集成门电路的原理和应用

上面介绍常见门电路，如果用分立元件构成时，不但连线和焊点太多，而且电路的体积很大，造成电路的可靠性很差。随着电子技术的飞速发展和集成工艺的规模化生产，数字集成电路得到了广泛的应用。数字集成电路只有电源、输入、输出、控制等引线，因此与分立电路相比，数字集成电路成本低、可靠性高，且便于安装调试。目前使用的门电路均是集成逻辑门芯片。

集成逻辑门电路按元件类型的不同可分为双极型逻辑门 （TTL集成逻辑门）和单极型逻辑门（CMOS集成逻辑门）两大类。

5.1.3.1　TTL集成电路

TTL是 “晶体管—晶体管—逻辑电路”的简称。TTL集成电路相继生产的产品有74（标准）、74H （高速）、74S （肖特基）和74LS （低功耗肖特基）4个系列。其中74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，也是应用最广泛的系列。

1.TTL与非门

在所有的集成电路中，与非门应用得最为普遍。

（1）电路组成。典型的TTL与非门电路如图5.5 （a）所示，图5.5 （b）为它的逻辑符号。

图5.5　TTL与非门

（a）电路图；（b）逻辑符号

可以看出，TTL与非门由以下3部分组成：

1）输入级由多发射极晶体管VT1和电阻R1组成。所谓多发射极晶体管，可以看作由多个晶体管的集电极和基极分别并接在一起，而发射极作为逻辑门的输入端。多个发射极的发射结可看作是多个钳位二极管，其作用是限制输入端可能出现的负极性干扰脉冲。VT1的引入，不但加快了晶体管VT2储存电荷的消散，提高了TTL与非门的工作速度，而且实现“与”逻辑作用。

2）中间级由电阻R2、R3和三极管VT2组成。中间级又称为倒相极，其作用是从VT2的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为输出极中三极管VT3和VT5的驱动信号，同时控制输出级的VT4、VT5管工作在截然相反的两个状态，以满足输出级互补工作的要求。三极管VT2还可将前级电流放大以供给VT5足够的基极电流。

3）输出级由晶体三极管VT3、VT4、VT5和电阻R4、R5组成推拉式互补输出电路。VT5导通时VT4截止，VT5截止时VT4导通。由于采用了推挽输出 （又称图腾输出），它不仅增强了负载能力，还提高了工作速度。

（2）工作原理。

1）当输入信号中至少有一个为低电平 （0.3V）时，低电平所对应的PN 结导通，VT1的基极电位被固定在1V （0.3V+0.7V）上，而由 “地”经VT5发射结→VT2发射结→VT1的集电极，显然VT1的集电极电位为0.7V+0.7V=1.4V，VT1的集电结处于反偏而无法导通，因而导致VT2、VT5截止。由于VT2截止，其集电极电位约等于集电极电源+5V。这个+5V电位可使VT3、VT4导通并处于深度饱和状态。因R2和IB3都很小，均可忽略不计，所以与非门输出端F点的电位为

VF=UOH=UCC-IB3R2-UBE3-UBE4≈5-0-0.7-0.7≈3.6（V）

显然，电路可实现有0出1的 “与非”逻辑功能。

2）当输入信号全部高电平（3.6V）时，VT1管的基极电位被钳制在2.1V，而VT1管的集电极电位为1.4V，显然VT1处于 “倒置”工作状态，此时集电结作为发射结使用。倒置情况下，VT1可向VT2基极提供较大的电流，使得VT2和VT5均处于深度饱和状态。从另一方面看，电源经R1、VT1集电结向VT2管提供足够的基极电流，使VT2管饱和导通。VT2管的发射极电流在电阻R3上产生的压降又为VT5管提供足够的基极电流，使VT5管饱和导通，从而使与非门输出F点的电位等于VT5管的饱和输出值，即

F=0.3V。

TTL电路在输入全为高电平时，输出为低电平，符合与非门全1出0的与非逻辑功能。

（3）外特性和主要参数。为了合理地选择和更好的使用集成器件，就必须熟悉其外部特性和参数。图5.6所示为TTL与非门的外特性，其参数是外特性的表示形式。TTL与非门参数的测试要在一定条件下进行，一般遵守这样一些原则：不用的输入端悬空 （悬空端子为高电平“1”）；输出高电平时不带负载；输出低电平时输出端应接规定的灌电流负载。TTL与非门电路的主要参数有：

图5.6　TTL与非门的电压传输特性

1）输出高电平UOH。它是被测与非门一输入端接地、其余输入端开路时，输出端的电压值。一般74系列的TTL与非门输出高电平的典型值为3.6V （产品规格为大于3V）。

2）输出低电平UOL。它是被测与非门一输入端接1.8V、其余输入端开路、负载接380Ω的等效电阻时，输出端的电压值。典型值为0.3V （产品规格为小于0.35V）。

3）关门电平UOFF。输出为0.9UOH时，所对应的输入电压称为关门电平UOFF。典型值为1V （产品规格为小于0.8V）。

关门电平和输入低电平的差值称为输入低电平噪声容限UNL，即UNL=UOFF-UIL。

4）开门电平UON。输出为0.35V时，所对应的输入电压称为开门电平UON。典型值为1.4V （产品规格为大于1.8V）。

输入高电平和开门电平的差值称为输入高电平噪声容限UNH，即UNH=UIH-UON。

5）阈值电压UTH。它是电压传输特性转折区中点所对应的输入电压值，阈值电压是VT5管导通和截止的分界线，也是输出高、低电平的分界线，所以也称为门槛电压。在分析TTL与非门工作状态时，阈值电压UTH很关键：输入电压小于该值时，可认为与非门截止，输出高电平；当输入电压大于该值时，可认为与非门饱和，输出低电平。一般TTL与非门阈值电压的典型值为1.4V。

6）扇出系数N0。门电路的输出端允许下一级接同类门电路的数目称为扇出系数。扇出系数反映了与非门最大负载能力。N0值越大，表明门电路的带负载能力越强 （产品规格为4～8）。

2.集电极开路的TTL与非门

集电极开路的TTL与非门简称OC门，电路结构和逻辑图符号如图5.7所示。

图5.7　OC门的电路图及逻辑符号

（a）电路图；（b）逻辑符号

前面讲到的具有图腾结构的普通TTL与非门，使用时输出端不能长久接 “地”或与电源短接。若输出端接地，则在门电路输出高电平时，流过有源负载VT3、VT4的电流很大，时间稍长就会被烧毁；若输出端接电源，则在门电路输出低电平时，VT5处于饱和状态，这时也会有很大的电流流过VT5，使它烧毁。因此，多个普通TTL门电路的输出端不能连接在一起，否则就会有一个很大的电流从输出为逻辑高电平的门流向输出为逻辑低电平的门，从而将门电路烧毁，即普通的TTL与非门无法实现 “线与”的逻辑功能。

为解决TTL与非门电路的 “线与”问题，人们研制出了OC门。OC门与普通TTL与非门的主要区别有以下两点：

图5.8　OC门实现线与功能

（1）没有VT3和VT4组成的射极跟随器，VT5的集电极是开路的。应用时将VT5的集电极经外接电阻RC接到电源口UCC和输出端之间，这样才能实现与非逻辑功能。

（2）普通TTL与非门的输出是推挽输出，输出电阻都很小，不允许将两个普遍TTL门的输出端直接连接在一起。但是OC门和输出端可以直接并接在一起，从而可实现“线与”的逻辑功能，如图5.8所示。

3.三态门

普通的TTL与非门有两个输出状态，即逻辑0或逻辑1，这两个状态都是低阻输出。三态门除具有这两个状态外，还有高阻输出的第三态，高阻态下三态门的输出端相当于和其他电路断开。三态门的逻辑符号如图5.9 （b）所示。

图5.9　三态门的电路图与逻辑符号

（a）电路图；（b）逻辑符号

图5.9 （a）为三态输出的TTL与非电路。可以看出，三态门是在普通TTL与非门电路的基础上增加一个控制端EN 及其控制电路。控制电路是两级反相器和一个钳位二极管构成。当EN=1时，二极管VD2截止，此时三态门就是普通TTL与非门。当EN=0时，多发射极晶体管VT1饱和，VT2、VT4截止，同时VD1导通使VT3、VT5也截止。这时从外往输出端看去，电路呈现高阻态。三态门的逻辑功能真值表见表5.1。

表5.1　三态门真值表

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三态门在计算机系统中得到了广泛的应用，其中一个重要用途是构成数据总线。当三态门处于禁止状态时，其输出呈现高阻态，可视为与总线脱离。利用分时传送原理，可以实现多组三态门挂在同一总线上进行数据传送。而某一时刻只允许一组三态门的输出在总线上发送数据，从而实现了用一根导线轮流传送多路数据。通常把用于传输多个门输出信号的导线叫做总线（母线），如图5.10所示。

只要各控制端轮流地出现高电平（每一时刻只允许一个门正常工作），则总线上就轮流送出各个与非门的输出信号，由此可省去大量的机内连线。

4.TTL集成电路作用时需注意的事项

（1）TTL门输入端口为 “与”逻辑关系时，多余的输入端可以悬空 （但不能带开路长线）、接高电平，并接到一个已被使用的输入端上等。TTL门输入端口为 “或”逻辑关系时，多余的输入端可以接低电平、接地，并接到一个已被使用的输入端上等。用的管脚可以悬空，不可以接地。

（2）电源电压应根据门电路参数的要求选定。一般TTL门电路的电源电压应满足5V±0.5V的要求；几个输入端引脚可以并联连接。

（3）具有图腾结构的几个TTL与非门输出端不能并联。

（4）电路的输出端接容性负载时，应在电容之前接限流大电阻 （≥2.7kΩ），避免出现在开机的瞬间出现较大的冲击电流烧坏电路。

（5）TTL集成电路的电源电压应满足±5V要求，输入信号电平应在0～5V之间。

（6）焊接时应选用45W以下的电烙铁，最好用中性焊剂，所用设备应接地良好。

图5.10　三态门应用举例

5.1.3.2　CMOS集成电路

CMOS集成电路是由NMOS管和PMOS管根据互补对称关系构成的MOS电路。CMOS集成电路的优点是静态功耗很低、抗干扰能力强、稳定性好、开关速度较高、扇出系数大。虽然制造工艺复杂，但由于优点突出，在中、大规模集成电路中得到了广泛的应用。

1.CMOS反相器

（1）电路组成。在图5.11中，工作管VT1是增强型NMOS管，负载管VT2是PMOS管，两管的漏极D接在一起作为电路的输出端，两管的栅极G接在一起作为电路的输入端，VT1的源极S1与其衬底相连并接地，VT2的源极S2与其衬底相连并接电源UDD。

（2）工作原理。如果要使电路中的绝缘栅型场效应管形成导电沟道，VT1的栅源电压必须大于开启电压的值，VT2的栅源电压必须低于开启电压的值，所以，为使电路正常工作，电源电压UDD必须大于两管开启电压的绝对值之和。

图5.11　CMOS反相器

1）当输入电压ui为低电平时，VT1管的栅源电压小于开启电压，不能形成导电沟道，VT1管截止，S1和D1之间呈现很大的电阻；VT2管的栅源电压大于开启电压，能够形成导电沟道，VT2导通，S2和D2之间呈现较小的电阻。电路的输出约为高电平UDD。

2）当输入电压ui为高电平UDD时，VT1管的栅源电压大于开启电压，形成导电沟道，VT1导通，S1和D1之间呈现较小的电阻；VT2管的栅源电压为0V，不满足形成导电沟道的条件，VT2截止，S2和D2之间呈现很大的电阻。电路的输出为低电平。

通过上述分析，电路的输出和输入之间满足“非”逻辑关系，所以该电路是非门。

由于在稳态时，VT1和VT2中必然有一个管子是截止的，所以电源向电路提供的电流极小，电路的功率损耗很低。

2.CMOS传输门和模拟开关

图5.12　CMOS传输门

（1）电路组成。当一个PMOS管和一个NMOS管并联时就构成一个传输门，如图5.12所示，其中两管源极相连，作为输入端；两管漏极相连，作为输出端；两管的栅极作为控制端，加互为相反的控制电压CP 和。PMOS管的衬底接UDD，NMOS管的衬底接地。由于MOS管的结构对称，源、漏极可以互换，所以输入、输出端可以对换。传输门因此也可称为双向开关。

（2）工作原理。当控制端CP为高电平“1”，为低电平 “0”时，传输门导通，数据可以从输入传输到输出端，也可以从输出传输到输入端。即传输门可以实现数据的双向传输。当控制端CP 为低电平 “0”，为高电平“1”时，传输门截止，不能传输数据。

传输门不但可以实现数据的双向传输，经改进后也可以组成单向传输数据的传输门，利用单向传输门还可以构成传送数据的总线，当传输门的控制信号由一个非门的输入和输出来提供时，又可构成一个模拟开关，其电路和原理在此不加论述。

3.CMOS门电路的特点

（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路低。

（2）CMOS电路的带负载能力比TTL电路弱。

（3）CMOS电路的集成度比TTL电路的集成度高。

（4）CMOS电路的抗干扰能力比TTL电路强。

（5）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个微瓦，中规模集成电路的功耗也不会超过100μW。

（6）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V。

（7）CMOS电路适合于特殊环境下工作。

4.CMOS集成电路使用时应注意的事项

（1）CMOS集成电路容易受静电感应而击穿。在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS集成电路多余不用的输入端不能悬空，其 “与”门多余输入端应接高电平；“或”门的多余输入端应接地。

（2）CMOS集成电路的电源电压应在规定的电压范围 （3～15）V内选定。电源电压的极性不能接反。为防止通过电源引入干扰信号，应根据具体情况对电源进行去耦合滤波。

（3）同一芯片上的CMOS门，在输入相同时，输出端可以并联使用 （目的是增大驱动能力），否则，输出端不许并联使用。

（4）CMOS集成电路应在静电屏蔽下运输和存放。调试电路板时，开机先接通电路板电源，后开信号源电源；关机时先关信号源电源，后断开电路板电源。严禁带电从插座上拔插器件。

CMOS集成电路虽然出现较晚，但发展很快，更便于向大规模集成电路发展。其主要缺点是工作速度较低。

本节重要知识点学习检测

1.基本逻辑门有哪些？同或门和异或门的功能是什么？二者有联系吗？

2.你能说出常用复合门电路的种类吗？它们的功能如何？

3.通常集成电路可分为哪两大类？这两大类芯片在使用时注意的事项相同吗？

4.试述图腾结构的TTL与非门和OC门的主要区别是什么？

5.三态门和普通TTL与非门有什么不同？主要应用在什么场合？

6.CMOS传输门具有哪些用途？

7.TTL与非门多余的输入端能否悬空处理？ CMOS门呢？

8.普通TTL门的输出端能否并联连接？ CMOS门呢？