半导体集成电路3上.pptx

晶体管-晶体管逻辑（TTL）电路v双极型逻辑电路简要历史v六管单元TTL与非门两管单元TTL与非门四管、五管单元TTL与非门六管单元TTL与非门vSTTL和LSTTL电路vTTL门电路逻辑扩展v简化逻辑门第1页/共41页双极型逻辑电路简史v直接耦合晶体管逻辑电路（DCTL）v存在“抢电流”现象。第2页/共41页第一种实用的双极型数字电路v电阻-晶体管逻辑（RTL）电路v电阻-电容-晶体管耦合逻辑（RCTL）电路第3页/共41页DTL与非门电路v速度慢第4页/共41页TTL系列v第一代TTL，包括LTTL,HTTLv输入级引入多发射极晶体管v输出级采用有源负载v第二代TTL，包括STTL,LSTTL第5页/共41页v双极型逻辑电路简要历史v六管单元TTL与非门两管单元TTL与非门四管、五管单元TTL与非门六管单元TTL与非门vSTTL和LSTTL电路vTTL门电路逻辑扩展v简化逻辑门第6页/共41页2024/4/15 周一7VBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区(正偏正偏)(反偏反偏)(正偏正偏)(反偏反偏)CBEnpn正向工作区正向工作区正向工作区正向工作区IBICIEIE=IB+IC反向工作区反向工作区反向工作区反向工作区IBICIEIC=IB+IE饱和工作区饱和工作区饱和工作区饱和工作区CBEVCES截止区截止区截止区截止区CBE第7页/共41页2024/4/15 周一8简易简易TTL与非门与非门与非门与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2A AB BC COO0 00 00 01 10 00 01 11 10 01 10 01 10 01 11 11 11 10 00 01 11 10 01 11 11 11 10 01 11 11 11 10 0两管单元两管单元TTL与非门与非门第8页/共41页2024/4/15 周一9简易简易TTL与非门与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2 两管单元两管单元TTL与非门工作原理与非门工作原理R1R2VCCB1ABC4K4K4K4K几个假设：几个假设：1.发射极正向压降，当晶体管正向工作时，取发射极正向压降，当晶体管正向工作时，取VbeF=0.7V，而当晶体管饱和时，而当晶体管饱和时，取取VbeS=0.7V.2.集电结正向饱和压降，取集电结正向饱和压降，取VbcF=0.60.7V。3.晶体管饱和压降，当晶体管饱和压降，当T1管深饱和时，因管深饱和时，因Ic几乎为零，取几乎为零，取VceS0.1V，其余管子取，其余管子取 VceS0.3V第9页/共41页2024/4/15 周一10简易简易TTL与非门与非门1.1.输入信号中至少有一个为低电平的情况输入信号中至少有一个为低电平的情况R1R2VCCB1ABC1VVIL=0.3VVIL=0.3VVB1=VBE1+VIL =0.3V+0.7V =1VVB1被嵌位在被嵌位在1VIB1=(VCC-1V)/R1 =5V-1V/4K=1mA4K4KIC1B2T2管截止管截止,VOH=VCC-IOHR2输出高电平时电路供给负载门的电流输出高电平时电路供给负载门的电流0.4VIOHT1管的集电结反偏，管的集电结反偏，Ic1很小，很小，满足满足IB1 Ic1，T1管深饱和，管深饱和，VCES1=0.1V，VB2=VCES1+VIL=0.4V第10页/共41页2024/4/15 周一11简易简易TTL与非门与非门2.2.输入信号全为高电平输入信号全为高电平R1R2VCCB1ABC1.4VVIH=5VVB1=VBC1+VBE2 =0.7V+0.7V =1.4VVB1被嵌位在被嵌位在1.4V4K4KIC1B2VOH=5VT1T1管的发射结反偏管的发射结反偏,集电结正偏集电结正偏,工作在反向有源区工作在反向有源区,集电极电流集电极电流是流出的是流出的,T2管的基极电流为管的基极电流为:IB2=IC1=IB1+b bIB1IB1（b b0.01)IB1=(VCC-VB1)/R1 =5V-1.4V/4K=0.9mA IB20.9mAT2T2管饱和，管饱和，T2T2管的饱和电压管的饱和电压VCES=0.3V VOL=0.3V第11页/共41页2024/4/15 周一12ABCR1R2VCCVOB1B2T1T20.7VT1管工作在反向放大区管工作在反向放大区假设假设:F=20,R=0.02IB1=(VCC-VB1)/R1 =5V-1.4V/4K=0.9mA-IE1=RIB1=0.02*0.9=0.018mA-IC1=(R+1)IB1=0.918=IB2假设假设T2管工作在正向放大区管工作在正向放大区在R2上产生的压降为18mA*4K=72V4K4K不成立不成立第12页/共41页2024/4/15 周一13 两管单元两管单元TTL与非门的静态特性与非门的静态特性1.电压传输特性电压传输特性VO(V)VOHVOLQ1Vi(V)Q2Q1,Q2n 截止区截止区n 过渡区过渡区n 导通区导通区VOH:输出电平为逻辑输出电平为逻辑”1 1”时的最大输出电压时的最大输出电压VOL:输出电平为逻辑输出电平为逻辑”0 0”时的最小输出电压时的最小输出电压VIL:仍能维持输出为逻辑仍能维持输出为逻辑”1 1”的最大输入电压的最大输入电压VIH:仍能维持输出为逻辑仍能维持输出为逻辑”0 0”的最小输入电压的最小输入电压VILVIH第13页/共41页2024/4/15 周一14高噪声容限低噪声容限不定区不定区VIHVIL10VOHVOLVNMHVNMLGate OutputGate InputVNML=VIL-VOLVNMH=VOH-VIHv在前一极输出为最坏的情况下,为保证后一极正常工作.所允许的最大噪声幅度 噪声容限第14页/共41页2024/4/15 周一15有效低电平输出有效低电平输出Vin输入低电平输入低电平有效范围有效范围0VIL有效高电平输出有效高电平输出Vout输入高电平输入高电平有效范围有效范围VIHVDD过渡区过渡区VOHVOL噪声噪声幅值VOLVIL噪声幅值 VIL-VOL高电平高电平噪声噪声幅值VIHVOH噪声幅值0.6V;0.6VVNMH=VOH-VIHVNML=VIL-VOLVNML=0.6V-0.3V=0.3V两管单元非门的噪声容限AR1R2VCCVOB1B2T1T2第18页/共41页2024/4/15 周一19简易简易TTL与非门与非门R1R2VCCB1ABC1VVOL=0.3VVOL=0.3VVB1=VBE1+VOL =0.3V+0.7V =1VVB1被嵌位在被嵌位在1VIB1=(VCC-1V)/R1 =5V-1V/4K=1mA4K4KIC1B2T2管截止管截止,VOH=VCC-IOHR2输出高电平时电路供给负载门的电流输出高电平时电路供给负载门的电流0.4VIOH2.负载能力负载能力第19页/共41页2024/4/15 周一20 两管单元两管单元TTL与非门的静态特性与非门的静态特性-负载能力负载能力.能够驱动多少个能够驱动多少个同类负载门正常工作同类负载门正常工作NN扇出第20页/共41页2024/4/15 周一21ABCR1R2VCCB1B2T1T24K4K1.求低电平输出时的扇出求低电平输出时的扇出解：负载电流IC=NNIILVCCVOT1T24K4KVCCVOT1T24K4K。IILN个ICIILIIL=(VCC-VBES)/R1=(5V-0.7V)/4K1.1mA解得：NN3第21页/共41页2024/4/15 周一22ABCR1R2VCCB1B2T1T24K4K2.求高电平输出时的扇出求高电平输出时的扇出要求保证输出高电平要求保证输出高电平3V3V解：负载电流IC=NNIIHVCCVOT1T24K4KVCCVOT1T24K4K。IIHN个ICIIHIIH=-IE=0.018mAVOH=VCC-ICR2 3VNN=2525第22页/共41页2024/4/15 周一23ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2 两管单元两管单元TTL与非门的静态特性与非门的静态特性3.直流功耗直流功耗P=ICC*VCC静态功耗：电路导通和截止时的功耗1.空载导通电源电流 ICCL:2.空载截止电源电流 ICCH:3.电路 平均静态功耗：4K4K第23页/共41页2024/4/15 周一24ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2 两管单元两管单元TTL与非门的瞬态特性与非门的瞬态特性1.延迟时间延迟时间2.下降时间下降时间3.存储时间存储时间4.上升时间上升时间V Vi it0V Vi it0t0t1t2t3t4t5td=t1-t0tf=t2-t1ts=t4-t3tr=t5-t4第24页/共41页2024/4/15 周一25 平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd导导通通延延迟迟时时间间t tPHPHL L ：输输入入波波形形上上升升沿沿的的50%50%幅幅值值处处到到输出波形下降沿输出波形下降沿50%50%幅值处所需要的时间，幅值处所需要的时间，截截止止延延迟迟时时间间t tPLHPLH：从从输输入入波波形形下下降降沿沿50%50%幅幅值值处处到到输输出出波波形形上上升升沿沿50%50%幅幅值值处处所所需需要要的的时时间，间，平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd：通通常常t tPLHPLHt tPHLPHL，t tpdpd越越小小，电路的开关速度越高。电路的开关速度越高。输入信号输入信号VI输出信号输出信号V0返回返回第25页/共41页2024/4/15 周一26ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2简易简易TTLTTL与非门的缺点与非门的缺点1.1.输入抗干扰能力小输入抗干扰能力小2.2.电路输出端负载能力弱电路输出端负载能力弱3.I3.IB2B2太小，导通延迟改善小太小，导通延迟改善小四管单元与非门四管单元与非门第26页/共41页2024/4/15 周一27简易简易TTL与非门的版图与非门的版图接触孔集电区基区发射区电阻电源线VCCVSS第27页/共41页2024/4/15 周一28 典型四管单元典型四管单元TTL与非门与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T3T5R3ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2R5第28页/共41页2024/4/15 周一29 典型四管单元典型四管单元TTL与非门与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T3T51.T2管使电路低电平噪声容限管使电路低电平噪声容限VNML提高了一个结压降，因此电提高了一个结压降，因此电路抗干扰能力增强。路抗干扰能力增强。2.T3、T5构成推挽输出（又称图腾柱输出），使电路负载能力增构成推挽输出（又称图腾柱输出），使电路负载能力增强。强。3.T5基极驱动电流增大，电路导通延迟得到改善。基极驱动电流增大，电路导通延迟得到改善。ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2电平移位作用电平移位作用R3R4180第29页/共41页2024/4/15 周一30ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2两管单元两管单元TTL与非门与非门u 电路抗干扰能力小电路抗干扰能力小u 电路输出端负载能力弱电路输出端负载能力弱u IB2小，导通延迟较大小，导通延迟较大四管单元四管单元TTL与非门与非门T2管的引入提高管的引入提高了抗干扰能力了抗干扰能力有源负载的引入有源负载的引入提高了电路的负提高了电路的负载能力载能力ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T5第30页/共41页2024/4/15 周一31ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T5电路导通时，T2、T5饱和VO=VOL 这时，T2管的集电极和输出之间的电位差为：VC2-VO=VCES2+VBES5-VCES5VBES5=0.8VT5和D不能同时导通D起了电平移位的作用R5T3第31页/共41页2024/4/15 周一32ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2T5R5T3R1R2VCCVOB1B2T1T2T5R5T4ABT3T3、T4管构成达林顿管，管构成达林顿管，T4管不会进入饱和区管不会进入饱和区反向时反向时T4管的基极有泄放电阻，使电路的平均管的基极有泄放电阻，使电路的平均延迟时间下降延迟时间下降四管单元四管单元TTL与非门与非门五管单元五管单元TTL与非门与非门第32页/共41页2024/4/15 周一335 5管单元管单元TTLTTL与非门电路与非门电路输输入入级级由由多多发发射射极极晶晶体体管管T1和和基基极极电电组组R1组组成成，它它实实现现了了输输入入变变量量A、B、C的与运算的与运算输出级：由输出级：由T3、T4、T5和和R4、R5组成组成其中其中T3、T4构成复合管，与构成复合管，与T5组成推组成推拉式输出结构。具有较强的负载能力拉式输出结构。具有较强的负载能力中间级是放大级，由中间级是放大级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极的集电极C2和和发射极发射极E2可以分提供两个相可以分提供两个相位相反的电压信号位相反的电压信号第33页/共41页2024/4/15 周一34TTLTTL与非门工作原理与非门工作原理 输输入入端端至至少少有有一一个个接接低低电平电平0.3V3.6V3.6V1V3.6VT T1 1管管:A:A端端发发射射结结导导通通，V Vb1b1 =V=VA A+V+Vbe1be1=1V=1V，其其它它发发射射结结均均因因反反偏偏而而截截止止.5-0.7-0.7=3.6VV Vb1b1 =1V,=1V,所所以以T T2 2、T T5 5截截止止,V VC2C2Vcc=5V,Vcc=5V,T T3 3：微饱和状态。微饱和状态。T T4 4：放大状态。放大状态。电路输出高电平为：电路输出高电平为：5V第34页/共41页2024/4/15 周一35 输入端全为高电平输入端全为高电平3.6V3.6V2.1V0.3VT T1 1:V:Vb1b1=V Vbc1bc1+V+Vbe2be2+V+Vbe5 be5=0.7V3=2.1V0.7V3=2.1V因因此此输输出出为为逻逻辑辑低低电电平平V VOLOL=0.3V=0.3V3.6V发射结反偏而集电发射结反偏而集电极正偏正偏.处于反向放大状态处于反向放大状态T T2 2：饱和状态：饱和状态T T3 3：V Vc2c2=V=Vces2ces2+Vbe51V+Vbe51V，使使T3T3导通，导通，V Ve3e3=V=Vc2c2-V-Vbe3be3=1-070.3V=1-0.70.3V，使使T4T4截止截止。T T5 5：饱和状态，：饱和状态，TTLTTL与非门工作原理与非门工作原理第35页/共41页2024/4/15 周一36 输输入入端端全全为为高高电电平平，输出为低电平输出为低电平 输输入入至至少少有有一一个个为为低低电电平平时时，输输出出为为高高电平电平由由此此可可见见电电路路的的输输出出和和输输入入之之间间满满足足与非逻辑关系与非逻辑关系T T1 1：反向放大状态反向放大状态T T2 2：饱和状态：饱和状态T T3 3：导通状态：导通状态T T4 4：截止状态：截止状态T T5 5：深饱和状态：深饱和状态T T2 2：截止状态：截止状态T T3 3：微饱和状态：微饱和状态T T4 4：放大状态：放大状态T T5 5：截止状态：截止状态TTLTTL与非门工作原理与非门工作原理第36页/共41页2024/4/15 周一37TTLTTL与非门工作速度与非门工作速度存存在在问问题题：TTL门门电电路路工工作作速速度度相相对对于于MOSMOS较较快快，但但由由于于当当输输出出为为低低电电平平时时T T5 5工工作作在在深深度度饱饱和和状状态态，当当输输出出由由低低转转为为高高电电平平，由由于于在在基基区区和和集集电电区区有有存存储储电电荷荷不不能能马上消散，而影响工作速度马上消散，而影响工作速度。改进型改进型TTLTTL与非门与非门 可可能能工工作作在在饱饱和和状状态态下下的的晶晶体体管管T1、T2、T3、T5都都用用带带有有肖肖特特基基 势势 垒垒 二二 极极 管管（SBD）的的三三极极管管代代替替，以以限限制制其其饱饱和和深深度，提高工作速度度，提高工作速度第37页/共41页2024/4/15 周一38返回返回改进型改进型TTLTTL与非门与非门 增加增加有源泄放电路有源泄放电路1、提高工作速度、提高工作速度由由T6、Rb和和Rc构成构成的有源泄放电路来的有源泄放电路来代替代替T2射极电阻射极电阻R3减少了电路的开启时间减少了电路的开启时间缩短了电路关闭时间缩短了电路关闭时间2、提高抗干扰能力提高抗干扰能力T2、T5同同时时导导通通，因因此此电电压压传传输输特特性性曲曲线线过过渡渡区区变变窄窄，曲曲线线变变陡陡，输输入入低低电电平平噪噪声声容容限限VNL提提高高了了0.7V左左右右第38页/共41页六管单元TTL与非门v当输入都是高电平时，各管基极电位第39页/共41页各点电位和电流第40页/共41页v当输入端至少有一个为低电平时，电压传输特性第41页/共41页