文档介绍：集成电路设计概论 西安交通大学微电子学系 刘润民 第 4 章 晶体管-晶体管(TTL)逻辑电路
1
绪论
在数字集成电路中,完成各种逻辑运算和变换的电路称为逻辑电路,组成逻辑电路的基本单元是门电路和触发器电路,触发器电路基本上也是由各种门电路组成的,门电路是数字集成电路的基本单元,在双极数字集成电路中,按照基本单元电路的工作特点的不同,大致可分为:
饱和型逻辑集成电路(RTL,DTL,TTL,I2L)
抗饱和型逻辑集成电路(STTL)
非饱和型逻辑集成电路(ECL)
2
第一种实用的数字集成电路是电阻-晶体管耦合逻辑(RTL)电路,如图所示,这是一种或非门,只要有一个输入信号为高电平,输出则为低电平,输出低电平VOL≈,级连使用时输出高电平为VOH≈1V,这种电路的特点是:速度较慢,负载能力和抗干扰能力差。
Vcc
V0
Vi1
Vi2
Vi3
Q1
Q3
Q2
电阻-晶体管耦合逻辑(RTL)电路
3
下图是二极管-晶体管逻辑(DTL)电路,是一种与非门, 只要有一个输入信号为低电平,输出就为高电平,只有当所有输入端都是高电平时,输出才为低电平。相对于RTL电路,它的负载能力和抗干扰能力都有所提高,但电路速度仍然较慢。
Q2
Q1
D
D1
D2
Vi
VCC
V0
二极管-晶体管逻辑(DTL)电路
4
一般的TTL与非门
标准TTL与非门(四管单元)
,也是54/74系列电路的基本单元。
电路的特点是:
当输出端由低电平转向高电平时,也就是Q2由导通转向截止、Q1由截止转向导通的过程,在此过程中Q1可反抽Q2基区中的过剩载流子,使电路的平均传输延迟时间tpd下降,从而提高了电路的工作速度。
输出级采用图腾柱结构(Q3-D和Q5轮流导通),使电路的功耗较低。
电路的优值(延时功耗积)tpdPD=100pJ。
5
图 标准 54,74(T1000) 系列 TTL 与非门
Vi
R1
4KΩ
R2
R5
130Ω
R3
1KΩ
Q1
D
Q3
Q5
Q2
VCC=5V
V0
6
。由图可见,,输出始终为高电平,当输入端电平>,输出电平开始下降;当输入电平>,输出为低电平(VOL=VCES5)。~,输出电平从B到C,时间由R2/R3决定。
0
1
2
3
4
1
2
3
A
B
C
斜率=-R2/R3
E
V0/V
VOL=VCES5
Vi/V
VB2/V
图 四管单元 TTL 与非门
电压传输特性
VOH
7
由于Q5的集电极与二极管D的负极电位相同,所以在版图设计时,可将Q5和D设计成一个复合管,共用一个隔离岛,如图所示。
Q5-D的复合版图和剖面图
N+
N+
N+
P
P
P+
P+
N-epi
N+-BL
P-SUP
E
B
CD-
CD+
8
54H/74H 五管单元TTL与非门
,由于输出端从低电平向高电平转换的瞬间,从电源经R5,Q3,D到Q5有瞬态大电流流过,因此在二极管D上就有大量的存储电荷,因没有泄放回路只能靠二极管本身的复合而消失,所以使该电路的开关速度受到影响。。
用Q3,Q4构成的达林顿管代替Q3和D。在输出低电平时,由于VCB4=VCE3>0,Q4不会进入饱和,所以Q4导通时基区的存储电荷就会明显减少;另外Q4的
9
Vi
R1
R2
760Ω
R5
58Ω
R3
470Ω
Q1
Q4
Q5
Q2
VCC=5V
V0
R4
4kΩ
Q3
图 54 H74H(T2000) 系列 TTL 与非门
10