集成电路计数器

上篇我们讲到，双稳态触发器是计数器的基本单元，上篇图1所示的双稳态触发器，由晶体管、电阻、电容等分立元件组成。随着电子技术的发展，集成电路的使用日益广泛，本文所要介绍的计数器是由数字集成电路构成的。数字集成电路，是一种具有运算功能的集成电路（简称数字电路），这类电路的输入、输出之间遵循一定的规律，表现出各种逻辑关系，也就是说，电路本身具备一定的逻辑功能，所以数字集成电路也称为逻辑电路。

逻辑电路包括基本门电路和多功能逻辑电路。基本门电路有“与”“或”、“非”“与非”“或非”等门电路；多功能逻辑电路有如触发器、译码器、寄存器等等。多功能逻辑电路也可以由基本门电路组成，如触发器，起初用“与非”门电路组合起来构成，近年来将这种组合集成单片，就形成了单片多功能触发器，如J—K触发器、D触发器等，它们的工作原理和门电路组成的触发器相似。所以，为了弄清集成电路计数器和组成计数器的触发器原理，让我们从基本门电路谈起。此外，计数器的译码部分和显示驱动部分也都要用到门电路。

本刊1975年第5期“基本逻辑电路浅介”一文中，已对门电路的一般知识作过介绍，为了对它们有一个概括的了解，并便于比较，图1列出了几种最基本的逻辑门电路。

分析图1可知，所谓“门”电路，就是人们用来控制“开”和“关”的机构，它能按照一定的条件去控制信号“通过”或“不通过”、控制电位“高”或“低”、控制脉冲“有”或“无”。目前普遍使用的是TTL“与非”门电路，其它各种门电路，亦可由“与非”门电路组成，如图2所示。所以下面我们重点分析一下TTL“与非”门电路。

所谓TTL是指晶体管—晶体管逻辑电路，这是一种输入端是晶体管、输出端也是晶体管的逻辑电路，在电路中，用晶体管与晶体管的直接耦合，代替分立元件通常采用的阻容耦合，具有较高的开关速度和负载能力。TTL与非门电路的工作原理，可用图3a来说明，它的基本部分仍然是“与”和“非”这两部分。用一只多发射极晶体管T\(_{1}\)形成“与”逻辑，用反相器T2完成“非”逻辑。多发射极晶体管T\(_{1}\)有五个发射极，它的工作原理和普通晶体管是一样的，它的基极和每一个发射极之间形成了一个PN结，基极为正极，发射极为负极。所以五个发射极与基极间，相当于五个正极连在一起的二极管（如图3b），对输入和输出为高电平来讲，它们组成“与”逻辑。

若图3a中A、B、C、D、E全部输入为高电平“ 1”，则T\(_{1}\)发射结反偏置，集电结正偏置。因此电流Ib1经R\(_{1}\)流过T1的集电结而注入T\(_{2}\)的基极，形成T2的正向基流，使T\(_{2}\)管饱和，输出端Q为低电平“0”。而输入端没有电流流过，这相当于输入端与内部电路隔离。当输入端中有一个或几个从高电平“ 1”变成低电平“0”时，例如A变成“0”，则发射结b1A正偏置，这时，就有一股电流经R\(_{1}\)流向b1A，同时集电结也正偏置，根据晶体管的电流放大作用，T\(_{1}\)的集电极c1将有一股电流βI\(_{b1}\)从c1流向发射极A。这里体现出多发射极晶体管和二极管的不同，这段电流对T\(_{2}\)管来说，恰好是一反向基流，其大小为Ib1的β倍（β是T\(_{1}\)管的放大倍数），能很快抽掉T2管饱和时基区的多余存贮电荷，T\(_{2}\)管很快由饱和变为截止，加快了开关速度，输出端Q迅速地变为高电位“1”。

从图3a知，全部输入为“1”时，T\(_{2}\)通导；有一个或多个输入为“0”时，T2截止。

典型的TTL“与非”门电路如图4所示。图中T\(_{1}\)和T2的作用仍如图3a所示的一样，T\(_{2}\)和电阻R2、R\(_{3}\)组成反相放大器，它的集电极c2和发射极e\(_{2}\)的电压相位相反。所不同的是加入了T3、T\(_{4}\)组成的射极跟随器（两级跟随器）和T5组成的反相器。大家知道，射极跟随器具有高的输入阻抗和低的输出阻抗，因而能起隔离前后级影响的作用，并且能对负载提供出较大的电流。图3a的电路，由于当T\(_{2}\)由通导变为截止时，T2如同断开一样，输出阻抗较高，电源电压只能通过R\(_{2}\)对负载（假定为电容）充电，因而使输出波形上升边较差， 这当然会影响开关速度。加进射极跟随器T3和T\(_{4}\)之后，就能用低输出阻抗和用较大的输出电流对负载电容充电，提高了上升速度，从而改善了输出波形的上升边沿。而当T2由截止变成通导时，由于I\(_{e2}\)增大，Ve2（亦即V\(_{b5}\)）升高，使T5的基极电位V\(_{b5}\)提高，T5导通，由于注入T\(_{5}\)基极的电流很大，T5饱和速度很快，饱和内阻很小，呈现很低的输出阻抗，可以使图中虚线所示的负载电容迅速放电，从而使输出电压的下降沿很好。由此可见，反相器T\(_{5}\)和跟随器T3、T\(_{4}\)串接在一起，组成了互补输出电路，综合了射极跟随器和反相器的优点。当多个输入端中有一部分为低电位因而T2由通导变为截止时（此时c\(_{2}\)点为高电位），输出级工作于射极跟随器状态，即跟随器通导，反相器截止，Q点电压迅速上升，上升边沿好，供出电流能力强；当T1输入全部为高电位因而T\(_{2}\)由截止变为通导时，输出级工作于反相器状态，即反相器饱和、跟随器截止，Q点电压迅速下降，下降边沿好，允许灌入的负载电流较大。两者合在一起，就可以使输出电压波形在上升时间和下降时间边沿都很好。

TTL与非门电路的上述内部结构，决定了它外部表现出的逻辑功能。在实际运用中，可将输入、输出间的逻辑关系，编成顺口溜，更便于理解和记忆：“输入全高，输出才低；输入有低，输出为高。”还有一句：“悬空为高，接地为低。”说明输入端悬空和接地时的电位高低。

为了进一步定量说明TTL与非门在开关线路里是怎样工作的，首先让我们来分析一下它的电压传输特性，就是输入电压从零逐渐增加到高电平时，输出电压的变化特性。电压传输特性曲线如图5所示，从图中看出：

（1）当输入电压V\(_{sr}\)=0附近时，与非门电路处于截止状态，叫做“关”门。这时，输出为高电平Vcg。输出电压V\(_{sc}\)=Vcg≥3.2伏，3.2伏为输出高电平下限。

（2）当输入电压V\(_{sr}\)≥1.8伏时，与非门电路处于通导状态，叫做“开”门。这时，输出为低电平Vcd。输出电压V\(_{sc}\)=Vcd≤0.35伏，0.35伏为输出低电平上限。

（3）通常对这一类TTL与非门电路，都规定：输出电压V\(_{sc}\)=2.7伏时的输入电压叫做关门电平Vg，V\(_{g}\)≥0.8伏是合格的。这个参数表明，这类与非门只要输入电平小于0.8伏，其门一定是“关”的。

（4）对这类TTL与非门电路还规定：V\(_{sc}\)=0.35伏时的输入电压叫做开门电平Vk，V\(_{k}\)≤1.8伏是合格的。这个参数表明，这类与非门电路只要输入电平大于1.8伏，其门一定是“开”的。

综上所述，可见这类与非门电路在输入电平≤0.8伏时一定是“关”着的，在输入电平≥1.8伏时，门一定是“开”着的。电压传输特性也就是从数量上表明与非门电路输入、输出电压相互之间的关系，也是使用与非门电路应该了解的常识。

在实际运用中，门电路常是前后级连接着的。显然，关门电平减去前级的输出低电平（譬如0.8伏—0.35伏=0.45伏），表征这一级与非门电路处于关门状态时的直流抗干扰能力（干扰电压大于0.45伏，电路就可能开门而通导，正常工作状态被破坏，预定的逻辑关系失灵）。抗干扰能力当然大一点好，这就要求关门电平大一点，前级输出低电平小一点。

同样道理，前级的输出高电平减去这一级的开门电平，表征这一级与非门电路处于开门状态时的直流抗干扰能力。这就要求开门电平小一点，前级输出高电平大一点。由图5可以看出TTL电路的抗干扰能力不是很强的。

使用TTL与非门电路时需要了解的第二个方面，是前后级的搭配问题。往往在实际使用中发生这种情况，单独作与非门来说是好的，前后串接起来后，工作不正常，这就是电参数分散造成的。关于前后级搭配需明确的基本问题有三个。

（1）当输入端接在低电平时

输入电平实际上是由前级的输出电平决定的。前级输出处于低电平时，本级输入端就要向前级灌入电流，这个电流叫输入短路电流Ird，这时本级门电路处于截止状态。输入短路电流是灌入前级T\(_{5}\)管的负载电流，Ird大了，前级门电路中晶体管T5的饱和深度就会降低，饱和压降就要升高，因为已规定T\(_{5}\)的饱和压降不允许超过输出低电平的上限0.35伏，因此Ird关系到前级门电路所能驱动的负载个数。为使前级能带动较多的同类门电路，Ird应尽量小。一般规定Ird≤1.5毫安。

（2）当输入端接在高电平时

对于接在高电平的输入端T\(_{1A}\)，将有两股电流从前级流进来，如图6所示，一股电流I1自T\(_{1A}\)流向集电极C，相当于把晶体管的集-射极倒过来，因此称I1为反向β引起的漏电流；另一股电流I\(_{2}\)是自T1A流向其它发射极T\(_{1B}\)、T1C……的漏电流（假定这时除T\(_{1A}\)接高电平外，其它T1B、T\(_{1C}\)等都接低电平），各发射极之间形成晶体管“放大”作用，产生所谓交叉“放大”作用，由交叉β引起I2，这两股电流之和，叫做输入交叉漏电流Irjc=I\(_{1}\)＋I2。实际测量表明，Irjc中主要是I\(_{2}\)。交叉漏电流过大，使前级电路输出高电平下降，整机就不能可靠工作。在实际使用经验中，有时遇到输出电平降为1.2伏左右，致使下级门电路时开时关，很不稳定，就是因交叉漏电流大而拉下了前级输出电平。一般Irjc要求小于70微安。

为了抗干扰，常把悬空的输入端经3K电阻接到5伏电源。当Vcc波动上升10％时，少数交叉击穿电压略高于5伏的门电路，输入端会击穿，使交叉漏电流急剧增长，整机就不可靠了。电源电压升高使门电路失灵也是门电路搭配经常出现的一个问题。

（3）输出端的负载能力

电路输出端必须保持额定的输出高电平Vcg和输出低电平Vcd，才能正常工作。输出为高电平时，仅供给下级输入端的反向漏电流，它不会超过输入交叉漏电流Irjc（如带几个门电路，则为几个Irjc），总共超不过几百微安，一般不会有什么问题。输出为低电平时，吸收下一级的输入短路电流Ird，带几个门，就有几个Ird。电路在正常工作时，所能驱动的同类型门电路的数目，叫扇出系数Nc，它是表示输出端负载能力大小的参数。一般门电路的扇出系数Nc=8，输出端吸收下一级的电流为8Ird。如（1）所述，这个电流过大，就会影响输出低电平Vcd。Vcd升高，使低电平抗干扰能力降低，使用可靠性也降低。

使用TTL与非门电路时，应该了解的第三个方面，是它的开关速度问题。平均传输延迟时间t-\(_{y}\)是衡量开关速度的主要指标。t-y表示输出信号的下降、上升边比起输入信号相应的上升、下降边来，平均迟后了多少时间，如图7所示，平均传输延迟时间t-\(_{y}\)=tTy+t\(_{gy}\)2，其中tTy为通导延迟时间,t\(_{gy}\)为截止延迟时间。如果单级延迟时间较长时，几级与非门串接在一起时，总的影响就较大。(天津市四十二中学 凌肇元)