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大多數的邏輯閘，如AND、OR及NOT都建造在IC上，常見的包裝有圓型(TO-5)，平面型(FLAT PACK)及並排式 ... (4)TTL(Transistor Transistor Logic)電晶體、電晶體邏輯 第四節：邏輯閘學習進階 １.２.３.４.５.摘要.習題 小節內容 一、IC的包裝 二、邏輯族類 三、邏輯族之IC四、TTL邏輯族 五、積體電路分類 一、IC的包裝 　　大多數的邏輯閘，如AND、OR及NOT都建造在IC上，常見的包裝有圓型(TO-5)，平面型(FLATPACK)及並排式包裝(DIP)，但是以並排式包裝使用最為普遍。

封緘在IC中的是一小塊的矽晶片，在矽晶片上有利用特殊方法製成的電阻、二極體和電晶體。

這些縮小的零件包裝而成簡單的閘。

在相同的晶片上，多經幾道手續就可以製造成更為複雜的邏輯函數，或是幾個分立的閘。

閘的輸入和輸出接腳在內部已經接好，然後拉出到外頭以做為各閘間的外部接腳。

為了指出各外部接腳的作用，各接腳都編有號碼。

而且IC的製造廠家更進一步用接線圖加以表示（如圖3-6）。

IC通常安裝在電路板上，用接線或印刷電路將IC接成一個完整的電路，此電路能執行本章已提過的一些功能。

和AND、OR、NOT等邏輯閘一樣，其他的電子零件，如電阻、電容等也可裝在這種電路板上。

圖3-6數位IC電路表示 二、邏輯族類 Top 　　要把基本邏輯閘學好，就必須研究構成這些元件的IC所具有的物理特性。

而這些特點也就是IC分類的根據，依據這種分類而得的IC族類稱為邏輯族。

邏輯族的英文為Logic families。

　　每一種邏輯族包括一些基本邏輯閘，其種類與數量則依其受使用者歡迎的程度而有不同。

在同一族內，所有的邏輯元件都有相同的邏輯位準；但各族間的邏輯位準則會有不一樣。

三、邏輯族之IC 　　積體電路的英文為IntegratedCircuits，簡稱為IC，它是把所有的電晶體、電阻、二極體和其他的元件，安放在一個晶片上，然後將此晶片包裝成各種不同的形狀而成的。

現在我們將把用在IC分類上的幾個名詞下一定義。

　　IC有兩種基本的形式-即雙極性（bipolar）和金氧半導體。

其不同點在於基底上電晶體形成的不同。

金氧半導體的英文為MetalOxide Semiconductor，縮寫為MOS。

雙極性IC和金氧半導體IC主要之不同為： 　　(1)雙極性IC須在某一特定電壓值下工作，消耗的功率較多；但工作效率較快。

　　(2)MOSIC可工作在3~18V的任一電壓值，功率消耗小；但工作速度較慢。

　　(3)MOS電路的製作較簡單，可以把很多的電晶體放在同一晶片上，因此能夠做出更複雜的電路， 　　　這是MOS電路的主要優點。

　　(4)CMOSIC不如MOSIC之緊湊，但消耗的功率比任何MOS電路都低。

1.基本邏輯族介紹 基本的邏輯族大致分為下列數種： (1)RTL(ResistorTransistorLogic)電阻、電晶體邏輯 (2)RTCL(ResistorTransistorCapacitorLogic)電阻、電容、電晶體邏輯 (3)DTL(DiodeTransistorLogic)二極體、電晶體邏輯 (4)TTL(TransistorTransistorLogic)電晶體、電晶體邏輯 (5)ECL(EmitterCoupleLogic)射極耦合電容 (6)CMOS(ComplementlyMOS)互補式MOS (7)HTL(HighThresholdLogic)高臨界邏輯 下表為各種邏輯族之特性介紹： 名稱 特性 RTL 1.最早期發展的電路。

2.易受雜訊干擾(0.8V↑為Hi、0.5↓為Lo)，雜訊邊界小。

RTCL 1.改善RTL速率、功率。

2.所增加的電容可改善暫態響應。

3.高阻抗電阻與高電容量電容不易製造於積體電路中，會使整體體積大幅增加。

DTL 1.開始採用+5V標準電壓。

2.提高抗雜訊能力。

3.扇出數(fanout)約在6~8之間。

4.※扇出數為輸出端可推動的同級輸入元件數目。

工作速度約為5MHz。

TTL 1.目前運用最廣的邏輯電路。

2.使用多重射極當輸入。

3.採用圖騰柱輸出(Totem-poleoutput)，提高輸出電流，同時也增加了扇出數。

4.低輸入阻抗，輸出轉換時間快。

5.採用+5V標準電壓(+5V×5﹪，+4.75V~+5.25V)。

6.邏輯準位VOL=0V~0.2V，VOH=3.5V~3.8V IOL=-16mA，IOH=400μA 工作速度約為30MHz~60MHz。

ECL 1.以差動放大器為基本結構。

2.邏輯電路中唯一非電壓飽和型者。

3.工作效率最快(因為非飽和型可以不必等到電壓飽和到達最高的高準為，或是放電到最低的低準位時才動作)。

4.消耗功率最大。

易受干擾(抗雜訊能力為七種基本邏輯電路中最小)。

CMOS 1.電路架構是用N通道與P通道增強型MOSFET組成。

2.消耗功率最小(一般都用來設計為超大型積體電路的內部邏輯電路)。

3.具有靜態與動態電路消耗功率之分，靜態時幾乎不消耗任何功率。

4.抗雜訊能力僅次於HTL。

5.使用電源電壓(VDD)分為+3V~+15V或是+3V~+18V。

6.邏輯準位ViH=0.7VDD，VOH=VDD ViL=0.3VDD，VOL=0V 7.抗雜訊能力為：高階VNH=VOH–ViH=0.3VDD 低階VNL=ViL–VOL=0.3VDD 8.扇出數>=50，根據公式計算最大可達1000(由於許多外在環境因素考量，一般將扇出數設定在50)。

9.工作頻率愈高，扇出數就愈小。

10.工作速度慢(傳遞延遲時間約為30ns，其工作頻率最高約為10MHz)。

11.易受靜電干擾導致電路受損。

靜態時接腳電位需確定(接1或接0)，否則邏輯準位無法判定。

HTL 1.抗雜訊能力最高。

2.電路製成複雜已逐漸被淘汰。

2.各邏輯族電路介紹 　a.RTL 　　如下圖所示，RTL是以電晶體和電阻所構成的電路。

　　當A點輸入電壓大於0.6V~0.7V，也就是0.8V↑，即視為Hi，電晶體就會導通，輸出為0。

　　若A點輸入電壓小於0.6V~0.7V，也就是0.5V↓，即視為Lo，電晶體不導通，輸出電壓為1。

　　這樣的電路設計理論上可以達到NOT閘的邏輯運算功能，實際上也能做到，但是，由於其抗雜訊能力只有0.8V–0.5V=0.3V，易受雜訊干擾，所以，現在的電路幾乎不用這樣的設計方式。

　b.RCTL 　　如下圖所示，對照RTL電路可以發現，RCTL只是在基極電阻上加了一個電容，可以改善RTL的速度，同時，電容也能夠改善雜訊問題，不過，由於在積體電路上製造電容會使電路體積大幅增加，不適用在電路愈做愈小的積體電路上，所以，現在的電路也幾乎不用這樣的設計方式。

　c.DTL 　　如下圖所示，DTL電路是以二極體和電晶體所構成的電路。

　　前半段的D1、D2、R1正好為第二節所介紹的AND閘內部電路，而後面的電路是一個反相器，所以下圖電路唯一個NAND運算的邏輯電路。

　　D3主要是抗雜訊用，而以二極體加上電晶體，不僅能提高電路抗雜訊能力，還能藉由電晶體的集極輸出電流來增加電路扇出數。

　d.TTL 　　TTL是目前使用最為廣泛的邏輯閘電路，輸入輸出部分皆使用電晶體作為電路主體，Q1的射極作為輸入端，射極到集極可視為如DTL電路上的電晶體，Q2的基極到射極可視為如DTL上的抗雜訊二極體，而輸出部分採用圖騰柱輸出，可提高輸出電流，進而提高扇出數。

　　TTL的另外幾種電路設計方式： 　　非圖騰柱輸出，如下圖所示： 　　開集極輸出，如下圖所示： 　e.ECL 　　如下圖所示，ECL的電路基本架構為差動放大器，有兩個互補輸出，由於差動放大器是以兩個電晶體基極間的差做為放大的輸入訊號，所以，只要有雜訊就會被放大，甚至放大到足以干擾邏輯判斷的邏輯準位，所以，ECL邏輯電路結構是所有邏輯電路設計中，最容易受雜訊干擾的一種，可是，速度是最快的，相對的，所耗的功率也最大。

　f.CMOS 　　如下圖所示，CMOS邏輯電路是由對稱性增強型MOSFET所構成，設計上較為方便，且抗雜訊能力高，扇出數(FANOUT)也大，唯一 的缺點就是速度較慢，且容易受靜電干擾而被破壞。

CMOS是近年來數位邏輯電路中，最廣為被使用在積體電路設計方面的邏輯電路。

3.基本邏輯族比較 　(1)扇出數：如下表所示： 扇出數 RTL 5 DTL 8 TTL 10 ECL 25 CMOS 50以上 　(2)消耗功率：ECL>TTL>DTL>RTL>CMOS。

　　　　　　　※消耗功率愈高，其工作速度愈快。

　(3)抗雜訊能力：CMOS>TTL>DTL>ECL。

四、TTL邏輯族 Top 　　由於TTL是目前最常被使用的邏輯電路設計方式，而TTL又可分為許多種不同的電路結構與型別，以下針對TTL加以介紹。

　　TTL分類： 名稱 工作速度 消耗功率 標準型TTL (StandardTTLSN7400系列) 30~40MHz 10mW 高速型TTL (High-SpeedTTLSN74H00系列) 60MHz 100mW 低功率消耗型TTL (Low-PowerTTLSN74L00系列) 3~5MHz 2mW 蕭特基型TTL (SchottkyTTLSN74S00系列) 120MHz 22mW 低功率蕭特基型TTL (Low-PowerSchottkyTTLSN74LS00系列) 60MHz 2~3mW 　　工作速度： 　　　　蕭特基型>高速型、低功率蕭特基型>標準型>低功率型 　　消耗功率： 　　　　高速型>蕭特基型>標準型>低功率蕭特基型>低功率型 　　TTL族系又分為54系列與74系列兩種，兩者之間差別在於溫度不同。

　　　　商用(74××)：0℃~70℃ 　　軍用(54××)：-55℃~125℃ 五、積體電路分類 Top 　　IC常依其複雜性而分類，本來在一個IC晶片上只能製造幾個"邏輯閘"，現在已發展到在一個晶片上，可製造好幾百、幾千個"邏輯閘"，並且能在IC晶片上，製造新的邏輯電路。

因此又有：中型IC(Medium scaleIC)，大型IC(LargescaleIC)，及VLSI等名詞之出現，這些名詞用以表示IC的複雜程度。

這些名詞在定義上，並無統一的規定。

現在依據每一晶片上的"邏輯閘"數，把IC之複雜性分為四級： (1)小型IC(SSI)： 　　SSI是由英文SmallScaleIC簡稱而來的，指少於12個"邏輯閘"的IC。

包括AND等的邏輯閘。

(2)中型IC(MSI)： 　　MSI是由英文MediumScaleIC簡稱而來的，指具有12個～100個"邏輯閘"的IC，這種電路通常包括計數器、解碼器、移位暫存器等。

(3)大型(LSI)： 　　LSI是由英文LargeScaleIC簡稱而來的，指多於100個"邏輯閘"以上的IC。

這種電路本身已足以執行一完整的功能。

例如在計算器內必須具有的算術功能；多位元資料之儲存；或顯示器系統中，所使用的文數字元(alpha-numberic characters)產生器等。

(4)超大型IC(VLSI)： 　　VLSI是由英文VerylargeScaleIC簡稱而來的，微處理器等屬於這類。

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