雙極積體電路
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按功能可分為數字積體電路和模擬積體電路兩類。在數字積體電路的發展過程中,曾出現了多種不同類型的電路形式,典型的雙極型數字積體電路主要有電晶體-電晶體邏輯電路(TTL),發射極耦合邏輯電路(ECL),集成注入邏輯電路(I2L)。TTL電路形式發展較早,工藝比較成熟。ECL電路速度快,但功耗大。I2L電路速度較慢,但集成密度高。同金屬——氧化物——半導體積體電路相比,雙極型積體電路速度快,廣泛地套用於模擬積體電路和數字集成電路。
雙極型積體電路的特點是:工作速度高,易於做成大規模積體電路,功耗低等。雙極型積體電路的兩種形式:TTL集電極開路門(OC門)和三態門。
OC門
(1) OC門的工作原理
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將TTL與非門中的VT3、VD4去掉,就得到集電極開路(Open Collector)門,如圖1所示。由於VT5的上拉部分VT3、VD4去掉,VT5將不能得到高電平,為此OC門在工作時必須在輸出端與電源之間接一個電阻,這個電阻稱為上拉電阻。
由於上拉電阻的接入,又給OC門帶來一些特點,主要是OC門的輸出端可以並聯。這在標準TTL系列的推拉式輸出級是不允許輸出端並聯的,例如二個邏輯門的輸出端並聯,一個是高電平輸出,另一個是低電平輸出,因為處於開態的輸出管電阻很小,從另一個門就會有很大的拉電流流出,灌入處於開態的輸出管中。從而使輸出低電平電壓值超出規定的邏輯電平,最後門的輸出即不是高電平,也不是低電平,在雙值邏輯系統中出現這種情況是不允許的。
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(2)OC門的邏輯功能
OC門的特點是能實現“線與”功能,可以節省門數,減少輸出門的級數,它可套用在數據匯流排上。當每個OC門只要有一個輸入端為低電平時,OC門的輸出均為高電平。
當幾個OC門的輸出端連在一起時,圖2中給出了三個OC門連線的情況。門G1的輸出
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上述邏輯關係的獲得,並不需要增添很多元件,只外接一個負載電阻即可,因而
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(3)集電極負載電阻的確定
RC的值大小合適,OC門連在一起才能正常工作。RC的數值可以在很大的範圍之間選擇,一般可以在1kW~100 kW。RC選取較小值,輸出的上升沿較小;選取較大值,輸出的上升沿較大,需要根據實際需要進行確定。
三態門
三態與非門與一般與非門不同,它的輸出端除了可以出現高電平、低電平外,還可以出現第三種狀態——高阻狀態,或稱禁止狀態。
(1)三態與非門的結構和工作原理
圖3(a)的右半部分就是一個與非門,左半部分是一個非門,非門的輸入端是, (Enable)稱為使能端,在本電路中是低電平有效。當=0時,左側的非門輸出一個高電平給右側的與非門。這時,二極體VD截止不起作用,右邊的與非門將按照與非的邏輯關係把輸入信號uI1和uI2傳送到輸出端,即當=0時,。當=1時,應該是第三種高阻狀態。=1使非門輸出一個低電平給與非門,與非門的輸入端有一個是低電平,這個低電平,應該使與非門輸出高電平,即與非門輸出級的VT′5是截止的。這時只要將與非門輸出級的上拉部分截止,就可以獲得VT′3和VT′5都截止的高阻狀態。非門輸出低電平,二極體VD導通,這時U′b3≈1V,所以VT′3和VD′4截止。這時從輸出端看進去,VT′3、VD′4和VT′5均截止,電路處於高阻狀態。
因此我們把三態門按與非邏輯功能工作的狀態叫作三態門的工作狀態。左邊的非門叫作三態門的控制部份,使能端可以是低電平有效,也可以是高電平有效,這在邏輯符號上有一些不同,見圖18-3-3(b)。圖18-3-3(b)上面一個是使能端=0為工作狀態;下面的一個是使能端EN=1為工作狀態。圖18-3-3(a)的電路對應的是使能端低電平為工作狀態。
現行國標三態門的邏輯符號,在輸出端框線線內側加一個等邊三角形,一角向下。EN為使能端,有空心小圓者,代表EN低電平使能;無空心小圓者,代表EN高電平使能。高阻狀態常用字母Z表示。
(2)三態門的套用
三態門在數字電路中是一種重要的器件,它大多掛接在一組匯流排(Bus)上,以實現不同數字部件之間的數據傳輸,見圖4。
圖4(a)的電路可實現數據的雙向傳輸,當控制端C=0時,三態門G1工作,G2高阻,數據由A傳輸到B。當C=1時,G2工作,G1高阻,數據由B傳輸到A。圖4(b)是數據的匯流排傳輸方式,若干個三態門掛在一條傳輸線上,其中一個是工作狀態,其餘的是高阻狀態,這樣數據就可以向接收端傳輸。這些三態門採用分時的工作方式,可以使用同一條傳輸線傳輸數據。如果這些三態門具有雙向功能,每一個三態門既可以傳送數據,也可以接收數據。
三態門的特點是輸出端除了高電平、低電平兩種狀態外還有第三種狀態:高阻狀態或禁止狀態。