信息与通信ttl与非门的设计与仿真Word格式文档下载.docx

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TTL电路于1962年研制成功，它的“与非”门的结构和元件参数已经历三次大的改进。

通常，以电路的速度和功耗的乘积作为优值来衡量逻辑集成电路的性能和水平。

因此，改进TTL逻辑电路“与非”门是从速度和功耗两个方面入手的。

在早期探索提高TTL逻辑电路“与非”门开关速度的过程中，只是采取两方面的措施：

①降低电路中的阻值，因为降低阻值可增加驱动电流。

缩小电路所占的芯片面积，寄生电容也因之减小；

②输出级上推拉管和二极管改为射极跟随器连接法,使TTL“与非”门逻辑电路开关速度成倍提高。

但是在进一步探索提高电路速度时，现晶体管多余载流子的存储效应是一个重要障碍。

这些多余载流子的产生，是由于过驱动电流导致晶体管进入饱和状态，多余的载流子又来不及复合消失，势必存储在晶体管区内。

为了进一步提高开关速度，只有设法使晶体管处于临界饱和状态，避免对晶体管过驱动才有可能消除和避免多余载流子的存储效应。

因此，60年代末至70年代初期，开始在TTL集成电路中采用肖特基势垒二极管，将其并接在电路晶体管的基极和集电极上，终于把电路存储时间大大缩短。

TTL电路“与非”门开关速度进入超高速范围，使带有肖特基势垒二极管的晶体管的开关时间可缩短到1纳秒左右。

第一代TTL逻辑电路“与非”门，它的线路结构有输入级、分相级和输出级。

输入级采用多发射极晶体管，输出级采用简单的推拉输出（包括上推拉管、下推拉管和一个二极管）。

双极型集成电路从DTL电路演变到TTL电路的第一代“与非”门，仅改进了上述两点就使开关速度比DTL逻辑电路高5～10倍，同时也减小了电路功耗。

这些改进大大促进了双极型集成电路的发展。

对于第一代“与非”门，只要改变元件参数就能保持线路结构不变而得到不同等级的速度功耗乘积的门电路系列产品。

TTL电路输入端采用多发射极晶体管，不再象DTL电路输入端二极管组与电平位移二极管那样彼此孤立。

多发射极晶体管具有较大的正向电流放大系数和较小的反向电流放大系数。

电路处于转换过程中，当输入端为低电平时,较大的正向电流放大系数能抽出较大的电流，使原来存储的多余载流子很快消失；

当输入端是高电平时，较小的反向电流放大系数，使多发射极晶体管的反向漏电流最小，不致影响前一级高电平输出。

采用多发射极晶体管时，在多发射极之间须避免出现交叉漏电流。

电路输出级采用推拉输出，有助于减小电路功耗和提高开关速度。

输出上推拉管和二极管代替原输出管负载电阻，构成一个能自动调节阻值的负载，使电路只在转换过程的瞬间输出级才有功耗。

第二代TTL电路“与非”门输出级上推拉管改用射极跟随器形式。

如果射极跟随器的集电极并接集电极，可改变为第二代改进型形式，即输出级上推拉管采用达林顿连接。

达林顿对管连接减小了连线距离。

对管可看成为一个晶体管，其电流放大系数是两个晶体管放大系数的乘积。

对管的输入阻抗是对管中前一晶体管的电流放大系数β1与后一晶体管的输入阻抗的乘积。

第三代TTL电路“与非”门，采用肖特基势垒二极管使线路抗饱和，电路开关速度提高到超高速范围，每级门的信号传递延迟时间约在3～5纳秒。

改进之二是在输出管的基极回路增加了晶体管分流器，分流器是把线路上原来的无源元件电阻，改为有源元件晶体管和电阻。

这种结构有时也称为有源拉开网络。

晶体管分流器参数的选择依电阻的不同比值而定，分为饱和型、非饱和型和浅饱和型三种型式[1]。

目前世界上TTL门电路有多种系列，TI公司最初生产的TTL取名为SN54/74系列，被称之为TTL基本系列。

为了满足提高工作速度和降低功耗的需要，继54/74系列后又相继生产了74H、74L、74S、74LS、74AS、74ALS、74F等改进系列。

74H（High-speedTTL）系列和74L（Low-powerTTL）系列是早期曾经采用过的两种改进系列。

74H系列通过减小电路中各个电阻的阻值缩短了传输延迟时间，但同时也增加了功耗。

74L系列则通过加大电路中各个电阻的阻值降低了功耗，可是有增加了传输延迟时间。

可见，这两种改进系列都不能满足既降低功耗又减少传输延迟时间的要求。

如果用传输延迟时间和功耗的乘积（delay-power-product,简称dp积）表示门电路的综合性能，那么74H和74L系列的dp积并未减小，说明它们的综合性能并未获得改善。

因此，这两种改进系列不久即被淘汰。

74S（SchottkyTTL）系列又称肖特基系列。

通过对74系列门电路动态过程的分析看到，三极管导通时工作在深度饱和状态是产生传输延迟时间的一个主要原因。

如果能使三极管导通时避免进入深度饱和状态，那么传输延迟时间将大幅度减小。

为此，在74S系列的门电路中，采用了抗饱和三极管（或称为肖特基钳位三极管—Schottky-clampedTransistor）。

抗饱和三极管是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,简称SBD）组合而成的。

由于SBD的开启电压很低，只有0.3～0.4V，所以当三极管的b-c结进入正向偏置以后，SBD首先导通，并将b-c结的正向电压钳位在0.3～0.4V。

从而有效的制止了三极管进入深度饱和状态。

采用抗饱和三极管和减小电路中电阻的阻值也带来了一些缺点。

首先是电路的功耗加大了。

其次，导致了输出低电平升高。

为了得到更小的延迟—功耗积，在兼顾功耗与速度两方面的基础上又进一步开发了74LS（Low-powerSchottkyTTL）系列（也称低功耗肖特基系列）。

74LS系列门电路的电压传输特性也没有线性区，而且阈值电压要比74系列低，约为1V左右。

74AS（AdvancedSchottkyTTL）系列是为了进一步缩短传输延迟时间而设计的改进系列。

它的电路结构与74LS系列相似，但是电路种采用了很低的电阻阻值，从而提高了工作速度。

它的缺点是功耗较大，比74S系列的功耗略小一些。

74LS（AdvancedLow-powerSchottkyTTL）系列是为了获得更小的延迟—功耗积而设计的改进系列，它的延迟—功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种。

为了降低功耗，电路采用了较高的电阻阻值。

同时，通过改进生产工艺缩小了内部各个器件的尺寸，获得了减小功耗和缩短延迟时间的双重收效。

此外在电路结构上也做了局部的改进。

74F（FastTTL）系列在速度和功耗两方面都介于74AS和74ALS系列之间。

因此，它为设计人员提供了一种在速度和功耗之间折中的选择。

在过去相当长的一段时间里74LS系列曾经是TTL的主流系列。

有人预测在不远的将来74ALS系列将取代74LS系列而成为TTL电路的主流产品[2]。

1.2目的与任务通过对BJT晶体管入手重点介绍TTL与非门的基本电路，分析该电路的特性及原理，经过软件PSpice10.5仿真，得出TTL与非门的电路逻辑关系、传输延迟时间、噪声容限、输出端接地或接电源和输入负载特性曲线图，并由此分析其曲线所包含的意义，给出合适的优化方案。

2双极型三极管的开关特性因为TTL集成电路中采用双极型三极管（BipolarJunctionTransistor简称BJT）作为开关器件，所以在介绍TTL电路之前要了解一下双极型三极管的开关特性。

2.1双极型三极管的结构一个独立的双极型三极管由管芯、三个引出电极和外壳组成。

三个电极分别称为基极（base）、集电极（collector）和发射极（emitter）。

外壳的形状和所用材料各不同。

管芯由三层P型和N型半导体结合在一起而构成，有PNP型和NPN型两种（图1）。

因为在工作时有电子和空穴两种载流子参与导电，故称这类晶体管为双极型三极管。

图1PNP和NPN两种不同类型的晶体管2.2双极型三极管的输入特性和输出特性若以基极b和发射极e之间的发射结作为输入回路，则可以测出表示输入电压VBE和输入电流iB之间关系的特性曲线（图2）。

这个曲线称为输入特性曲线，由图可见，这个曲线近似于指数曲线。

为了简化分析计算，经常采用图中虚线所示的折线来近似。

图中的VON称为开启电压。

硅三极管的VON为0.5～0.7V，锗三极管的VON为0.2～0.3V。

若以集电极c和发射极e之间的回路作为输出回路，则可测出在不同iB值下表示集电极电流iC和集电极电压VCE之间关系的曲线（图3）。

这一族曲线称为输出特性曲线。

由图可知，集电极电流iC不仅受VCE的影响，还受输入的基极电流iB的控制。

图2双极型晶体管的输入特性曲线输入特性曲线明显地分成三个区域。

特性曲线右边水平的部分称为放大区（或者叫线性区）。

放大区的特点是iC随iB成正比地变化，而几乎不受VCE变化的影响。

iC和iB的变化量之比称为电流放大系数β，即β=ΔiC/ΔiB。

普通三极管的β值多在几十到几百的范围内。

图3双极型三极管的输出特性曲线靠近纵坐标的部分称为饱和区。

饱和区的特点是iC不再随iB以β倍的比例增加而趋向于饱和。

硅三极管开始进入饱和区的VCE值约为0.6～0.7V。

在深度饱和状态下，集电极和发射间的饱和压降VCE（sat）在0.2V以下。

图3中iB=0的一条输入特性曲线以下的区域称为截止区。

截止区的特点是iC几乎等于零。

这时仅有极微小的反向穿透电流ICEO流过。

硅三极管的ICEO通常都在1µ

A以下。

2.3双极型三极管的基本开关电路双极性三极管的基本开关电路（图4），只要电路的参数配合得当，必能做到VI为低电平时三极管工作在截止状态，输出为高电平；

而VI为高电平时三极管工作在饱和状态，输出为低电平。

图4双极型三极管的基本开关电路2.4双极型三极管的开关等效电路根据以上分析，我们可以将三极管开关状态状态下的等效电路画成如图5所示的形式。

由于截止状态下的iB和iC等于零，所以等效电路图画成图5（a）所示。

图5（b）为饱和导通下的等效电路，图中的VON是发射结b–e的开启电压，VCE（sat）和RCE（sat）是c–e间的饱和导通压降和饱和导通内阻。

图5（a）截止状态（b）饱和导通状态2.5双极型三极管的动态开关特性在动态情况下，亦即三极管在截止与饱和导通两种状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因而集电极电流iC的变化将滞后于输入电压VI的变化。

在接成三极管开关电路后，开关电路的输出电压VO的变化也必然滞后于输入电压VI的变化，如图6所示。

这种滞后现象也可以用三极管的b–e间、c–e间都存在结电容效应来理解。

VI图6双极型三极管的动态开关特性2.6三极管反相器由前面分析可得，三极管实际相当于一个反相器（非门），在实际应用的电路中，输入为低电平时，接入电阻R2和负电源VEE，使三极管能可靠地截止，输出为高电平。

输入为高电平时，三极管工作在深度饱和状态，使输出电平接近于零。

如图7所示[3]。

图7双极型三极管反相器3TTL与非门原理电路和参数设定TTL与非门原理电路典型的TTL与非门电路如图8所示。

它由三级组成：

Q1为多发射极晶管完成“与”功能。

Q2为中间放大级，是分相器电路，它的输出（集电极和发射极）驱动由同类管Q4，Q5组成推挽输出级，使它们工作在开关状态。

图8TTL与非门原理电路参数设定二极管的参数IS=5E-14RS=5TT=0.1NS。

晶体管的参数IS=5E-14BF=60RB=60RC=20VAF=60+CJC=4PTF=0.1NSTR=10NS。

4仿真4.1技术支持本文使用了PSPICE10.5对设计的电路进行设计仿真。

PSPICE是由SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。

于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。

PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。

它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。

与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。

被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。

在电路系统仿真方面，PSPICE可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSPICE软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力[4]。

4.2仿真与结果分析4.2.1电路逻辑分析TTL与非门原理电路的输入网单文件（见附录一）。

分析如下：

（1）设VA=0.3V，VB=VC=3.6V，作直流分析，求得电路各节点电位及各管电流（见附录二）。

图9为直流分析时各节点及各管电流标记图。

图9VA为0.3V时，各节点电位和各管电流标记图由附录二计算的数据可知，当VA=0.3V时，VB2=0.3641V，Q2截止，VC2=4.9818V，VE2=0.1846V，因而Q6，Q5截止，Q3，Q4导通，输出Vo=3.7411V。

这表明，电路的输入只要有一个为低电平，输出即为高电平。

设VA=VB=VC=3.6V，作直流分析，求得电路各节点电位及各管电流（见附录三）。

图10为直流分析时各节点电位及各管电流的标记图。

图10VA为3.6V时，各节点电位和各管电流标记图由附录三计算的数据可知，此时VB1=2.2587V，VB2=1.6415V，ic1=ic2=1.962mA，Q2饱和，VE2=0.8533V，VC2=1.0015V。

从而Q6，Q5饱和，Q3导通，Q4截止，输出Vo=0.0541V。

这表明，电路的全部输入均为高电平时输出才为低电平。

以上两点分析表明，该电路可实现与非门。

在输出低电平状态下，iB5=3.124mA，Q5的β=60，最大灌电流可达180多毫安。

4.2.2传输延迟时间分析设VB=VC=3.6V，VA的波形如图11所示，求输出电压Vo及VB2，VB5的波形图，所求波形图12所示。

图13为TTL与非门逻辑波形图。

图11VA的输入波形图12V（5）的波形图图12V（7）的波形图图12Vo的波形图规定输入VA超过1.8V为高电平，低于1.8V为低电平，由PSPICE软件的功能，可以标出。

对输入VA而言，分三段：

（1）；

0～1.50ns为低电平

（2）；

1.50ns～20.50ns为高电平（3）；

20.50～43.50ns为低电平。

规定输出Vo超过2V为高电平，低于2V为低电平，同样可以由PSPICE软件的功能标出。

对输出Vo而言，也分三段：

0～5.25ns为高电平

（2）；

5.25～29.29ns为低电平（3）；

29.29～45ns为高电平。

按传输延迟时间tpd的定义和上述数据可知，tpHL≈5.25–1.50=3.75ns，tpLH≈29.29-20.50=8.79ns，则tpd=（tpHL+tpLH）／2≈6.27ns。

由图可以看出，当输入电压VA从低电平跳变至高电平时，Q1的集电极电流较大使Q2基极电位快速上升，Q2，Q5迅速饱和，因而延迟时间tpHL很短。

当VA从高电平跳变到低电平瞬间，Q1处于放大状态，其较大的集电极电流是Q2的反向基极驱动电流，使Q2快速从饱和转为截止，VB2迅速降至低电平。

但Q5基区存储的大量电荷尚来不及消散，故在一段时间内其发射结仍为正向偏压（VB5大约为0.57V左右），Q6的集电极电流是Q5的反向基极驱动电流，该电流较小，故Q5由饱和转为截止所用时间相对较长，Vo上升亦缓一些。

图13TTL与非门逻辑波形4.2.3噪声容限分析设VA为直流扫描电压，求得电路的直流传输特性如图14所示图14直流电压传输特性曲线由图可知，输出高电平VOH=3.741V,输出低电平VOL=0.054V（可由PSpice的仿真后出现的页面上的Togglecursor按钮和MarkLabel按钮标出，因为输出端负载较轻，故Q5饱和很深，VOL很小）。

按定义和产品规范，VOH，min=2.4V，VOL，max=0.4V。

Von是指使电路输出端处于低电平状态所允许的最小输入电压，Voff是指使电路输出端处于高电平状态所允许的最大输入电压，因此可得Von≈1.37V，Voff≈1.21V，则低电平噪声容限电压VNL=Voff—VOL，max=1.21–0.4=0.81V；

高电平噪声容限VNH=VOH，min–Von=2.4–1.37=1.03V。

图15集电极电流ic4随输入电压VA的变化曲线图15集电极电流ic5随输入电压VA的变化曲线图15示出了晶体管Q4，Q5，集电极电流ic4，ic5随输入电压VA变化曲线。

很明显，在电路输出状态变化时，Q4，Q5会同时导通，产生较大的集电极流。

因此，TTL与非门在开关工作时不但要考虑它的静态功耗，而且要注意动态功耗。

4.2.4输入端负载特性TTL与非门在实际应用时其输入端有时要经电阻接地，该电阻大小会影响输入端电压VA和输出电压Vo。

VA与电阻R之间的关系曲线习惯上称为输入负载特性。

计算得到的输入端负载特性和输出电压Vo的特性如图16所示。

很明显，在电阻R较小时，VA随R的增加近似于线性上升。

此时，VA较低。

VO保持高电平（3.762V）不变。

当R>

406Ω后，VA已足够大，因而VO随R的增加而下降，当R≈1.180kΩ时，VO≈2.4V（即VOH，min），该电阻既是关门电阻Roff，Roff≈1.180kΩ。

当R≈1.66kΩ时，VO≈0.4V（VOL，max），该电阻既是开门电阻Ron，即Ron≈1.66kΩ。

图16输入端负载特性4.2.5输入端接地或接电源分析如果在使用时误将TTL与非门的输出端接地或接电源，当输入电压VA从0增至3.6V时可求出Q4，Q5集电极电流ic4，ic5特性曲线分别如图17和图18所示。

由图可以看出，当输出端接地时，若VA为低电平，Q4发射结加有很大正向偏压，ic4可达50.7mA，其功耗很大。

类似地，当输出端接正电源时，