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晶体管-晶体管逻辑

2018-08-21 09:45:45     所属分类:数字电子
基于摩托罗拉 68000微处理器的计算机,在面包板上可看到各种TTL元件

晶体管-晶体管逻辑英语:Transistor-Transistor Logic,缩写为TTL),是市面上较为常见且应用广泛的一种逻辑门数字集成电路,由电阻器和晶体管而组成。TTL最早是由德州仪器所开发出来的,现虽有多家厂商制作,但编号命名还是以德州仪器所公布的资料为主。其中最常见的为74系列。

与TTL分庭抗礼的是CMOS,旧时两者相比较TTL主要是速度快,CMOS则是速度慢,但省电、成本比TTL低。随着CMOS技术的进步,其反应速度已经超越TTL。而且CMOS内部不具有制作麻烦的电阻,所以TTL可说几乎没有发展。目前TTL主要应用于教育或是较简单的数字电路。

目录

  • 1 内部主要构成元件
  • 2 74系列与54系列
    • 2.1 以内部结构区分
      • 2.1.1 TTL各系列典型消耗功率与传输延迟的比较
    • 2.2 以输出型态分类
    • 2.3 代表性IC
  • 3 TTL电压准位
    • 3.1 使用标准供电电压5V的TTL电压准位规范
  • 4 使用注意事项
  • 5 相关

内部主要构成元件

7400元件

TTL最主要是由N组电阻、晶体管、二极管构成的偏置电路所组合出来,在线性放大器的角度来看就是数个CE(共发射极)电路或是CC(共集电极)电路所组成。当然这只是比喻并非实际,毕竟在数字逻辑的世界就是只有0跟1,也就是关或开。

74系列与54系列

7400电路图

74系列为民用品,可工作于商用温度范围(0至70度C),是一般TTL逻辑电路中最常见的系列,在数字逻辑或是微处理机的相关课程更是少不了它们的存在。

54系列为军用品,可工作于军用温度范围(-55至125度C),用于具有特殊工作需求的地方。

74系列TTL IC的分类如下:

以内部结构区分

  • 标准型
结构跟构成的材料最简单,相对的特性也是不理想,所以此类型已经被淘汰多时。无英文简写,范例:7400。
  • 早期的低功率型与高速型
    • 低功率型,(英文 Low Power简写“L”),耗电低,但速度慢。范例:74L00。
    • 高速型,(英文 High Speed简写“H”),速度较快,输出较强,但耗电高。范例:74H00。
由于 S 型耗电与 H 型相近,但速度极快。 LS 型的耗电与 L 型相近,但速度却快很多,甚至比 H 型还快。 因此 L 型与 H 型很快就退出市场。
  • 肖特基(Schottky)
除了电阻器一样是做控流跟偏置用途,肖特基型最主要是采用肖特基二极管肖特基晶体管,改善切换速度。在市面上跟教育单位非常普及,特性也很不错,常常被用来搭配Intel 8051使用。LS型逐渐成为TTL中的主流。
  • 肖特基型(英文 Schottky Logic,简写“S”),范例:74S00。
  • 高级肖特基型(英文 Advanced Schottky Logic,简写“AS”),范例:74AS00。
  • 低功率肖特基型(英文 Low Power Schottky Logic,简写“LS”),范例:74LS00。
  • 高级低功率肖特基型(英文 Advanced Low Power Schottky Logic,简写“ALS”),范例:74ALS00。
  • 快速(英文Fast,简写“F”)
快速型是有别于肖特基型所另外发展的高速TTL,范例:74F00。
  • CMOS(英语:Complementary Metal Oxide Semiconductor
虽然此类型的编号与接脚规格跟TTL一样,但内部的实际结构是CMOS,而不是TTL所使用的接面晶体管。此系列具有CMOS的高输入阻抗特性与低耗电,但工作电压范围有别于先前RCA所发展的40跟45系列的CMOS逻辑IC。除早期的C系列外,此类CMOS的运作速度非常快。
  • CMOS,英文简写“C”,范例:74C00。
  • 高级CMOS(英文 Advanced CMOS Logic,简写“AC”),范例:74AC00。
  • 高速CMOS(英文 High Speed CMOS Logic,简写“HC”),范例:74HC00。
  • 高级高速CMOS(英文 Advanced High Speed CMOS Logic,简写“AHC”),范例:74AHC00。

TTL各系列典型消耗功率与传输延迟的比较

系列 型号 特徴 消耗电力(mW/Gate) 传输延遅 tpd(nsec)
标准TTL 74 1962年商品化初期的标准品 10 10
低功率TTL 74L 初期的低消耗电力产品。但速度慢。 1 35
高速TTL 74H 初期的高速暨高输出TTL。但消耗电力大。 20 6
肖特基TTL 74S 使用肖特基二极管与肖特基晶体管的高速TTL 20 3
低功率肖特基TTL 74LS 1970年代后半至80年代前半的主流TTL 2 10
先进(Advanced)LS-TTL 74ALS 1980年代中期推出的LS-TTL改良品 1 4
先进(Advanced)S-TTL 74AS 1980年代中期推出的S-TTL改良品 20 1.5
快速型FAST 74F 1980年代中期由Fairchild公司发售的高速肖特基TTL 4 2.5

以输出型态分类

  • 图腾式输出(Totem-pole Output)
大部分74系列的组合逻辑IC,都是采用图腾式输出。此种输出可以输出高电位与低电位。被称为图腾式则是因为电路形式像图腾一样配置。
  • 开集电极式输出(Open Collector,简称O.C.)

此种输出不能输出高电位,输出只有开路与低电位两种状态。

可以承受较高的电压或与不同工作电压的电路连接。 有时开集电极式输出可用来应付比较重的负载(例继电器)。
可以允许多个开集电极式逻辑输出进行并联,作为Wired-AND使用。图腾式的逻辑门输出不能并联连接。
  • 三态式输出(Tri-state或3-state)
在数字电路除了0跟1以外,另一种状态则是高阻抗,高阻抗对电路来说即是断路。主要是用于总线(bus)等。
  • 史密特触发型输入(Schmitt Trigger)
此类型逻辑门具有所谓的迟滞电压,不易因为输入在0/1交界电压附近的小幅变化而产生输出跳动,主要用途是抗噪声、消除机械式接点的弹跳(暂态)现象,也可用来做RC振荡器等。

代表性IC

  • 与非门(NAND):7400、7410、7412、7420、7430
  • 或非门(NOR):7402、7427
  • 非门(NOT):7404、7414
  • 与门(AND):7408、7411、7421
  • 或门(OR):7432
  • 异或门(XOR):7486
  • 同或门(XNOR):74266
  • 缓冲闸(Buffer):7407、74244
  • BCD(十进制)转七段数码管解码器:7447、7448
  • 全加器(Full Adders):7483、74283
  • D型栓锁器(D-type Latches):74373
  • 异步计数器(Asynchronous Counter):7490 (十进制,Decade)、7492(十六进制)

TTL电压准位

使用标准供电电压5V的TTL电压准位规范

  • 输入电压准位
    • Hi输入电压:2.0V以上
    • Low输入电压:0.8V以下
  • 输出电压准位
    • Hi输出电压:2.4V以上
    • Low输出电压:0.4V以下
  • 由以上规范可以算出:前一级输出至次一级输入电压准位间,可以容忍的噪声边际电压是0.4V。

使用注意事项

  1. 避免在带有静电的情况下接触IC
  2. TTL的电源电压要5V,建议最低不低于4.75V,最高不高于5.25V
  3. 若输入端空接,逻辑门会把输入端视为HI的状态
  4. 注意第一只脚的位置,以免错接
  5. 若某一逻辑门的输出要并接许多负载或是逻辑门,最好先装缓冲器或是提升电阻,以免发生负载效应

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