第三章 TTL集成电路
第三章 TTL电路
阎石主编（第五版） 信息科学与工程学院基础部
三极管开关状态小结 (2) 导通状态
(1) 截止状态
条件：发射结反偏 特点：电流约为0
条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅
开关等效电路 1
二极管、双极型三极管的开关等效模型(理想)
基本开关 电路
+
Vi
-
IB
V R1
’ i
IC
R2 -VEE
+
VO
-
∵分IBI析VB>Si '=I：BISCR当S1/VRβi2==R520VV.时1i6：mRA1
R1 R2
VEE
1.6V
0.7V
∴三极管饱和 Q位于饱和区，Vo= VCES =0.3V 8
VCC
3.3.3 三极管非门
RC
例： =30， VCC = VEE
+
=12V， UCES=0.3V， RB
=5.1k， RC =2k, RE
+
=20k， 当Ui = 0、5V、 悬空时，晶体管的静态工
vi
v RB
’ i
iC
iB RE
vO
作状态及Vo的值？
-
-VEE
-
分析： 由叠加定理或戴维南等效定理可知
vi '
RE RB RE
vi
RB RB RE
VEE
6
VCC
3
三极管工作状态 判断方法：
v ＜0时，放大
②当 BC ≥0时，饱和
4
假设三极管饱和， 集
电极最大饱和电流为ICS
ICS
VCC VCES RC
成都理工大学 数字电子基础第三章TTL和CMOS电路
电源VCC（+5V）
外形
地GND
管脚
74LS00内含4个2输入与非门， 74LS20内含2个4输入与非门。
2.或非门
有1出0，全0出1
T2与T2'形成或 逻辑关系 ABA为为 、高高B都电电为平平低时时电，，
T通 输 T通 输 平 同 截22、 ′， 出 ， 出 时 止时、T截 ，TYTY，T544为 为5同截 截止TT同42低 低时止 止、 导，时电 电导， ，T通T导25平 平′，。 。
vo
t pd 2 (t pdLH t pdHL )
原因
结电容（D和T）的存在 o
分布电容的影响
50% t
tpdHL
50% t tpdLH
§3.5.5 其他类型的TTL门电路
一. 其他逻辑功能的门电路
1. 与 非 门
Y (A B)
输入端改成多发 射极三极管
TTL集成门电路的封装：
双列直插式
如：TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00 )
相当于断开的开关，vO≈vDD.
当vI>VGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变 电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合
的开关,vO≈0。
四、MOS管的四种基本类型
D
D
G
S N沟道增强型
G
S N 沟道耗尽型
D
G S
P 沟道增强型
D
G S
P 沟道耗尽型
在数字电路中，多采用增强型。
一、TTL反相器的电路结构和工作原理
输入级 倒相级 输出级
称为推拉式 电路或图腾 柱输出电路
二、电压传输特性
1.3V 0.6V
数字模拟电路---第三章 逻辑门电路(1)
路。
简称门电路。
5V一、TTL 与非门图3-1 典型TTL 与非门电路3.2 TTL 集成门电路•数字集成电路中应用最广的为TTL 电路（Transister-Transister-Logic 的缩写）•由若干晶体三极管、二极管和电阻组成，TTL 集成电路有54/74系列 ①输出高电平UOH 和输出低电平UOL 。
•输出高电平U OH：至少有一个输入端接低电平时的输出电平。
•输出低电平U OL：输入全为高电平时的输出电平。
• 电压传输特性的截止区的输出电压UOH=3.6V，饱和区的输出电压UOL=0.3V。
一般产品规定U OH≥2.4V、U OL＜0.4V时即为合格。
二、TTL与非门的特性参数③开门电平U ON 和关门电平U OFF 。
开门电平U ON 是保证输出电平达到额定低电平(0.3V )时，所允许输入高电平的最低值，表示使与非门开通的最小输入电平。
通常U ON =1.4V ，一般产品规定U ON ≤1.8V 。
关门电平U OFF 是保证输出电平为额定高电平(2.7V 左右)时，允许输入低电平的最大值，表示与非门关断所允许的最大输入电平。
通常U OFF ≈1V ，一般产品要求U OFF ≥0.8V 。
5). 扇入系数Ni和扇出系数N O 是指与非门的输入端数目。
扇入系数Ni是指与非门输出端连接同类门的个数。
反扇出系数NO映了与非门的带负载能力。
6）输入短路电流I IS 。
当与非门的一个输入端接地而其余输入端悬空时，流过接地输入端的电流称为输入短路电流。
7）8）平均功耗P 指在空载条件下工作时所消耗的电功率。
三、TTL门电路的改进 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。
74LS系列又称低功耗肖特基系列。
74LS系列是功耗延迟积较小的系列(一般t pd＜5 ns，功耗仅有2 mW) 并得到广泛应用。
TTL集成电路
TTL集成电路一、概述数字集成电路的种类繁多、品种丰富，但常用的标准数字集成电路主要有TTL型，ECL型和CMOS型三大类。
TTL型集成电路是以双极型晶体管为开关元件，输入级采用多发射极晶体管形式，开关放大电路也都是由晶体管构成，所以称为“晶体管一晶体管一逻辑”即“Treansistor－Treansistor－Logic”缩写为TTL。
在速度和功耗方面，都处于现代数字集成电路的中等水平。
品种丰富、互换性强、一般均以“74”（民用）或“54”（军用）为型号前缀。
1、74LS系列（简称LS、LSTTL等）这是现代TTL类型的主要产品系列，也是逻辑集成电路电路的重要产品之一。
其主要特点是功耗低，品种多，价格便宜。
2、74S系列（简称S，STTL等）这是TTL的高速型，也是目前应用较多的产品之一，其特点是速度较高，但功耗比LSTTL大得多。
3、74ALS系列（简称ALS，ASTTL等）这是LSTTL的先进产品，其速度比LSTTL提高了一倍以上，功耗降低一倍左右，因其特性和LS 系列近似，所以成为LS系列的更新换代产品。
4、74AS系列（简称AS，ASTTL等）这是STTL（搞饱和TTL）的先进型，速度比STTL提高了一倍以上，功耗降低一倍以上，与ALSTTL 系列合起来成为TTL类型的新的主要标准产品。
5、74F系列（简称F，FFTL等）这是美国FSC（仙童）公司开发的相似于ALSAS的高速类TTL的产品，性能介于ALS和AS之间，已成为TTL的主流产品之一。
6、74HC系列（简称HS或H－CMOS等）这一系列首先由美国NS、MOTA两公司生产，随后许多厂家相继成为第二产源、品种丰富，引脚和TTL兼路。
此系列的突出优点是功耗低速度高。
二、使用TTL电路的注意事项1、使用TTL电路的电源电压、电源电压应满足在规定中心值5V士10％的变化内。
最大值不能超过5％V。
当电源通断的瞬间变化，在电源布线上产生冲击电压时，应接入大容量电容或保护电路。
数电第三章讲解
起低阻通道，形成较大的 脉冲电流。 不仅增加了CMOS电路的 功耗，而且也成为CMOS 电路的内部干扰源。
22
3. CMOS反相器的输入特性
由于信号从栅极输入， 输入电阻很大，又有一个小的寄生电容， 如果输入端没有保护电路， 输入端可能被静电感应充电至高压， 造成绝缘栅击穿，使器件永久损坏。 为避免造成栅极击穿， 实际的CMOS集成电路的每一个输入端都设有输入保
第3章 集成逻辑门电路
3.1 概述
逻辑门电路(门电路): 用来实现基本逻辑关系的电子电路 集成逻辑门电路: 将若干个逻辑门电路集成在一块半导体材料基片上
1
集成逻辑门电路有两种类型器件：
（1）由三极管组成的双极型集成电路
例如：晶体管-晶体管逻辑电路 （简称TTL：Transistor-Transistor Logic）
和增强型NMOS驱动管（TN） 串联组成
11
TP的开启电压VGS(th)P < 0 TN的开启电压VGS(th)N > 0 电路正常工作的条件： VDD >∣VGS(th)P∣+ VGS(th)N，
且VGS(th)N =∣VGS(th)P∣， TN和TP具有相同的导通电阻
Ron和截止电阻Roff。
12
2．工作原理
当输入为低电平时： TN的VGSN = 0 v < VGS(th)N 管子截止。 TP的∣VGSP ∣= VDD 管子导通， 输出为高电平VOH vO =VOH≈VDD
13
当输入为高电平VDD时
TN的VGSN = VDD >VGS(th)N， 管子导通。 TP的VGSP = 0 v > VGS(th)P 负载管截止。 输出为低电平VOL， vO =VOL≈0 v。
详解TTL电路
详解TTL门电路一、什么是TTL门电路TTL 是一种集成电路，通过使用双极性晶体管组合来做到具有驱动能力的逻辑输出。
TTL 最重要的特性是门的输入在未连接时将为逻辑高电平。
在硬件电路中，会用到逻辑门这样的数字器件，对于这样的数字器件，从内部工艺结构来份的话主要有两个大的分支：一个是晶体管构成的，另一个是场效应管构成的。
而晶体管构成的门电路，被称为TTL门电路。
二、TTL电路工作原理TTL门电路也分很多种，比如说非门、与非门、或非门、与或非门以及OC输出的与非门。
虽然种类多，但是基本的工作原理都是类似的。
以常用的与非门电路为例对其工作原理进行介绍。
图 1 非门的TTL电路从图1中可以看出非门电路是由Q1输入级、Q2中间级以及Q3、Q4输出级组成。
1、输入级：Q1从结构上把它看成由二极管构成的，两个二极管的P结背靠背，N结分别连接输入和Q2的基极。
2、中间级：由三极管Q2和电阻R2、R4组成。
在电路的开通过程中利用Q2的放大作用，为输出管Q3和Q4提供较大的基极电流，加速了输出管的导通。
所以，中间级的作用是提高输出管的开通速度，改善电路的性能。
3、输出级：由三极管Q3、Q4、二极管D1和电阻R3组成。
从图中可以看出，输出级由三极管Q4实现逻辑非的运算。
但在输出级电路中用三极管Q3、二极管D1和R3组成的有源负载来使输出级具有较强的负载能力。
其中D1可以起到三极管be反向击穿的保护作用。
工作原理：1、当输入端Input为逻辑低电平时，电流流经R1至Input，Q1晶体管导通，此时Vb(Q2)的电压小于Vbe导通电压0.7V，Q2晶体管截止。
此时由于R2与R4的存在，使Q3导通、Q4截止，在Out上输出高电平。
由图1中输出结构可知，此时输出高电平电压将为：Vout=Vcc−Vce−V D1≈Vcc-1V。
2、当输入端Input为逻辑高电平时，Q1晶体管截止，此时电流流经R1和Q1的PN结，流向Q2的基极，Q2晶体管导通。
TTL电路
TTL电路是晶体管-晶体管逻辑电路的英文缩写（Transister-Transister-Logic ），是数字集成电路的一大门类。
它采用双极型工艺制造，具有高速度低功耗和品种多等特点。
从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品。
第一代TTL包括SN54/74系列，（其中54系列工作温度为-55℃～+125℃，74系列工作温度为0℃～+75℃)，低功耗系列简称lttl，高速系列简称HTTL。
第二代TTL包括肖特基箝位系列（STTL)和低功耗肖特基系列（LSTTL）。
第三代为采用等平面工艺制造的先进的STTL(ASTTL)和先进的低功耗STTL（ALSTTL）。
由于L STTL和ALSTTL的电路延时功耗积较小，STTL和ASTTL速度很快，因此获得了广泛的应用。
各类TTL门电路的基本性能：电路类型 TTL数字集成电路约有400多个品种，大致可以分为以下几类：门电路译码器/驱动器触发器计数器移位寄存器单稳、双稳电路和多谐振荡器加法器、乘法器奇偶校验器码制转换器线驱动器/线接收器多路开关存储器特性曲线电压传输特性TTL与非门电压传输特性 LSTTL与非门电压传输特性瞬态特性由于寄生电容和晶体管载流子的存储效应的存在，输入和输出波形如右。
存在四个时间常数td,tf,ts和tr。
延迟时间 td下降时间 tf存储时间 ts上升时间 tr基本单元“与非门”常用电路形式四管单元五管单元六管单元主要封装形式双列直插扁平封装稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，如图5一21所示。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
一、稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。
3.3 TTL门电路
8
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第三节 TTL门电路
vI 8V VB vI 3.3 13.3
RB + -
b
VB
当 vI VIL 0V 时
VB (0 8 3.3)V 2.0V 13.3
e
加在发射结上的是反向电压，三极管截止。
iC 0 vO VCC 5V
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G4
iL 16 N1 16 iI 1
N
N 2 I IH iL
iL 0.4 N2 10 I IH 0.04
G1最多可驱动10个同样的门电路负载， 这个数值叫做门电路的扇出系数。
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第三节 TTL门电路
3. 输入端负载特性
R1
vI RI T1 VCC
vI /V
2.0
4kΩ
be2 be5
1.0
0
1.0
2.0
3.0
RP /k
TTL反相器输入端经电 阻接地时的等效电路
TTL反相器输入端负载特性
ROFF 称关门电阻。RI < ROFF 时，相应输入端相当于输入低 电平。对 STTL 系列，ROFF 700 。 RON 称开门电阻。RI > RON 时，相应输入端相当于输入高 电平。对 STTL 系列，RON 2.1 k。
130Ω
R4
VCC
vOH/V
T4 iL vO RL
I OH (max) I IH
D2
3.0 2.0
拉电流 负载
1.0 -15 -10 -5 0 iL/mA
TTL反相器高电平输出等效电路
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A B C
T3 R4
T4
F
力2出AB.将下，电降降阻。低TR功14由耗接T。2地R改4T为3 接T4输F
T2
3C.将所有电阻阻值加大，T5降 T5 低功耗。牺R牲b 一定R速c 度。
Rb
Rc
T6
4快.增负加载两电个容反放馈电二，T极并6 管加，快加T5
管导通，提高速度。
16
3.1.7 LSTTL与非门
2.基本应用
VCC
VCC
VCC RL
VCC
Y
VCC
Y
VCC
VCC
27
3.2.7 TT输L 出三有态三门种状态：0, 1, Z
VCC
BUS
VCC A
B
G1
G
M
C
F
D
A
G2
B E
控制门
基本门
F G3
应用示例
28
3.2.8 习题
P84~88: 4.9 、 4.10 、 4.11 、 4.12 、 4.13(b) 、 4.15 、 4.16 逻辑扩展 4.14 应用问题
D 的提 加 加 控作高 快 快 制用抗 导 TT33：退 饱干 通TT平 输12饱和扰速或出反、和度能度浮低向T；。力。空电3有饱；平源和
A B C
T2
T1
T3
R3
R3为关的T态作3提：用供T输：1泄入深放有饱通低和路电平 负载T能2 力、仍T差3截（止尤
其容性负输载出）高电平
10
3.1.2 三管单元TTL与非门
VCC
F = A⊕B
RL
F
A
A
F
B B
38
3.3.4 单管逻辑门运用特点和级连问题
1.输入端口的电流不同
IE0=IB1+IC0
VCC
VCC RL F
RL
F AT
B
AT
VCC RL
VCC RL F
T A
VCC RL F
T A
B VCC RL F
F
B
AT
B
B
AT
B
VCC
VCC
RL F VCC T
A B
VCC
xor /nxor
VCC
A
A
B
B F
F
25
3.2.6 TTL OC门（Open Collector） 1.基本结构
VCC
VCC
VCC
R1
A
B
T1
C
R1
R2
F
R1 R2
F
A
T2
A B
T2
B
T1
T3
C
C
R3
T1 T2
F
T5
Rb
Rc
T6
26
3.2.6 TTL OC门（Open Collector）
R1 R2 F
3
A
B
T1
C
2
T2
1
0
Vi
0.4
0.8
5
3.1.1 两管单元TTL与非门
3. 抗干扰能力
R1
VCC R2 F
VOH=VCC-IOH.R2
3.6V
VOL= VCES2
0.3V
VL= VOH – VOL
3.3V
VVOOVVVVVLHIIIWNmmHL*M=a=i≈≈nLxVVVV=bIIIVHe**VV2((-I饱+刚VLNNV-和导VMMDIVL导D通bLHcOm通m1)L–aa)xxVbe01VV00.05.II..725LH1V5Vm5mVVainx
CP
E
B
输出门：A,B
Q 要有一定的驱
D
F
动能力。
46
3.4.2 集成主从D触发器（前沿触发）
39
3.3.4 单管逻辑门运用特点
2.输出低电平逐级提高
VCC
VC0=VE0 + VCES
VCC
应注意不要高
VCC
RL F
F
于后级的阈值
A TA
RL
电压。必要时
F
B
高
后级应采用高 A T 阈值门将输出 B
VCC F RL
阈 值 门
低电平降低。
TA
B
40
3.3.4 单管逻辑门运用特点
3.驱动基极负载时输出高电平会被后级箝位
VB1=VE0 + VBE
VCC
若驱动多个
负载，会有枪电 流现象。
VCC RL F
VCC
这时与基极
负载之间应加隔 离管。
AT B
VCC RL
F
AT B
VCC RL
F
AT B
41
3.3.5 习题 P84~88: 4.8 、 4.13(a) 逻辑扩展及应用
42
§3-4 TTL功能集成 电路举例
43
思考题
输出高电平时：
C
NOVHO.IHIH=.RV2CC -
IIL =
VCC – Vbes1 R1
IIH 值较小 (μA)
A B
影响因素多 C
VCC R1 R2 F
T1
T2
A B
C
VCC R1 R2 F
T1
T2
VCC R1 R2 F
T1
T2
7
3.1.1 两管单元TTL与非门
5. 瞬态特性
截止过程： 由于多射极晶体管T1的反抽作 用，T2迅速截止，输出电平上 升速度主要取决于IR2和负载电 容的大小。容性负载能力差。
1. 集成电路一般组成结构中可分为 几部分？各部分的特点是什么？ 2. 集成电路设计与电子线路设计有 何不同？
44
3.4.1 集成的一般组成结构
输
输
内
输输
入
入
部
出出
端
门
门
门端
45
3.4.2 集成主从D触发器（前沿触发） 1. 结构 输入门：C,D,E,F
S
C
负载轻，驱动能
力不要求过大，
R
D
A
Q 但要有一定的抗 干扰能力。
VCC
VCC
VCC
F
F
RF
（a）
（b）
T1
T3
（c）
11
3.1.3 四管单元TTL与非门
VCC
开T3态、：T4输：入全为高电 构成推平挽或输浮出空，负载
R1
R2
R4
T3
A
T2 D F
B
T1
能力加T强1 反向有源 二 防极 止管T3TT输D、23：截出T、4止低同T电时4饱平导和通 关电态阻：R4输：入有低电平
C
T4
起限流T作1 用深饱和
R3
SN54/74和TS2N、54LT/47截4L止系列 内部驱T3动正门向时导，通可以取
R4=0, 以便输加出快高速电度平 12
3.1.4 五管单元TTL与非门
VCC
R1 R2
R5
T3 T4
A
T2 R4
F
B
T1
C
T5
R3
T与 一 电开3 TT通T步 阻态、155T饱，构加 R：反44：和T成强平输向 ：4达，截推驱或入有为林止T挽动浮全源T3顿4正输能空为提，结向出力高供T构2导，；电泄、，进放 电荷通输路出；低电平
VCC RL F
与单管禁止门相比较：由
单发射极改为多发射极，多发 射级的输入信号之间是“与” 的关系。
A
T
BC
F = A·B·C
A F
B C
33
3.3.3 单管逻辑门的逻辑扩展
1. C1-E2 连接
VCC
RL
F2
F1 = A1 ·B1 ·C1 F2 = A2 ·B2 ·F1
A2
F1
B2
A1
B1 C1
VCC R1 R2 F
导通过程: 导通速度取决于输出晶体管
A B
T1
T2
T2基极驱动电流和负载电容 C
大小。前者一般较小，导通
速度慢。
8
3.1.1 两管单元TTL与非门
6. 常用单元电路形式
图(b由)提于高上了述本缺级点门，低该电两平管抗单干元扰没能能力被，以同单时块也
集使成 输电 出路 低形 电式 平应抬用高到。市因场此。对后级门有一定要求。
图(c)但输是出，高由电于平此被单箝元位简，单使的输特出点逻，辑常摆以幅单变元低，
电提路 高形 电式 平被 转应 换用速在度中。大静规态模功集耗成将电增路大中 。。
VCC
VCC
VCC
（a）
（b）
（c）
9
3.1.2 三管单元TTL与非门
1. 结构、工作原理及特性
T2的开作态用：：输入全为高电
R1
VCC R2 D F
29
§3-3 单管逻辑门电路
30
思考题
1. 单管逻辑门的工作原理是什么？ 2.单管逻辑门运用特点是什么？级连时 应注意什么？
31
3.3.1 单管禁止门
VCC RL F
A
T
B
A B F A为0时，禁止B信号 0 0 1 B为1时，禁止A信号
011
100
A
B
111
F
F = A·B A
F
B
32
3.3.2 单管串级与非门
18
§3-2 TTL与非门的 逻辑扩展
19
思考题
1. 各种TTL基本门的功能是如何实现的？ 2. 什么是OC门？它解决了什么问题？应 用时应注意什么？ 3.什么是三态门？它解决了什么问题？ 与OC门有何不同？