74LS00与非门芯片输入钳位二极管的属性探究*

刘晓东，何松亚

（天津工业大学物理科学与技术学院，天津 300387）

0 引 言

低功耗、采用肖特基势垒二极管和晶体三极管工艺的晶体管-晶体管逻辑（transistor-transistor logic，TTL）74LS00集成与非门芯片已经流行了50 a，广泛应用在各电子技术领域［1-6］，国际上有不少厂家生产符合一定规范的芯片［7］.对于常用的74LS00与非门芯片来说，相对于更早一些的“标准7400”芯片，除了做到各项指标尽可能的兼容外，由于增大了输入级和裂相级限流电阻，整个芯片的静态功耗减小很多［8-14］.然而，比较多厂家的型号 74LS00 芯片，其具体电路参数、甚至局部电路结构相对于“标准/典型的74LS00”电路（美国德州仪器公司TI的SN74LS00N）会有所不同，难免会出现表面上各项指导性指标满足国际规范，但某种电气性能却存在不理想的情况.TTL与非门芯片74LS00的输入特性也会因厂家不同而有所差异.目前，几乎所有国内高校的相关教材中均以SN74LS00N的“肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode，SBD）D1串联20 kΩ上拉电阻R1”结构和参数为标准，给出74LS00与非门芯片的工作原理和指标.本研究采用由“二极管（D）串联电阻（R）系统”的总伏安特性提取内部参数法，结合实测12家74LS00与非门芯片的电源（VCC）与逻辑输入A端的伏安特性（uDR-iDR）、正常输入端伏安特性（uI-iI）和电压传输特性（uO-uI）等特性，确定各家芯片的D1属性和R1值及可能的结构特征.

1 理论部分

1.1 74LS00与非门芯片的标准原理电路

74LS00与非门芯片的标准原理电路如图1所示［11］，图中涉及了各个电阻（R1、R2、R4～6和 RB、RC）的理论设计标准值.本文只探讨与输入级元件——钳位二极管（clamp diode，D1，2）、上拉电阻（pull resistor，R1）和裂相三极管（T2）的偏置电阻（R6）相关的输入伏安特性和电压传输特性等细节问题.

图1 74LS00与非门芯片的标准原理电路与参数［11］

目前普遍认为［7-14］：D1，2为 SBD（以下统一记为D1），导通电压（VDF）为 0.3～0.4 V，比开启电压约高0.1 V.由于默认 T2，5的 B-E 开启电压（Von）和充分导通电压（VF）分别为0.5和0.7 V，因而确定输入低电平最大值（VIL（max））=0.5+0.7-0.4=0.8 V，阈值电压（VTH）=0.7×2-0.2=1.2 V.

多数教材认为uO-uI中实际的0.4 V过渡区“不具有线性区”的理想变化特性是不正确的，在本文随后的实测中会给出复杂的特征.由于无法直接测定D1属性和R1值，所以，首先仿真研究了由DR系统的总伏安特性提取内部参数法，以确信该方法用于提取各厂家芯片D1属性和R1值的准确性.

1.2 DR系统的内部参数提取法仿真

DR系统的内部参数提取法Multisim14仿真原理如图2所示，其中针对流行芯片可能出现的情况仿真了2个DR系统电路：属于小电流SBD的RB751V40串接20 kΩ电阻系统和属于小电流硅基二极管（silicon-based diode，SiD）的 1N4149串接 18 kΩ电阻系统.同时2个系统均采用0～0.25 mA按2%每步变化的电流源（IDR）仿真测量系统的uDR-iDR，使得接近实际芯片的单门输入短路电流，总电压最大值约为5 V.

图2 二极管(D)串联电阻(R)系统的内部参数提取法仿真原理

原理上，二极管D的伏安特性满足

仿真和实测分析中，根据DR系统uDR-iDR离散点数据，由式（2）拟合出 D的内部参数 IS、uT和 R值.为了直观地考察D的属性，应该提取出单独D的uD-iD，则根据拟合出的R值得到

从而提取出单纯的uD-iD.

图 3（a）和（b）分别为仿真 2个 DR系统得到的uDR-iDR和计算提取的uD-iD.图中给出了3个参数的拟合值和拟合误差，经与Multisim14软件的器件库数据（对于SBD的RB751V40，IS=14.19 nA，uT=UT=26 mV；对于SiD的1N4149，IS=0.10 pA，uT=UT=26 mV）对比，R值的拟合结果误差和精确/准度均在0.05%以内.IS和uT的拟合结果误差略大，原因在于小电流状态的取样数据点较少（实际测量也是如此），但其具体值对直接判断D的属性帮助不大.在图3（b）中，IS和uT的二次拟合结果与图3（a）的直接拟合结果完全吻合，在工作电流为0.25 mA时，RB751V40和1N4149的导通压降（VDF）分别约为0.27和0.57 V，分别属于SBD和SiD，与实际器件完全相符.因此，DR系统的内部参数提取法得到的R值是非常可信的，而提取D的伏安特性图可以明确D的属性，其VDF和Von（根据开启电流值Ion定义与VDF有较大不同）可用于其他定量计算.

图3 2个DR系统的Multisim14仿真与拟合结果

2 实验与分析

2.1 输入相关特性的实测和分析

2.1.1 测试芯片、方法和仪器

12家74LS00与非门芯片分别为（按型号字母排序）：01.原荷兰飞利浦公司（74LS00N，PHI）；02.日本电气公司（B74LS00D-T，NEC）；03.原美国仙童公司（DM74LS00N，FSC）；04.美国国家半导体公司（DM74LS00N，NSC）；05.韩国高仕达公司（GD74LS00，GS）；06.日本日立公司（HD74LS00P，H2T）；07.日本三菱公司（M74LS00P，M2T）；08.日本富士通公司（MB74LS00，FUJLI）；09.中国洪利发公司（SN74LS00N，HLT）；10.美国摩托罗拉公司（SN74LS00N，MOT）；11.美国德州仪器公司（SN74LS00N，TI）；12.原意大利社会通用半导体公司（T74LS00DI，SGS）.除厂家09～11，其他厂家并没有完全按照图1所示的“74LS00”标准原理电路的参数进行生产，尽管拥有完全一样的逻辑功能，符合相同的标准要求，但拥有不同的电气特性细节.

通过测量每个厂家5个芯片的标准指标，断定各家的同批次芯片、内部4个与非门Y1～4及每个门的2个输入端A/B的一致性都较佳，为了方便实验复查，统一测试了1号芯片样品的第1个与非门的Y1.

测试uDR-iDR时，将VCC（引脚P14）接可调电压源VC（0～7.5 V）输出，A1（P1，以下简写为 A）串联电流表（统一步调的自变量iDR）后接电源地，所有A2～4接电源地（降低芯片功耗，也避免内部其他门的影响），其包括地（ground，GND）（P7）在内的所有端口悬空，电压表监控VCC-A两端电压uDR；测试uI-iI时，将5 V电压源分别接VCC和GND，电流表（监测iI）串接A1可调电压源VI（0～3.8 V）与地之间，电压表监测A1的uI，所有A2～4接电源地而其他所有端口悬空；测试uO-uI时，将5 V电压源分别接VCC和GND，A1接可调电压源，电压表1监测A1的uI（统一步调的自变量），电压表2监测Y1（P3）的uO，所有A2～4接GND而其他端口悬空.

74LS00与非门芯片的测试实验使用EL-ELL-VI型数字电路教学实验仪，VCC使用实验仪上的5 V电压源，而 VC（0～7.5 V）和 VI分别使用 6和 3节充满的雷摄电池（1 300 mA·h）以及1 kΩ可调电阻器实现，电压和电流测量分别使用DT9205和VC890D万用表.

上海环城绿带建成至今已有20余年,它有效地防止了城市无限蔓延、改善了城市的生态环境、促进城市可持续发展,是一项造福上海人民的跨世纪重大生态工程[1]。始建于1998年的环城绿带百米林带,其中的植物群落经过长时间的自然更新和演替,已经形成了较为稳定的群落结构,但同时也存在着一些问题。

2.1.2 uDR-iDR特性分析

图4（a）和（b）为 12家 74S00与非门芯片的 uDR-iDR特性与 3个参数（IS、uT和 R1）的拟合结果，其中 IS和uT的拟合误差较大但不影响结果，R1拟合误差最大不超过0.06 kΩ.

图5（a）和（b）为按照式（3）计算而得到的12家74S00与非门芯片D1的uD-iD特性，说明提取的数据体现了二极管的属性，其中01、03和04号芯片明显属于SiD，而由于所有二极管D1都工作在很小的电流状态（5 V的VCC情况下均iD＜0.3 mA），10号的D1也应该认为属于SiD.其他8家D1的工作电压均＜0.45 V，可认为其属于SBD.

虽然成功确认了有1/3的厂家没有按照SBD工艺制作74LS00与非门芯片的输入级，但新的问题是，如果输入级结构如标准电路图1所示，则按SiD工艺制作的 74LS00 与非门 VIL（max）将＜0.8 V 的指标（0.3～0.4 V）.造成的后果是：假如 uI=0.7 V，则由于输入级与裂相级相接的VB2点电位被T2，5钳位在1.3～1.4 V，所以输出Y1将为高电平，显然这样的结构设计不合理.于是，需要继续探究其他输入相关的电气特性，如uI-iI和uO-uI.

2.1.3 输入uI-iI特性分析

图 6（a）和（b）给出了 12家 74LS00与非门芯片的输入伏安uI-iI特性，其中uI范围是0～1.7 V，因为超过1.6 V后，所有门的输入电流均可认为是0（即IIH≈0）.从图 6可知，12家 74LS00芯片的与非门 uI-iI特性曲线有明显差异，同样反映了与输入端元件属性、参数和结构相关的定量信息.

（1）uI=0对应的工作点为输入端短路情形，对应电流为输入短路电流IIS（对应标准指标的IIL（max）＜0.4 mA［11］），与图 4 给出的 uDR≈VCC=5 V 时对应的 iDR基本吻合.结合图5所示，计算提取的D1在IIS下的VDF，根据计算可以再次确定R1的值

图4 不同厂家74LS00与非门芯片的uDR-iDR特性与参数的拟合结果

式中各VDF值如图5所示，为各D1在各自IIS附近的压降（取值对应图中的各工作点标号）.由式（4）独立计算导出的R1值列于图6曲线上方，与式（3）直接拟合出的R1值符合得非常好，使间接提取的uD-iD特性更加可信.

图5 不同厂家二极管(D1)的伏安特性(uD-iD)与正向导通压降(VDF)

（2）多数厂家（除05和11号外）与非门的uI-iI特性在较宽的有效低电平范围内是直线下降的，可以用如下公式第3次拟合出R1值

这里，用VDF代替变化不大的D1压降.由此方法拟合出的R1值列于图6曲线的右上方，与前述2个方法得到的R1值也符合得非常好.

图6 不同厂家74LS00与非门芯片的输入伏安特性(uI-iI)

（3）对于05和11号74LS00与非门芯片，都在uI=0.2 V前的小区域内缓慢下降，然后开始快速下降.这种现象可解释为：iI的额外下降来源于裂相级的较大分流作用，分走的电流用于提前打开低电平输出驱动管T5和有源泄放电路，原因就在于电阻R6值比标准值12 kΩ小了很多.于是，可以对实测曲线进行分段拟合，第1小段拟合的阻值对应R1值，而第2大段拟合的阻值对应R1、R6、rbe5和有源泄放电路等效的r6构成的输入级等效内阻：R0=R1//［R6+（rbe5//r6）］，其中 rbe5可按 1～2 kΩ 估算，由于有源泄放电路约等效为恒流源，其等效的r6可认为很大，因而可以忽略.由拟合结果可知，2个R1值同样与前述2个方法得到的值较好符合，而2个R0分别为8.21和7.60 kΩ，说明R6确实很小.

（4）如果约定在iI→0附近的uI为阈值电压（VTH），则12家74LS00与非门芯片的VTH值可分为2组，8家位于1.2 V附近，4家位于1.6 V附近，与前述根据D1导通压降VDF而分的2组完全对应.也就是说，对于D1为SiD的74LS00与非门芯片，VDF本应低0.3～0.4V，反而高了0.3～0.4 V.这说明，这4家74LS00与非门芯片的输入级结构很可能沿用了早期7400与非门芯片的倒置硅基三极管结构，因此需要进一步考察74LS00与非门芯片的uO-uI而给出的VTH来证实.

2.1.4 uO-uI的分析

图 7（a）和（b）给出了 12家 74LS00与非门芯片的实测uO-uI特性，其中多数特性的过渡区具有复杂的结构，本研究不予详细讨论.

图7 不同厂家74LS00与非门芯片的实测uO-uI特性

首先，从05和11号74LS00与非门芯片在uI＜0.8 V的低电平范围内uO线性下降的特征来看，印证了uI-iI特性分析中T5，6提早打开，使uO被动拉低的推断.但是，依然所有值uO＞4.0 V，这说明多数教材给出uO最大值3.6 V（5.0～0.7 V×2）很不严谨.

其次，若约定在uO达到各自的最小低电平电压VOL（多数在 0.1～0.2 V）附近的 uI为 VTH，则分组情况与uI-iI特性分析中得到的结果完全一样，不过对应的VTH均超前0.1～0.2 V，这是因为裂相管T2可以比D1彻底截止提前0.1～0.2 V导通，快速主动压低了uO.

使用uO-uI特性得到的VTH为基准，加上各自的VDF就能得到R1下的钳位电压VCL，如图8所示.D1均为SiD的01、03、04和10号与非门芯片的VCL都接近3VBE=2.1 V，与7400的钳位电压一致，因此，基本能断定其输入级在结构上仍然为7400式的倒置三极管（倒T）结构，这样能够保证和7400一样宽的输入低电平范围，还能降低静态功耗.而其他8家芯片的VCL都接近2VBE=1.4 V，说明其的确采用了74LS00的“单SBD”的“标准”结构.

图8 不同厂家74LS00与非门芯片的输入级钳位电压VCL

3 结 论

通过对目前流行的12家74LS00与非门芯片3个输入相关的特性（DR 系统的 uDR-iDR、uI-iI和 uO-uI）实测、定性和定量分析研究，得出存在2类输入级钳位二极管（SiD和SBD）和对应的2类输入结构（倒T和单SBD）芯片的结论.虽然“标准”的“单SBD”结构占多数，但不能说明该结构是“倒T”结构的改进，具有比“倒T”结构更好的输入特性.同时表明，各个厂家74LS00与非门芯片还具有不同的R1、IIS、裂相管的R6和T5的Von值等.所以，在大学教学与实际电子设计应用中，不宜想当然地认为所有产品均具有教科书中标明的单一结构与参数，以正确使用所拥有的74LS00与非门芯片.