数字电路基础D0202 TTL逻辑门电路.docx
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数字电路基础D0202TTL逻辑门电路
2.2TTL逻辑门电路
集成电路（ntegratedCircuit，IC）；由于集成电路体积小、重量轻、可靠性好，因而在大多数领域里迅速取代了分立元件电路。
随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将数以千万计的半导体三极管集成在一片面积只有几十平方毫米的硅片上。
根据制造工艺的不同，集成电路又分双极型（三极管）和单极型（MOS）两大类。
TTL电路是目前双极型中小规模数字集成电路中用得最多的一种，国际上目前主要有五种TTL系列，参考表2-2-1可以比较它们的特性。
74系列属民用产品。
此外，还有54系列，它是军用产品。
两者参数基本相同、只是在电源电压范围和工作环境范围上有所不同，后者比前者范围大些。
2.2.1TTL反相器的电路结构和工作原理
TTL这种类型的集成电路的输入端和输出端均为三极管结构，所以称为三极管一三极管逻辑电路（Transistor—TransistorLogic），简称为TTL电路。
1．电路结构
反相器是TTL门电路中电路结构最简单的一种，电路结构如图2-2-l所示。
由图中可以看出，其电路由三部分组成（由虚线隔开），VTl、Rl和VDl组成输入级，VT2、R2和R3组成倒相级，VT4、VT5、VD和R4组成输出级。
其中二极管VDA、VDB、VDC为输入端的钳位二极管，它既可以抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，又可以防止输入电压为负时VTl的发射极电流过大，以保护VTl管，这个二极管允许通过的最大电流约为20mA。
设电源电压+Ucc＝5V，输入信号的高、低电平分别为UiH＝3.4V，UiL＝0.3V。
分析电路可知，当输入电压为低电平Ui＝UiL时，VTl的发射结必然导通，并将VTl的基极电位钳位在Ubl＝0.3V十0.7V＝1.0V，这个值不足以使VT2的发射结导通。
图2—2—1为TTL反相器的典型电路结构.
由于VTl的集电极回路电阻是R2和VT2的b—c结反向电阻之和，阻值非常大，因而VTl工作在深度饱和状态，且集电极电流很小，在定量计算时可忽略不计，VT1管饱和压降UCES=0—0．3V。
VT2截止后Uc2为高电平，而Ue2为低电平，从而使VT4导通、VT5截止，输出变为高电平UoH。
即输入端为低电平时，反相器处于截止状态。
当Ui＝UiH时，VTl的基极电位升高，如果不考虑三极管VT2的存在，则Ub＝4.1V。
当考虑VT2、VT5存在的情况下，由于电源Ucc通过电阻Rl和VTl的集电结向VT2、VT3管提供足够的基极电流，在VT2导通时，使Uc2降低而Uez升高，导致VT4截止，VT5饱和导通。
实际情况是Ubl＝Ubcl十Ube2十Ube＝0．7十0．7十0．7＝2．1V，被钳位在2．1V左右。
此时输出为低电平UoL,即输入端为高电平时，反相器处于饱和导通状态。
此时VTl管的发射结处于反向偏置状态；而集电结处于正向偏置状态，这种情况称为三极管倒置状态。
由于VT2集电极输出电压信号和发射极输出电压信号变化方向相反，所以把这一级叫做倒相级。
输出级的工作特点是在稳定状态下VT4和VT5总是一个导通而另一个截止，这就有效地降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力。
通常把这种形式的电路称为推拉式（push—pull）输出电路。
为确保VT5饱和导通时VT4可靠地截止，又在VT4的发射极下面加进了二极管VD2。
可见输出和输入之间是反相关系，实现了非的功能，即Y=
；
2．TTL反相器的静态特性
（1）电压传输特性
TTL反相器电路输出电压随输入电压的变化关系曲线叫做电压传输特性曲线，如图2-2-2-2所示，该曲线大体可分为4个区段。
1在AB段，我们把这一段称为特性曲线的截止区。
②在BC段里，这一段称为特性曲线的线性区。
③在CD段，CD段称为转折区，转折区中点对应的输入电压称为阀值电压或门槛电压，用UTH表示。
④在DE段，DE段称为特性曲线的饱和区。
在电压传输特性中涉及到的主要参数如下。
*阀值电压UTH
*输入端噪音容限
从电压传输特性上可以看到，当输人信号偏离正常的低电平（0．3V）而升高时，输出的高电乎并不立刻改变。
同样，当输入信号偏离正常的高电平（3.4V）而降低时，输出的低电平也不会马上改变。
因此，允许输入高、低电平信号各有个波动范围。
在保证输出高、低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度）的条件下，输入电平的允许波动范围称为输入端噪音容限，它也是描述逻辑门电路的抗于扰能力的重要参数。
输入为高电平时的噪音容限为：
UNH＝UoHmin一UiHmin（2--2-1）
同理可得，输入低电平时的噪音容限为：
UNL＝UiLmax一UoLmax（2–2-2）
UNH和UNL越大，表明逻辑门输入端的抗干扰能力越强。
通常，74系列门电路的标准参数为UNH＝O．4V，UNL＝0．4V。
为了正确地处理门电路与门电路、门电路与其他电路之间的连接问题，必须了解门电路辅入端和输出端的伏安特性，也就是通常所说的输入特性和输出特性。
（2）输入特性
输入特性是指输入电流随输入电压变化的特性。
对于图2-2-l给出的TTL反相器电路，当考虑输入电压Ui在0—5V范围内变化时，输入电流随之变化的输入特性曲线如图2-2-4所示。
输入短路电流Iis是反相器重要参数之一，通常用它来近似代替输入电压为低电平时（ui＝0.3V）的输入电流IiL。
（3）输入端负载特性
我们把Ui随Rl变化的特性叫做输入负载特性，如图2-2-5（b）所示。
输入信号ui由低电平升高到三极管VT5导通前，Ui将随R1增大而升高.在Ri《Rl的条件下，ui几乎与R1成正比。
但是当ui上升到1．4V以后，VT2和VT5的发射结同时导通，将Ubl钳位在2．1V左右，此后R1再增大，ui也不能再升高了，参见图2-2-5（b）。
通常把使VT5管刚开始导通时的输入电阻Ri叫做开门电阻RoN.
可以算得RoN1．9k，也就是说，只要输入端所接电阻R1＞RoN，则相当于输入端接高电平，使输出为低电平。
与之相应，反相器由导通进入截止状态的输入电阻叫做关门电阻RoFF。
为了保证输出高电平，VT2、VT5都须截止，RoFF780。
（4）输出特性
TTL反相器输出电压随输出负载电流iL的关系特性叫做输出特性。
输出特性主要是反映逻辑门的负载特性，在输出电平不同时，其特性是不同的。
主要有输出低电平的灌电流负载特性和输出高电平的拉电流负载特性。
·灌电流负载特性
当输出为低电平时，输出级的VT5管饱和导通而．VT4管截止（见图2—2—1），输出端的等效电路如图2-2-7所示。
图中负载电流iL流进反相器，故所接负载称为灌电流负载.
输出负载特性如图2-2-8所示。
用反相器输出端连接同类门的个数NOL表示反相器的负载能力，前者叫做驱动门，后者叫做负载门。
为了保证反相器的正常逻辑状态，允许灌入驱动反相器的最大负载电流IOLmax不应使驱动反柑器的输出低电平UoL超过维持该门输出逻辑“0”的最大值。
因此，反相器带同类反翻器的个数为：
NoLIOLmax/Iis（2—2—5）
式中，NoL叫做反相器输出低电平时的扇出系数，Iis为反相器的输入短路电流。
·拉电流负载特性对图2—2—l所示TTL反相器的分析可知，输出高电平时VT5截止，VTd和VD2导通，输出端的等效电路可以画成图2—2—9所示的形式.
由图可见，这时VT4工作在射极输出状态，电路的输出电阻很小。
在负载电流iL较小的范围内，负载电流iL的变化对输出高电平UoH的影响很小。
图2–2-10给出了74系列门电路在输出为高电平时的输出特性曲线。
随着负载电流iL的增加，VT4退出放大而进入饱和状态。
这时VT4将失去射极跟随器的功能，因而UoH随iL绝对值的增加几乎线性地下降。
从曲线上可见，在iL＜5mA的范围内变化很小。
当iL＞5mA以后，随着iL绝对值的增加UoH下降较快。
考虑到功耗的限制，74系列门电路的运用条件规定，输出为高电平时，最大负载电流IoLmax不能超过0．5mA。
反相器带同类门的个数，即输出高电平时的扇出系数为
N0H＝IoHmax/IiH（2—2—6）
式中，IiH为各负载门输入高电平时的输入电流。
3．TTL反相器的动态特性
（1）传输延迟特性
在TTL电路中，当把理想的矩形电压信号加到TTL反相器的输入端时，输出电压的波形不仅要比输入信号滞后，而且波形的上升沿和下降沿也将变坏，这样的特性被称为传输延迟特性。
它主要是由集成电路中的二极管和三极管的瞬态开关特性引起的。
电源出现尖峰电流带来的影响，一是使电源的平均电流增加了，在计算系统的电源容量时必须注意这一点。
其次，当系统中有许多门电路同时转换工作状态时，电源的瞬间尖峰电流数值将很大，这个尖峰电流将通过电源线和地线以及电源的内阻形成一个系统内部的噪声源。
因此，在系统设计时应采取有效的措施将这个噪声抑制在允许的限度以内，通常是在电源与地之间加接滤波电容。
（3）空载功耗
集成电路的功耗和集成度密切相关。
如果功耗大，芯片的集成度就不能高，否则将无法散热而容易烧毁。
其次，功耗大也将浪费电源能量，缩短电源的使用周期。
当输出端空载时，反相器输出低电平时电路的功耗称为空载导通功耗.
当输出端为高电平时，电路的功耗称为空载截止功耗.
需要说明的是，由于尖蜂电流的存在，将使电源的电流增加，因此，在工作频率较高时不能忽视尖峰电流对电源平均电流的影响，也将导致TTL反相器的空载功耗与工作频率有关，频率越高，空载功耗越大。
2.2.2其他逻辑功能的TTL门电路
与第一章里所介绍的基本逻辑运算和复合逻辑运算相对应，常用的门电路在逻辑功能有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。
尽管它们逻辑功能各异，但输入端、输出端的电路结构形式与反相器基本相同，因此前面所介绍的反相器的特性对这些门电路也同样适用。
1．与非门
图2-2-13所示是74系列与非门的典型电路，它与图2-2-l反相器电路的区别在于输入端用了多发射极三极管。
多发射极三极管用于实现多个输入信号“相与”的逻辑功能，其等效电路如图2-2-14所示，该电路是一个具有多个发射圾、基极和集电极分别并联在一起的。
图2-2-13中所示的二极管VDA、VDB、VDc为输入端钳位二极管，其作用是限制出现在输入端的负极性干扰脉冲，起到保护VTl管的作用。
VT2、R2和R3组成倒相级，使VT2管的集电极发射极输出两个相位相反的信号，分别驱动输出级VT4和VT5管，以便控制推拉式输出电路。
实现与非功能。
图2-2-14多发射极三极管及其等效电路。
与非门的输出电路结构与反相器相同，所以反相器的输出特性同样适用于与非门。
分析与非门的负载能力时，应针对与非门输入端接高低电平的不同情况分别计算输入。
当与非门输入端并联使用时，低电平输入电流仍可按式（2—2—3）计算；输入接高电平时，由图2-2-13可见，总输人电流为单个高电平输入电流的三倍。
如果输人端信号有高有低，则低电平输入电流与反相器基本相同，而高电平输入电流比反相器的略大一些。
[例2-2-2]估算图2-2-15所示电路的扇出系数。
已知门电路的参数如下：
IoH／IoL＝1.0mA／一20mA，IiH/IiL＝50A／一1．43mA。
试求门GP的扇出系数No应为多少?
解:
门电路带同类门数量的多少称为逻辑门的扇出系数。
扇出系数的讨论涉及到TTL门的输入、输出特性。
通常在求解这类问题时，要对门GP输出低电平和高电平时的情况分别进行讨论，然后取两个数中较小的作为逻辑门的扇出系数N0。
在门GP输出高电平时，负载门输入电流IiH是流入的拉电流，由图2-2-16（a）所示电路可知，IiH为一个发射结反偏时的漏电流，所以，负载门有几个并接输入端，IiH就应扩大几倍。
门GP输出低电平时，负载门输入电流IiL为流出的灌电流，IiLIis，如图2-2-16．（b）所示，IiL的大小与门输入端并接的数量无关。
No＝10
2．或非门
或非门的典型电路如图2-2-17所示。
与反相器相比增加了一个由VT1’、VT2’和R1’所组成的输入级和倒相级电路，增加的电路和VTl、VT2、只l的电路结构完全相同，VT2和、VT2’的集电极和发射极相并联。
当输入A和B任一个为高电平或同为高电平时，至少VT2（或VT2’）和VT5导通，使输出为低电平；只有当A和B同时为低电平时，VT2、VT2’和VT5都截止，输出成为高电平。
因此，输出Y和输入A、B为或非关系，即
。
3．与或非门
与或非门的电路结构如图2-2-18所示，图中的输入级采用两个多发射极三极管组成“与或”逻辑形式。
当VT2和VT2’有一个导通时，都将使VT5饱和导通，输出为低电平；只有VT2和VT2’同时截止，输出才为高电平。
所以，该电路实现的逻辑关系可以归纳为：
当任何一组输入均为高电平时，输出为低电平；而只有每一组输入不全为高电平时，输出才是高电平。
因此，输出Y和输入A、B及C、D间是与或非关系，即
4．异或门
典型的异或门电路如图2-2-19所示。
图中虚线右边部分和或非门的倒相级、输出级相同，只要VT6和VT7当中有一个基极为高电平，都能使VT8截止，VT9导通，输出为低电平。
多发射极三极管VTl实现A、B相与的功能，以控制VT6基极；三极管VT2和VT3实现相或的功能，去控制VT4和VT5的基极，再由VT4和VT5的集电极控制VT7的基极。
当输入端A、B均为高电平时，VTl倒置工作，VT5的基极为高电乎，使输出为低电平；A、B均为低电平时，由于VT4和VT5截止，其集电极为高电平，使VT7的基极为高电平，输出也为低电平。
只有当A、B电平不同时，VTl正向导通，VT6基极为低电平；VT4和VT5中至少有一个导通，使VT7的基极为低电平。
VT6和VT7同时截止后，VT8导通，VT9截止，故输出为高电平。
因此，该电路实现了异或功能，即Y＝AB。
5．TTL电路的改进
为满足用户在提高工作速度和降低功耗这两方面的要求，继上述的74系列电路之后，又相继研制和生产了74H、74S、74LS、74AS、74ALS系列等改进的TTL电路。
（1）74H系列
由74系列TTL与非门的工作过程可知，其产生传输延迟时间的主要原因是电路内各三极管工作在深度饱和状态。
为了提高ITL与非门的开关速度，必须设法降低各三极管的饱和深度。
图2-2-20所示是74H系列与非门（74H00）的电路结构图。
74H系列又称为高速系列，它
主要有两个方面的改动，一是在推拉式输出级中，采用VT3和VT4组成复合管射极跟随电路（称为达林顿电路），作为输出管VT5管的有源负载，从而减小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对负载电容的充电速度，加速了三极管的开关过程。
74H系列电路的平均传输延迟时间比74系列门电路缩短了一半，通常在10ns以内。
第二方面是减小了电阻的阻值，却使电路的静态功耗增大，通常74H系列电路的电源平
均电流均为74系列电路的两倍。
因此，74H系列电路的改进效果并不理想。
（2）74S系列
74S系列又称为肖特基系列。
为了进一步提高开关速度，可以采用抗饱和三极管（又称为肖特基三极管），它是由普通三极管和肖特基势垒二极管（Schott卸BarrierDiode，SBD）组合而成，如图2—2—21所示。
为进一步减轻VT5管的饱和深度，缩短门电路的传输延迟时间，将图2—2—20中的电阻R3用VT6、RB、Rc组成的有源电路来替代，为VT5管的发射结提供一个有源泄放回路。
当VT2刚进入导通时，由于VT5先于VT6导通，VT2的发射极电流将全部流入VT5基极，加快了VT5导通；反之，在VT6导通后又对VT5的基极产生分流，而使VT5处于浅饱和。
当VT2从导通变为截止时，VT6仍处于导通状态，为VTs的基极提供了一个瞬间的低电阻泄放回路，可使VT5迅速截止。
肖特基势垒二极管是金属半导体二极管，其特点是；①正向导通电压低，约为0．4V；②为多数载流子导电，电荷存储效应小。
由它与三极管构成的抗饱和三极管在静态时始终处于浅饱和状态，因此，可使工作速度有很大提高，但同时也带来了电路功耗加大，以及由于VT5脱离了深度饱和状态，导致输出低电平升高（最大值约0．5V）等缺点。
电路中仍采用较小的电阻
（3）74LS系列
通常性能较理想的门电路应该不仅工作速度快，而且功耗也应该小。
74LS系列就具有这样的特点，故又称为低功耗肖特基系列。
TTL门电路传输延迟时间和功耗的要求往往是相互矛盾的，因此，一般用传、输延迟时间和功耗的乘积（简称延迟一功耗积）来整体评价电路性能的优劣。
延迟一功耗积越小，电路的综合性能越好
为了降低功耗，在74LS系列中大幅度地提高了电路中各个电阻的阻值，同时，将电阻R5原接地端改接到输出端，以减小VT3导通时R5上的功耗。
74LS系列门电路的功耗仅为74系列的五分之一，74H系列的十分之一。
图2-2-23是74LS系列与非门（74LS00）的典型电路。
为了缩短传输延迟时间、提高开关工作速度，在74LS系列中采用的办法有：
①延用74S系列提高工作速度的两个方法—使用抗饱和三极管和引入有源泄放电路；
②将输入端的多发射极三极管的发射结用SBD代替，以利于提高工作速度；
③接入VD3、VD4这两个SBD，分别为VT4和VT5提供附加的放电通路，进一步加速电路开关状态的转换过程。
由于采用了这一系列的措施，虽然74LS系列的电阻阻值增大了很多，但传输延迟时间仍可达到74系列的水平。
其延迟一功耗积是TTL电路上述四种系列中最小的一种，仅为74系列的五分之一和74S系列的二分之一。
74AS系列是为进一步缩短传输延迟时间而设计的改进系列，74ALS系列则是为了获得更小的延迟一功耗积而设计的改进系列。
另外，54系列的TTL门电路和74系列的的电路结构和电气性能完全相同,不同之处仅在于54系列比74系列适用的工作环境温度和电源电压范围更宽、更大。
74系列的工作环境温度规定为o一70℃，电源电压工作范围为5V5%而54系列的工作；环境温度规定为-55一十120℃，电源电压工作范围为5V土10％。
2.2.3其他类型的TTL门电路
1.集电极开路的门电路（OC门）
为了增强TTL门的驱动能力和扩展逻辑功能，往往需要将几个逻辑门的输出端并联起来，而这种并联对前面介绍的TTL门电路却无法实现。
主要原因是：
1推拉式输出电路，无论输出高电平还是低电平，其输出电阻都很低。
如若一个门的输出是高电平，而另一个门的输出是低电平，则输出端并联以后必然有很大的负载电流同时流过这两个门的输出级。
由于这个电流很大，不但会使导通门的低电平抬高，而且还有可能损坏截止门。
2推拉式输出结构不能满足驱动较大电流、较高电压负载的要求。
③推拉式输出电路中，电源一经确定（通常规定工作在十5V），输出的高电平也就固定了，因此无法满足对不同输出高低电平的需要。
为了使门电路的输出端能够并联使用，采用的方法就是把输出级改为集电极开路的三极管结构，称为集电极开路的门电路（OpenCo11ectorGate，OC门），电路如图2-2-25所示。
该电路的特点是去掉了推拉输出级的VT3、VT4和R4、R5，使VT5的集电极开路。
OC门工作时输出端需要外接负载电阻和电源。
如果将两个OC与非门输出并联在一起，由图2—2—26可知，只有A、B同时为高电平时VT5才导通，Yl输出低电平，故
。
同理，
。
由于Y1和Y2直接连在一起，因此，只要Y1；Y2有一个是低电平，Y就是低电平；只有Yl、Y2同时为高电平时，Y才是高电平，即Y＝Yl·Y2，这一功能被称为“线与”，在逻辑图中用方框表示。
“线与”可以实现与或非的逻辑功能。
Y＝Yl·Y2＝
＝
（2-2-12）
OC门可以直接驱动指示灯，也可以直接驱动继电器，由于OC门能够实现“线与”功能，所以可以用在数据总线上。
但受负载电阻的影响OC门不适用于工作速度高的场合。
为了使“线与”输出的电平符合数字电路系统的要求，对外接电阻的阻值的选取要得当。
下面简要地介绍外接电阻RL的计算方法了图2-2-27表示出了计算OC门负载电阻的工作状态，图中有n个OC与非门输出端并联，驱动m个负载与非门。
图2-2-27OC门负载电阻RL的计算可以按照课本式2-2-13、2-2-14和2-2-15进行计算。
[例2-2-3]试确定由2—2—28电路中的负载电阻Rl值。
2．三态输出门电路（TS门）
普通的TTL门有两个状态，即输出逻辑“0”和输出逻辑“1”，这两个状态都是低阻输出。
三态输出门（Three—StateOutputGate，TS门）是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的，它的特点是多了一种高阻状态，电路结构和逻辑符号如图2-2-29所示。
在图（a）所示的电路中，控制端（使能端）为高电平EN＝l时，对VTl管无影响，二极管VD截止，电路处于与非门工作状态，
；当EN＝0时，VTl导通，VT2、VT5管截止，由于VD导通，使VT4管截止，故输出端呈高阻状态。
这样输出端就有三种可能出现的状态，即高电平、低电平、高阻状态（又称为禁止态）。
由于电路在EN＝1时为正常的与非门工作状态，所以称为高电平有效三态门。
而在图（b）所示的电路中，硅于控制端增加了非门G，因此，电路在EN＝0时才为正常的与非门工作状态，故称为低电平有效三态门。
综上分析，低电平有效三态与非门输出状态Y与输入变量A、B和控制端的逻辑关系如表2—2—2所示。
三态门的基本用途是在数字电路系统中构成总线，也就是采用图2-2-30所示的连接方式。
将三态门的输出端连接到同一条传输线上，当仅有某个三态门的
时、该门输出信号送人传输线，其他三态门由于
而处于高阻状态；只要三态门的使能端轮流为0；就可按各门的数据轮流送往传输线，并且互不干扰。
这种连接方式称为总线结构。
另外，用TS门还能实现数据的双向传输。
在图2-2-31所示的电路中，当EN＝1时，Gl门工作，G2门高阻状态，数据Do经G1门反相后送到总线上；当EN＝O时，Gl门高阻状态，总线上的数据经G门反相后从D1输出。
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