符号如图（b）所示。
由于SBD的引入，晶体管不会进入深饱和，其Ube限制在0.3V左右，从而缩短存储时间，提高了开关速度。
图3-10电路中除V4管以外，所有晶体管都采用了肖特基晶体管。
②增加了有源泄放网络。
该网络的主要作用有两个：
第一，改善电压传输特性，即克服图中倾斜段BC，使整个传输特性转换段（B、C、D）的斜率均匀一致，从而接近理想开关，低电平噪声容限也得到提高；
第二，加速V5的转换过程并且减轻V5的饱和深度，从而提高了整个电路的开关速度。
2.74LS系列
性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。
因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积（简称功耗—延迟积或pd积）来评价门电路性能的优劣。
功耗—延迟积越小，门电路的综合性能就越好。
74LS系列又称低功耗肖特基系列。
为了降低功耗，它主要是大幅度提高了电路的各个电阻的阻值。
为了缩短延迟时间，提高开关速度，它延用了74S系列的两个方法——使用抗饱和三极管和引入有源泄放电路，同时还采用了将输入端的多发射极三极管也用SBD代替等措施。
因此，74LS系列成为功耗延迟积较小的系列（一般tpd＜5ns，功耗仅有2mW）并得到广泛应用。
3.74AS、74ALS系列
74AS系列和74ALS系列均是目前性能较好的TTL门电路。
74AS系列是为了进一步缩短延迟时间而设计的改进系列，其电路结构与74LS系列相似，但电路中采用了很低的电阻值，从而提高了工作速度，其缺点是功耗较大。
74ALS系列是为了获得更小的延迟—功耗积而设计的改进系列。
为了降低功耗，电路中采用了较高的电阻值。
更主要的是在生产工艺上进行了改进，同时在电路结构上也进行了局部改进，因而使器件达到高性能，它的功耗—延迟积是TTL电路所有系列中最小的一种。
此外，还有各种54系列的TTL门电路。
其电路结构和电气性能参数与74系列相同，主要区别在于54系列比74系列的工作温度范围更宽（74系列为0~70℃，54系列为-55~+125℃），电源允许的工作范围也更大（74系列为5V（1±
5%），54系列为5V（1±
10%））。
板书预案
3.2TTL集成逻辑门
一.TTL与非门的工作原理
1.电压传输特性
2.输入特性
2.74LS系列
3.74AS、74ALS系列
课堂教学过程设计方案
知识点
教学内容
教学方法
媒体
媒体在教学中描述内容
学员活动
时间安排
TTL与非门的工作原理
讲授+演示
图片
幻灯演示电路结构
听讲
25分
TTL与非门的特性与参数
讲授+演示
幻灯播放TTL与非门的特性
教员讲解后，做练习
35分
3
TTL门电路的改进
讲授+板书
教员讲解后，参与分析，做练习
20分
4
小结
讲授
教员讲解后参与分析
10分
课堂教学总结
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