【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2． 4． 4 其他類(lèi)型的 TTL門(mén)電路 一、其他邏輯功能的門(mén)電路 盡管邏輯功能各異，但輸入端、端出端的電路結(jié)構(gòu)形式與反相器基本相同，因此前面所講的反相器的輸入特性和輸出特性對(duì)這些門(mén)電路同樣適用。 1． 與非門(mén) 圖為 74系列與非門(mén)的典型電路。它與反相器電路的區(qū)別在于輸入端改成了多發(fā)射極三極管 。 Y和 A、 B之間為與非關(guān)系，即： 可以把多發(fā)射極三極管看作兩個(gè)發(fā)射極獨(dú)立而基極和集電極分別并聯(lián)在一起的三極管，如圖 (b)所示。 TTL電路中的 與 邏輯關(guān)系是利用 T1的多發(fā)射極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。與非門(mén)的 輸出 特性與反相器相同。計(jì)算與非門(mén)每個(gè) 輸入 端的輸入電流時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸入端的不同工作狀態(tài)區(qū)別對(duì)待。在把兩個(gè)輸入端 并聯(lián) 使用時(shí)，低電乎輸入電流和反相器相同。而輸入接高電平時(shí)，總的輸入電流為單個(gè)輸入端的高電乎輸入電流的兩倍。 如果 A、 B一個(gè)接高電平而另一個(gè)接低電平，則低電平輸入電流與反相器基本相同，而高電平輸入電流比反相器的略大一些。 2．或非門(mén) 或非門(mén)的典型電路如圖所示。 只有 A、 B都為低電平時(shí)， T2和 T2’同時(shí)截止， T5截止而 T4導(dǎo)通，從而使輸出成為高電平。因此， Y和 A、 B間為或非關(guān)系，即： 或非門(mén)的或邏輯關(guān)系是通過(guò)將 T2和 T2’兩個(gè)三極管的輸出端并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 或非門(mén)的輸入特性和輸出特性也和反相器一樣。 3．與或非門(mén) 若將或非門(mén)電路中的每個(gè)輸入端改用多發(fā)射極三極管，就得到了與或非門(mén)電路。 當(dāng) A、 B同時(shí)為高電平時(shí)，或 C、 D同時(shí)為高電平時(shí)， T5導(dǎo)通而 T4截止，使 Y為低電平。 只有 A、 B和 C、 D每一組都不同時(shí)為高電平時(shí)， T5截止而 T4導(dǎo)通，輸出 Y為高電平。 即： 4．異或門(mén) 虛線以 右部分和或非門(mén) 的倒相級(jí)、輸出級(jí)相同。 若 A、 B同時(shí)為高電平，或 A、 B同時(shí)為低電平， T9導(dǎo)通而T8截止，輸出為低電平。 當(dāng) A、 B不同時(shí)，T T7同時(shí)截止， T8導(dǎo)通、 T9截止，故輸出為高電平。 Y和 A、 B間為異或關(guān)系，即： 二、集電極開(kāi)路的門(mén)電路 (OC門(mén) ) 推拉式輸出電路結(jié)構(gòu) 具有輸出電阻很低的優(yōu)點(diǎn)，但有一定的 局限性 。 若一個(gè)門(mén)的輸出是高電平而另一個(gè)門(mén)的輸出是低電平，則輸出端并聯(lián)以后必然有 很大的負(fù)載電流 同時(shí)流過(guò)這兩個(gè)門(mén)的輸出級(jí)。 其次，推拉式輸出門(mén)電路中，電源一經(jīng)確定 (通常工作在＋ 5V)， 輸出的高電平也就固定 了，無(wú)法滿足不同輸出高低電平的需要。此外，推拉式電路結(jié)構(gòu)也 不能滿足驅(qū)動(dòng)較大電流，較高電壓的負(fù)載 的要求。 克服上述局限性的方法就是把輸出級(jí)改為 集電極開(kāi)路 的三極管結(jié)構(gòu)，做成集電極開(kāi)路的門(mén)電路 (Open Collector Gate)，簡(jiǎn)稱(chēng) OC門(mén) 。圖中給出了 OC門(mén)的電路結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)。這種門(mén)電路在工作時(shí)需要 外接負(fù)載電阻 和 電源 。只要電阻的阻值和電源電壓的數(shù)值選擇得當(dāng)，就能夠做到既保證輸出的高、低電乎符合要求，輸出端三極管的負(fù)載電流又不過(guò)大。 圖示是將兩個(gè) OC結(jié)構(gòu)與非門(mén)輸出并聯(lián)的例子。 Y和 Y Y2之間的這種連接方式稱(chēng)為“ 線與 ”。 例如： SN7407輸出管允許的最大負(fù)載電流為 40mA，截止時(shí)耐壓 30V，足以直接驅(qū)動(dòng)小型繼電器。 OC門(mén)外接 負(fù)載電阻 的計(jì)算方法。 電路中，假定將 n個(gè)OC門(mén)的輸出端并聯(lián)使用，負(fù)載是 m個(gè) TTL與非門(mén)的輸入端 。當(dāng)所有 OC門(mén)同時(shí)截止時(shí)，輸出為高電平。為保證高電平不低于規(guī)定的 VOH值，顯然 RL不能選得過(guò)大。據(jù)此便可列出計(jì)算 RL最大值的公式： IOH是每個(gè) OC門(mén)輸出三極管截止 時(shí)的漏電流。 IIH是負(fù)載門(mén)每個(gè)輸入端的高電平輸入電流。 當(dāng) OC門(mén)中只有一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，電流的實(shí)際流向如圖所示。因?yàn)檫@時(shí)負(fù)載電流全部流入導(dǎo)通的那個(gè) OC門(mén)，所以 RL值不可太小，以確保流入導(dǎo)通 OC門(mén)的電流不至超過(guò)最大允許的負(fù)載電流 ILM。由此得到計(jì)算 RL最小值的公式為： VOL是規(guī)定的輸出低電平， m’是負(fù)載門(mén)的數(shù)目， IIL是每個(gè)負(fù)載門(mén)的低電平輸入電流。 (如果負(fù)載門(mén)為 或非 門(mén)，則 m’應(yīng)為輸入端數(shù)。 ) [例 ] 試為圖 的外接負(fù)載電阻 RL選定合適的阻值。已知 G G2為 OC門(mén)，輸出管截止時(shí)的漏電流為 IOH＝ 200181。A，輸出管導(dǎo)通時(shí)允許的最大負(fù)載電流為 ILM＝ 16mA。G G4和 G5均為 74系列與非門(mén)，IIL＝ 1mA， IIH＝ 40181。A。給定V’cc＝ 5V，要求 OC門(mén)輸出的 高電平 VOH≥，低電平 VOL≤。 解： 故取 RL＝ 1kΩ。 三、三態(tài)輸出門(mén)電路 (TS門(mén) ) 三態(tài)輸出門(mén) (Three－ State Output Gate，簡(jiǎn)稱(chēng) TS門(mén) )是在晉通門(mén)電路的基礎(chǔ)上附加控制電路而構(gòu)成的。 控制端 (EN＝ 1)時(shí)與普通的與非門(mén)沒(méi)有區(qū)別。 (EN＝ 0)時(shí)， P點(diǎn)為低電平， T4基極被鉗在 ，T T5同時(shí)截止，輸出呈高阻狀態(tài)。 輸出端就有三種可能出現(xiàn)的狀態(tài)：高阻、高電平、低電平。 控制端高電平有效 控制端低電平有效 在一些復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)(例如微型計(jì)算機(jī) )中，為了減少各個(gè)單元電路之間連線的數(shù)目，希望能在同一條導(dǎo)線上 分時(shí)傳遞 若干個(gè)門(mén)電路的輸出信號(hào)。這時(shí)可采用圖示的連接方式。 圖中 G1～ Gn均為三態(tài)與非門(mén)。只要在工作時(shí)控制各個(gè)門(mén)的 EN端輪流等于 1， 而且任何時(shí)候僅有一個(gè)等于 1，就可以把各個(gè)門(mén)的輸出信號(hào)輪流送到公共的傳輸線 —— 總線 上而互不干擾。這種連接方式稱(chēng)為 總線結(jié)構(gòu) 。 三態(tài)輸出門(mén)還經(jīng)常做成單輸入、單輸出的 總線驅(qū)動(dòng)器 ，并且輸入與輸出有同相和反相兩種類(lèi)型。 利用三態(tài)輸出門(mén)電路還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。 在圖示電路中，當(dāng) EN＝ 1時(shí) G1工作而 G2為高阻態(tài)，數(shù)據(jù) DO經(jīng) G1反相后送到總線上去。當(dāng) EN＝ 0時(shí) G2工作而 G1為高阻態(tài)，來(lái)自總線的數(shù)據(jù)經(jīng) G2反相后 DI送出。 2． 4． 5 TTL電路的改進(jìn)系列 一、 74H系列（高速系列） 為滿足用戶(hù)在提高工作速度和降低功耗這兩方面的要求，繼上述的 74系列之后，又相繼研制和生產(chǎn)了其它系列改進(jìn)的 TTL電路。 兩項(xiàng)改進(jìn)措施：一是在輸出級(jí)采用了 達(dá)林頓結(jié)構(gòu) ，減小門(mén)電路輸出高電平時(shí)的輸出電阻，提高對(duì)負(fù)載電容的充電速度。二是所有 電阻阻值 普遍降低一倍， 不僅縮短電路各節(jié)點(diǎn)電位上升和下降時(shí)間，也加速三極管的開(kāi)關(guān)過(guò)程。平均傳輸延遲時(shí)間比 74系列縮短一半，但增加了電路的 靜態(tài)功耗 ，電源平均電流增 2倍。 二、 74S系列（肖特基系列） 如果能使三極管導(dǎo)通時(shí)避免進(jìn)入 深度飽和 狀態(tài)，傳輸延遲時(shí)間將大幅度減小。為此，在 74S系列中，采用了 抗飽和三極管 (或稱(chēng)肖特基三極管 )。 其由普通雙極型三極管和 肖特基勢(shì)壘二極管 (Schottky Barrier Diode，簡(jiǎn)稱(chēng) SBD)組合而成。 SBD的開(kāi)啟電壓很低，只有 ～ ，所以當(dāng)三極管的 b－ c結(jié)進(jìn)入正向偏置以后，SBD首先導(dǎo)通，并將 b－ c結(jié)的正向電壓鉗在 ～ 。 74S系列與非門(mén) (74S00)的電路結(jié)構(gòu)圖。 T T TT5和 T6都是抗飽和三極管。因?yàn)?T4的 b－ c結(jié)不會(huì)出現(xiàn)正向偏置，不會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，不必改用抗飽和三極管。電路中仍采用了較小的電阻阻值 (與 74H系列相當(dāng) )。 T RB和 RC組成有源電路，為 T5管的發(fā)射結(jié)提供了一個(gè) 有源泄放回路 。當(dāng) T2由截止變?yōu)閷?dǎo)通的瞬間，由于T6的基極回路中串接了電阻 RB， T5的基極必然先于 T6的基極導(dǎo)通，使 T2發(fā)射極的電流全部流入 T5的基極，從而加速了 T5的導(dǎo)通過(guò)程。穩(wěn)態(tài)下， T6導(dǎo)通后產(chǎn)生的分流作用，減少了 T5的基極電流，也就減輕了 T5的飽和程度。 當(dāng) T2從導(dǎo)通變?yōu)榻刂挂院螅驗(yàn)?T6仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，為 T5的基極提供了一個(gè)瞬間的低內(nèi)阻泄放回路，使 T5迅速截止。有源泄放回路縮短了門(mén)電路的傳輸延遲時(shí)間。 有源泄放電路還改善了門(mén)電路的電壓傳輸特性。因?yàn)?T2的發(fā)射結(jié)必須經(jīng) T5或 T6的發(fā)射結(jié)才能導(dǎo)通，所以不存在 T2導(dǎo)通而 T5尚未導(dǎo)通的階段，因此74S系列門(mén)電路的 電壓傳輸特性 上 沒(méi)有線性區(qū) ，更接近于理想的開(kāi)關(guān)特性，如圖所示。 74S系列的 閾值電壓 比 74系列要低一些。這是因?yàn)?T1為抗飽和三極管， b－ c間存在 SBD，所以 T5開(kāi)始導(dǎo)通所需輸入電壓比 74系列門(mén)電路要低一點(diǎn)。由于 T5脫離了深度飽和狀態(tài)，導(dǎo)致了輸出低電平升高 (最大值 )。 三、 74LS系列（低功耗肖特基系列） 性能比較理想的門(mén)電路應(yīng)該工作速度既快，功耗又小。然而從上面的分析中可以發(fā)現(xiàn)，縮短傳輸延遲時(shí)間和降低功耗對(duì)電路提出來(lái)的要求往往是互相矛盾的。因此，只有用傳輸延遲時(shí)間和功耗的乘積 (Delay— Power Product，簡(jiǎn)稱(chēng) 延遲－功耗積 ，或 dp積 ) 才能全面評(píng)價(jià)門(mén)電路性能的優(yōu)劣。延遲－功耗積越小，電路的綜合性能越好。 為了得到更小的延遲－功耗積，在兼顧功耗與速度兩方面的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了 74LS系列。 與非門(mén) (74LS00)的典型電路如圖。為降低功耗，大幅度提高了電路各電阻的阻值。將 R5原接地端改接到輸出端，減小 T3導(dǎo)通時(shí)R5上的功耗。延用抗飽和三極管和有源泄放回路。輸入端用 SBD代替，因?yàn)镾BD沒(méi)有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，有利于提高工作速度。 接入 D D4兩個(gè) SBD。當(dāng)輸出端由高變?yōu)榈蜁r(shí)， D4經(jīng)T2的集電極和 T5的基極為輸出端的負(fù)載電容提供另一條放電回路，既加快負(fù)載電容放電，又為 T5管增加基極驅(qū)動(dòng)電流，加速導(dǎo)通。 D3也通過(guò) T2為 T4的基極提供一個(gè)附加的放電通路，使 T4更快地截止。 四、 74AS和 74ALS系列 由于采用了這一系列的措施，雖然電阻阻值增大了很多，但傳輸延遲時(shí)間仍可達(dá)到 74系列的水平。 74LS系列的延遲－功耗積是 TTL電路上述四種系列中最小的一種，僅為 74系列的五分之一， 74S系列的三分之一。 74AS系列是為進(jìn)一步縮短傳輸延遲時(shí)間而設(shè)計(jì)的改進(jìn)系列。其電路結(jié)構(gòu)與 74LS系列相似，但是電路中采用了很低的電阻阻值，從而提高了工作速度。它的缺點(diǎn)是功耗較大，比 74S系列的功耗還略大一些。 74ALS系列是為了獲得更小的延遲－功耗積而設(shè)計(jì)的改進(jìn)系列，延遲－功耗積是 TTL所有系列中最小的一種。為降低功耗，采用了較高的電阻阻值。同時(shí)改進(jìn)工藝縮小了內(nèi)部器件的尺寸，獲得了減小功耗、縮短延遲時(shí)間的雙重收效。在電路結(jié)構(gòu)上也作了局部的改進(jìn)。 五、 5 54H、 54S、 54LS系列 54系列的 TTL電路和 74系列電路具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)。所不同的是 54系列比 74系列的工作溫度范圍更寬，電源允許的工作范圍也更大。 74系列的工作環(huán)境溫度規(guī)定為 0～ 70℃ ，電源電壓工作范圍為 5V177。 5％；而 54系列的工作環(huán)境溫度為－ 55～＋ 125℃ ，電源電壓工作范圍為 5V177。 10％。 在不同系列的 TTL器件中，只要器件型號(hào)的后幾位數(shù)碼一樣，則它們的邏輯功能、外形尺寸、引腳排列就完全相同。 例如 74 74H 74S 74LS 74ALS20都是雙 4輸入與非門(mén) (內(nèi)部有兩個(gè) 4輸入端的與非門(mén) )，都采用 14條引腳雙列直插式封裝，而且輸入端、輸出端、電源、地線的引腳位置也是相同的。 2． 6 CMOS門(mén)電路 2． 6． 1 CMOS反相器的工作原理 一、電路結(jié)構(gòu) CMOS反相器的基本電路結(jié)構(gòu)形式如圖所示。其中T1是 P溝道增強(qiáng)型 MOS管， T2是 N溝道增強(qiáng)型 MOS管。 如果 T1和 T2的開(kāi)啟電壓分別為VGS(th)P和 VGS(th)N， 同時(shí)令 VDD＞ VGS(th)N＋ │VGS(th) │ ，那么當(dāng) vI＝ VIL＝ 0時(shí)，有： 故 T1導(dǎo)通，而且導(dǎo)通內(nèi)阻很低 ( 在 │vGS1│